（计算机系统结构专业论文）基于fpga的pci软核模块的研究与实现.pdf

摘要 本课题是在课题组已实现的高速串行通信平台的基础上，进一步引伸，设 计开源的p c i 软核通信模块替代x i l i n x 公司提供的l o g i c o r ep c i 核，力求在 从模式下，做到占用资源更少，传输速度更快，也为以后实现更完整的功能提 供平台。 本文以此为背景，基于f p g a 平台，搭建以开源的p c i 软核为核心的串行 通信接口平台，使其成为p c i 总线与用户逻辑之间的桥梁，使用户逻辑避开与 复杂的p c i 总线协议。本课题采用s p a r t a n i if p g a 芯片x c 2 s 2 0 0 6 f g 4 5 6 c 系 统开发板作为串行通信接口的硬件实验平台，实现了支持配置读写交易、单数 据段读写、突发模式读写、命令地址译码功能和数据传送错误检测与处理功 能的p c i 软核。 本文主要阐述了以p c i 软核为核心的串行通信平台的实现，首先介绍了p c i 软核的编程语言、软件工具和硬件实验平台s p a r t a n - i if p g a 芯片 x c 2 s 2 0 0 6 f g 4 5 6 c 系统开发板。然后，介绍了p c i 总线命令、p c i 软核所支持 的功能、p c i 软核两侧信号的定义、p c i 软核配置模块以及探讨了p c i 软核的 状态机接收、发送数据等过程，分析了p c i 软核的数据收发功能仿真，主要包 括配置读写交易、单数据段模式读写和突发模式读写的仿真图形，并阐述了 管脚约束的操作流程。最后介绍p c i 软核模块的w d m 驱动，内容包括驱动程 序简介、驱动程序的开发、中断处理、驱动程序与应用程序之间的通信以及应 用程序操作。最后，对p c i 软核的各种性能进行了比较分析。整个模块设计紧 凑，完成在实验平台上的数据发送。 设计选用硬件描述语言v e r i l o g h d l ，在开发工具x i l i n xi s e 7 1 中完成整个 系统的设计、综合、布局布线，利用m o d e l s i m 进行功能及时序仿真，使用 d r i v e r w o r k s 为p c i 软核编写w i n x p 下的驱动程序，用v c h6 0 编写相应的测 试应用程序。之后，将f p g a 设计下载到s p a r t a n i if p g a 芯片 x c 2 s 2 0 0 6 f g 4 5 6 c 系统开发板中运行。 文章最后指出工作中的不足之处和需要进一步完善的地方。 关键字：f p g a ；p c i 软核；p c i ；w d m 驱动； a b s t r a c t o nt h eb a s i so fa c h i e v e dh i g h - s p e e ds e r i a lc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ，f o rf u r t h e r r e s e a r c h , t h i se x p e r i m e n ti st od e s i g na no p e n - s o u r c ep c ic o r ew h i c hi s a sa s u b s t i t u t ef o rx i l i n xl o g i c o r ep c ic o r e ，i no r d e rt om a k ep c ic o r eo c c u p yl e s s r e s o u r c e sa n dg e tf a s t e rt r a n s f e r r i n gs p e e du n d e rt a r g e tm o d e b e s i d e s ，i ti sa l s ot o m a k eap l a t f o r mf o rf u t u r er e s e a r c ho np c ic o r en e wf u n c t i o n s u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，b a s e do nf p g a ，p c ic o r ea st h ek e y p a r to ft h es e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei sd e s i g n e dt ob et h eb r i d g eb e t w e e np c i b u si n t e r f a c ea n d u s e rl o g i ci n t e r f a c e ，m a k i n gu s e rl o g i ca v o i dt h ec o m p l i c a t e dp c i b u sp r o t o c 0 1 t h e x c 2 s 2 0 0 6 f g 4 5 6 cs y s t e md e v e l o p m e n