（电路与系统专业论文）基于NiosⅡ的SOPC系统平台的开发与研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 鏖麴e 日期： 丝：盘垡 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：龇导师签名：趋盟查筘日期：呈础 山东大学硕士学位论文 摘要 随着现代化进程和信息技术的高速发展，基于嵌入式系统应用的电子产品已 经走进人们的生活，使传统的工业生产和服务方式的技术含量得到很大的提高。 随着计算机体系结构理论的完善以及微电子工艺技术的革新，嵌入式技术不断取 得新进展，其研究和应用己成为当前的热门技术。 s o p c 是可编程技术发展到定阶段的必然产物。它作为s o c 和p l d f p g a 相结合的一项综合技术，集合了两者的优点，适合于两者的应用领域。并由于它 的灵活性，对于目前竞争激烈的i t 市场来说，提供了非常好的技术和广泛的应用 产品领域。 美国a l t e m 公司开发的基于s o p c 技术的n i o s i i 嵌入式处理器，是一个可变 结构的、通用型的r i s c 嵌入式处理器。嵌入式设计者能非常方便地使用s o p c b u i l d e r 系统开发工具设计构造以处理器为基础的系统。使用n i o s i i 处理器能与使 用者的设计思想相结合并使用s o p cb u i l d e r 编程到f p g a 之内予以实现。整个n i o s i i 系统的设计过程充分体现了其可重配置的思想，体现了面向用户，面向应用的 s o p c 技术设计思想。除此之外，应用与n i o s l 相关的集成开发平台和辅助开发工 具，可以加快n i o s h 系统的设计与验证环节的开发速度，对于嵌入式系统的产品 开发和应用，具有广泛的价值和积极的意义。 本设计采用的a l t e r a 公司的n i o s i i 微处理器具有3 2 个3 2 位的通用寄存器， 3 2 位指令长度和数据总线，并将实时操作系统o c o s i i 集成在其开发环境中。本 课题将p c o s 操作系统的移植作为实例，以开发平台设计作为载体，详细介绍 整个设计的工作与实现过程。 本论文课题完成的具体工作如下： 设计了具有自主版权的基于n i o s i i 的s o p c 系统平台。作为一块系统 核心板，只保留了和嵌入式相关的功能，包括处理器、r o m 、r a m 、 总线接口、各种外设等，这样可以满足嵌入式系统体积和功耗大幅度 减小的要求。基于系统核心板，还可以进行扩展实现多种基于n i o s 的应用，如网络管理、w e b 服务器等。 山东大学硕士学位论文 板上设计了各种外围接插件、j t a g 、l e d 、数码管、按键等于用户 交流的部件。构成了一块完整的n i o si i 评估板。 调试并完善整个开发系统，归纳和总结基于n i o s i i 的系统硬件的设计 方法和经验。 在平台上移植肛c o s i i 操作系统，从而完成s o p c 摹本设计构造。 本文完成的设计成果，可以作为s o p c 的实验开发平台，进行操作系统移植、 串行通信、自定义逻辑及指令的学习等实验和开发，对于了解学习掌握s o p c 系 统的设计和应用具有实际意义和重要价值。 2 关键词：n i o si i ，s o p c ，i t c o s i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r np r o c e s sa n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , b a s e de m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o ne l e c t r i c a lp r o d u c t sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n p e o p l e sl i f e ，w h i c hi m p r o v e d t h e t e c h n o l o g y l e v e lo ft r a d i t i o n a l t e c h n o l o g y m a n u f a c t u r ea n ds e r v i c es t y l e a st h ep e r f e c to fc o m p u t e ra r c h i t e c t u r et h e o r ya n dt h e r e v o l u t i o no fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e m b e d d e dt e c h n i q u eg o tn e wp r o g r e s s ，t h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f w h i c hi sc u