（电路与系统专业论文）基于leon处理器核的信息安全soc平台设计.pdf

中国利学技术大学硕士：学位论文 摘要 近年束，集成电路技术迅速发展，芯片的规模和设计的复杂度不断增加，市 场的竞争程度也日趋激烈，产品投放时间越来越短，这些因素对设计者和设计工 具部提出了更新更高的要求。因此集成电路向系统级芯片的转变不仅仅是一种概 念上的突破，同时也是信息技术发展的必然产物和结果。传统的设计方法，如基 于时序的设计，基于模块的设计都已经不能满足系统级芯片的设训要求，因此很 多新的设计方法如基于平台的设计成为新的研究热点。 本文的研究内容是以欧洲航天局( e s a ) 主持开发的开放性3 2 位l e o n 2 处 理器为核心，以研究应用于信息安全方面的s o c 设计平台为切入点，将基于平 台设计的技术和理念贯穿于整个的内容组织之中，完成了以下工作。 1 本文给出了一种信息安全s o c 平台的设计方法。该平台采用了l e o n 2 处理器核和a m b a 2 0 片上总线，集成了d e s ，3 d e s a e s 等加密算法i p ，构 建了一种新颖的信息安全s o c 平台架构。 2 本文完成了3 2 位l e o n 2 嵌入式处理器核在f p g a 上的实现。同时采用 d h r y s t o n e 基准测试程序评估了l e o n 2 ，o p e n r i s c l 2 0 0 和n i o s l i 的性能。结果 表明：l e o n 2 的性能最高，可达0 8 2 d m i p s m h z 。 3 本文在a s i c 的o 1 8 mc m o s 工艺库下，对l e o n 2 进行了仿真和综合。 结果表明：整个设计的面积为1 5 万门，频率可达1 6 0 m h z 。 4 本文采用t o p d o w n 的设计方法，设计完成了a m b a 2 0 总线i p 核。同 时本文还对比研究了a m b a ，c o r e c o n n e c t 和w i s h b o n e 等各类总线的特点以 及它们适用的设计类型。 5 本文用t e l 语言设计了s o c 平台的g u i 开发环境，实现了包括l e o n 2 处理器核的配置，s o c 平台的配置以及d e s ，3 d e s 和a e s 等加密算法核的选 择等多种功能。 关键词基于平台的设计；s o c 安全加密平台；3 2 位嵌入式处理器；片上总线 l e o n 2 ：a m b a 2 o 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t ，t h ec h i pb e c o m e sn i o r e c o m p l e xw i t hi n c r e a s i n gn u m b e r so ft r a n s i s t o r so nas i n g l ed i ea n dt h ec o m p e t i t i o n b e c o m e si n c r e a s i n g l yf i e r c ew i t ht h es h o r t e rt i m e t o m a r k e tf b rn e wp r o d u c t i tb r i n g s n e wc h a l l e n g e sf o rb o t hd e s i g n e r sa n de d at o o l s t h e r e f o r e ，t h ec h a n g eo fd e s i g n f r o mc i r c u i t 。_ l e v e lt oc h i p _ l e v e li sn o to n l yt h eb r e a k t h r o u g ho fm e t h o d o l o g yb u ta l s o t h er e s u l to ft h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h et r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o d o l o g i e s ，s u c ha st i m i n g d r i v e nd e s i g na n db l o c k - b a s e dd e s i g n ，c a l l tm e e tt h e f l e wd e m a n do fs y s t e m l e v e lc h i pd e s i g n s os o m en e w m e t h o d o l o g i e sa r ei n t r o d u c e d a n db e c o m et h eh o tt o p i ci ni n d u s t r y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep l a t f o r m b a s e dm e t h o d o l o g yi nt h ea p p l i c