tb o a r do fs p a r t a n - i if p g a c h i pi su s e da s t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eh a r d w a r e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m i nt h i s e x p e r i m e n t ，ap c ic o r ew h i c hs u p p o r tc o n f i g u r a t i o nr e a d w r i t et r a n s a c t i o n s ， s i n g l e c y c l em o d er e a d w r i t e ，b u r s t - m o d er e a d w r i t e ，c o m m a n d a d d r e s sd e c o d i n g f u n c t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o ne r r o rd e t e c t i o na n dt r e a t m e n tf u n c t i o ni sd e s i g n e d t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e sh o wt od e s i g nt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m w h o s ek e yp a r ti st h ep c ic o r e f i r s t l y , i ti n t r o d u c e s p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ， s o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ex c 2 s 2 0 0 - 6 f g 4 5 6 cs y s t e md e v e l o p m e n t b o a r do fs p a r t a n i if p g ac h i p t h e n , i tt e l l st h ep c ib u sc o m m a n d ，p c ic o r e s u p p o r t e df u n c t i o n s ，t h ed e f i n i t i o ns i g n a l so fp c ic o r eb o t hs i d e sa n dc o n f i g u r a t i o n m o d u l eo fp c ic o r e b e s i d e s ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h er e c e i v i n ga n ds e n d i n gd a t a p r o c e s so fp c ic o r e s t a t em a c h i n ea n da n a l y z e st h ep c ic o r ed a t a f u n c t i o n s i m u l a t i o ng r a p h i c so fc o n f i g u r a t i o nr e a d w r i t et r a n s a c t i o n s ，s i n g l e - c y c l em o d e r e a d w r i t ea n db u r s t - m o d er e a d w r i t et r a n s m i s s i o n o t h e rt h a nt h i s ，i tt e l l st h e o p e r a t i o no fp i n b o u n df l o w f i n a l l y , i ti n t r o d u c e st h ew d m d r i v e ro fp c ic o r e ， i n c l u d i n gi n t r o d u c t i o no fd i v e r , d r i v e rd e v e l o p m e n t ，i n t e r r u p t i o n ，c o m m u n i c a t i o n b e t w e e nd r i v e ra n da p p l i c a t i o na n dt h ea n a l y s i sr e s u l t so fa p p l i c a t i o n f i n a l l y , c o m p a r e dw i t l lx i l i n xl o g i c o r ep c ic o r e ，s e v e r a lp