在OpenBus系統(tǒng)基礎(chǔ)上的FPGA嵌入式設(shè)計(jì)方案詳解

在OpenBus系統(tǒng)基礎(chǔ)上的FPGA嵌入式設(shè)計(jì)方案詳解現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA（FieldProgrammableGateArray）是美國(guó)Xilinx公司于1984年首先開發(fā)的一種通用型用戶可編程器件。FPGA內(nèi)部由可綰程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的I／O單元陣列構(gòu)成，包含豐富的邏輯門、寄存器和I／O資源。目前，面向大規(guī)?？删幊唐骷降膹V泛應(yīng)用，正在不斷地加速電子設(shè)計(jì)技術(shù)從硬件電路設(shè)計(jì)向“軟”設(shè)計(jì)的過渡。AltiumDesigner是傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)軟件Protel的高端設(shè)計(jì)版本，除了具備基本的電路原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)功能外，它的特色主要在于增強(qiáng)了FPGA開發(fā)功能，將電子產(chǎn)品的板級(jí)設(shè)計(jì)、可縮程邏輯設(shè)計(jì)和嵌入式設(shè)計(jì)開發(fā)融合在一起。傳統(tǒng)的FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)多是基于硬件描述語言VHDL或者Verilog來完成的，需要開發(fā)者具備一定的硬件描述語言知識(shí)，而且這種方式的設(shè)計(jì)就可讀性而言具有一定的復(fù)雜度。AltiumDesigner提出了一種系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)概念——OpenBus系統(tǒng)，這是一種全新的系統(tǒng)級(jí)的FPGA設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法避開了傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)中用硬件描述語言來編程、仿真和驗(yàn)證等步驟，以更加抽象的方式表示了處理器與外圍設(shè)備間的互聯(lián)，降低了FPGA設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，簡(jiǎn)化了FPGA設(shè)計(jì)。AltiumDesigner的創(chuàng)新電子設(shè)計(jì)平臺(tái)NanoBoard3000提供了將嵌入式智能作為設(shè)計(jì)核心的設(shè)計(jì)環(huán)境，在這個(gè)平臺(tái)上可以調(diào)試、下載FPGA嵌入式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電路硬件設(shè)計(jì)和基于“軟核”處理器的嵌入式軟件設(shè)計(jì)。1基于OpenBus系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素1．1OpenBus瞄系統(tǒng)“OpenBus系統(tǒng)”是一個(gè)描述一種使用普通總線實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)邏輯功能性“模塊”連接的術(shù)語。通過這種方法，用戶能夠很快地裝配一個(gè)包含滿足應(yīng)用需求的各種功能在內(nèi)的系統(tǒng)。具體來說，OpenBus系統(tǒng)是AltiumDesigner軟件自帶的高端IP模塊，包含Connectors（連接器）、Processors（處理器）、Memories（存儲(chǔ)器）、Peripherals（外圍設(shè)備）等，如圖1的OpenBusPalette面板所示。設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，直接在OpenBusPalette面板調(diào)用相關(guān)的IP模塊，即OpenBus器件，連接構(gòu)成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。但要注意的是，這些IP模塊在調(diào)用后，還需要進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置才能使用。這種OpenBus系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的將處理器和外圍電路作為元件放置在電路板上不同，它移除了所有低級(jí)別的走線和互連細(xì)節(jié)，能夠快速地構(gòu)建系統(tǒng)。1．2FPGA設(shè)計(jì)元件庫(kù)與軟件平臺(tái)搭建器除了OpenBusPalette面板中的OpenBus器件，要完成FPGA嵌入式設(shè)計(jì)，還需要使用AltiumDesigner軟件中的FPGA設(shè)計(jì)元件庫(kù)。這些元件庫(kù)提供了FPGA設(shè)計(jì)中所需的外圍器件。AltiumDesigner軟件提供的常用的FPGA設(shè)計(jì)元件庫(kù)有：FPGANB3000Port-Plugin．IntLib、FPGAPeripherial．IntLib、FPGAGeneric．IntLib、FPGAConfigumbleGeneric．IntLib、FPGAInstruments．IntLib等。與OpenBus系統(tǒng)配合進(jìn)行FPGA嵌入式設(shè)計(jì)的，還有軟件平臺(tái)搭建器SwPlatform。因?yàn)檫M(jìn)行FPGA嵌入式設(shè)計(jì)時(shí)，F(xiàn)PGA器件的外圍引腳常需要驅(qū)動(dòng)如LED、觸摸屏、揚(yáng)聲器等硬件設(shè)備。而要使這些硬件設(shè)備能正常工作，就要在設(shè)計(jì)中包含相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)代碼。這些硬件的驅(qū)動(dòng)代碼無需自行編寫，AltiumDesigner的軟件平臺(tái)搭建器SwPlatform可以把所有連接外設(shè)所需的低階驅(qū)動(dòng)代碼整合一起。軟件平臺(tái)搭建器SwPlatform采用圖形化方式連接用戶的應(yīng)用程序與底層硬件。