1 基于OpenBus系統(tǒng)的設(shè)計要素

1．1 OpenBus瞄系統(tǒng)

“OpenBus系統(tǒng)”是一個描述一種使用普通總線實現(xiàn)整個系統(tǒng)內(nèi)邏輯功能性“模塊”連接的術(shù)語,。通過這種方法，用戶能夠很快地裝配一個包含滿足應用需求的各種功能在內(nèi)的系統(tǒng),。具體來說,，OpenBus系統(tǒng)是Altium Designer軟件自帶的高端IP模塊,，包含Connectors(連接器),、Processors(處理器)、Memories(存儲器),、Peripherals(外圍設(shè)備)等,，如圖1的OpenBus Palette面板所示。設(shè)計時可以根據(jù)設(shè)計需求,，直接在OpenBus Palette面板調(diào)用相關(guān)的IP模塊,，即OpenBus器件，連接構(gòu)成設(shè)計系統(tǒng),。但要注意的是,，這些IP模塊在調(diào)用后，還需要進行相應的參數(shù)配置才能使用,。這種OpenBus系統(tǒng)的設(shè)計方法與傳統(tǒng)的將處理器和外圍電路作為元件放置在電路板上不同,，它移除了所有低級別的走線和互連細節(jié)，能夠快速地構(gòu)建系統(tǒng),。

1．2 FPGA設(shè)計元件庫與軟件平臺搭建器

除了OpenBus Palette面板中的OpenBus器件,，要完成FPGA嵌入式設(shè)計，還需要使用Altium Designer軟件中的FPGA設(shè)計元件庫,。這些元件庫提供了FPGA設(shè)計中所需的外圍器件,。Altium Designer軟件提供的常用的FPGA設(shè)計元件庫有：FPGA NB3000 Port-Plugin．IntLib、FPGA Peripherial．IntLib、FPGA Generic．IntLib,、FPGA Configumble Generic．IntLib,、FPGA Instruments．IntLib等。

與OpenBus系統(tǒng)配合進行FPGA嵌入式設(shè)計的,，還有軟件平臺搭建器SwPlatform,。因為進行FPGA嵌入式設(shè)計時，F(xiàn)PGA器件的外圍引腳常需要驅(qū)動如LED,、觸摸屏,、揚聲器等硬件設(shè)備。而要使這些硬件設(shè)備能正常工作,，就要在設(shè)計中包含相應的驅(qū)動代碼,。這些硬件的驅(qū)動代碼無需自行編寫，Altium Designer的軟件平臺搭建器SwPlatform可以把所有連接外設(shè)所需的低階驅(qū)動代碼整合一起,。軟件平臺搭建器SwPlatform采用圖形化方式連接用戶的應用程序與底層硬件,。在進行FPGA設(shè)計時，軟件平臺搭建器SwPlatform可以自動地由FPGA設(shè)計的硬件部分獲取底層硬件的信息,。如圖2所示,，軟件平臺搭建器SwPlatform自動根據(jù)底層信息(Wrapper，棧層中的HARDWARE部分)提供對于硬件的驅(qū)動(Driver,，棧層中的SOFTWARE PLATFORM部分)以及服務(wù)程序(Context,，棧層中的APPLICATION CODE部分)。設(shè)計時只需關(guān)注構(gòu)建設(shè)計本身的應用程序代碼,，不需要考慮過多的底層驅(qū)動代碼,。

1．3 創(chuàng)新電子設(shè)計平臺NanoBoard 3000

Altium Designer的創(chuàng)新電子設(shè)計平臺NanoBoard 3000，板載Xilinx公司的FPGA芯片Spartam XC3S 1400AN,。通過USB接口,，將裝有Altium Designer軟件的PC機與NanoBoard3000連接，Altium Designer軟件就可以與NanoBoard 3000直接通信,，下載并交互地開發(fā)和調(diào)試程序,。設(shè)計過程中無需仿真環(huán)境，加快了開發(fā)流程,。

NanoBoard 3000板上資源豐富,，含高級的I2S立體聲系統(tǒng)，有板載放大器,、混音器及立體聲揚聲器,。全面的視頻輸出，包括S-Video,、混合視頻的輸入輸出及VGA輸出,。標準的存儲器接口,，包括IDE、Compact flash及SD內(nèi)存卡,。各種標準通信接口,，包括USB、Ethemet,、RS-232串口,、CAN、pS／2 miniDIN,。另外,，還有各種通用開關(guān)和LED。FPGA設(shè)計下載前需要配置管腳約束文件,，目的是讓設(shè)計輸入輸出端口與目標FPGA器件的管腳對應起來,。在Altium Designer軟件中進行FPGA嵌入式設(shè)計，下載程序時,，選擇自動配置約束文件功能,，就可為FPGA設(shè)計自動添加管腳約束文件。