e r f o r m a n c e so fp c ic o r ea r e a n a l y z e d t h ed e s i g no ft h i sm o d u l ei sc o m p a c ta n di ta c c o m p l i s h e st h es e n d i n ga n d r e c e i v i n gd a t ap r o c e s s t h i sd e s i g nu s e sv e r i l o gh d la n dx i l i n xi s e 7 1t oc o m p l e t et h ed e s i g n , s y n t h e s i s ，p l a c e & r o u t e ，a n dp r o c e s s e sf u n c t i o na n dt i m i n gs i m u l a t i o ni nm o d e l s i m ， t oa n a l y z et h ed e s i g no n l i n e t h ew i n x pd r i v e rf o rp c ic o r ec o m r m m i c a t i o n i n t e r f a c ei sw r i t t e nb yu s i n gd r i v e r w o r k sa n du s e sv c + + 6 0t od e v e l o pt h et e s t p r o g r a m f i n a l l y , t h es y s t e mi sd o w n l o a d e dt ot h ex c 2 s 2 0 0 - 6 f g 4 5 6 ce x p e r i m e n t b o a r da n dw o r kw e l la f t e rb e i n gv e r i f i e da n di m p l e m e n t e d t h i sp a p e rp o i n t so u tt h ep r o b l e m sa n dt h ef u r t h e rw o r ka tt h ee n do ft h i st h e s i s k e yw o r d s ：f p g a ；p c ic o r e ；p c i ； w d m i 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：呱国 口1 年r 月? 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步，现已发展 成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的现场可编辑逻辑器件 f p g a 。新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器内核和多吉比特高速串行通信接 口m g t ( m u l t i g i g a b i tt r a n s c e i v e r ) ，可在一片f p g a 上进行软硬件协同设计， 为实现片上可编程系统s o p c 提供了强大的硬件支持。f p g a 具有许多优点【1 1 【2 】， 既继承了a s i c ( 专用集成电路) 的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克 服了普通a s i c 设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬 件电路设计的理想首选。f p g a 可以方便地通过对逻辑结构的修改和配置，完 成对系统和设备的升级，以便迅速适应市场的变化；f p g a 可以支持多种通信 协议和接口标准，并可以随着标准和协议的演变而改变功能。因此采用配置灵 活的f p g a 担任不同i o 的高速转换装置，设计高速串行接口可以带来很大的 灵活性。 9 0 年代，随着图形处理技术和多媒体技术的广泛应用，在以w i n d o w s 为代 表的图形用户接e ( g u i ) 进入p c 机之后，要求有高速的图形描绘能力和i o 处 理能力。这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提出了挑战。 实际上当时外设的速度已有了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间的数据传输 率已达1 0 m b s 以上，图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到6 9 m b s 。 通常认为i o 总线的速度应为外设速度的3 5 倍。因此原有的i s a 、e i s a 已远 远不能适应要求，而成为整个系统的主要瓶颈。因此对总线提出了更高的性能 要求，从而促使了总线技术进一步发展。