r r e n t l yh o tt e c h n i q u e s o p ci st h ec e r t a i no u t c o m eo fp r o g r a m m a b l et e c h n i q u ed e v e l o p i n g a st h e t e c h n o l o g yo fs o ca n dp l d f p g ac o m b i n e d ，i n t e g r a t e dt h ea d v a n t a g e so fb o t h ，a d a p t t ot h ea p p l i c a t i o nd o m a i no fb o t h a n db e c a u s eo fi t sf l e x i b i l i t y , i tp r o v i d e sag o o d t e c h n o l o g ya n dw i d ea p p l i c a t i o nf i e l dt ot h ei n t e n s e l yc o m p e t i t i v ei tm a r k e t n i o si im i c r o p r o c e s s o rw h i c hi s d e v e l o p e db ya l t e r ai n c b a s e do ns o p c t e c h n o l o g yi sac h a n g e a b l e g e n e r a lr i s cc p u t h ed e v e l o p e rc a nc o n v e n i e n t l yd e s i g n t h es y s t e mb yu s i n gs o p cb u i l d e r u s i n gn i o si ic p uc o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p e r s i d e ac a l lb er e a l i z e di nf p g a t h ew h o l ed e s i g np r o c e s sr e p r e s e n t st h ed e s i g ni d e ao f r e c o n f i g u r a b l e ，o r i e n tt ou s e r , o r i e n tt oa p p l i c a t i o n o t h e rt h a n ，u s i n gt h ei n t e g r a t e d d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n da s s i s t a n td e v e l o p m e n tt o o l sr e l a t e dt on i o s i ic a ni m p r o v e t h ed e v e l o p m e n ts p e e do fn i o si is y s t e md e s i g na n dv e r i f i c a t i o n ，w h i c hh a st h eg o o d w e a l t ha n da c t i v es i g n i f i c a t i o nt ot h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e m p r o d u c t s t h i sd e s i g ni si nt h eu s eo f n i o s l lw h i c hi sd e s i g n e db ya l t e r ai n c a n dh a st h i r t y t w o3 2 b i t sg e n e r a lr e g i s t e r s ，3 2b i t si n s t r u c t i o nl e n g t ha n dd a t ab b s , i n t e g r a t e dt h e r t o so p e r a t i n gs y s t e mi _ t c o s i ii n t oi t sd e v e l o p m e n tt o o l s t h i sp r o j e c tt a k e sp o r t i n g ) t c o s - i ia se x a m p l e ，t a k e st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma st h ec a r r i e r , d e s c r i b e st h ew h o l e w o r ka n dr e a l i z ep r o c e s sp a r t i c u l a r l y t h i sp a p e rm a i n l yf i n i s h