2 基于OpenBus系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

文中基于OpenBus系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了一個32位處理器TSK3000A控制LED的FPGA嵌入式工程,。將嵌入式程序代碼“嵌入”到TSK3000A處理器中,，在軟件平臺搭建器SwPlatform提供底層驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上，用C語言編寫應用程序代碼,，控制NanoBoard 3000開發(fā)板上的LED,。同時，自動配置FPGA約束文件,，在創(chuàng)新電子平臺NanoBoard 3000上下載程序,。程序下載調(diào)試成功后,，可以看到LED的亮暗情況與嵌入式代碼中預先設(shè)計的一樣,，表明設(shè)計是完全正確的。

2．1 OpenBus 系統(tǒng)設(shè)計與頂層原理圖設(shè)計

在Altium Designer中新建一個FPGA工程,，為工程添加原理圖文件和OpenBus文件,。打開OpenBus Palette面板，調(diào)用LED Controller,、連接器Interconnect,、32-bit RISC Processor TSK3000A、SBAM Controller等元件,，合理配置OpenBus器件參數(shù),，完成OpenBus文件的設(shè)計，如圖3所示,。

將圖3的OpenBus文件生成原理圖符號,，在設(shè)計的頂層原理圖中調(diào)用,。調(diào)用FPGA設(shè)計元件庫中的其他外圍組成電路的元器件，連線完成頂層原理圖的設(shè)計,，如圖4所示,。

2．2 軟件平臺搭建器SwPlatform與嵌入式代碼設(shè)計

本設(shè)計中要用32-bit RISC Processor TSK3000A處理器來控制LED，需要添加LED的驅(qū)動程序,，如圖5所示,。在器件棧中選擇Import from FPGA按鈕，Altium Designer將自動檢查FPGA工程,，添加LED Controller和LED Controller Drive,，這樣就為LED器件完成了硬件驅(qū)動程序的添加。

在軟件平臺搭建器SwPlatform完成LED器件底層硬件驅(qū)動代碼的基礎(chǔ)上,，用C語言設(shè)計應用程序代碼,，實現(xiàn)32—bit RISC Processor TSK3000A處理器控制LED器件的功能。NanoBoard 3000上有一組共8個LED(RGBUSERLEDS),。程序代碼擬控制LED7的亮度值為最大值的一半,，LED0的亮度每隔一定的時間，逐漸增強然后熄滅,。程序代碼清單如下：

上述程序中的led_open函數(shù),、led_set_intensity函數(shù)都可以在Altium Designer軟件的知識中心面板查看到其具體含義和調(diào)用方法。

2．3 FPGA管腳映射與設(shè)計下載

FPGA設(shè)計必不可少的一步是通過約束文件,，建立設(shè)計端口與實際目標FPGA器件真實引腳之間的連接關(guān)系,。約束文件中詳細列出了端口到引腳的映射及其它相關(guān)的設(shè)計特性，如時鐘分配等,。配置管理器會自動打開,，顯示檢測到的約束文件并添加到工程中，約束配置文件就創(chuàng)建完成了,。連接NanoBoard 3000與裝有Altium Designer軟件的電腦,，成功下載設(shè)計后，占用的資源情況,，如圖6所示,。在NanoBoard 3000開發(fā)板上可以看到，最左側(cè)的LED7的亮度是程序中設(shè)定的數(shù)值,，而最右側(cè)的LED0亮度則是逐漸變化的,，LED的亮暗變化情況與設(shè)計意圖一致。

3 結(jié)論
基于OpenBus系統(tǒng)的FPGA嵌入式設(shè)計沒有硬件描述語育的編程,，OpenBus文件的設(shè)計像繪制原理圖一樣方便,，軟件平臺搭建器SwPlatform為FPGA嵌入式設(shè)計完成了底層的驅(qū)動代碼。結(jié)合Altium Designer的創(chuàng)新電子平臺NanoBoard3000可片內(nèi)在線調(diào)試,，能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題,，節(jié)約項目的研發(fā)與設(shè)計時間,。這種設(shè)計方法相對傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計開發(fā)，設(shè)計過程大大簡化,，符合FPGA嵌入式“軟”設(shè)計的設(shè)計應用發(fā)展趨勢,。