1 9 9 1 年下半年，i n t e l 公司首先提出了 p c i 的概念，并联合i b m 、c o m p a q 、a s t 、h p 、d e c 等1 0 0 多家公司成立了 p c i 集团。p c i 是一种先进的局部总线，已成为局部总线的新标准。然而，p c i 总线协议复杂，如果用户侧和p c i 总线进行数据传输，必须掌握复杂的p c i 总 线协议。为了方便数据传输，本课题研究基于f p g a 的p c i 软核模块通信接口， 第一章绪论 用于作为用户侧与p c i 总线侧的桥梁，这样的接口模块具有设计周期短、修改 性强、升级方便等特点，并可以使用户避开复杂的p c i 总线协议进行交易。 1 2 项目来源及意义 本课题在课题组已经搭建的s c i 串行通信接口基础上，基于f p g a ，开发可 以替代x i l i n x 公司所提供封装的l o g i c o r ep c ic o r e 并完全开源的p c i 软核， 以达到传输速度更快，并且作为以后开发功能更加强大的p c i 软核的平台。根 据分析x i l i n x 公司所提供封装的l o g i c o r ep c ic o r e 功能强大、内部协议复杂， 个人无法在短时间内开发出各项技术都非常成熟的p c i 软核。因此，针对目前 的实验需求，本课题力求开发出在从模式下，具有占用资源小、数据传输速度 快和功能针对性强的p c i 软核。并搭建以p c i 软核为核心的串行通信接口平台， 使其成为p c i 总线与用户逻辑之间的桥梁，避开用户逻辑与p c i 总线直接打交 、j 止 垣。 本课题采用v e r i l o g 做为编程语言，x i l i n xi s e 作为集成开发环境，m o d e l s i m s e 作为仿真工具，并以s p a r t a n i if p g a x c 2 s 2 0 0 6 f g 4 5 6 c 系统开发板作为通 信接口的核心控制芯片，实现了支持配置读写交易、单数据段读写、猝发模式 读写和命令地址译码功能的p c i 软核，对p c i 软核的数据发送与接收进行 了模拟仿真，并设计研发其驱动程序和应用程序，最后在传输速度、支持功能 以及占用资源等方面，对比x i l i n x 公司所提供的l o g i c o r ep c ic o r e ，对本课 题所实现的p c i 软核进行了性能分析。 1 3 研究内容 本课题的工作内容包括以下几个方面： 1 根据课题的具体要求，选择合适的芯片，学习并应用p c i 总线协议； 2 设计实现了支持配置读写交易、单数据段读写、突发模式读写和命令 地址译码功能，并具有数据传送错误检测与处理功能的p c i 软核； 3 p c i 软核的数据发送与接收功能仿真及分析； 4 编写p c i 软核下载板卡的驱动程序及应用程序； 2 第一章绪论 5 最后，对比x i l i n x 公司所提供的l o g i c o r ep c ic o r e ，对本课题所实现 的p c i 软核进行了性能分析。 本文主要阐述了以p c i 软核模块为核心的通信平台的实现，介绍了p c i 软 核两侧信号的作用、p c i 软核配置空间、配置交易方式、存储器和i o 寻址以 及探讨了p c i 软核的状态机接收、发送数据等过程，分析了p c i 软核的数据收 发时序仿真，主要包括配置读写交易、单数据段模式读写和突发模式读写的 仿真，并介绍了管教配置流程。最后介绍p c i 软核模块的w d m 驱动的编写以 及应用程序的开发，最后，对比x i l i n x 公司所提供的l o g i c o r ep c ic o r e ，对 本课题所实现的p c i 软核进行了性能分析。整个模块设计紧凑，完成在实验平 台上的数据发送。为下一步工作奠定了基础。 1 4 本文的组织结构 以下为本文结构安排各内容概要： 第一章：绪论。概述了相关领域的背景情况，说明项目的背景并提出本文 的研究内容。 第二章：p c i 软核开发背景介绍。本章对p c i 软核的开发平台环境、语言和 平台等相关基础知识加以介绍。主要内容包括p c i 软核编程语言、p c i 软核软 件开发工具和p c i 软核硬件实验平台等相关内容。 第三章：基于f p g a 的p c i 软核模块的设计及仿真。本章为论文的核心章 节，主要介绍了p c i 总线及目前p c i 总线接口的常用实现方法，然后，在此基 础上，详细介绍基于p c i 总线的p c i 软核模块通讯接口设计方案，包括接口信 号设计、p c i 软核配置模块设计、配置交易类型选择、存储器和i o 寻址方式 和p c i 软核状态机等。最后，对p c i 软核的数据收发进行功能仿真及分析并介 绍了管脚约束操作流程。 第四章：p c i 软核驱动程序设计及性能分析。主要包括驱动程序简介、驱动 程序和应用程序的开发，最后，在传输速度、支持功能以及占用资源等方面， 对比x i l i n x 公司所提供的l o g i c o r ep c ic o r e ，对本课题所实现的p c i 软核进 行了性能分析。 第五章i 结束语。总结了论文所做的工作，指出工作中的不足之处，强调 第一章绪论 了下一步工作方向。 