a t i o no f i n f o r m a t i o ns e c u r i t ye n c r y p t i o na n di ti n t r o d u c e sas o ce n c r y p t i o np l a t f o r mb a s e d t h eo p e ns o u r c e3 2 b i t e m b e d d e dp r o c e s s o rl e o n 2 ，w h i c hi sd e v e l o p e db ye u r o p e s p a c ea g e n c y a m b a 2 0i ss e l e c t e dt ob et h eo n c h i pb u so ft h ep l a t f o r m t h e e n c r y p t i o ni p s ，s u c ha sd e s ，3 d e sa n da e s ，a r ei n t e g r a t e di n t ot h es o cp l a t f o r m t h ep a p e rp r e s e n t sa r c h i t e c t u r e so ff o u rr i s cp r o c e s s o ri pc o r e s ，l e o n 2 ， o p e n r i s c l 2 0 0 ，m i c r o b l a z ea n dn i o s i i t h et e s ts y s t e m s ，b a s e d o nt h et h r e e p r o c e s s o rc o r e sr e s p e c t i v e l y , a r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e do nf p g at oe v a l u a t et h e i r p e r f o r m a n c e su s i n gd h r y s t o n e 2 1b e n c h m a r k t h ep a p e ra l s o p r e s e n t st h ec o m p a r i s o no fa r e aa n df r e q u e n c yo na s i c ， s y n t h e s i z e du s i n g0 18 u mc m o sl i b r a r yb e s i d e s ，t h ep a p e rg i v e sad e s c r i p t i o no ft h e t o p d o w nm e t h o d o l o g yd e s i g no ft h ea m b a 2 0a r c h i t e c t u r ew h i c hi sc o m p r i s e do f a h ba n d a p b a tl a s t ，t h ep a p e rd e s c r i b e sag u id e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fs o cp l a t f o r m ， i n c l u d i n gt h ec o n f i g u r a t i o no fl e o n 2 ，t h es e l e c t i o no fd e s 3 d e s a e s ，t h es c r i p t s o f e d a t o o l sa n ds oo n k e y w o r d p l a t f o r m - b a s e dd e s i g n ：s o ce n c r y p t i o np l a t f o r m ：o n c h i pb u s 3 2 b i t e m b e d d e dp r o c e s s o r ；l e o n 2 ；a m b a 2 0 2 中国科学技术大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1课题背景 1 1 1集成电路设计发展概述 近十年来，集成电路技术按照m o o r e 定律迅速发展，即集成电路芯 片的集成度每1 8 个月翻一番。集成电路的设计和制造工艺也从亚微米 级( 0 8 0 3 5 9 m ) 发展到深亚微米( o2 5 0 1 3 9 m ) 甚至超亚微米( 0 0 9 一 o 0 6 5 i t t m ) 。到目前为止，纳米级( o 0 4 5 p m 以下) 设计和工艺的研究也已 经取得了突破性的进展，预计将于2 0 0 7 年投入使用。随着制造工艺的 迅速发展，芯片的特征尺寸越来越小，电路的集成密度不断增加，单一 的硅芯片上能够完全集成信号采集与转换、i 0 接口、存储器、微处理 器( m c u ) 和数字信号处理器( d s p ) 等i p 模块，构成一个完整的系统级 s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 芯片。 