e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： a ni n t e g r a t e dp l a t f o r mb a s e do nn i o si ip r o c e s s o rw i t ho u ro w ni p ( i n t e l l e c t u a l 3 山东大学硕士学位论文 p r o p e r t y ) i sd e s i g n e d a st h es y s t e mc o r eb o a r d ，w h i c hh a st h ef u n c t i o nr e l a t e d t ot h ee m b e d d e ds y s t e m ，i n c l u d e sp r o c e s s o r , r o m ，r a m ，b u si n t e r f a c e ， v a r i o u sp e r i p h e r a l sa n ds oo n ，s oi tc a nm e e tt h en e e d so fs m a l lv o l u m ea n d l o wp o w e r b a s e do nt h es y s t e mc o r eb o a r d al o to fe m b e d d e da p p l i c a t i o n s c a nb er e a l i z e d ，s u c ha sn e t w o r km a n a g e m e n t ，w w ws e r v i c e s ，e t c ；- t h eb o a r di n c l u d e sm a n yu s e ri n t e r f a c e s ，s u c ha sj 1 a gl e d ，7 - s e g m e n il 醚 k e ya n ds oo n ，w h i c hc o m p o s eo f a ni n t e g r a t e dd e v e l o pe n v i r o n m e n t d e b u ga n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c et h ed e v e l o p m e n ts y s t e m c o n c l u d ea n d s u m m a r i z et h em e t h o d o l o g ya n de x p e r i e n c eo fn i o si is y s t e mh a r d w a r e d e s i g n p o r tp c o s i io p e r a t i n gs y s t e mi nt h ep l a t f o r m f i n i s ht h es o p cd e s i g n t h ed e s i g ni nt h i sp a p e rc a nb et a k e na st h es o p cd e v e l o pp l a t f o r m ，m a k i n gs o m e e x p e r i m e n t sa n dd e v e l o p m e n t s ，s u c h a s p o r t i n go p e r a t i n gs y s t e m ，u a r t c o m m u n i c a t i o n ，c u s t o ml o g i ca n di n s t r u c t i o ne t c ，w h i c hh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d i m p o r t a n tv a l u et or e s e a r c h i n gs o p cs y s t e md e s i g na n da p p l i c a t i o n 4 k e yw o r d s ：n i o si i ，s o p c ，u c o s 一1 1 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 微电子技术与计算机技术的发展，是一个不断创新的过程。这种创新包括原 始创新、技术创新和应用创新等。每一项创新都能开拓一个新的领域，带来新的 巨大的市场，对人类的生产生活方式产生重大的影响 在l t 和i c 领域中，嵌入式系统、s o c 、s o p c 、i p 核等新概念、新技术异峰 突起，其应用范围迅速深入多j sf j 造业和i t 应用的各个方面，如通信、控制、仪器 仪表、生物、汽车、航天以及消费类电子等。本章主要对论文所要涉及的几个基 本概念作简要介绍。 1 1 1 嵌入式系统 所谓嵌入式系统，是以应用为中心，以计算技术为基础，构建应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。