4 第二章p c i 软核开发背景介绍 第二章p c i 软核开发背景介绍 本章对p c i 软核的开发平台环境、语言和平台等相关基础知识加以介绍。 主要内容包括p c i 软核编程语言、p c i 软核硬件实验平台和p c i 软核软件开发 工具等相关内容。 2 1p c i 软核编程语言v e r i l o gh d l 2 1 1v e r i l o gh d l 简介 p c i 软核所使用的编程语言为硬件描述语言v e r i l o gh d l ，是硬件描述语言 的一种。硬件描述语言【3 1 1 4 ( h d l ：h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是一种用 形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。数字逻辑电路设计者 利用这种语言可以从上层到下层( 从抽象到具体) ，逐层描述自己的设计思想， 用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。 对于硬件描述语言，目前比较流行的为v h d l 和v e r i l o gh d l 两种语言， 并且都成为i e e e 标准。v h d l 和v e r i l o gh d l 作为描述硬件电路设计的语言， 有其共同的特点：能形式化地抽象表示电路的行为与结构；支持逻辑设计中层 次与范围的描述；可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述；具有电 路仿真与验证机制以保证设计的正确性；支持电路描述由高层到底层的综合转 换；硬件描述与实现工艺无关；便于文档管理；易于理解和设计重用。 但是两者也各有各自的特点。v h d l 描述语言层次较高，不易控制底层电 路，因而对v h d l 综合器的综合性能要求较高，而且v h d l 入门较难，因为 v h d l 不很直观，需要有a d a 编程基础。v e r i l o gh d l 5 】拥有更广泛的设计群体， 成熟的资源也远比v h d l 丰富，而且它易于掌握，风格类似于c 语言。v e r i l o g h d l 用于数字电子系统设计。设计者可以用它进行各种级别的逻辑设计，可用 它进行数字逻辑系统的方针验证、时序分析、逻辑综合。它是目前应用最广泛 的一种硬件编程语言。v e r i l o gh d l 较为适合系统级( s y s t e m ) 、算法级 ( a l o g r i t h e m ) 、寄存器传输级( r t l ) 、逻辑级( l o g i c ) 、门级( g a t e ) 和电路 第二章p c i 软核开发背景介绍 开关极( s w i t c h ) 的设计，而对于特大型( 千万门级以上) 的系统级( s y s t e m ) 设计，则v h d l 更为适合。因此，根据两者的特点和优势，本课题所实现的p c i 软核所采用的编程语言为v e r i l o gh d l 。 2 1 2v e r i l o gh d l 设计方法 利用v e r i l o gh d l 语言设计硬件系统的方法【6 1 ，归纳起来有以下几个特点： ( 1 ) 采用自上而下( t o pd o w n ) 的设计方法 所谓自上而下的设计方法，就是从系统总体要求出发，自上而下地逐步将 设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。自上而下的设计思想如图2 1 所示。 图2 1自上而下的设计思想 ( 2 ) 层次管理的基本概念 复杂数字逻辑电路和系统的层次化、结构化设计隐含着对系统硬件设计方 案的逐次分解。在设计过程中的任意层次，至少得有一种形式来表述硬件。硬 件的描述特别是行为描述通常称为行为建模。在集成电路设计的每一个层次， 硬件可以分为一些模块，该层次的硬件结构由这些模块互连描述，该层次的硬 件的行为由这些模块的行为描述。这些模块成为该层次的基本单元，而该层次 的基本单元又由下一层次的基本单元互连而成，如此下去，完整的硬件设计就 是图2 1 所示的设计树描述。在这个设计树上，节点对应着该层次上基本单元 的行为描述，树枝对应着基本单元的结构分解。在不同的层次都可以进行仿真 以对设计思想进行验证。 ( 3 ) 具体模块的设计编译和仿真过程 6 第二章p c i 软核开发背景介绍 在不同的层次做具体模块的设计所用的方法也有所不同。在高层次上往往 编写一些行为级的模块，并通过仿真加以验证，其主要目的是系统性能的总体 考虑和各模块的指标分配，并非具体电骡的实现，因而综合及其后的步骤往往 不需要进行。而当设计的层次比较接近底层时，行为描述往往需要用电路逻辑 来实现，这时的模块不仅需要通过仿真加以验证，还需要进行综合、优化、布 线和后仿真。总之，具体电路是从底向上逐步实现的。e d a 工具往往不仅支持 h d l 描述也支持电路图输入，有效地利用这两种方法是提高设计效率的方法之 一。如图2 2 所示为h d l 设计流程图，它简要地说明了模块的设计流程。 