基于嵌入式處理器的Virtex FPGA板級支持包設(shè)計

基于嵌入式處理器的VirtexFPGA板級支持包設(shè)計具有嵌入式處理器的平臺FPGA提供很大的靈活性、集成度和高性能。目前，在單個可編程邏輯器件中開發(fā)極其復(fù)雜且高度定制化的嵌入式系統(tǒng)已成為可能。隨著芯片性能的不斷增加，如何使設(shè)計方法始終高效、多產(chǎn)，成為人們面臨的主要挑戰(zhàn)。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵活動之一是板級支持包（BSP）。利用BSP，可以使嵌入式軟件應(yīng)用程序成功地初始化，并與連接到處理器的硬件資源進(jìn)行通信。典型的BSP組件包括引導(dǎo)代碼、器件驅(qū)動程序代碼和初始化代碼。創(chuàng)建BSP是一個冗長而繁復(fù)的過程，并且每當(dāng)微處理器與處理器和相關(guān)的外設(shè)的組合有所變更時都得再次創(chuàng)建。對FPGA而言，短的設(shè)計周期加上平臺的靈活性，會使得管理BSP的任務(wù)更為艱巨（圖1）。這就迫使人們尋找更有效地管理BSP的方法。設(shè)計流程和軟件BSP生成賽靈思處理器的設(shè)計包含硬件平臺集結(jié)流程和嵌入式軟件開發(fā)流程。這些流程都通過XPS（XilinxPlatformStudio）工具加以管理，該工具屬于賽靈思嵌入式開發(fā)套件（EDK）的一部分。設(shè)計通常始于在XPS中集結(jié)與配置處理器及與其相連接的器件。定義好硬件平臺后，就可以配置系統(tǒng)的軟件參數(shù)了。XPS的一個主要特點是，它可以根據(jù)你對處理器、外設(shè)和嵌入式操作系統(tǒng)的選擇和配置來定制BSP。系統(tǒng)通過硬件設(shè)計的迭代改變而發(fā)展，同時BSP隨著平臺而發(fā)展。自動生成的BSP可賦予嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者以下能力：自動創(chuàng)建與硬件設(shè)計完全匹配的BSP；使用預(yù)認(rèn)證的組件消除BSP設(shè)計錯誤；立即啟動應(yīng)用軟件開發(fā)，提高設(shè)計者的效率。創(chuàng)建用于VxWorks的BSPXPS可生成用于賽靈思Virtex-IIPro和Virtex-4FPGA中的PowerPC405處理器及其外設(shè)的定制Tornado2.0.x（VxWorks5.4）或Tornado2.2.x（VxWorks5.5）BSP。生成的BSP包含系統(tǒng)必需的所有支持軟件，包括引導(dǎo)代碼、器件驅(qū)動程序和VxWorks初始化。圖1：平臺FPGA靈活性要求軟件BSP產(chǎn)生過程更高效在XPS定義完具有PowerPC405處理器的硬件系統(tǒng)后，只需遵循以下三個步驟即可生成用于VxWorks的BSP：1.使用軟件設(shè)置對話框選擇要為系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)。XPS用戶可選擇VxWorks5.4或VxWorks5.5作為其目標(biāo)操作系統(tǒng)。2.選擇了操作系統(tǒng)后，可轉(zhuǎn)到資料庫/操作系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)簽，根據(jù)定制硬件調(diào)整TornadoBSP。你可以選擇系統(tǒng)中的任意UART器件作為標(biāo)準(zhǔn)I/O器件（標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出）。這將使該器件被用作VxWorks控制器件。你還可以選擇將哪些外設(shè)作為連接外設(shè)，將哪些器件緊密集成到VxWorks操作系統(tǒng)。例如，賽靈思10/100以太網(wǎng)MAC可以集成到VxWorks增強型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序（END）接口?；蛘卟槐貙⒁蕴W(wǎng)器件連接到END接口，而從VxWorks應(yīng)用程序直接訪問它。3.選擇“工具》生成庫”和BSP菜單選項，生成TornadoBSP。生成的BSP與傳統(tǒng)的TornadoBSP相似，位于ppc405_0/bsp_ppc405_0下的“PlatformStudio”目錄中（見圖2）。注意ppc405_0為硬件設(shè)計中PowerPC405處理器的實例名。XPS用戶可指定其它實例名，此時BSP的子目錄名稱會匹配處理器實例名。圖2：生成的BSP目錄結(jié)構(gòu)通過XPS生成的TornadoBSP具有一個“Makefile”文件，如果希望使用Diab編譯器而不是Gnu編譯器，可在命令行修改此文件。TornadoBSP是完全獨立的，并可以轉(zhuǎn)移到其它目錄位置，如BSP的標(biāo)準(zhǔn)Tornado安裝目錄：target/config。定制BSP由XPS生成的用于VxWorks的BSP與大多數(shù)其它TornadoBSP相似，只是賽靈思器件驅(qū)動程序代碼的位置有所不同。