引 言

　　SoPC可編程片上系統(tǒng)是一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng),。首先，它是片上系統(tǒng)（SoC）,，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能,；其次，它是可編程系統(tǒng),，以FPGA為硬件基礎(chǔ),，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減,、可擴(kuò)充,、可升級(jí)，并具備軟硬件系統(tǒng)在線可編程的功能,。

　　IP（Intellectual Property）知識(shí)產(chǎn)權(quán)是SoC設(shè)計(jì)中非常重要的內(nèi)容,。資源復(fù)用(IP Reuse)是指在集成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)繼承,、共享或購(gòu)買所需的部分或全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)內(nèi)核(IP Core)進(jìn)行設(shè)計(jì),、綜合和驗(yàn)證，從而加速流片設(shè)計(jì)過(guò)程的設(shè)計(jì)方法,。IP技術(shù)包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：IP核的生成和IP核的重用,。本設(shè)計(jì)中采用VHDL語(yǔ)言，構(gòu)建一個(gè)功能強(qiáng)大的完整DDS模塊,，并根據(jù)IBM CoreConnect總線連接規(guī)范,，在DDS模塊外面添加OPB（Onchip Peripheral Bus）片上外設(shè)總線接口，封裝為自定義IP,，添加到硬件系統(tǒng)中,。

　　對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，利用SoPC和IP的優(yōu)勢(shì)是可以利用最少的元器件,，創(chuàng)建一個(gè)易配置,、易擴(kuò)展、易修改并且易于繼

承使用的集成系統(tǒng),。該系統(tǒng)的創(chuàng)建是基于Xilinx公司提供的嵌入式開(kāi)發(fā)工具包EDK（Embedded Development Kit）來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。EDK自帶了MicroBlaze軟核和PowerPC硬核微處理器及大量免費(fèi)IP，有利于構(gòu)建簡(jiǎn)易系統(tǒng),。針對(duì)MicroBlaze及PowerPC提供的C語(yǔ)言編譯器,，可使系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)易。對(duì)基于MicroBlaze的系統(tǒng),，MicroBlaze通過(guò)OPB總線與外設(shè)IP及外部存儲(chǔ)器控制接口相連接,，通過(guò)LMB（Local Memory Bus）總線與FPGA片上塊存儲(chǔ)器BRAM（Block RAM）相連接，還可以通過(guò)EMC（External Memory Control）等存儲(chǔ)器控制IP擴(kuò)展片外RAM或ROM。

       1 系統(tǒng)的架構(gòu)

　　本設(shè)計(jì)采用SoPC可編程片上系統(tǒng)的思想,，利用Xilinx的Spartan3系列XC3S400 FPGA,，通過(guò)EDK開(kāi)發(fā)工具包的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境XPS(Xilinx Platform Studio)完成了FPGA硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及基于此硬件系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。圖1是基于EDK的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程圖,，設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分,。硬件設(shè)計(jì)符合基于HDL硬件描述語(yǔ)言的EDA開(kāi)發(fā)流程，是根據(jù)硬件系統(tǒng)合理使用總線IP和外設(shè)IP,，并為各個(gè)實(shí)例定義地址范圍以及輸出端口和時(shí)鐘,，經(jīng)過(guò)綜合及布線后形成硬件配置文件。軟件設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)類似,，是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上根據(jù)處理器所支持的指令集以及編譯環(huán)境編寫(xiě)程序代碼,，然后對(duì)代碼編譯燒寫(xiě)及調(diào)試。

　　　　　　

                                                          圖1EDK系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

　　該設(shè)計(jì)通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字部分,。系統(tǒng)的示意圖如圖2所示,。

　　　　　　

                                                                 圖2系統(tǒng)示意圖

　　　　

&nbs p;                                                     圖3 FPGA內(nèi)部的硬件系統(tǒng)

                        圖4 MicroBlaze處理器架構(gòu)圖

　　在FPGA內(nèi)部，以MicroBlaze為控制核心,，以DDS IP為波形發(fā)生功能實(shí)現(xiàn)核心,，同時(shí)加入了其他的IP核，諸如調(diào)試用的MDM（Microprocessor Debug Module）,，用于與PC進(jìn)行通信的UART（Universal Asynchronous Receiver & Transmitter）通用異步傳輸模塊,，以及LCD顯示和4×4按鍵控制模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高度集成,。FPGA硬件系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字量,，外圍電路加上高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器件DAC902，把波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬波形,，即實(shí)現(xiàn)了完整的可編程片上系統(tǒng)的波形發(fā)生器,。