图2 2h d l 设计流程图 ( 4 ) 对应具体工艺期间的优化、映像和布局布线 由于a s i c 和f p g a 器件的工艺各不相同，因而当用不同厂家的不同器件来 7 第二章p c i 软核开发背景介绍 实现验证的逻辑网表的时候，需要不同的基本单元库与布线延迟模型与之对应 才能进行准确的优化、映像和布局布线。 2 2p c i 软核软件开发工具 本课题所实现的p c i 软核的软件开发工具包括，x i l i n x 公司f p g a c p l d 的 集成开发环境i s e ( i n t e g r a t e ds o f t w a r ee n v i r o n m e n t ) 7 1 i 、仿真工具m o d e l s i m s e 和集成化逻辑分析工具c h i p s c o p ep r o 。 2 2 1 集成开发环境i s e i s e t 7 】是x i l i n x 公司提供的集成化f p g a 开发软件，它的主要功能包括设计 输入、综合、仿真、实现和下载。 ( 1 ) 设计输入 i s e 软件提供的设计输入工具包括用于h d l 代码输入和报告查看的i s e 文 本编辑器( t e x t e d i t o r ) ，用于原理图编辑的工具e c s ( e n g i n e e r i n gc a p t u r e s y s t e m ) ，用于pc o r e 的c o r e g e n e r a t o r ，用于状态机设计的s t a t e c a d ，以 及用于约束文件编辑的c o n s t r a i n te d i t o r 等。 ( 2 ) 综合 i s e 的综合工具不但包括了x i l i n x 自身提供的综合工具x s r ，同时还可以集 成m e n t o r g r a p h i c s 公司的l e o n a r d o s p e c t r u m 和s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f y 。 ( 3 ) 仿真 i s e 本身自带了图形化波形编辑功能的仿真工具h d lb e n c h e r ，同时又提供 了使用m o d e l t e c h n o l o g y 公司的m o d e l s i m 进行仿真的接口。 ( 4 ) 实现 i s e 的实现功能包括了翻译( t r a n s l a t e ) 、映射( m a p ) 、布局布线( p l a c ea n d r o u t e ) 等。 ( 5 ) 下载 下载功能包括了b i t g e n ，用于将布局布线后的设计文件转换为比特流 ( b i t s t r e a m ) 文件。还包括了i m p a c t 功能，用于进行设备配置和通信，控制 将程序烧写到f p g a 芯片中去。 8 第犟p c i 软核开发背景舟绍 使用i s e 进行f p g a 设计的各个过程可能涉及的设计工具见图2 - - 3 。 i d l i ” e 岱g a 翔# # i $ u k c a d # 寿机# s x w 口 图2 - - 3i s e 设计工具图 使用i s e 进行f p g a 开发大致可以分为3 个步骤。 ( 1 ) 设计输入和仿真 设计输入( d e s i g ne n t r y ) 是指以h d l 代码、原理图、波形图以及状态机 的形式输入设汁源文件，而设计仿真( s i m d m i o n ) 是指通过仿真工具对设计的 整体模块或局部模块进行仿真来检验设计的功能和性能。 ( 2 ) 用户约束条件、综合和实现 用户约束条件( u s e rc o n s t r a i n t s ) 的作用是对综合、实现过程进行控制， | 三【满足速度、面积、引脚位置等需求。编辑约束条件对应着图2 4 中的u s e r c o n s t r a i n t s ，其中又包括了4 个子项，意义分别为：创建时间约束、配置引脚、 创建面积约束、以文本方式编辑约束。 | r m m rs o 。p “一 ”l | + 簟k l 口i d t i l l t l e s l ：移：u 。s e rc o n5 t ? x “s t f星矿“铷t 矧fr q t f 口y l w k t ls c h t i 。 口 y l wt t c h d 。ds c h u c o c h e c ks ”恤 + 0 6 e n e r t t ep e s t s ”t h e s i ；s l m l 一0gh “td e s i 日 + 0 扩t r n m t e 1+ o n i+ 0 2p l a c e r 州e 10 6 n p r l n gf 1 l i目矿p r o m l f i 2 “ 擎6 m “e 。r * 尊c 。a f i p ed e v ( 1 i ，9 “”“”“j “”j 1 1 i 竺竺业! ：厂_ 二二二_ _ _ _ _ 图2 - - 4 编辑约束条件、综合和实现 第一章p c i 轼核开发背景舟绍 综合( s y n t h e s i z e ) 是f p g a 设计流程中的重要环节，综合结果的优劣直接 影响到设计的最终性能。