為了削減成本，提升性能和保持靈活性，在工業(yè)、醫(yī)療、汽車(chē)、航天和軍用產(chǎn)品等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括處理器和外設(shè)在內(nèi)的完整的嵌入式系統(tǒng)被整合到了FPGA 上。
雖然FPGA的傳統(tǒng)用戶是硬件設(shè)計(jì)者，但是賽靈思的新型嵌入式設(shè)計(jì)平臺(tái)，使得軟件開(kāi)發(fā)人員也能夠在熟悉的環(huán)境中輕松編程，包括Eclipse IDE、編譯器、調(diào)試器、操作系統(tǒng)和庫(kù)。編程可以利用uC/OS-II之類的RTOS 甚至全嵌入式Linux在裸金屬級(jí)完成。
圖1 嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)
嵌入式設(shè)計(jì)趨勢(shì)及挑戰(zhàn)
FPGA的應(yīng)用到現(xiàn)在已經(jīng)有二十多年的時(shí)間了，我們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域都能看到各種FPGA的應(yīng)用，例如醫(yī)療、工業(yè)控制、汽車(chē)電子、連接IP、高端顯示、無(wú)線、監(jiān)控、軍事通信等等。然而，F(xiàn)PGA內(nèi)使用嵌入式處理器的時(shí)間只不過(guò)是近十年的事情，從1999年到現(xiàn)在，F(xiàn)PGA內(nèi)使用嵌入式處理器在逐年正向增加中。
圖2 EDK 軟件、硬件和集成流程
圖3 簡(jiǎn)單的SDK軟件開(kāi)發(fā)流程步驟
隨著FPGA內(nèi)使用嵌入式處理器設(shè)計(jì)越來(lái)越多，我們面臨的挑戰(zhàn)也越來(lái)越多，主要挑戰(zhàn)分為三個(gè)方向：
• 滿足不斷提高的技術(shù)要求
–要求有一個(gè)適用于該應(yīng)用的處理器系統(tǒng)
–要求能夠選擇正確的功能（外設(shè)）組合
• 即便只有很少的FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也能開(kāi)發(fā)軟件
–需要易于定制的預(yù)配置系統(tǒng)
• 降低進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)
–希望花更少的時(shí)間創(chuàng)建和調(diào)試定制IP模塊
–快速并行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證軟硬件
很多人都使用過(guò)嵌入式處理器，但當(dāng)一開(kāi)始在選擇一個(gè)嵌入式處理器作為系統(tǒng)核心時(shí)，考慮要點(diǎn)是什么呢？一個(gè)適用于該系統(tǒng)應(yīng)用的處理器以及能夠正確滿足外設(shè)功能需求的組合將會(huì)是最后的選擇。這些選擇處理器的條件都是FPGA嵌入式處理的挑戰(zhàn)。
除此之外，F(xiàn)PGA硬件設(shè)計(jì)的難度必須要有效降低，能讓對(duì)FPGA經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)較少的人員也能夠開(kāi)發(fā)軟件，這點(diǎn)是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)工程師，他們雖然沒(méi)有硬件的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也要能夠開(kāi)發(fā)軟件，這就必須要有一個(gè)易于制定的預(yù)配置系統(tǒng)。
在進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的管理上，F(xiàn)PGA嵌入式設(shè)計(jì)顯得額外重要，由于FPGA嵌入式設(shè)計(jì)包含軟件和硬件同時(shí)在一個(gè)芯片上，所以當(dāng)問(wèn)題發(fā)生時(shí)，硬件人員和軟件人員并不能很快理清問(wèn)題的癥結(jié)點(diǎn)，所以常常延遲進(jìn)度，因此在選擇FPGA嵌入式系統(tǒng)時(shí)，使用人員往往希望花更少的時(shí)間來(lái)調(diào)試硬件IP模塊，并同時(shí)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證軟件，軟硬件的整合和效能提升是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。
賽靈思嵌入式平臺(tái)