集成电路向系统级芯片的转变不仅仅是一种概念上的突破，同时也 是信息技术发展的必然产物和结果。s o c 设计将各种通用处理器内核和 许多其它嵌入式系统外设起加入设计公司的标准库中。这些标准器件 均采用标准的h d l v e r i l o g 和v h d l 等硬件语言描述，统一存储在器件 库中，成为v l s i 设计中一种标准的器件。用户只需定义出整个设计系 统，在系统仿真通过后就可以将设计版图交给半导体工厂制作样品。这 样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块 或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁。s o c 设计对于减小设 计面积和降低系统功耗、提高系统可靠性等都有非常大的帮助。 s o c 是面向特定用户的能最大满足嵌入式系统要求的芯片，它具有 诸多优势：能极大改善功耗开销，可减少印制板上部件数和管脚数，减 少板卡失效的可能性，有利于板卡的性能改善( 由于片内连线缩短) ，降 低风冷的要求，减少系统开发商的成本，尤其适合数字化产品开发，如 手持设备、信息家电等。 随着s o c 芯片集成度的不断提高，单芯片上的集成度已经达到几千 t 1 国科学技术大学硕士学位论文 万门甚至上亿个晶体管，工作频率超过了3 g h z ，其片内通讯模块间的 接口复杂程度大大提高，从而使设计难度和复杂度都达到了前所未有的 程度。例如最近i n t e l 公司发布的最新处理器p e n t i u mx e9 5 5 采用了6 5 纳米制作工艺，集成了3 7 6 亿个晶体管，工作频率达3 4 6 g h z 。在芯片 设计难度和复杂度都大幅提高的同时，市场的竞争程度也日趋激烈，产 品投放时间( t i m e t o m a r k e t ) 越来越短，这些因素都对设计者和设计工具 都提出了更新更高的要求。传统的设计方法已经1 i 能满足系统级芯片的 设计要求，因此很多新的设计方法如基于平台( p l a t f o r m 。b a s e d ) 的设计、 i p 模块复用技术等设计方法成为新的研究热点。 1 1 _ 2信息安全的重要性和迫切性 随着信息化社会的到来，信息安全受到了人们越来越多的重视。信息 安全技术直接关系和影响到国家安全，企业发展以及个人的日常生活， 因此对信息安全产品的依赖与需求也在不断急剧增加。i d c ( 互联网数据 中心1 发布的最新中国i t 安全市场分析与预测2 0 0 6 2 0 1 0 ) ) 报告显示， 2 0 0 5 年中国i t 安全市场总量为37 8 1 亿美元。同时i d c 还预测，2 0 0 6 年中国网络安全市场仍将保持比较好的成长趋势，预计未来五年内，中 国信息安全市场的复合增长率为2 0 9 ；到2 0 1 0 年，中国信息安全市场 规模将达到9 7 6 5 亿美元( 包含安全软件、安全硬件、安全服务) 。 安全芯片是信息安全的基础，在国家的经济、政治、国防等各关键 部门具有十分重要的作用。由于加解密算法运算量较大，通常采用的软 件实现方法加密速度较慢，因此影响了加密算法的性能和应用。而采用 专用硬件的i c 安全芯片能够快速进行加密和解密处理，具有更高的可 靠性，因此可以更为有效的满足政府、军队、企业和公众对信息安全处 理的需求。另外安全芯片也比软件密码算法更具有抗破译性。目前已有 很多算法和协议，如r s a 算法、椭圆曲线密码算法( e c c ) 、d e s 算法和 a e s 算法等。在保证加密安全性的前提下，为满足使用的方便性，需要 从速度、功耗、面积上对芯片做最优的设计。 我国政府明确规定严格禁止直接使用国外的密码算法和安全产品， 而且许多国家也明确禁止出口密码算法和产品。而一些所谓出口的安全 的密码算法国外都有破译手段，因此担心这些算法和产品中存在“后 中国利学技术大学硕： 学位论文 门”，关键时刻危害我国信息安全。】9 9 9 年国务院颁布商用密码管理条 例，对密码的管理使用进行了具体规定。当前我国的信息安全系统由国家 密码管理委员会统一管理。由此可以看出，自主设计和研制安全芯片是 十分迫切和必要的。 1 2 集成电路的设计方法 随着集成电路制造工艺的不断发展以及芯片规模和复杂度的不断增加， 集成电路的设计方法也在不断的改进。集成电路设计方法的发展可以大致分 成三个阶段：基于时序的设 t ( t i m i n g d r i v e nd e s i g n ) ，基于模块的设计 ( b l o c k b a s e dd e s i g n ) 平d 基于平台的设计( p l a t f o r m - b a s e dd e s i g n ) 。其发展阶段 如图1 所示： 图1 集成电路设计方法的发展阶段 1 2 1 基于时序的设计( t o o ) t d d 主要适用于中等规模和不太复杂的集成电路设计。采用t d d 的设计团队一般较小，在设计过程中并不考虑设计的可重用性。在t t d 出现之前是以面积为基础的设计技术，主要是为了求得最小的芯片面积， 逻辑化简是最主要的工作。