與Tornado相關(guān)的現(xiàn)成器件驅(qū)動程序代碼通常位于Tornado分布目錄的target/src/drv目錄中，而由XPS自動生成的BSP的器件驅(qū)動程序代碼位于BSP目錄本身中?；贔PGA的嵌入系統(tǒng)之動態(tài)特性是造成此微小差別的原因。因為基于FPGA的嵌入系統(tǒng)可以用新的或更改后的IP重新編程，器件驅(qū)動程序可以改變，因此就需要對器件驅(qū)動程序源文件進(jìn)行更為動態(tài)的放置。圖2為自動生成的BSP目錄樹，賽靈思器件驅(qū)動程序放置在BSP子目錄ppc405_0_drv_csp/xsrc中。賽靈思器件驅(qū)動程序在C盤中執(zhí)行并分布在數(shù)個源文件中，這點不同于傳統(tǒng)的、通常由單個C頭文件和執(zhí)行文件組成的VxWorks驅(qū)動程序。此外，對于器件驅(qū)動程序，既有獨立于操作系統(tǒng)的執(zhí)行，又有可選的依賴于操作系統(tǒng)的執(zhí)行。驅(qū)動程序的操作系？？立部分應(yīng)同任何操作系統(tǒng)或處理器一起使用。它提供了一種應(yīng)用程序接口（API），能提取基礎(chǔ)硬件的功能。驅(qū)動程序的操作系統(tǒng)附屬部分對驅(qū)動程序進(jìn)行調(diào)整，使其得以在VxWorks之類的操作系統(tǒng)下使用，例如串行端口使用的SerialIO驅(qū)動程序和以太網(wǎng)控制器使用的END驅(qū)動程序。只有能被緊密集成到標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)接口的驅(qū)動程序才要求操作系統(tǒng)附屬驅(qū)動程序。賽靈思驅(qū)動程序源文件加入VxWorks映像構(gòu)件的方式同其它BSP文件加入的方式相同。針對每個驅(qū)動程序，在BSP目錄中都有一個名為ppc405_0_drv_.c的文件。此文件包括針對給定器件的驅(qū)動程序源文件（*.c），并自動由BSPmakefile編譯。該過程與VxWorkssysLib.c針對風(fēng)河系統(tǒng)（WindRiver）提供的驅(qū)動程序納入源文件的過程相似。賽靈思驅(qū)動程序文件不像其余驅(qū)動程序一樣單純納入sysLib.c的原因，在于命名空間的沖突和可維護(hù)性問題。如果所有的賽靈思驅(qū)動程序文件都是單個編譯單元的一部分，那么靜態(tài)功能和數(shù)據(jù)就不再處于保密狀態(tài)了。這會對器件驅(qū)動程序產(chǎn)生限制，也會抵消其操作系？？立性。與TornadoIDE集成自動生成的BSP被集成到TornadoIDE。BSP可從命令行使用“Tornadomake”工具編譯，或從“TornadoProject”編譯。生成BSP后，只需在命令行鍵入“makeVxWorks”來編譯可啟動的RAM映像。這是假定此前已設(shè)置了Tornado環(huán)境（此設(shè)置可以在Windows操作平臺上在命令行使用host/x86-win32/bin/torVars.bat來完成）。如果你使用的是“TornadoProject”器件，可以在新生成的BSP的基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個項目，然后使用通過IDE提供的構(gòu)件環(huán)境編譯此BSP。Tornado2.2.x不僅支持Gnu編譯器，還支持Diab編譯器。XPS創(chuàng)建的TornadoBSP有一個“Makefile”，如果你想使用Diab編譯器而不是Gnu編譯器，則可以在命令行修改此“Makefile”。尋找稱為“工具”的生成變量，將值設(shè)置到Diab而不是Gnu。如果使用“TornadoProject”工具，項目最初創(chuàng)建時可選擇所需的編譯器。文件“50ppc405_0.cdf”位于BSP目錄下，并在創(chuàng)建BSP的過程中加以更改。此文件將器件驅(qū)動程序融入了TornadoIDE菜單系統(tǒng)。驅(qū)動程序在“硬件》外圍器件”子文件夾處與BSP結(jié)合在一起。在其下面是單獨的器件驅(qū)動程序文件夾?！癟ornadoProjectFacility”的“文件”標(biāo)簽也會顯示用來將賽靈思器件驅(qū)動程序與Tornado構(gòu)建過程結(jié)合在一起的文件數(shù)量。這些文件由XPS自動創(chuàng)建，你只需要知道其存在就行。一些常用器件與操作系統(tǒng)緊密結(jié)合，而其它器件可通過直接使用器件驅(qū)動程序從應(yīng)用程序？？問。與VxWorks緊密結(jié)合的器件驅(qū)動程序包括：10/100以太網(wǎng)MAC；10/100以太網(wǎng)LiteMAC；1Gb以太網(wǎng)MAC；16550/16？50UART；UARTLite；中斷控制器；SystemACE技術(shù)；PCIe。所有其它器件及相關(guān)的器件驅(qū)動程序并未緊密集成到VxWorks接口，而只是與其松散集成。對這些器件的訪問可通過從用戶應(yīng)用程序直接訪問相關(guān)器件驅(qū)動程序來進(jìn)行。本文小結(jié)隨著基