基于EDK的SOPC開發技術研究

防空兵指揮學院 張春生

基于EDK的SOPC開發技術研究

防空兵指揮學院 張春生

一、SOPC簡介

近年來，隨著微電子工業的不斷發展，作為可編程邏輯器件之一的FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程邏輯門陣列）得到了越來越廣泛的應用，其設計性能及性價比已完全能夠與ASIC抗衡。SOPC（System On a Programmable Chip，片上可編程系統）技術正是在可編程邏輯器件的基礎上發展起來的一種靈活、高效的嵌入式系統解決方案。它將處理器、存儲器、I/O口、LVDS和UART等系統設計所需要的部件集成到一片FPGA器件上，各個部件一般都以IP核的形式構建成一個可編程的片上系統，它所具有的靈活性、低成本等特點使系統設計者獲益匪淺。

二、SOPC關鍵技術

SOPC的主要設計技術可簡單地歸納為兩點：軟硬件協同設計技術和IP核資源復用技術。

1.軟硬件協同設計。開發一個電子系統，傳統的做法是由項目總工程師根據自己的知識和經驗，對系統進行軟硬件的劃分，然后交由軟件和硬件兩個獨立的設計組，各自進行軟件和硬件的開發，開發完成后再進行聯合調試，在調試時如果發現有錯則要對硬件或軟件進行修改或重新設計，這個過程要不斷反復的進行，直到調試成功為止，其結果會導致開發周期變長、設計成本劇增。

在軟硬件協同設計中，并行性是軟硬件協同設計思想的核心，軟件和硬件設計組不再是兩個獨立的設計單元，而是在設計之初便交織在一起，相互提供設計平臺并相互作用。并行的設計思想始終貫穿于整個設計之中。采用軟硬件協同設計的好處是可以使軟件設計者在硬件開發之初就接觸到硬件，從而能更好地設計硬件驅動、應用程序和操作系統等軟件，同時也可使硬件設計者盡早地接觸軟件并了解軟件的結構，從而為軟件設計者提供高性能的硬件平臺，減少了設計中的盲目性，縮短了設計的迭代周期。

2.IP核資源復用。IP核是SOPC設計的基礎，也是SOPC設計成敗的關鍵，為了能夠最大程度地減小設計中的重復勞動，保證SOPC開發的成功，我們必須采用前人成功的設計經驗和設計資料即復用IP資源進行開發。IP資源復用包含兩個方面的內容：一是可重用IP核的開發；二是可重用IP核的集成。一個真正能重用的IP核一般具有一以下一些特點：具有可配置性，能夠滿足不同的設計需求；具有標準的接口；遵守某種設計規則，能確保IP時序收斂；交付的數據和資料完整，方便芯片集成。

三、基于EDK的SOPC開發技術

進行SOPC系統開發，首先是要選擇的是FPGA平臺、處理器方案以及開發軟件，目前經常采用的是由世界上兩大主要的FPGA器件生產廠商所提供的平臺：一是Altera公司的FPGA產品，采用Nios處理器軟核或硬核ARM，開發工具為QuartusⅡ和SOPC Builder；二是采用Xilinx公司的FPGA，基于Microblaze軟核或Powerpc405硬核，開發工具由ISE和EDK組成。下面就以Xilinx公司的軟件EDK為例介紹SOPC系統的開發過程。

1.EDK簡介。EDK是Xilinx公司于2003年推出的一個SOPC系統開發套件，現已進行了多次升級。該套件集成了豐富的開發工具和大量的IP核資源，其中集成的工具包括硬件平臺生成器（PlatGen）、硬件仿真模型生成器（SimGen）、硬件調試工具（XMD）、軟件庫生成器（LibGen）、應用軟件編譯工具（GNU Compilers）、軟件調試工具（GNU Debuggers）等。IP核資源包括LMB、OPB總線接口、外部存儲器控制器（EMC）、SDRAM控制器、UART接口、中斷控制器和定時器等。所有這些工具和資源由EDK中的一個叫平臺工作室XPS（Xilinx Platform Studio）的集成開發環境統一管理，XPS提供一個友好的圖形用戶界面（GUI），使用非常方便。EDK可以說是目前性價比較優異的SOPC開發套件。

2.基本流程。使用EDK進行SOPC系統開發的基本流程如下。

（1）系統硬件平臺的創建。系統硬件平臺由處理器硬件描述文件MHS（Microprocessor Hardware Specification）定義，MHS文件描述了硬件系統的結構，如處理器類型、總線結構、外設接口、中斷處理和地址映射等，MHS文件為文本文件，可以用任何文本編輯器創建，是文本化的原理圖輸入。系統的各組成模塊必須在BEGIN和END之間定義，其語法格式如下所示：

BEGIN instance_name

PARAMETER name=value

PORT name=value

END

在XPS開發環境中，設計者可以在集成的文本編輯器中自己編寫MHS文件來創建一個硬件平臺，也可以利用BSB（Base System Builder）向導來創建一個基本的硬件系統，在BSB向導的圖形界面下，設計者可以很方便挑選系統的組成模塊，但存在不足是：不允許設計者指定或修改地址映射；不會去檢查目標器件上的硬件資源是否足夠且生成的只是一個具有基本功能硬件系統，不一定能滿足時序的要求。這些不足必須在XPS環境下通過手工修改以滿足系統要求。在系統硬件描述文件編寫完成后，調用硬件平臺生成器（PlatGen），就可以完成系統硬件平臺的創建，PlatGen將輸出網表文件（EDIF或NGC）、硬件描述語言描述的系統文件、存儲器映射文件（BMM）等內容，其過程如圖1所示。

（2）系統硬件平臺的仿真驗證。系統的硬件平臺的仿真驗證由處理器驗證描述文件MVS（Microprocessor Verification Specification）定義，它用于說明當前處理器平臺的硬件仿真模型、使用的仿真工具和仿真語言。通過調用硬件仿真模型生成器（SimGen）來生成仿真文件，如圖2所示。EDK只支持功能仿真和時序仿真，其中功能仿真又包括行為仿真和結構仿真。

系統軟件平臺的創建。系統軟件平臺由處理器軟件描述文件MSS（Microprocessor Software Specification）定義，MSS文件用于描述系統硬件處理器平臺的軟件結構，定義系統驅動、軟件庫及文件系統，跟MHS文件一樣，它也是個文本文件，可用任何一個文本編輯器來創建，其語法格式如下：

BEGIN{driver |processor |filesys}

PARAMETER name= value

END

MSS文件可以在XPS環境下編寫，同時BSB向導在生成硬件系統時也生成一個相應的MSS文件。MSS文件編寫完成后，通過調用軟件庫生成器（LibGen）便可完成軟件平臺的創建，LibGen輸出設備驅動程序、函數庫和中斷句柄等工作。

（3）系統應用軟件的開發與調試。程序編寫完成后通過調用應用軟件編譯工具GNU進行編譯鏈接生成用戶可執行文件（*.elf）。程序編譯完成后，將系統的硬件和軟件下載到目標器件中，通過硬件調試工具XMD和GDB進行軟硬件的在線調試。

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