它具有系统内核 小，专用性强，结构精简，操作系统和软件固化存储等特点。 嵌入式系统由软件和硬件两大部分组成，软件包括联系紧密的系统软件和应 用软件。硬件包括处理器( c p u ) 、存储器、输入输出接口和外部设备等。 嵌入式处理器有硬核和软核之分”，常用的嵌入式处理器硬核有a r m 、 p o w e r p c 、i n t e lx 8 6 和m a 啪l a 6 8 等，其中i n t e lx s c a l e 和e i a 嵌入式架构 为嵌入式硬核的代表，普遍具有高性能、低功耗等特点和强大的多媒体处理、网 络通信能力。其嵌入式操作系统w i n d o w sc e 和e m b e d d e dl i n u x 高效稳定，具有多 任务、多用户的图形操作环境，已经得到广泛的应用。 嵌入式处理器软核以a l t e r a 公司开发的第一代n i o s 及第：代n i o s i i 为先进代 表。n i o s i i 嵌入式处理器是一种采用流水线技术、单指令流的r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e t c o m p u t i n g ) 处理器，其大部分指令可以在一个时钟周期内完成。n i o s 和n i o s i i 处理器软核均为可配置的通用处理器，可与用户自定义逻辑( u s e r - d e f i n e d l o g i c ) 结合构成一个基于f p g a 的片上系统。3 2 位n l o s i i 软核结合外部闪存以及大 容量存储器，可构成一个功能强大的3 2 位嵌入式处理器系统。 ， 山东大学硕士学位论文 - _ _ - _ b _ _ _ s _ _ - _ _ - _ i _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ - _ - _ _ - _ _ - _ _ - - _ 1 1 2 片上系统s o c 片上系统s o c ( s y s t e m - o n - a - c h i p ) 。从广义上讲就是将数字电路、模拟电路、 信号采集和转换电路、存储器以及微处理器m c u 、m p u 、d s p 等集成到一块硅片 上，形成一个完成的电子系统。系统级芯片技术s o c 设计不仅仅是一个专业领域 的概念，而是微电子，计算机及电子系统设计应用领域等多学科的交叉和融合。 作为a s i c 设计方法学中的新技术，s o c 始于2 0 世纪9 0 年代中期。由于s o c 可 以充分利用已有的设计积累，显著地提高 a s l c 的设计能力，因此发展非常迅速。 2 0 0 0 年的c i c c ( c u s t o mi cc o n f o f e n c e ) 会议的丰题报告题目为s o c ：t h e c o n v e r g e n c ep o i n tf o rs o u l m i o no f t h e2 1 s tc e n t u r y 。c i c c 是a s i c 设计领域最高层次 的国际学术会议。它的主题报告一般代表着a s i c 设计领域的技术发展趋势，这就 说明s o c 是超大规模集成电路( v l s i ) 发展的必然趋势和主流【2 1 一般来说，s o c 具备如下特性： 能实现复杂系统功能的v l s i 采用超深亚微米工艺技术 使用一个或数个嵌入式c p u 或数字信号处理器( d s p ) 具备外部对芯片进行编程的功能 主要采用第三方i p 核进行设计 支持s o c 设计的一个重要支柱是深亚微米( d e e ps u b - m i c r o n ) 设计技术。集成电 路工艺进入深亚微米时斯，使单位面积的硅片上可以集成的晶体管数量大为增加， 在集成度因深砭微米技术上升到一个新阶段之后，把一个系统所需的百万门规模 集成到一块很小的硅片上已成为可能。所以深亚微米技术为s o c 的实现提供了最 基本的条件。 s o c 的核心技术是i p 复用，基于可重用j p 的s o c 设计方法的出现，成为集成电 路设计历史上的一次飞跃，是当今集成电路设计方法学的主要研究方向。s o c 集 成将完成对所有准备使用的i p 核进行接口互连、时序排列、综合方式选择、功耗估 计等工作。i p 复用技术使芯片设计变得更为快捷，设计风险也大为降低。但是如何 评估和选择i p ，成为i p 复用中的难题，以下会对有关i p 复用技术进行专门介绍 s o c 的设计方法是自顶向下( t o p - d o w n ) 的从系统级到功能模块的软、硬件 协同设计方法，实现了软、硬件的无缝结合，直接在处理器芯片内嵌入操作系统 6 山东大学硕士学位论文 的代码模块，具有极高的综合性。 1 1 3 集成电路i p ( 知识产权) i p ( i n t e l l i g e n tp r o p e r t y ) 是知识产权的简称。集成电路i p 是经过预先设计和验 证，能够符合产业界普遍认同的设计规范和设计标准可以看作是具有相对独立 功能的电路模块或子系统，可以复用( r e u s e ) 于s o c 、s o p c 或复杂a s i c 设计 中吐 实现集成系统的关键技术之一是建立功能模块和子系统i p 库。