LEON3及Speed

LEON3是由歐洲航天總局旗下的Gaisler Research開發(fā),、維護,，目的是擺脫歐空局對美國航天級處理器的依賴。目前LEON3有三個版本(如表1),，其中LEON3FT(LEON3 Fault-tolerant)只有歐空局內(nèi)部成員可以使用,。LEON3 (basic version)是遵循GNC GPL License的開源處理器，和SPARC V8兼容,，采用7級Pipeline,，硬件實現(xiàn)乘法、除法和乘累加功能,，詳細特性請參考相關(guān)技術(shù)文檔[1],。

表1 LEON3的不同版本

目前，LEON3處理器因為開源,、高性能,、采用AMBA總線易擴展及軟件工具完備等因素，在國內(nèi)外大學(如UCB,、UCLA、Princeton University等)及科研院所的科研活動中得到廣泛應用,。

Speed(又名GA3816)是一款我國自主研發(fā),、處于同時代國際先進水平、可重構(gòu),、可擴展的面向FFT,、IFFT、FIR及匹配濾波應用的信號處理器,，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,，具有以下特點[2~4]：

1)Speed在追求運算速度的同時兼顧通用性，通過設置64位控制字,，器件內(nèi)部資源可根據(jù)不同應用進行重組;

2)可以實現(xiàn)FFT,、IFFT、FFT-IFFT,、FIR,、滑窗卷積等運算，峰值運算能力達256億次浮點乘累加/秒;3)由160個實數(shù)浮點乘法累加運算器組成40個復數(shù)乘法累加器陣列,，1Mbit的雙口SRAM,，8個512×32bit系數(shù)ROM，兩個直角到極坐標轉(zhuǎn)換電路,，兩個對數(shù)變換電路及其它輔助電路和控制電路,。

圖1 Speed的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)

Speed傳統(tǒng)的工作方式是通過片外FPGA輸入控制信號和待處理數(shù)據(jù),，這不僅增大了PCB板級布線、調(diào)試的工作量,，而且FPGA不能用C等高級語言編程,，算法改動起來不靈活。另一方面,，隨著半導體工藝,、微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模的復雜SoC實現(xiàn)技術(shù)逐漸成熟,，因此有必要將板級FPGA + Speed改進為芯片級MCU + Speed,，這樣既能實現(xiàn)真正的可編程增大靈活性，又能加快用戶開發(fā)信號處理系統(tǒng)的速度,。利用AHB實現(xiàn)通信

為了實現(xiàn)可編程,，需要將C/C++程序表達的信息經(jīng)過編譯器、LEON3處理器,、AHB總線,、DMA控制器和必要的HDL代碼，轉(zhuǎn)化成Speed能夠識別的信息,，進入Speed模塊中,，如圖2。其中AHB總線是LEON3 Core和Speed Core結(jié)合的關(guān)鍵,。

圖2 實現(xiàn)軟件可編程的過程

AHB總線及AHB控制器

AMBA總線是一種應用廣泛的層次化總線結(jié)構(gòu),，有高速的AHB和低速APB之分，其中AHB是一種流水式高速總線結(jié)構(gòu),，地址和數(shù)據(jù)總線相互獨立,，可掛載16個Master和Slaver設備，常用來組織和連接高性能模塊,，如處理器,、DMA控制器、協(xié)處理器等[5~7],。AHB總線的核心是AHB控制器,，主要包括仲裁器，譯碼器和多路復用器,，其中仲裁器選擇AHB Master,，而譯碼器選擇AHB Slave，實現(xiàn)寫數(shù)據(jù)WDATA和讀數(shù)據(jù)RDATA分開,，如圖3所示,。