       2 硬件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)以32位MicroBlaze軟核處理器為系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行,。各種IP包括自主編寫(xiě)的以及EDK自帶的,，使用XPS下的ADD/Edit Cores工具，通過(guò)相應(yīng)類型的總線連接到MicroBlaze上,。其中UART,、LCD、GPIO和自主編寫(xiě)的DDS的IP都是通過(guò)OPB（Onchip Peripheral Bus）片上外設(shè)總線連接到處理器上的,。程序存儲(chǔ)器RAM則是由FPGA內(nèi)部的BRAM實(shí)現(xiàn),，并通過(guò)LMB(Local Memory Bus)本地存儲(chǔ)器總線與MicroBlaze相連接。自主編寫(xiě)的IP與總線間的接口符合CoreConnect規(guī)范,，實(shí)現(xiàn)了IP間的無(wú)縫結(jié)合,，方便了數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)及時(shí)序控制。圖3給出了在FPGA內(nèi)部由各種IP組合成的可編程硬件系統(tǒng),。

　　硬件系統(tǒng)所包含的器件如圖3右部分所示,。Microblaze_0是該系統(tǒng)的CPU，其中的debug_module為調(diào)試模塊,，dlmb_cntlr和 ilmb_cntlr為片上BRAM控制器,。Lmb_bram為片上BRAM，它通過(guò)LMB總線與 BRAM控制器相連,，接受CPU的讀寫(xiě)訪問(wèn),。DDFS是為實(shí)現(xiàn)DDS編寫(xiě)的IP模塊。RS232為UART模塊,，用于與其他設(shè)備的通信以及程序調(diào)試,。LCD IP負(fù)責(zé)128×64點(diǎn)陣液晶的顯示控制。 COL和ROW是例化后的GPIO接口,，用于連接4×4鍵盤,。

       2.1 MicroBlaze軟核處理器

　　MicroBlaze是Xilinx提供的32位微處理器IP核，是哈佛結(jié)構(gòu)的RISC微處理器,，有較高的性能,。它可以在性價(jià)比很高的SpartanIII系列FPGA上實(shí)現(xiàn)。EDK為其提供了MBGCC,，支持C及C++語(yǔ)言,。 MicroBlaze架構(gòu)如圖4所示。

　　該處理器含有32個(gè)32位的通用寄存器,2個(gè)專用寄存器,，獨(dú)立的32位數(shù)據(jù)和指令總線,，并與IBM的OPB總線完全兼容，具有32位的指令寬度支持三個(gè)操作數(shù)和兩種尋址模式,，以及可選的硬件乘除法及浮點(diǎn)運(yùn)算單元,。

       2.2 DDS IP的實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)字直接頻率合成技術(shù)(Direct Digital Frequency Synthesis,簡(jiǎn)稱DDS或DDFS)的基本原理是利用采樣定理，通過(guò)查表法產(chǎn)生波 形,其基本電路原理如圖5所示,。
 

　　DDS的頻率及步進(jìn)容易控制,，且合成的頻率取決于累加器及查找表的速度，采用FPGA可以很好的發(fā)揮這項(xiàng)優(yōu)勢(shì),，獲得精細(xì)的步進(jìn)及寬頻帶,。使用HDL硬件描述語(yǔ)言，可以很方便的描述出DDS的FPGA硬件實(shí)例,。在基本的DDS模塊上,，添加相應(yīng)的控制寄存器，通過(guò)向不同的寄存器內(nèi)寫(xiě)入相應(yīng)的控制字,，實(shí)現(xiàn)頻率以及幅度的可控性,。最后通過(guò)IBM CoreConnect技術(shù),，在DDS模塊外面添加總線接口，作為自定義IP,，成功地將其掛載到系統(tǒng)總線上,，便可以方便的對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，實(shí)現(xiàn)DDS模塊與MicroBlaze的通信,。圖6是從用戶邏輯到成為符合IBM CoreConnect技術(shù)規(guī)范的DDS IP的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,。