这种i p 库与传 统的单元库是不同的。它的知识含量更高，规模更大，可重用性好。被公认为是 芯片面积小、运行速度快、功耗低、工艺容差大的设计。c p u 、运算器、存储器、 放大器等都可以是l p 模块。在s o c 和s o p c 设计中，正是大量运用可重用i p 核， 使得设计效率和可靠性大大提高1 4 】，如图1 1 所示。 o 啪，0 0 0 1 , 0 0 0 0 0 0 量 1 0 0 0 0 0 i 1 0 0 0 0 1 , 0 0 0 卜 1 0 0 暑 1 0 5 8 。j y r c o m p l e x i t y ”， 。y 1 一 。! 叫一 么互r 一一? 登吖l 一一 ， t 0 0 0 0 0 哪 ! o o o o 0 0 0 喇0 0 0 l o o , o o o 1 0 0 0 0 1 a 1 0 0 1 啊 2 0 0 3 图1 1 工艺发展与没汁效率闯的剪刀差 通常i p 分为三类，即软i p 、固i p 和硬i p ，也称为软核( s o f t c o r e ) 、固核( f i n n c o r e ) 和硬核( h a r dc o m ) 。 硬核的电路布局和工艺是固定的，不能更改。硬核已完成了全部的前端和后 段设计，灵活性最小。i p 模块提供给用户的是封装好的行为模型，用户能从外部 测试硬核的性能，但无法得到厂家真正的电路设计。 软核包括逻辑描述和不能物理实现的测试文档。与硬核相比软核有更大的灵 活性，用户能把用硬件描述语言设计的软核修改为自己所需要的设计，综合到选 定的生产工艺上。并通过布局布线实现具体的电路。 圆核是一种介于软核和固核之间的l p ，通常以带有工艺信息的门级网表的形 式提供固核既不是独立的，也不是固定的，它可以根据用户的要求进行修改， 7 上笮。车-i-毋to管ic卜 山东大学硕士学位论文 使它适用于某种可实现的工艺过程。固核允许用户重新确定关键的性能参数。 从完成i p 模块的代价来看，硬核i p 代价最高；从i p 灵活性来看，软核i p 的 可重复使用性最好。 1 1 4 可编程片上系统s o p c s o p c 技术是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的开 发软件。s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解决方案相比， s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色。它将处理器、存储器、i ，o 口、l v d s 、 c d r 等系统设计，以及需要的功能模块集成到一个p l d 器件上，构建成一个可编 程的片上系统。它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升 级，并具备软硬件的在系统可编程的功能。可编程器件内，还具有小容量高速r a m 资源。由于市场上有丰富的i pc o r e 资源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的 系统，如单处理器、多处理器系统。有些可编程器件内还可以包含部分可编程模 拟电路。除了系统使用的资源外，可编程器件内还具有足够的可编程逻辑资源， 用于实现其它的附加逻辑。 从应用角度看，s o p c 与s o c 相比有自己的优点。因为它是摹于p l d f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 实现的，可以十分方便随时下载以验证其功能及 性能，灵活性高。对产品的设计修改，只要对芯片中电路布局进行改动或者增减 功能即可，可以i s p 方式重新下载，便于优化设计和缩短设计周期。所以说s o p c 不是定制的，而是属于可编程技术范畴。 从目前技术发展来看，s o p c 芯片在很多方面都有替代s o c 芯片的趋势： ( 1 ) 可编程器件实际应用越来越广，技术取得重大进展，根本原因是f p g a 器件的逻辑密度、性能和功能都得到极大提高。 ( 2 ) i p 核设计应用发展很快，f p g a 设计资源复用和开发手段已全面升级。 ( 3 ) 软硬核技术同时得到发展，使s o p c 在获得高性能的同时不失其灵活性。 对集成电路产品的发展特征进行观察和总结，可以发现其在专用”和“通 用”两个方面，遵循着交替和波动发展的“许氏”循环规律【5 1 ，如图1 2 所示。 山东大学硕士学位论文 h 摊 蘧 糊 酗体爷簟叫 1 9 4 7 钳 俩腻瘸低一 m 醐隅一 1 9 5 8 矸i q 渊：9 7 挂：i1 9 h hx i 脚悻牛3 l 蝌年 ；也路t i - 连辩珏 ；戟州硅i 图1 2 “许氏”循环规律图 随着e d a 技术的发展以及大规模可编程器件性能的不断提高，s o p c 技术已 经被广泛应用予许多领域。