1.3.5 嵌入微处理器的FPGA设计流程

1.3.5嵌入PowerPC405微处理器的FPGA设计流程1.PowerPC405的使用方式Xilinx公司的Virtex-ⅡPro系列器件内嵌高性能的32位RISC内核PowerPC405。在Virtex-ⅡPro系列器件中，PowerPC405主要有两种使用方式：1.深埋式应用2.复杂嵌入式应用1.深埋式应用深埋式应用如图1.3.5所示，PowerPC405仅使用FPGA内部的BlockRAM，不与FPGA外部资源发生直接联系，不需要实时操作系统和外界接口。PowerPC405的深埋式应用比较适合于FPGA内部复杂逻辑控制、数据包处理等场合。图1.3.5PowerPC405深埋式应用2.复杂嵌入式应用复杂嵌入式应用如图1.3.6所示，PowerPC405使用FPGA外部的存储单元，使用CoreConnect总线和外围接口。PowerPC405的复杂嵌入式应用通常需要实时操作系统，比较适合于以FPGA为核心的复杂应用。图1.3.6PowerPC405复杂嵌入式应用2.设计流程针对嵌入PowerPC405的FPGA设计，Xilinx公司提出了软硬件协同设计的完整流程，包括：整体方案设计、硬件系统设计、硬件系统仿真和验证、软件系统设计、软件仿真与验证几部分。①整体方案设计在整体方案设计阶段，将明确设计目标，划分软硬件系统，确定仿真验证策略。②硬件系统设计在硬件系统设计阶段，将确定硬件系统的整体结构，明确PowerPC405的目标功能和具体应用方案，并通过微处理器硬件规范（MHS，MicroprocssorHardwareSpecification）文件来描述PowerPC405的总线和接口结构。在EDK集成开发环境中，调用platgen可以将MHS文件转换成相应的网表文件和顶层HDL文件。③硬件系统仿真和验证在硬件系统仿真和验证的设计阶段，将确定整个硬件系统的仿真和验证方案，并通过微处理器验证规范（MVS，MicroprocessorVerificationSpecification）文件描述。在EDK集成开发环境中，调用simgen可以将MVS文件转换成相应的仿真和验证文件。④软件系统设计在软件系统设计阶段，将确定基于PowerPC405的软件系统，并通过微处理器软件规范（MSS，MicroprocessorSoftwareSpecification）文件描述。在EDK集成开发环境中，调用libgen可以将MSS文件转换成相应的用户驱动、库文件和中断处理程序。⑤软件仿真与验证在软件仿真与验证阶段，通过使用Xilinx公司提供的GNUDebugger或其他第三方设计工具，对嵌入式软件进行调试。针对Virtex-ⅡPro系列器件中PowerPC405的设计和使用，Xilinx公司基于ISE4．2系列软件推出了专用开发工具一V2PDK，基于ISE5.x系列软件推出了专用开发工具EDK。在基于PowerPC405的FPGA设计过程中，嵌入式软件工程师仍然可以独立地进行软件设计，硬件逻辑工程师也可以继续采用过去的设计方法。通过使用Data2BlockRAM，软件代码可以在FPGA中使用。Data2BlockRAM的主要作用是把软件代码（.elf文件）、FPGA设计（.bit文件）、BlockRAM初始化数据（.bmm文件）转换成新的FPGA设计（.bit文件）和存储数据（.mem文件）。以下是嵌入PowerPC405的FPGA软硬件设计流程嵌入PowerPC405的FPGA软硬件设计流程⑤软件仿真与验证目前，针对Virtex-ⅡPro系列器件中PowerPC405的软件开发，Xilinx公司推出了两种软件开发工具：GNU和WindRiverXE。其中，WindRiverXE是Xilinx公司与WindRiver公司合作开发的嵌入式软件设计工具，它包括DiabCompiler和SingleStepDebugger。GNU是XilillX公司自主开发的嵌入式软件设计工具。基于GNU的嵌入式软件设计主要包括编辑、编译、链接和调试等步骤。在Virtex-ⅡPro系列器件的硬件开发过程中，如果不使用PowerPC4OS内核，整个设计流程与普通FPGA的设计流程完全一致。如果使用POwerPC405内核，硬件设计应注意以下三点。①正确设计PowerPC405的外围总线和接口。②正确使用PowerPC405的仿真模型。目前，PowerPC405的仿真模型包括：PowerPC405的仿真模型a.SmartModel该模型是加密仿真模型，仿真速度很慢。SmartModel仿真模型必须在支持SWIFT接口的仿真工具中使用。目前，ModeISimSE5.6可以支持SWIFT接口。b.BusFunctionalModel该模型仿真速度比较快，它通过模拟PowerPC405外围总线的操作对PowerPC405内核进行仿真。由于Virtex-ⅡPro系列器件中的PowerPC405内核仅支持ICU、DCU和DCR三种CPU总线工作模式，所以Virtex-ⅡPro系列器件中的BusFunctionalModel必须模拟这三种工作方式之一。另外，使用BusFunctionalModel仿真前，必须安装IBMCoreConnectKit。③正确设计PowerPC405的初始配置。因为Virtex-ⅡPro系列器件中的PowerPC405只有在FPGA配置完成后才能正常工作，所以它不能对FPGA自身进行下载配置。