摘要：針對(duì)現(xiàn)有商業(yè)SoPC系統(tǒng)的固有問(wèn)題，提出了基于開(kāi)源IP核與軟件資源的SoPC系統(tǒng)硬件平臺(tái)構(gòu)建方案，并使用Cyclone FPGA進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，證明了該硬件平臺(tái)的實(shí)用性。探討了該平臺(tái)在普及SoPC技術(shù)和研究更高性能系統(tǒng)方面的積極作用。
關(guān)鍵詞：OpenRISC1200可編程片上系統(tǒng)IP核 FPGA
SoC（System on Chip）片上系統(tǒng)是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向，它將原先分立的多個(gè)芯片集成在一塊芯片上，通過(guò)提高芯片的集成度、減少系統(tǒng)芯片的數(shù)量和相互之間的PCB連線(xiàn)、減少PCB面積來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，同時(shí)使系統(tǒng)的性能、功能和可靠性都有很大的提高。隨著新型的高性能、低成本FPGA的出現(xiàn)和綜合技術(shù)的提高，基于FPGA的SoPC(System on Programmable Chip)可編程片上系統(tǒng)正逐步走向市場(chǎng)�；贔PGA的SoPC與基于ASIC技術(shù)的SoC相比，具有設(shè)計(jì)周期短、產(chǎn)品上市速度快、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)成本低、集成度高、靈活性大、維護(hù)和升級(jí)方便、硬件缺陷修復(fù)和排除簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此基于FPGA和包括32位CPU在內(nèi)的各種IP核的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)將是下一代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。
順應(yīng)這個(gè)潮流，F(xiàn)PGA器件的方要供應(yīng)商Altera和Xilinx都推出了各自的SoPC解決方案：Nios系統(tǒng)和MicroBlaze系統(tǒng)。它們功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)環(huán)境和配套IP核完善，是工程應(yīng)用的首選。但是它們只能用在各自廠商的FPGA上，不但配套IP核價(jià)格昂貴，而且用戶(hù)無(wú)法獲得所有源代碼，不利于我國(guó)SoPC技術(shù)的發(fā)展。
針對(duì)這種情況，筆者使用Altera公司的Cyclone FPGA和OpenCores組織提供的各種免費(fèi)、開(kāi)源的IP核，構(gòu)建了以O(shè)penRISC1200CPU為核心，配以各類(lèi)外圍IP核的完全開(kāi)源的SoPC系統(tǒng)，并成功地運(yùn)行了μClinux系統(tǒng)。同時(shí)本系統(tǒng)采用的所有IP核在源代碼不變的情況下可以使用Xilinx的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行綜合、布線(xiàn)，為該系統(tǒng)在其他FPGA平臺(tái)上的運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)。
1 OR1200
本系統(tǒng)使用的OpenRISC1200處理器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)OR1200）是OpenRISC系列RISC處理器內(nèi)核的一員。OpenRISC是由OpenCores組織負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)和維護(hù)、免費(fèi)、開(kāi)源的RISC處理器內(nèi)核家族。OpenRISC1200出現(xiàn)于2001年7月，支持ORBIS32指令集。該指令集包括32位整數(shù)指令、基本的DSP指令、32位的Load和Store指令、程序流程控制指令和特殊指令（實(shí)際上還不支持除法指令）。2002年8月，OpenRISC1200基本成熟，配有比較完善的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和操作系統(tǒng)，改進(jìn)和維護(hù)一直持續(xù)到現(xiàn)在。