首先，s o p c 在极大提高了许多电子系统性价比的同时， 开辟了许多新的应用领域，如高端的数字信号处理、通信系统、软件无线电系统 的设计、微处理器及大型计算机处理器的设计等等；同时，由于s o p c 具有基于 e d a 技术标准的设计语言与系统测试于段，具备规范的设计流程与多层次的仿真 功能，以及使用高效率的软硬件开发与实现技术，使得s o p c 及其实现技术已成 为现代电子技术最具有时代特征的典型代表。与摹于a s i c 的s o c 相比，s o p c 具有更多的特点与吸引力，如开发软件成本低，硬件实现风险低，产品上市效率 高，系统结构可重构陋1 及硬件可升级等，同时还具有设计者易学易用、高附加值产 品设计成本低等优势。 目前，构成s o p c 的方案有多种途径【7 l ，主要有以下类型： ( 1 ) 基于f p g a 嵌入式i p 硬核的s o p c 系统 即在f p g a 中预植入嵌入式系统处理器。目前最为常用的嵌入式系统多数采 用了含有a r m 的3 2 位硬核处理器器件。将a r m 或其他i p 核以硬核方式植入 f p g a 中，利用f p g a 中的可编程逻辑资源和i p 软核，以及f p g a 中的逻辑宏单 元来构成该嵌入式系统处理器的接口功能模块，使得系统更为灵活完备，功能更 为强大，对多任务处理具有更好的适应性。 ( 2 ) 基于f p g a 嵌入式i p 软核的s o p c 系统 以上将i p 硬核直接植入f p g a 的解决方案存在某些不完善之处，例如：设计 者无法根据实际需要改变处理器的结构，无法根据实际设计需求在同一个f p g a 中使用多个处理器核，无法裁减处理器硬件资源等等。利用软核嵌入式系统处理 9 山东大学硕士学位论文 器就能有效地克服上述问题。目前最具代表性的是a l t e r a 公司的n i o si i 和x i l i n x 公司的m i c r o b l a z e 。详细内容将在后面章节进行介绍。 ( 3 ) 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统 h a r d c o p y 是a l t e r a 公司推出的一种技术，旨在保持f p g a 开发优势的前提下， 引入a s i c 的开发流程，从而对a s i c 市场形成直接竞争。该技术就是利用原有的 f p g a 开发工具，将成功实现于f p g a 器件上的s o p c 系统通过特定的技术向a s i c 转化，从而克服传统a s i c 设计中普遍存在的问题。这是一种全新的s o c 级a s i c 设计解决方案。将大容量f p g a 的灵活性和a s i c 的市场优势结合起来，主要用于 对于有较大批量要求并对成本敏感的电子系统产品上。 1 2 论文的课题背景及主要内容 a l t e r a 公司开发的n i o s i i 是基于s o p c 技术的3 2 位嵌入式处理器软核。与同 类型产品相比，n i o s i i 更能体现s o p c 技术思想，其作为一种新技术，在国外已经 有了广泛的应用，但是在国内使用n i o s i i 处理器的嵌入式设计和开发还是处于起 步阶段。开发者大多使用已经得到市场验证比较稳定的处理器产品，对于n i o s n 应用开发和研究还有大量工作需要我们去做。 基于上述观点，从新技术学习应用和实验开发的角度入手，研究设计了以 c y c l o n e 为核心芯片的s o p c 系统开发平台。自主完成系统的硬件设计并在此进行了 操作系统的移植。进一步熟悉掌握了这个领域的工作原理和系统知识。为今后的 研究和工作提供了稳定、经济而又方便的试验平台。这正是本课题提出和我的论 文工作意义所在。 针对论文和设计工作，本文包括以下几章内容： 第一章，简要介绍与本课题相关的嵌入式系统、s o c 系统，i p 复用技术、s o p c 系统的概念及发展情况，简要论述课题的意义和相关的工作内容。 第二章，介绍对比该领域三大公司的软核处理器，以及n i o s i i 处理器的优势 本设计采用n i o s i i 嵌入式软核处理器，详细介绍了该处理器的体系结构。 第三章，详细分析系统的功能要求，在此基础上提出平台设计原则及总体设 计方案。根据功能要求进行模块规划，整个系统主要分为电源模块、f l a s h 模块、 s d r a m 模块、r s 2 3 2 接口模块等，并分模块介绍各个功能的具体实现 i o 山东大学硕士学位论文 第四章，琊c o s - i i 操作系统进行了具体的分析，详细描述了在硬件平台的 开发环境下进行嵌入式操作系统肛c o s l i 的移植过程。 第五章，对论文和设计工作做出简要总结，并提出今后的努力方向。 山东大学硕士学位论文 第二章开发平台核心处理器n i o s 概述和分析 本章首先对三大公司的软核处理器进行简单介绍。重点对作为本系统开发板 实现的核心处理器n i o s i i 进行介绍，对n i o s i i 微处理器软核体系结构、优势及应 用领域进行全面分析。 2 1 嵌入式软核处理器比较 s o p c 由于集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器，外围i o 及可编程逻辑模 块，在设计和应用的灵活性以及成本方面有较大的优势。