t t d 设计方法有以下几个优点： 产生的网表容易理解，可读性好 时序分析和延时的计算准确，有完善的工具支持 测试电路的产生规范化，自动化 不过由于t d d 主要是以时序为基硎 ，所以当设计的规模增大时，设 中国科学技术大学硕十学位论文 计的复杂度会成倍提高。当电路的规模超过2 5 万门时，t d d 的设计方 法就很难获得成功。 1 2 2 基于模块的设计( b b d l 随着集成电路制造技术的发展，芯片的集成度越来越高，系统芯片 也越来越复杂。因此从每个功能模块开始，一步一步进行设计的方法已 经渐渐不符合实际的需要。困此， 种可以增加功能模块重复使用的设 计方法就显得尤为重要。 b b d 就是在系统层次的行为级设计方法。b b d 设汁方法根据系统的 功能和实际需求选择软、硬件，并对系统进行软硬件的共同验证。b b d 将系统划分成对应到各个特定模块的构架，而各特定功能模块再根据所 分配到的时间、功耗、面积等要求进行设计。最后将设计完成的模块再 集成整合在一起，完成最终的设计。由于b b d 的设计系统复杂高，因此 一般采用片内总线的系统结构和b i s t 测试结构。t o p - - d o w n 的设计方 法有利于层次化的划分系统模块，因此在b b d 中得到了广泛的应用。 采用b b d 的设计团队一般规模相对较大，通常使用行为级或者r t l 级的设计方法对系统模块以及模块接口进行建模。b b d 设计适用的复杂 度在1 5 万门到1 5 0 万门之间，而且通常采用s c a n j t a g b i s t 等测试 结构，混合信号的设计也多为, a d d ，p l l 等。在b b d 的后端设计中，布 局、时序分析、物理验证等都采用了层次化的设计，面积不再是影响设 计的主要因素。 在b b d 阶段，设计最佳化的焦点在于不同模块间的划分，各个模块 的构架、内容以及每个模块的位置规划等。模块设计的复用性得到了非 常的重视，很多模块都具有一定的可复用性。但是这也使得系统功能模 块有非最佳化，不容易更改，须再验证等问题。 b b d 技术需要一个有效的系统功能模块分配和分析机制，以便有效 的估计和分配每个功能模块的预算。同时还必须保证模块之间正确地互 联，并可以最终实现时序上的收敛。这种设计技术对一般的逻辑模块非 常有效，但是碰到一些如存储块，混合信号模块或处理器模块时就相对 较难使用。 中国科学技术大学硕士学位论文 1 2 3 基于平台的设计( p b d l p b d 是下一代的主流设计技术，它旨在s o c 平台的基础上，通过“增 加”或“删减”少量的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) ，快速设计出目标s o c 芯 片，让整个s o c 设计达到热拔插( p l u g p 1 a y ) 的技术。图2 展示了在 p b d 设计技术下s o c 平台具备的热拔插功能。 图2p b d 下s o c 平台的热拔插功能 p b d 技术的出现进一步降低了s o c 设计过程中系统集成的难度和风 险，从而提高了设计的效率，缩短了设计周期，在一定程度上缓解了面 向市场时间所带来的压力。 p b d 技术积累了t d d 和b b d 技术的优点，并扩充和加强了设计的 可重复使用性以及层次化能力。p b d 不仅仅可以缩短第一代产品的上市 设计时间，而且可以让其衍生的系列产品迅速上市。不论是p b d 或b b d 都必须采用层次化地设计方法，即从顶到底逐层向下设计，但是两者最 主要的差别在于p b d 更强调的是系统的可扩展性和可复用性。p b d 设 计中所采用的模块都必须符合一定的复用标准，因此当模块被再次复用 的时候就不需要再进一步进行修改。 采用p b d 技术的s o c 主要关注的设计重点是功能模块组的管理和 系统层次化的设计和整合。由于p b d 所需的功能模块常常是不同的类 型因此在功能模块的管理中，如何设计这些模块的接口标准以满足不 同应用系统的设计需求就变成了一项十分重要的工作。为了使设计更有 效率，有两个设计观念非常重要，即建立功能模块接口标准和利用i p 的 中国科学技术大学硕士学位论文 虚拟系统原型设计方法。统的模块接口标准可以使公司内部或跨公司 设计团队的合作顺利进行。虚拟系统发计方法通常能够针对一些问题提 供很好的解决方案，例如必须提供怎样的功能蓝图，是否需要提供多种 制造。 艺的选择，是否选用软、硬系统功能或它们的组合，系统模块之 间采用的哪种互联方式更适合和有效，系统内部的时钟树是否有足够的 可变性等等。 采用p b d 技术的s o c 设计质量和效率在很大程度上取决于可重用 单元库( r e p o s i t o r y ) 的完备性。这里“库”的概念不仅仅指其中存储的i p 模块和平台等可复用单元，同时也包含数据库的管理机制、e d a 软件的 支持等含义。平台本身将是构成下一个抽象单元的“可重用单元”。 p b d 技术的通常有以下几个主要步骤： 决定这个平台主要的应用领域 选择主要的i p 模块，如处理器的i p 决定系统构架和模块间的互联方式 选择存储器的存取方式 选择所需的软硬件i p 模块 通过以上几个步骤，选择不同的模块，系统构架和片上总线，可以 快捷迅速的构建出满足各种不同需求的s o c 设计平台，并最终设计出 成功的s o c 芯片产品。 