賽靈思基于FPGA的嵌入式平臺(tái)的基本價(jià)值在于為了滿足不斷提高的客戶要求。而嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)可以讓對(duì)FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)很少的人也能夠快速開(kāi)發(fā)軟件。而內(nèi)含目標(biāo)參考設(shè)計(jì)Spartan-6和Virtex-6的嵌入式套件可以有效地管理降低客戶開(kāi)發(fā)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。
Spartan-6 FPGA嵌入式套件
• 描述：
–該套件支持使用MicroBlaze軟處理器的軟件開(kāi)發(fā)工作以及使用Spartan-6 LX45T FPGA的硬件處理器系統(tǒng)定制工作。
• 組件：
–采用Spartan-6 LX45T FPGA的SP605基礎(chǔ)板
• 下載／調(diào)試電纜、電源
–ISE設(shè)計(jì)套件：嵌入式版本
• ISE和 ChipScope Pro：S6LX45T專用的器件
• Platform Studio、軟件開(kāi)發(fā)套件(SDK) (Eclipse IDE)
–嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)
• MicroBlaze™處理器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
–技術(shù)文檔
• 硬件設(shè)置指南和入門(mén)指南
• 深入的硬件和軟件分步輔導(dǎo)資料
–生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴提供OS/RTOS支持
• Linux、uC/OS-II、TreckVirtex-6 FPGA嵌入式套件
• 描述：
–該套件支持使用MicroBlaze軟處理器的軟件開(kāi)發(fā)工作以及使用Virtex™-6 LX240T FPGA的硬件處理器系統(tǒng)定制工作
• 組件：
–采用Virtex-6 LX240T FPGA的 ML605基礎(chǔ)板
• 下載／調(diào)試電纜、電源
–ISE設(shè)計(jì)套件：嵌入式版本
• ISE和ChipScope Pro：V6LX240T專用的器件
• Platform Studio、軟件開(kāi)發(fā)套件(SDK) (Eclipse IDE)
–嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)
• MicroBlaze處理器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
–技術(shù)文檔
• 硬件設(shè)置指南和入門(mén)指南
• 深入的硬件和軟件分步輔導(dǎo)資料
–生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴提供OS/RTOS 支持
• Linux、uC/OS-II、Treck
圖4 簡(jiǎn)單硬件設(shè)計(jì)流程步驟
圖5 集成并優(yōu)化軟件／硬件
嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)
Spartan-6和Virtex-6嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)其實(shí)是非常相象的，它們都包含一個(gè)32位的MicroBlaze™RISC處理器，性能優(yōu)化，支持Linux RTOS，100MHz時(shí)鐘頻率。另外還包含集成式存儲(chǔ)控制器，包含DDR、DDR2、DDR3、LPDDR，數(shù)據(jù)速率達(dá)800Mbps。
全套優(yōu)化的軟IP外設(shè)和總線結(jié)構(gòu)包含UART、Flash、GPIO、I2C/SPI、Timer/Intr Controller、Debug。具體如圖1所示，參考設(shè)計(jì)中集成以太網(wǎng)MAC IP，資源百兆、千兆網(wǎng)，子IP也可與外部碼作整合。處理器和處理器子系統(tǒng)全面可操作且簡(jiǎn)便易用，有助于立即著手系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作。
MicroBlaze處理器子系統(tǒng)
Spartan-6和Virtex-6嵌入式參考設(shè)計(jì)中，提供MicroBlaze處理器子系統(tǒng)，稱為PSS（processer sub system），通過(guò)這樣一個(gè)PSS子系統(tǒng)，用戶可以很快地將自己的定義邏輯加入這樣一個(gè)子系統(tǒng)中，由于這個(gè)目標(biāo)參考設(shè)計(jì)MicroBlaze子系統(tǒng)已經(jīng)整合了許多外設(shè)功能，用戶制定的這個(gè)邏輯便可以很快地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制或者讓DDR內(nèi)存作存儲(chǔ)，這將有效降低客戶在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的時(shí)間。
操作步驟