为了实现s o p c ，国际上 著名的现场可编程逻辑器件厂商如a l t e r a 、x i l i n x 等都在不断努力，开发适于系统 集成的新器件和开发工具，这又进一步促进了s o p c 的发展。目前一些常见的处 理器核如表2 i 所示。其中软核处理器与传统的处理器相比具有很多优势，除具有 高集成度的特点外，还允许用户对s o p c 系统反复使用，缩短了硬件开发周期【射。 本节主要对a l t e r a ，x i l i n x 和l a t t i c e 三大公司的软核进行介绍比较们。 表2 i 目前一些主要的，用于f p g a 的微处理器微控制器i p 厂商处理器核简单描述支持的f p g a 器件 p o w e r p c 4 0 53 2 位，硬核v i r t e x - 4 、v i r t e x - i i 系列 m i c r o b l a z e 3 2 位，软核 v i r t e x 4 、v i r t e x - i i p r o ，v i r t e x o e ， x i n l i n x s p a r t a n - 3 e 、s p a r t a n i i 系列 v i n c x 4 、v i r t e x i f p r o 、v i r t e x - e 、 p i c o b l a z e 8 位，软核 s p a r t a n - 3 e 、s p a r t a n - i i e 系列 a r m 9 2 2 t 3 2 位。碗核e x c a l i b u r 系列 n i o sn 3 2 位。软核 s t r a t i x 、c y c l o n e 、s t a r t i xn 系列 a i t e mf l e x 、a c e x 、a p e x ，a p e x1 1 ， n i o s 1 6 位，软核 e x c a l i b u r 、m e r c m y 、s t r a t i x 、 s t r a t i x g e 、c y c l o n e 、s t u r t i xi i 系列 l a t t i c e e c p 、l a t t i c e e c 、l a t t i c e x p 、 l a t t i c el a t t i c e m i c 0 88 位，软核 m a c h x o 系列 2 1 1n i o s i i 微处理器 n i o si i 系列软核处理器是a i t e r a 公司的第二代f p g a 嵌入式处理器【l o l 。逻辑 功能方面具有3 2 位的精简指令集c p u 。实现方式是在f p g a 上通过编程方式实现， 这是与传统的c p u 的一个根本差别。 山东犬攀硕士掌位论文 _ _ 一i i i _ _ _ _ i n i o s i i 处理器遐a l t e r a 公司在2 0 0 4 年推出的第二代软核c p u 。同前一代 软核c p u 相比，n o s l i 的性能得到掇高，体积更小，其最大处理能力是第一代软 核的3 倍。 n i o si i 包含一个汗放式的a l u ，用户可以根据需要对其j i 行补充，从而实现 熙产垂己定义的指令l l l l 。用户自定义揍令在处理方式窝性鼹( 篦懿速度) 方嚣等 同予原有指令，而在专项处理方面述鬻优于原有指令，这是闲为它魑有针对性进 嚣羧诗戆缘放，应瘸矮户自定义指令霹毅在苓改变c p u 圭鬏瓣绩凝大大挺麓系 统处理能力。这个特性适合那些要求高处理速度，又不便于提高系统主频的场合。 n i o s l i 豹惑线采霜了蹬佛结构，这在缀犬程度上捉离了系统虢处礴速度。蠢于 系统的总线控制器怒在f p g a 中实现的，可以进行灵活的配鬣。在浆些外设需要 有满诺依曼特性对又可以把黼套总线台二为，从而阿在局部实现冯诺依曼结构， 这就使褥系统总线兼毒哈佛结构的离效率和灞诺依曼结构的灵活性。n i o s i i 系绞总 线能够自动对不同时钟域进行协调，可以使挂在总线上的组件工作程不同的生频 下，傻褥系绞更为灵溪。最赣舨约n i o s i i 软核又增麴7 紧凑惑线接爨，霹黻谈挂 在其上的存储设备工作在c a c h e 的速度。 n i o si i 较菝能扶矮譬| 二结秘上支持系统谖试、程序下载、攒令遥踪零l 数据逡踪， 而不需要任何的b o o t 程序。与n i o s i i 配套的四种j t a g 调试模块，他们的调试 功筑有强磊弱，占掰资源有多有乡，胃宙焉产粳器需求鑫簿逡铎。由于整个系统 具有可重构性，选择较强功能的调试模块不会造成系统资源的浪费，可以在调试 完成屣再对系统进行蓬构，去掉调试模块，释放其所占的资源。在冀绝的s o c 系 统中没有办法把调试模块的功能做键太强，鼹为调试模块的选择上，性能和资源 占翩是矛盾的。 霹翦n i o s i i 系列包括三秘软c p u 核。一秘是凑性能软棱，处理能力趣过 2 0 0 m i p s ；一种是精简软核，利用这种精简软核构架一个完整的c p u 系统只需要 占瘸7 0 0 令遴毽擎嚣；还奏一秘是掾壤软孩，经缝窝逻辑资源霉求赛乎嚣静之溺。 