1 2 4 设计方法总结 集成电路设计技术随着集成电路制造工艺和微电子技术的不断发展 而不断的演进，从基于时序的设计，发展到基于模块的设计，再到下一 代的基于平台的设计。每个设计的阶段都有其自身的特点和所适用的设 计规模、设计复杂度。这些设计特征被总结为如下表1 ，以方便对比和 分析。 设计特征 t d db b d p b d 改计的复杂度5 0 0 0 到2 5 万门1 5 万到1 5 0 万门3 0 万门以上 设计的层次 r t l 行为级r t l结构和接口 较小团队，较大团队，多上作组， 设计团队 单一团队多团队多任务 主要的殴计逻辑结构 模块和模块接口系统干总线接口 中国科学技术大学硕士学位沦文 有软、硬、固核形以可复用为殴计 设计的可复用性不可 式复用的可能目标 电路综合 设计的优化重点布局，模块结构系统结构 i “j 级逻辑 门单元， 功能模块绢， 设计的粒度可重用i p 存储模块 i p 核 总线结构没有白定义白定义标准化 层次化并行 测试结构没有s c a ns c a n j 1 l a g b i s t s c a n j 1 a g b i s t 混合信号没有 a d p l l s 功能，接口 约束条件逻辑约束模块约束接口约束 验证层次 r t l g a t e 基于周期混合 软硬件功能和接 软硬件联合验证 没有软硬件接口 口 划分依据综合功能功能，通讯 布局打平层次化层次化 布线 打平打平 层次化 时序分析打平打平，有限层次化层次化 延时计葬打平打平层次化 物理验证打平 打平，有限层次化 层次化 表lt d d ，b d d 和p b d 等三种设计技术的特点比较 图3 采用框图的形式展示出了t d d ，b b d 和p b d 三种技术各自的 特点，以及它们之间的相互关系。 图3t d d ，b d d 和p b d 的特点和相互关系 中国科学技术大学硕士学位论文 1 3本文的内容与组织 本文的研究内容是以欧洲航天局( e s a ) 主持开发的开放性3 2 位l e o n 2 处理器为核心，以研究应用于信息安全方面的s o c 设计平台为切入点，将 基于平台设计的技术和理念贯穿于整个的内容组织之中。 参考基于平台设计技术的步骤，本文首先选择了信息安全作为设计的应 用平台，之后比较了四种不同的3 2 位嵌入式处理器核l e o n 2 ， o p e n r i s c l 2 0 0 ，m i c r o b l a z e 和n i o s l i ，并最终选定了系统的主要i p 微处理 器l e o n 2 作为平台的处理器核心。在选择了l e o n 2 处理器后，本文 对比分析了c o r e c o l m e c t ，w i s h b o n e 和a m b a 20 三种片上总线，并最终 选定了a r m 公司的a m b a 2 0 作为连接平台中各个模块间的片上总线标 准。最后，将用于信息安全的加密算法i p 模块集成到整个系统平台中，并 最终完成了芯片版图的设计。 各章节的具体内容如下： 第l 章主要介绍了集成电路设计技术从基于时序的设计发展到基于模块 的设计，再到下一代的基于平台的设计的发展过程，比较了集成电路设计技 术发展各阶段的特点和其各自的适用范围，指出了基于平台设计的优越性和 必然性。同时介绍了为什么选择信息安全作为本文设计的切入点以及信息安 全的对国家，企业和个人的重要性。最后，说明了本文如何按照基于平台设 计技术的思想和步骤来组织内容。 第2 章主要介绍了微处理器的评估和选择。这一章首先对比了l e o n 2 ， o p e n r i s c l 2 0 0 ，m i c r o b l a z e 和n i o s l i 等四种开放性内核，比较了他们在结 构，指令集，开发环境等方面的异同。然后在a l t e r a 的c y c l o n e 的f p g a 开 发板上，采用了d h r y s t o n e 基准测试程序对l e o n 2 ，o p e n r l s c l 2 0 0 和n i o s i i 三种内核进行了对比。结果显示，l e o n 2 性能优于其他两个处理器核。本 章的最后还给出了三种内核在a s i c 平台上综合后的面积和频率。 第3 章首先对比了三种主流的片上总线i b m 公司的c o r e c o n n e c t ， s l i l i c o r e 公司的w i s h b o n e 和a r m 公司的a m b a 的特点，并从结构和应 用等方面比较了它们的异同。然后本章介绍了a m b a 总线的协议，并设计 完成了a m b a 20 总线i p 。 第4 章介绍了基于l e o n 2 处理器结构和技术上的特点，并成功将l e o n 2 中国科学技术大学硕士学位论文 处理器核在a l t e r a 的c y c l o n e 开发板上配置实现，同时还在l e o n 2 上运行 了e c o s 操作系统的启动代码r e d b o o t 。然后，本章介绍了d e s ，3 d e s 和 a e s 等加密算法，并将其i p 核集成到了设计平台中。最后本章采用t c l 脚 步语言设计了一个用于a s i c 设计的g u i 开发环境。 