提高效率只需簡(jiǎn)單幾步，第一步，數(shù)分鐘內(nèi)啟動(dòng)設(shè)計(jì)，包括連接電纜，接通開(kāi)發(fā)板電源，載入嵌入式平臺(tái)演示；第二步，評(píng)估，包括評(píng)估嵌入式平臺(tái)演示，用互動(dòng)界面評(píng)估性能參數(shù)；第三步，定制，包括啟動(dòng)嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)項(xiàng)目，根據(jù)軟件開(kāi)發(fā)輔導(dǎo)資料對(duì)軟件應(yīng)用進(jìn)行編程、調(diào)試和描述，根據(jù)硬件開(kāi)發(fā)輔導(dǎo)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。
在經(jīng)過(guò)第一步和第二步之后，用戶已經(jīng)充分了解嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)的內(nèi)容，并可利用嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)來(lái)加入用戶自己的邏輯和自己的軟件，使用XPS進(jìn)行硬件制定的開(kāi)發(fā)，使用SDK進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)，這樣就可以按時(shí)完成設(shè)計(jì)要求。
EDK是Xilinx嵌入式開(kāi)發(fā)套件，其主要工具XPS是集成標(biāo)準(zhǔn)硬件流程ISE以及標(biāo)準(zhǔn)軟件流程SDK。XPS本身并不實(shí)現(xiàn)硬件流程，是通過(guò)呼叫ISE來(lái)達(dá)成硬件流程的實(shí)現(xiàn)。硬件流程包含了標(biāo)準(zhǔn)的FPGA硬件發(fā)展流程。XPS也不實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)軟件流程，也是通過(guò)呼叫SDK來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)軟件流程。用戶可以通過(guò)XPS對(duì)系統(tǒng)作描述，如圖2所示。可以稱XPS為一個(gè)腳本產(chǎn)生器，是用來(lái)聯(lián)絡(luò)硬件和軟件流程的工具。
簡(jiǎn)單的SDK軟件開(kāi)發(fā)流程步驟如圖3所示，這些都將在SDK上完成。
• 采用SDK Eclipse IDE開(kāi)始設(shè)計(jì)
• 打開(kāi)專門(mén)針對(duì)MicroBlaze PSS 目標(biāo)參考設(shè)計(jì)配置的工作區(qū)(Workspace)
• 編程
• 創(chuàng)建獨(dú)立的軟件平臺(tái)或OS BSP
• 創(chuàng)建、編譯并構(gòu)建軟件應(yīng)用
• 用圖形調(diào)試器調(diào)試軟件應(yīng)用
簡(jiǎn)單硬件設(shè)計(jì)流程步驟如圖4所示。
• 用XPS開(kāi)始設(shè)計(jì)
• 啟動(dòng)MicroBlaze PSS目標(biāo)參考設(shè)計(jì)項(xiàng)目
• 修改
• 從EDK套件中選擇其他標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)添加到PSS
• 根據(jù)“創(chuàng)建IP向?qū)?rdquo;創(chuàng)建定制IP
• 根據(jù)“調(diào)試配置向?qū)?rdquo;添加ChipScope調(diào)試IP
集成并優(yōu)化軟件／硬件的步驟如圖5所示。
• 用 ChipScope™Pro 分析工具調(diào)試軟件／硬件集成問(wèn)題
• 用SDK描述應(yīng)用并確定熱點(diǎn)
• 下載性能關(guān)鍵代碼(performance critical code)到硬件加速器
第三方提供嵌入式軟件支持主流的有Linux (PetaLinux)、uC/OS-II和Treck 網(wǎng)絡(luò)中間件，主要特性如表1所示。
表1 生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴主要特性
總結(jié)
最后總結(jié)一下，新型嵌入式開(kāi)發(fā)套件可最大限度地縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間也就是加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，采用預(yù)集成組件降低風(fēng)險(xiǎn)，也就是新型目標(biāo)參考設(shè)計(jì)可幫助設(shè)計(jì)人員提高工作效率。可以使設(shè)計(jì)人員致力于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化和增值。