所有软核都是1 0 0 n 6 代码兼容，让设计者根据系统需求变化改变c p u ，而不会影 翡魏有熬软传授入。勇拜，n i o si i 簸嚣器其蠢完善魏较 孛开发套释，镪括编译器、 集成开发环境( i d e ) ，j t a g 调试器，实时操作系统( r t o s ) 和t c p i p 协议栈。 由东犬喾硕士掌德论文 2 1 - 2m i c r o b l a z e 微处理器 m i c r o b l a z e t 竭是x i l i n x 公司攉出静一款3 2 位采搿j 精简指令集( r i s c ) 的软核 微处理器，可嵌在v i r t e x 、v i r t e x - e 、v i r t e x - i i p m 、v i r t e x i l 、s p a r t a n - i i 、s p a r t a n - i i e 和s p a r t a n 3 系列器件中，仪需9 0 0 个左右的悫找表( l u t ) 资源该处理器穰块 具鸯以下特矬旧； 3 2 个3 2 位通用寄存器和2 个专用寄存器 3 2 爨霆的指令系统，支待三令操终数秘嚣静零缝方式 独立的3 2 位指令和数据总线，与l b m 的o p b 总线完全兼容 裹逮豹指令耱数据缓存( c a c h e ) 、三缀流瘩线结掏 通过模块中的l m b 总线，3 2 位指令和数据点接与片内块存储器相连 3 2 裁缝薤憨绕 硬件调试逻辑 s 个输入和8 个输出的快速链路( f s l ) 接口 x i l i n x 公司剐冈推出m i c r o b l a z e 微处理器4 ，0 舨，其工作频率可达到2 0 0 m h z ， 核心性能比前一版本提高多选2 5 。此外，新的浮点单元( f p u ) 选项使嵌入斌开 发入燹霹将系统挂裁提磐至魄软搏傍爽快1 2 0 蘩。3 2 垃萃辣发、1 e e - 7 5 4 羡褰豹 m i c r o b l a z ef p u 为设计人员提供了可同时执行整数和浮点运算的处理器。此外， 薮熬调试指令遣霹激被插入簸理器濂承线孛，获瑟袭硬 孛镶试薅雯荔获取数据， 提高下载速度。 i m i c r o b l a z e 是一个专门为x i l i n xf p g a 优亿酌r i s c 嵌入式软赴理嚣，符合 i b mc o r ec o n n e c t 标准，能够与p p c 4 0 5 系统无缝连接。m i c r o b l a z e 悬一个非常简 化，位又具有较高性能的软处理器内棱。它可以在性价比很高的s p a r t a n i i ( - e ) 聚列 f p g a 上实现。系统时钟频率为7 5 m h z ，仅蠢用4 0 0 令s l i c e 资源，掇当于l o 万 f - if p g a 容鬣的三分乏一。而l o 万门的s p a r t a n i i 系列f p g a 的批量目标市场价格 仅必l e 美元左右，l 露适会渣费类焱入式产晶的应麓震求。 2 1 3l a t t i c e m i c 0 8 微处理器 蘩逵愚睾导俸( l a t t i c e ) 公运潞年发露了l a t t i c e m i c 0 8 1 糊，一令s 盈载孩皴 控制器，适用于现场可编程门阵列( f p g a ) 的l a t t i c e e c p ，l a t t i c e e c 和l a t t i c e x p 系列浚及最近发毒豹m a c h x o 系巅。为了鼓辆霜户送行实验，开发、莱遥番藏在 山东大学硕士学位论文 提供一个新的开放的知识产权( 1 p ) 核的许可证，这是首个由f p g a 供应商提供 的许可证该许可证涉及成功开放针对可编程逻辑应用的i p 核源代码行动的许多 概念 经过针对莱迪思结构的优化，l a t t i c em i c 0 8 微控制器在最小配置的情况下消耗 的资源小于2 0 0 个查找表( l u t ) ，同时保持了大量有效的特性，包括： 1 8 位宽指令 3 2 个通用寄存器 3 2 字节的内部缓冲存储器 采用“端口”实现输入腧出( 高达2 5 6 个端口数) 可选的2 5 6 字节外部缓存r a m 每个指令两个周期 莱迪思u a r t 参考设计外设 除了核心设计采用v e r i l o g 之外，莱迪思还提供了一个汇编程序和一个指令集 仿真器，都是源代码。为了进一步增强灵活性，设计被参数化了，以便容易地实 现四种配置，各自针对不同用户的需求进行了优化： 1 6 个寄存器，1 6 字节的内部缓存r a m ， 3 2 个寄存器，1 6 字节的内部缓存r a m ， 3 2 个寄存器，3 2 字节的内部缓存r a m ， 3 2 个寄存器，3 2 字节的内部缓存r a m ， 无外部缓存r a m 无外部缓存r a m 无外部缓存队m 外部缓存r a m 除了l a t t i c e m i c 0 8 微控制器，莱迪思还通过其i s p l e v e r c o r e 合作伙伴c a s t i 和d i g i t a lc o r ed e s i g n ，提供其