第5 章总结了本文的设计工作，指出了需要近一步完善和改进的地方。 同时刑基于平台设计技术的应用和发展作了个人的展望。 中国科学技术大学硕十学1 1 i ) ：论文 第2 章s o c 平台的嵌入式微处理器 2 1 引言 随着v l s i 设计技术和深亚微米制造技术的飞速发展，s o c ( s y s t e m o r l c h i p ) 技术逐渐成为了集成电路设计的主流技术。s o c 已经在 便携式手持设备、无线网络终端和多媒体娱乐设备等领域得到了广泛的应 用。 高性能的处理器核是s o c 设计中最为关键和核心的部分。绝大多数s o c 的处理器都采用了r i s c 体系结构。r i s c 处理器具有指令效率高、电路面积 小和功率消耗低等特点，满足了s o c 高性能、低成本和低功耗的设计要求。 目前在s o c 设计中广泛使用的3 2 位r i s c 处理器，如a r m 公司的a r m 处 理器，i b m 的p o w e rp c 处理器，m i p s 公司的m i p s 处理器，m o t o r o l a 的 m o o r e 处理器，t e n s i l i c a 公司的x t e n s a 处理器等均属于商业内核，使用者必 须支付相对昂贵的授权费。 近年来开放源代码运动迅速发展，开放性源码的概念已经从软件领域( 如 l i n u x ，g c c ，m y s q l 等) 扩展到了硬件领域，出现了像o p e n c o r e s 这样专 门发柿免费的i p 核源代码的组织。本文比较和分析了四种“免费”的开放 性3 2 位处理器内核：g a i s l e rr e s e a r c h 公司的l e o n 2 ，o p e n c o r e s 组织公布 的o p e n r i s c l 2 0 0 ，x i l i n x 公司的m i c r o b l a z e 和a l t e r a 公司的n i o s l i 。其中 前两种内核l e o n 2 和o p e n r i s c l 2 0 0 均可在g n ul g p l ( l i b r a r yg e n e r a l p u b l i cl i c e n s e1 协议下，对其源代码免费使用。l g p l 协议是目前绝大多数开 放性代码所遵循的协议。l g p l 协议规定，使用者可以免费使用或者修改开 放性代码，而且不必公开自己的设计代码。不过如果使用者对开放性代码本 身进行了修改，则必须将其修改公开。后两种内核m i c r o b l a z e 和n i o s l i 则主 要是面向x i l i n x 和a l t e r a 公司的f p g a 器件用户，用户和通过x i l i n x 和a l t e r a 提供的相应开发工具，对这两种内核进行配置和使用。从总体上蜕，这四种 开放性处理器都具备高性能和低成本的特点，同时还拥护良好的可配置性和 完善的开发环境，因此受到了学术界和工业界的普遍欢迎。 中国科学技术大学硕十学位论文 2 2 几种3 2 位嵌入式处理器 2 2 1l e o n 2 l e o n 系列3 2 位r i s c 处理器核的第一个版本是l e o n l ，它是由欧洲 航天局( e u r o p e a ns p a c ea g e n c y ) 主持设计开发的。l e o n l 的没计初衷是 为了使欧洲能够摆脱在航空航天高性能嵌入式处理器上对美国的严重 依赖。以j g a i s l e r 为首的设计团队在完成l e o n l 后从欧洲航天局独 立出来，成立了g a i s l e rr e s e a r c h 公司，相继推出了l e o n 2 和l e o n 3 处理器。l e o n 系列处理器软核均以r t l 级v h d l 源代码形式免费公 布，使用者可以在g n ul g p l 下对其源代码进行使用和研究。l e o n 系 列处理器在结构上有很高的一致性和继承性，本文选用比较稳定的 l e o n 2 一1 o 2 2 一x s t 版本进行研究分析。其结构框图如图4 所示： 图4 l e o n 2 结构框图 l e o n 2 的整数处理单元是5 级流水线设计，采用了s p a r c v 8 ( i e e e 1 7 5 4 ) 指令和体系结构，具有分离的数据c a c h e 和指令c a c h e 。 l e o n 2 的整数单元包括一个可供用户选则的1 6 1 6 的m a c 单元，能 够完成基本的d s p 运算，同时还提供了浮点运算单元( f p u ) 的接口和协 处理器( c p ) 的接口，可以根据需要扩展浮点运算和d s p 处理。 l e o n 2 选用了a r m 公司的a m b a 2 0 片上总线标准，用于连接内 存控制器( m e m o r yc o n t r o l l e r ) ，定时器( t i m e r s ) ，中断控g f j 器( i r q c t r l ) ， 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文 u a r t 接口，p c i 接口，10 1 0 0 m 以太网接口等模块。