在進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)時(shí)，軟件平臺(tái)搭建器SwPlatform可以自動(dòng)地由FPGA設(shè)計(jì)的硬件部分獲取底層硬件的信息。如圖2所示，軟件平臺(tái)搭建器SwPlatform自動(dòng)根據(jù)底層信息（Wrapper，棧層中的HARDWARE部分）提供對(duì)于硬件的驅(qū)動(dòng)（Driver，棧層中的SOFTWAREPLATFORM部分）以及服務(wù)程序（Context，棧層中的APPLICATIONCODE部分）。設(shè)計(jì)時(shí)只需關(guān)注構(gòu)建設(shè)計(jì)本身的應(yīng)用程序代碼，不需要考慮過多的底層驅(qū)動(dòng)代碼。1．3創(chuàng)新電子設(shè)計(jì)平臺(tái)NanoBoard3000AltiumDesigner的創(chuàng)新電子設(shè)計(jì)平臺(tái)NanoBoard3000，板載Xilinx公司的FPGA芯片SpartamXC3S1400AN。通過USB接口，將裝有AltiumDesigner軟件的PC機(jī)與NanoBoard3000連接，AltiumDesigner軟件就可以與NanoBoard3000直接通信，下載并交互地開發(fā)和調(diào)試程序。設(shè)計(jì)過程中無需仿真環(huán)境，加快了開發(fā)流程。NanoBoard3000板上資源豐富，含高級(jí)的I2S立體聲系統(tǒng)，有板載放大器、混音器及立體聲揚(yáng)聲器。全面的視頻輸出，包括S-Video、混合視頻的輸入輸出及VGA輸出。標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)器接口，包括IDE、Compactflash及SD內(nèi)存卡。各種標(biāo)準(zhǔn)通信接口，包括USB、Ethemet、RS-232串口、CAN、pS／2miniDIN。另外，還有各種通用開關(guān)和LED。FPGA設(shè)計(jì)下載前需要配置管腳約束文件，目的是讓設(shè)計(jì)輸入輸出端口與目標(biāo)FPGA器件的管腳對(duì)應(yīng)起來。在AltiumDesigner軟件中進(jìn)行FPGA嵌入式設(shè)計(jì)，下載程序時(shí)，選擇自動(dòng)配置約束文件功能，就可為FPGA設(shè)計(jì)自動(dòng)添加管腳約束文件。2基于OpenBus系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)文中基于OpenBus系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)32位處理器TSK3000A控制LED的FPGA嵌入式工程。將嵌入式程序代碼“嵌入”到TSK3000A處理器中，在軟件平臺(tái)搭建器SwPlatform提供底層驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，用C語言編寫應(yīng)用程序代碼，控制NanoBoard3000開發(fā)板上的LED。同時(shí)，自動(dòng)配置FPGA約束文件，在創(chuàng)新電子平臺(tái)NanoBoard3000上下載程序。程序下載調(diào)試成功后，可以看到LED的亮暗情況與嵌入式代碼中預(yù)先設(shè)計(jì)的一樣，表明設(shè)計(jì)是完全正確的。2．1OpenBus系統(tǒng)設(shè)計(jì)與頂層原理圖設(shè)計(jì)在AltiumDesigner中新建一個(gè)FPGA工程，為工程添加原理圖文件和OpenBus文件。打開OpenBusPalette面板，調(diào)用LEDController、連接器Interconnect、32-bitRISCProcessorTSK3000A、SBAMController等元件，合理配置OpenBus器件參數(shù)，完成OpenBus文件的設(shè)計(jì)，如圖3所示。將圖3的OpenBus文件生成原理圖符號(hào)，在設(shè)計(jì)的頂層原理圖中調(diào)用。調(diào)用FPGA設(shè)計(jì)元件庫(kù)中的其他外圍組成電路的元器件，連線完成頂層原理圖的設(shè)計(jì)，如圖4所示。2．2軟件平臺(tái)搭建器SwPlatform與嵌入式代碼設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中要用32-bitRISCProcessorTSK3000A處理器來控制LED，需要添加LED的驅(qū)動(dòng)程序，如圖5所示。在器件棧中選擇ImportfromFPGA按鈕，AltiumDesigner將自動(dòng)檢查FPGA工程，添加LEDController和LEDControllerDrive，這樣就為L(zhǎng)ED器件完成了硬件驅(qū)動(dòng)程序的添加。在軟件平臺(tái)搭建器SwPlatform完成LED器件底層硬件驅(qū)動(dòng)代碼的基礎(chǔ)上，用C語言設(shè)計(jì)應(yīng)用程序代碼，實(shí)現(xiàn)32—bitRISCProcessorTSK3000A處理器控制LED器件的功能。NanoBoard3000上有一組共8個(gè)LED（RGBUSERLEDS）。程序代碼擬控制LED7的亮度值為最大值的一半，LED0的亮度每隔一定的時(shí)間，逐漸增強(qiáng)然后熄滅。程序代碼清單如下：上述程序中的led_open函數(shù)、led_set_intensity函數(shù)都可以在AltiumDesigner軟件的知識(shí)中心面板查看到其具體含義和調(diào)用方法。2．3FPGA管腳映射與設(shè)計(jì)下載FPGA設(shè)計(jì)必不可少的一步是通過約束文件，建立設(shè)計(jì)端口與實(shí)際目標(biāo)FPGA器件真實(shí)引腳之間的連接關(guān)系。約束文件中詳細(xì)列出了端口到引腳的映射及其它相關(guān)的設(shè)計(jì)特性，如時(shí)鐘分配等。配置管理器會(huì)自動(dòng)打開，顯示檢測(cè)到的約束文件并添加到工程中，約束配置文件就創(chuàng)建完成了。連接NanoBoard3000與裝有AltiumDesigner軟件的電腦，成功下載設(shè)計(jì)后，占用的資源情況，如圖6所示。在NanoBoard3000開發(fā)板上可以看到，最左側(cè)的LED7的亮度是程序中設(shè)定的數(shù)值，而最右側(cè)的LED0亮度則是逐漸變化的，LED的亮暗變化情況與設(shè)計(jì)意圖一致。3結(jié)論基于OpenBus系統(tǒng)的FPGA嵌