OR1200是一種32位、標(biāo)量、哈佛結(jié)構(gòu)、5級(jí)整數(shù)流水線(xiàn)的RISC處理器，它有32個(gè)32位通用寄存器，支持緩存、虛擬存儲(chǔ)器和基本的DSP功能，外部數(shù)據(jù)和地址總線(xiàn)接口符合Wishbone標(biāo)準(zhǔn)。輔助功能包括用于實(shí)時(shí)調(diào)試的調(diào)試單元、計(jì)數(shù)器、可編程中斷控制器和電源管理單元，這些功能大大增強(qiáng)了CPU獨(dú)立工作的能力，對(duì)軟件調(diào)試和操作系統(tǒng)的支持較好，簡(jiǎn)化了整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。OR1200的標(biāo)準(zhǔn)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
CPU/DSP單元是OR1200處理器的核心，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
當(dāng)使用0.18μm和6層金屬工藝時(shí)，OR1200的主頻可達(dá)300MHz，此時(shí)可以提供300Dhrystone2.1MIPS和300M次/秒的32×32的DSP乘加操作能力。
OR1200在2002年9月被Flextronics公司選中，用于集成在Flextronics的設(shè)計(jì)中，并提供商業(yè)服務(wù)。2003年8月，F(xiàn)lextronics公司成功實(shí)現(xiàn)了集成OR12000、10Mbps/100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)MAC控制器、32位33MHz/66MHzPCI接口、16550兼容UART和Memory控制器的SoC芯片，并成功運(yùn)行了μClinux和Linux操作系統(tǒng)。
2 板級(jí)系統(tǒng)組成
板級(jí)系統(tǒng)以Altera的Cyclone系列FPGA EP1C12QC240為核心，配以EPCS4配置存儲(chǔ)器和配置電路組成核心系統(tǒng)，再配以2片29LV160DB NOR Flash(4MB)、2片IS61LV25616 SRAM(1MB)、2片HY561620 SDRAM(64MB)、1個(gè)RS232串行口、1個(gè)通用JTAG接口和8段LED、按鈕、撥碼開(kāi)關(guān)組成基本系統(tǒng)。Flash、SRAM和SDRAM組成存儲(chǔ)系統(tǒng)，它們共用FPGA的存儲(chǔ)器總線(xiàn)，大大減少了存儲(chǔ)系統(tǒng)占用的FPGA管腳數(shù)，并為系統(tǒng)提供了運(yùn)行大型軟件所需要的存儲(chǔ)器空間。通用JTAG接口可以通過(guò)專(zhuān)用接口電纜與PC機(jī)的并口相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU的在線(xiàn)調(diào)試和系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的訪(fǎng)問(wèn)。串行口可以為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的控制臺(tái)，并可以作為向系統(tǒng)下載大量數(shù)據(jù)的通道。因此，基本系統(tǒng)的組成足以調(diào)試和運(yùn)行基本的μClinux系統(tǒng)。
完整的板級(jí)系統(tǒng)的組成框圖如圖3所示，它除了基本系統(tǒng)以外，還包括1片10Mbps/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)PHY芯片、320×240彩色STN LCD、10位×3通道視頻DAC和2個(gè)PS2接口。使用以上完整的板級(jí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)界面應(yīng)用，再配以μClinux操作系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
3 內(nèi)核的集成、仿真與驗(yàn)證
內(nèi)核的集成、仿真與驗(yàn)證是建立本平臺(tái)的難點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)上述所有功能，除了OpenRISC1200 CPU外，至少還需要以下IP：
·Wishbone總線(xiàn)互連；
·CPU Debug模塊；
·通用I/O控制器；
·片內(nèi)高速RAM控制器；
·16550兼容UART控制器；
·Memory控制器；
·10Mbps/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)MAC控制器；