l e o n 2 同时还提 供了一个调试支持单元( d e b u gs u p p o r tu n i t ) f n 一个调试串口( d e b u g s e r i a ll i n k ) ，用于支持片内调试。 l e o n 2 的一个非常重要的特点就是具有很好的可配置性。使用者根 据自己的需要，通过一个用t c l t k 脚本编写的图形化界面，对l e o n 2 内 核的绝大多数模块进行配置，比如可以配置c a c h e 的大小和访问方式， 是否支持硬件乘除法，是否需要内存管理单元( m m u ) ，p c i 接口，以太 网接口等。 g a i s l e rr e s e a r c h 公司提供了比较完善的基于l e o n 2 的g n u 软件开 发环境。使用者可以使用t s l m 或g r m o n 进行l e o n 内核的调试仿真。 l e c c s 是专门针对l e o n 的交叉编译系统，可以进行c c + + 的编译和 调试。s n a p g e a rl i n u x 是基于p c l i n u x 的实时l i n u x 内核，它的l e o n 版提供了对l e o n 处理器的全面支持，可以支持m m u 和n om m u 等 不同配置方案。 2 2 2 o p e n r i s c l 2 0 0 o p e n r i s c l 0 0 0 系列处理器是开放i p 核源代码组织o p e n c o r e s 公布的 3 2 6 4 位处理器软核。使用者可以在g n ul g p l 下免费使用其r t l 级的 h d l v e r i l o g 源代码。o p e n r i s c l 0 0 0 系列处理器有很多版本，本文选用 了目前最新的o p e n r i s c l 2 0 0 进行研究分析，其结构如图5 所示： 图5o p e n r i s c l 2 0 0 结构框图 中国利学技术大学硕士学位论文 o p e n r i s c l 2 0 0 采用了自主设计的o p e n r i s c l 0 0 0 体系结构和自定义 的o r b i s 3 2 指令集。o p e n r i s c l 2 0 0 是h a a r d 结构设计，拥有一个5 级流水线的整数单元。o p e n r i s c l 2 0 0 有一个3 2 3 2 的m a c 单元，具 备基本的d s p 处理功能。o p e r “r l s c l 2 0 0 还可以根掘需要自定义用户指 令。o p e n r i s c l 2 0 0 具有l k 6 4 k 可配置大小的数据c a c h e 和指令c a c h e 以及可供选择的内存管理单元。o p e n r l s c l 2 0 0 同时还提供了一个用于 降低功耗的电源管理单元( p o w e rm a n a g e r ) n - - 个支持片内调试的调试 单元( d e b u gu n i t ) 。 o p e n r i s c l 2 0 0 采用了s i l i c o r e 公司提出的w i s h b o n e 开放性总线 标准，包括一个数据w i s h b o n e 接口和一个指令w i s h b o n e 接口。 总线管理模块( t r a f f i cc o p ) 将内存控制器，调试单元，u a r t 接口， p c i 接口，e t h e m e t 接口等模块连接在一起。 o p e n r i s c l 2 0 0 具有较好的可配置性，使用者可以根据自己的需要配 置c a c h e 的大小，是否使用m m u ，并可以定制自定义的指令。不过目 前o p e n r i s c l 2 0 0 还没有图形化的配置界面，使用者必须根据需要修改 配置定义文件o r l 2 0 0d e f i n e s v 。 o p e n r i s c l 2 0 0 有完善的软件开发环境( s d k ) 和操作系统的支持。 使用者可以通过包括s o u r c en a v i g a t o r ，g c c ，b i n u t i l l s ，g d b 等在内的 g n ut o o l c h i a n 工具方便的进行基于o p e n r i s c l 2 0 0 内核的编码、编译 和调试。同时，o p e n r i s c l 2 0 0 拥有专门的仿真器o r l k s i m ，可以进行 o p e n r i s c l 2 0 0 的仿真。o p e n r i s c l 2 0 0 还支持l i n u x ，p c l i n u x ，r t e m s ， r e d h a te c o s 等多种操作系统。 2 2 3m i c r o b l a z e m i c r o b l a z e 处理器采用r 1 s c 架构和哈佛结构的3 2 位指令和数据总 线，可以全速执行存储在片上存储器和外部存储器中的程序，并访问其 的数据。m i c r o b l a z e 和其它外设i p 核一起，可以完成可编程系统芯片 f s o p c ) 的设计。 