i s e 自带的综合工具是x s t ，同时它也支持s y n p l i f y s y n p l i f yp r o 等第三方综合工具，但是由于x i l i n x 对于其器件的底层最为了解， 所以使用x s t 综合往往会得到比较满意的结果。综合对应了图2 一l o 中的 s y n t h e s i z ex s t 项，其包含了3 个子项，意义分别为：查看综合报告、查看综 合器件的r t l 级原理图和检查语法。 实现( i m p l e m e n t a t i o n ) 过程也包含了3 个子项，如图2 1 0 中i m p l e m e n t d e s i g n 项所对应的子项，意义分别是：翻译、映射和布局布线。需要注意，进 行实现步骤之前必须进行约束条件的编辑，否则实现可能会出错。 ( 3 ) 硬件编程 硬件编程( p r o g r a m m i n g ) 是指生成编辑比特流文件b i t ，并将其下载到 f p g a 芯片内部的过程。硬件编程对应图2 - - 5 所示的g e n e r a t ep r o g r a m m i n gf i l e 项。 h 。a 一f o m c “p c z j q 。 l 广1 r 1 重量圈莹墨r 一i 】口c - s iz v i md # o 一y 1 _ p - p u t l i t 1 。簟u m t 5 蠡。c r 2 。l t , t 。i m i ”。蒜p “l 圈c e ac t i 玳i e d i tc t i t a m l 0 矿$ 一z n io gh p l n td 咄口 1 。一占嚣耋= = i i ? 芝。i 謇；：j 恐。咒。矗：| l9 “”“。l i 一一一。一j ! ! j l ：! 坐坐! 二= 二二二一 图2 5 硬件编程 第二章p c i 软核开发背景介绍 2 2 2 仿真工具m o d e l s i ms e m o d e l s i m 是业界最优秀的h d l 语言仿真器，它提供最友好的调试环境， 是唯一的单内核支持v h d l 和v e r i l o g 混合仿真的仿真器。是作f p g a a s i c 设 计的r t l 级和门级电路仿真的首选，它采用直接优化的编译技术、t c f t k 技术、 和单一内核仿真技术，编译仿真速度快，编译的代码与平台无关，便于保护i p 核，个性化的图形界面和用户接口，为用户加快调错提供强有力的手段。全面 支持v h d l 和v e r i l o g 语言的i e e e 标准，支持c c + + 功能调用和调试。m o d e l s i m 专业版，具有快速的仿真性能和最先进的调试能力，全面支持u n i x ( 包括6 4 位) 、 l i n u x 和w i n d o w s 平台。主要特点：r t l 和门级优化，本地编译结构，编译仿 真速度快；单内核v h d l 和v e r i l o g 混合仿真；源代码模版和助手，项目管理； 集成了性能分析、波形比较、代码覆盖等功能；数据流c h a s e x ；s i g n a ls p y ；c 和t c l t k 接1 2 1 ，c 调试。是业界唯一单一内核支持v h d l 、v e r i l o gh d l 和 s y s t e m c 混合仿真的仿真器。同时也支持业界最广泛的标准如v e r i l o g2 0 0 1 、 s y s t e m v e r i l o g 等，内部集成了用于c c + + ，p l i f l i 和s y s t e m c 的集成c 调试 器。支持众多的a s i c 和f p g a 厂家库，可以用于f p g a 和a s i c 设计的r t l 级和门级电路仿真。 m o d e l s i m l 8 j 最大的特点是其强大的调试功能：先进的数据流窗1 2 1 ，可以迅 速追踪到产生不定或者错误状态的原因；性能分析工具帮助分析性能瓶颈，加 速仿真；代码覆盖率检查确保测试的完备；多种模式的波形比较功能；先进的 s i g n a ls p y 功能，可以方便地访问v h d l 或者v h d l 和v e r i l o g 混合设计中的底 层信号；支持加密i p ；可以实现与m a t l a b 的s i m u l i n k 的联合仿真。m o d e l s i m 分几种不同的版本：s e 、p e 、l e 和o e m ，其中s e 是最高级的版本而集成在 a c t e l 、a t m e l 、a l t e r a 、x i l i n x 以及l a t t i c e 等f p g a 厂商设计工具中的均是其 o e m 版本。