·VGA/LCD控制器；
·8042兼容PS/2控制器。
以上多數(shù)IP可以從OpenCores獲得，像通用I/O控制器和片內(nèi)高速RAM控制器這類(lèi)簡(jiǎn)單的IP，可以自己編寫(xiě)。不過(guò)需要注意的是，為了使系統(tǒng)能夠正確地運(yùn)行或者獲得更好的綜合效果，多數(shù)IP在集成時(shí)都要進(jìn)行修改。需要修改的IP及其修改內(nèi)容如下：
·OR1200：通用寄存器組、緩存、MMU使用的RAM塊需要針對(duì)Synplify進(jìn)行修改，以便能夠綜合至M4KRAM塊中，MMU、DSP MAC單元根據(jù)需要決定是否在配置中去掉，以提高速度，減少邏輯資源的占用；
·Wishbone總線(xiàn)線(xiàn)連：添加空穴地址空間的訪(fǎng)問(wèn)處理；
· UART控制器：數(shù)據(jù)接收和發(fā)送FIFO需要針對(duì)Synplify進(jìn)行修改，以便能夠綜合到M4K RAM塊中；
·Memory控制器：添加復(fù)位后的默認(rèn)值配置，以便系統(tǒng)可以選擇從Flash或者SRAM啟動(dòng)；
·以?xún)?nèi)網(wǎng)控制器：控制寄存器和FIFO需要針對(duì)Synplify進(jìn)行修改，以便能夠綜合進(jìn)M4K RAM塊中，并且需要添加對(duì)不支持Burst模式的Wishbone總線(xiàn)互連接口的支持；
·VGA/LCD控制器：顯示FIFO需要針對(duì)Synplify進(jìn)行修改，以便能夠綜合進(jìn)M4K RAM塊中，并且需要修改對(duì)掃描時(shí)鐘輸出的控制。
使用以上IP構(gòu)建的系統(tǒng)內(nèi)核的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。中間模塊是Wishbone總線(xiàn)互連IP，它有8個(gè)主設(shè)備、8個(gè)從設(shè)備接口。OR1200的指令和數(shù)據(jù)接口各占用了一個(gè)主設(shè)備接口。Debug模塊需要訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)空間，因此也用了一個(gè)主設(shè)備接口。以太網(wǎng)控制器使用主存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)、獲得數(shù)據(jù)，VGA/LCD控制器使用主存儲(chǔ)器獲得顯示緩沖數(shù)據(jù)，因此它們也都占用了一個(gè)主設(shè)備接口。以太網(wǎng)、VGA/LCD和Memory控制器的控制寄存器空間各占用了一個(gè)從設(shè)備接口，Memory控制器的存儲(chǔ)器空間占用了一個(gè)從設(shè)備接口，其余的UART、PS/2、I/O和片內(nèi)RAM控制器各占用了一個(gè)從設(shè)備接口。
為保持軟件的兼容性，在設(shè)置Wishbone總線(xiàn)互連IP各個(gè)主設(shè)備和從設(shè)備的地址以及分配中斷號(hào)時(shí)，需要符合ORP標(biāo)準(zhǔn)。ORP(OpenRESC Reference Platform)是一個(gè)對(duì)基于OpenRISC處理器的系統(tǒng)的定義，它包括存儲(chǔ)器空間、外圍設(shè)備的地址定義和中斷向量的分配。其作用是標(biāo)準(zhǔn)化基于OpenRISC的硬件和軟件的設(shè)計(jì)，提高軟件可重用性并縮短硬件設(shè)計(jì)的驗(yàn)證時(shí)間。
在進(jìn)行完各個(gè)IP的單獨(dú)測(cè)試后，使用OR1200的軟件開(kāi)發(fā)包GCC對(duì)系統(tǒng)引導(dǎo)程序和μClinux進(jìn)行編譯，并將得到的二進(jìn)制文件嵌入到存儲(chǔ)器仿真文件中，對(duì)系統(tǒng)的初始化、引導(dǎo)和操作系統(tǒng)的啟動(dòng)進(jìn)行仿真。
在仿真成功后，進(jìn)行了下載驗(yàn)證。由于使用的EP1C12器件的邏輯容量有限，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)以上所有功能，因此設(shè)計(jì)了兩個(gè)配置方案，分別而向網(wǎng)絡(luò)和個(gè)人終端。前者具備以太網(wǎng)功能，但是沒(méi)有PS/2和VGA/LCD控制器，后者相反。使用Synplify和QuartusII軟件對(duì)個(gè)人終端配置的系統(tǒng)進(jìn)行綜合、布局布線(xiàn)后，系統(tǒng)速度和各模塊所占邏輯單元Les(Logic Elements)的情況如表1所示。
表1 系統(tǒng)速度和各模塊所占LEs