m i c r o b l a z e 内部有3 2 个3 2 位通用寄存器和2 个3 2 位特殊寄存器一 一p c 指针和m s r 状态标志寄存器。为了提高性能，m i c r o b l a z e 还具有 指令和数据缓存。m i c r o b l a z e 所有的指令字长都是3 2 位，有3 个操作 中国科学技术大学硕士学应论文 数和2 种寻址模式。指令按功能划分有逻辑运算、算术运算、分支、存 储器读写和特殊指令等。指令执行的流水线是并行流水线，它分为3 级流水：取指、译码和执行， m i c r o b l a z e 是一种大端存储系统处理器。m i c r o b l a z e 可以响应软件 和硬件中断，进行异常处理，通过外加控制逻辑，可以扩展外部中断。 利用微处理器调试模块( m d m ) i p 核，可通过j t a g 接口来调试处理 器系统。多个m i c r o b l a z e 处理器可以用卜个、m d m 来完成多处理器调试。 m i c r o b l a z e 处理器具有8 个输入和8 个输出快速单一链路接口( f s l ) 。 f s l 通道是专用于单一方向的点到点的数据流传输接口。f l s 和 m i c r o b l a z e 的接口宽度是3 2 位。每一个f s l 通道都可以发送和接收控 制或数据字。 m i c r o b l a z e 结构框图如图6 所示： 图6m i c r o b l a z e 结构框图 x i l i n x 公司提供了e d k ( 嵌入式开发套件) ，使用e d k 可以快捷的 进行m i c r o b l a z e i p 核的开发，构建嵌入式系统。工具包中集成了硬件平 台产生器、软件平台产生器、仿真模型生成器、软件编译器和软件调试 工具等。e d k 中提供个集成开发环境x p s ( x i l i n x 平台工作室) ，以 便使用系统提供的所有工具，完成嵌入式系统开发的整个流程。e d k 中 还带有一些外设接口的i p 核，如l m b 、o p b 总线接口、外部存储控 制器、s d r a m 控制器、u a r t 、中断控制器、定时器等，利用这些资 源，可以构建一个较为完善的嵌入式微处理器系统。 中国利学技术大学硕士学位论文 2 2 4n i o s l i n i o s 系列处理器是a l t e r a 公司推出的基于r i s c 体系结构的通用嵌 入式处理器软核，它是a l t e r a 的可编程逻辑和可编程片上系统( s o t c ) 设 计综合解决方案的核心部分。a l t e r a 前后推出了两代n i o s 系列处理器： n i o s 和n i o s l i 。n i o s 是其第一代产品，是准3 2 位的r i s c 处理器，具有 1 6 位指令集和1 6 3 2 位数据通路。n i o s l i 是第二代完全3 2 位r i s c 处理 器，具有3 2 位的指令集、数据通路和地址空间。 3 0 版n i o s 嵌入处理器包含了用户可配置的一级( l 1 ) 指令和数据高速 缓冲，利用低价c y c l o n e 和s t r a t i x 器件中大容量的双口内存来满足更高 的系统性能需求。n i o s 嵌入处理器设计者能够实现以1 0 0 m h z 以上的速 度访问s d r a m 器件。s d r a m 控制器结合用户可配置的l 1 高速缓冲， 可以采用便宜的片外内存，同时保持很小的f p g a 占用面积，其性能和 高性能的片内s r a m 不相上下。a v a l o n 总线是a l t e r a 为n i o s 嵌入处理 器提供的参数化接口总线，通过支持流水线数据业务，将延迟影响降到 最小，消除了数据瓶颈，支持后读和后写操作能够更快地访问低价的外 部s d r a m 器件。加之可配置片内缓存，设计者能够实现1 0 0 m h z 速度 下单周期访问s d r a m ，大大改善了系统性能。 本文选用了n i o s l i 进行比较和分析。图7 是典型的基于n i o s l i 的系 统。 图7 典型的基于n i o s i i 的系统 中国科学技术大学硕： 学位论文 n i o s i i 处理器是5 级流水线设计，采用数据和指令分离的h a r v a r d 结 构。n i o s i i 拥有自己专用的体系结构与指令集，支持3 2 位的硬件乘除法 指令，有3 2 个通用寄存器。用户还可以根据自己的需要自定义最多2 5 6 条指令。 n i o s l i 采用了a l t e r a 公司自己的a v a l o n 片内总线标准，用于连接定 时器，u a r t 接口，l c d 接口，内存控制器和以太网接口等片内模块。 n i o s i i 同时还提供了一个d e b u g 模块，支持j t a o 在线调试。 a l t e r a 公司为n i o s i i 提供了极为完善的软硬件开发环境。n i o s l i 处理 器方案是基于h d l 源码构建的，提供了三种性能和资源消耗不同的基 本软核：n i o s i i f ( 快速型) ，n i o s i