DMA控制器

DMA是指設備直接對計算機存儲器進行讀寫操作的方式。這種方式下數(shù)據(jù)的讀寫無需CPU執(zhí)行指令,，也不經(jīng)過CPU內(nèi)部寄存器,，而是利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接在源地址和目的地址之間傳送數(shù)據(jù),，達到極高的傳輸速率。DMA控制器一方面可以接管總線,，即可以像CPU一樣視為總線的主設備,，這是DMA與其它外設最根本的區(qū)別;另一方面，作為一個I/O器件,，其DMA控制功能正式通過初始化編程來設置,。當CPU對其寫入或讀出時，它又和其它的外設一樣成為總線的從屬設備,。本文中為了實現(xiàn)DMA和AHB密切配合,，即啟動DMA后大量原始數(shù)據(jù)通過AHB總線從數(shù)據(jù)存儲器進入Speed模塊，需要DMA控制器內(nèi)部包含AHB Master模塊,，如圖4所示,。另外需要說明的是，LEON3為了實現(xiàn)AHB上設備的plug&play需要在0xFFFFF000-0xFFFFF800地址空間添加設備信息[8~9],，所以DMA 控制器和Speed協(xié)處理器亦要如此,，以便LEON3的軟硬件協(xié)調(diào)一致。在C語言實現(xiàn)DMA時,，向DMA的控制寄存器寫入相應的信息,，即可啟動DMA傳輸，如圖5所示,。

圖4 DMA與AHB Master的關(guān)系

圖5 啟動DMA的C代碼示意

Speed的AHB接口

為了使Speed可以順利接收LEON3傳送過來的控制字或DMA傳送過來的原始數(shù)據(jù),，需要在原有的Speed core模塊頂層添加AHB Slaver協(xié)議來接收AHB上傳送的數(shù)據(jù)，以及產(chǎn)生相應波形的HDL代碼來將C程序的信息生成Speed所能識別的信號波形進入Speed模塊內(nèi)部,，即從圖6中的控制字,，轉(zhuǎn)化成圖7中的時序,。

圖6 C語言描述的Speed控制字

圖7 Speed core所需的配置時序

同理于控制字,，濾波系數(shù)和原始數(shù)據(jù)的輸入亦需要一定的HDL代碼來實現(xiàn)指令或數(shù)據(jù)向時序圖的轉(zhuǎn)化，其本質(zhì)相當于譯碼,，實現(xiàn)起來難度不大,，此處就不再累述。Speed處理后數(shù)據(jù)通過狀態(tài)信號(zero_flag)下降沿觸發(fā)LEON3的中斷響應,，實現(xiàn)向外部存儲器的輸出,，此過程和數(shù)據(jù)輸入類似。

編程,、編譯及仿真

用戶在C編程時,，只需要按照Speed所需的啟動方式，先設置控制字,、再輸入濾波系數(shù),、然后啟動DMA輸入原始數(shù)據(jù),。值得注意的地方是，為了實現(xiàn)Speed的運算與DMA中原始數(shù)據(jù)輸入同步,，需要在C代碼的不同指令間插入一定的延遲指令,，此延遲間隔可根據(jù)軟硬件的響應速度來計算。

Gaisler Research公司提供完整的LEON3開發(fā)套件,，包括C代碼編譯器sparc-elf-gcc,，大大方便了軟硬件開發(fā)和聯(lián)合調(diào)試。 將LEON3和Speed的SoC硬件HDL描述,，及編譯后的二進制指令調(diào)入Modelsim進行軟件仿真,，再利用FPGA進行硬件仿真，其結(jié)果如圖8,、9,、10所示。

圖8 從C語言控制字產(chǎn)生的配置時序

圖9 觸發(fā)中斷響應的zero_flag信號

圖10 在Altera StratixII 2S180中的仿真結(jié)果

結(jié)語

本項目利用LEON3的高性能,、易編程,、開源等優(yōu)點，開發(fā)了AHB總線接口和DMA控制器,，實現(xiàn)了Speed專用信號處理器的軟件可編程,，大大簡化了Speed用戶的開發(fā)過程。有待改進之處是,，1)當前Speed可處理40bit數(shù)據(jù),，而Leon3是32bit，沒有最大限度發(fā)揮Speed的運算能力,；2)如果在LEON3上運行RTEMS (Real Time Executive for MultiProcessor Systems) 操作系統(tǒng),，將進一步方便用戶擴展LEON3的利用價值。