s e 版和o e m 版在功能和性能方面有较大差别，比如对于大家都关 心的仿真速度问题，以x i l i n x 公司提供的o e m 版本m o d e l s i mx e 为例，对于 代码少于4 0 0 0 0 行的设计，m o d e l s i ms e 比m o d e l s i mx e 要快1 0 倍；对于代 码超过4 0 0 0 0 行的设计，m o d e l s i ms e 要比m o d e l s i m x e 快近4 0 倍。以下列表 介绍了o e m 版本( 以x i l i n x 公司提供的m o d e l s i mx e 版本为例) 与m o d e l s i m s e 版本之间的差异。m o d e l s i ms e 支持p c 、u n i x 和l i n u x 混合平台；提供 第二章p c i 软核开发背景介绍 全面完善以及高性能的验证功能；全面支持业界广泛的标准；m e n t o rg r a p h i c s 公司提供业界最好的技术支持与服务。表2 1 、2 2 为m o d e l s i m 版本功能与 性能差异。 技术差异 m o d e l s i ms em o d e l s i mx ei i 单一语言支持支持 支持 混合语言支持支持不支持 x i l i n x 库支持支持支持 其它库支持支持不支持 技术支持与服务 m e n t o r g r p h i c s x i l i n x 产品升级支持不支持 浮动使用授权支持 不支持 表2 1m o d e l s i m 版本功能差异 调试功能差异 m o d e l s i ms em o d e l s i mx ei i 基本图形用户界面支持支持 s i g n a l s p y 支持不支持 x i l i n x 库支持支持不支持 代码覆盖率检查支持 不支持 性能分析 m e n t o r g r p h i c s x i l i n x 数据流与x 跟踪支持不支持 波形比较支持不支持 检查点复原支持不支持 混合语言调试支持不支持 d e b u gd e t e c t i v e 支持不支持 表2 - - 2m o d e l s i m 调试功能差异 1 2 第二章p c i 软核开发背景介绍 2 3 3 集成化逻辑分析工具c h i p s c o p ep r o x i l i n x 公司推出的片内逻辑分析仪c h i p s c o p ep r o p 能够通过j t a g 口在线、 实时地读出f p g a 的内部信号，而只需要片内的少量b l o c k r a m 和逻辑资源， 使得逻辑分析变得灵活方便。c h i p s c o p ep r o 可以分析任何内部f p g a 信号，包 括嵌入式处理器总线；在设计采集或综合之后，插入小型的、可配置的软件核， 将引脚影响降至最低；在板上以达到或接近目标工程运行的速度验证f p g a 设 计；利用f p g a 的可重编程性能，可以在几分钟或几小时内确定设计问题并修 改设计；内置的软件逻辑分析器可以用来识别设计问题并进行调试，包括高级 触发、过滤和显示选项，无需重新综合即可改变探针指向；可利用远程调试( 从 办公室到实验室，或在全球范围内) 通过互联网连接进行调试；此外还包括 a g i l e n t 科技推出的、用于实现功能强大的验证功能的逻辑分析器可选配件，可 以探测包括从f p g a 内部到板上任何地方的交叉互联信号。 c h i p s c o p ep r o 为用户提供方便和稳定的逻辑分析解决方案，支持s p a r t a n 和v i r t e x 全系列f p g a 芯片，但对p c 和芯片之间的j t a g 通信电缆有一定的 要求，目前支持下面几类： p l a t f o r mc a b l eu s b p a r a l l e lc a b l ei v m u l t i p r o ( j t a gm o d eo n l y ) c h i p s c o p ep m 软件由c h i p s c o p ep r o 核生成器( c h i p s c o p ep r oc o r e g e n e r a t o r ) 、c h i p s c o p ep r o 核插入器( c h i p s c o p ep r oc o r ei n s e r t e r ) 、c h i p s c o p e p r o 分析仪( c h i p s c o p ep r oa n a l y z e r ) 以及c h i p s c o p et e l 脚本接口( c h i p s c o p e t e ls c r i p t i n gi n t e r f a c e ) 四个组件组成，支持普通f p g a 设计以及基于f p g a 的 嵌入式、s o c 系统。在使用时，直接将i c o n 、i l a 、以及a t c 2 等核直接插入 到设计的综合网表中，然后通过实现工具完成布局布线，将生成的比特文件下 载到芯片中，从而实现在线逻辑分析器。 2 3p c i 软核硬件f p g a 实验平台 根据系统和实验要求，本课题采用x i l i n x 公司的s p a r t a n i i 系列f p g a 芯片 第一章p c