　　DDS的VHDL代碼作為子模塊與opb_core_ssp0_ref.vhd模塊共同構(gòu)成opb_DDS IP Core，其中ipif（IP InterFace ）符合IBM CoreConnect規(guī)范,，負(fù)責(zé)DDS邏輯與OPB總線之間的通信,。在EDK中，通過(guò)Create/Import IP工具把opb_DDS添加到系統(tǒng)中,，并為其分配地址,，建立端口連接，之后就可以使用該IP了,。DDS IP配合控制程序可產(chǎn)生各種波形,，并對(duì)頻率、幅

度進(jìn)行精確的控制,。

       2.3 其余部分

　　系統(tǒng)所需要的LCD顯示,、DAC控制等模塊，均通過(guò)與生成DDS IP相同的方式,，編寫(xiě)為符合IBM CoreConnect總線規(guī)范的IP,，以供使用。

　　在硬件系統(tǒng)構(gòu)建完畢之后,，使用Platgen工具生成網(wǎng)表文件和Bitgen工具生成相應(yīng)的硬件配置文件,。若將工程導(dǎo)入到ISE軟件中，可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置,，還可以將工程導(dǎo)入到其他的綜合工具如Synplify Pro進(jìn)行實(shí)現(xiàn),。IP核的編寫(xiě)是在ISE中完成的。無(wú)論對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)還是一個(gè)單獨(dú)的IP,，都可以利用Modelsim工具進(jìn)行行為及時(shí)序仿真,。最后，為此系統(tǒng)描寫(xiě)XBD（Xilinx Board Description）板級(jí)描述文件,，通過(guò)此文件,，EDK可以通過(guò)BSB(Base System Builder)模式自動(dòng)生成基本的硬件系統(tǒng)，并對(duì)所添加的端口進(jìn)行約束,，這樣可以實(shí)現(xiàn)資源的繼承性使用,。
 

                                                             圖5 DDS原理硬件實(shí)現(xiàn)圖

　　　　　　　　

                                                             圖6 DDS IP的實(shí)現(xiàn)方式示意圖

       3 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　EDK提供了免費(fèi)的GNU C Compiler，可以支持標(biāo)準(zhǔn)C,。同時(shí),，EDK為多種IP以API的形式提供了驅(qū)動(dòng)函數(shù),，有利于程序的開(kāi)發(fā)。XPS所集成的軟件工程管理工具允許在一個(gè)硬件平臺(tái)上同時(shí)開(kāi)發(fā)多個(gè)軟件工程,。完成軟件代碼的編寫(xiě)后,，使用EDK集成的XMD和GDB調(diào)試器對(duì)代碼進(jìn)行仿真和調(diào)試，也可以配合ChipScope（片內(nèi)邏輯分析儀）進(jìn)行硬件及軟件的協(xié)同調(diào)試,。XMD通過(guò)MDM模塊和JTAG口連接目標(biāo)板上的CPU,，GDB可以對(duì)程序進(jìn)行單步調(diào)試或斷點(diǎn)設(shè) 置,。針對(duì)本設(shè)計(jì)及應(yīng)用,，編寫(xiě)了系統(tǒng)控制及液晶顯示程序。程序編譯后生成為elf文件,，通過(guò)Update bitstream工具把程序同硬件配置文件合成為Download.bit文件,，把此文件下載到目標(biāo)板后，F(xiàn)PGA首先根據(jù)硬件配置信息建立硬件系統(tǒng),，并把程序代碼映射到片內(nèi)BRAM中,，最后啟動(dòng)MicroBlaze,運(yùn)行程序。

       4 總結(jié)

　　本系統(tǒng)基于FPGA,以MicroBlaze為核心,，加入具有良好特性的DDS IP,，并輔以必要的外圍電路，構(gòu)成了高度集成化的系統(tǒng),。另外,，SoPC系統(tǒng)的柔性配置，使得可以基于此系統(tǒng)擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器,，并可以實(shí)現(xiàn)RTOS操作系統(tǒng)的移植,，以實(shí)現(xiàn)更豐富的功能和完成更復(fù)雜的任務(wù)。

參考文獻(xiàn)
1 徐欣,，盧啟中,，于紅旗. 基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004
2 高吉祥,丁文霞. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程與設(shè)計(jì). 北京：電子工業(yè)出版社，2002
3 Xilinx Software tools User Guide