具有嵌入式處理器的 平臺 FPGA 為您提供前所未有的靈活性,、集成度和高性能。目前,，在單個可編程邏輯設(shè)備中開發(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)鍵活動之一是開發(fā)板支持包 (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行通信,。典型的 BSP 組件包括引導(dǎo)代碼,、設(shè)備驅(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,，并且在微處理器復(fù)合體（處理器和相關(guān)的外設(shè)）每次有所變更時都得再次進行,。對 FPGA 而言，迅速的設(shè)計循環(huán)加上平臺的靈活性，會使得管理 BSP 的任務(wù)更為艱巨（圖 1）,。這一情況迫使人們尋找更有效地管理 BSP 的方法,。
本文將描述 Xilinx 提供的一種創(chuàng)新解決方案，它可以簡化 RTOS BSP 的創(chuàng)建和管理,。我們選擇了 WindRiver VxWorks 流程來闡明這一概念,，但其蘊含的技術(shù)是通用的，同樣適用于支持 Xilinx® 處理器的所有其他操作系統(tǒng)解決方案,。
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傳統(tǒng)嵌入式平臺 |
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平臺 FPGA |
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OPB 仲裁器 |
低速外設(shè) |
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定制外設(shè) |
PLB-OPB 橋接 |
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不同于 |
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PLB 仲裁器 |
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存儲控制器 |
高速外設(shè) |
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•固定外設(shè) •固定地址映射 •固定 BSP |
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•基于設(shè)計的外設(shè) •每個板都是獨特的定制產(chǎn)品 •需要創(chuàng)建高效的定制 BSP |
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圖 1 – 平臺 FPGA 靈活性要求軟件 BSP 生成過程具有高效率
Xilinx 設(shè)計流程和軟件 BSP 生成
Xilinx 處理器的設(shè)計包含硬件平臺裝配流程和嵌入式軟件開發(fā)流程,。這些流程都通過 Xilinx Platform Studio (XPS) 工具加以管理，該工具屬于 Xilinx 嵌入式開發(fā)套件 (EDK) 的一部分,。
設(shè)計通常始于在 XPS 中裝配與配置處理器及與其相連接的配件,。定義好硬件平臺后，就可以配置系統(tǒng)的軟件參數(shù)了,。
Platform Studio 的一個主要特點是,，它可以根據(jù)您對處理器、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)計的疊代改變而發(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)認證的組件消除 BSP 設(shè)計錯誤
- 立即啟動應(yīng)用軟件開發(fā)，增加設(shè)計者的產(chǎn)量
創(chuàng)建用于 WindRiver VxWorks 的 BSP
Platform Studio 可生成用于 Xilinx Virtex™-II Pro 和 Virtex-4 FPGA 中的 PowerPC™ 405 處理器及其外設(shè)的定制 Tornado 2.0.x (VxWorks 5.4) 或 Tornado 2.2.x (VxWorks 5.5) 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、設(shè)備驅(qū)動程序和 VxWorks 初始化,。
在 Platform Studio 定義完具有 PowerPC 405 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：
- 使用軟件設(shè)置對話框（見圖 2）選擇要為系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)。Platform Studio 用戶可選擇 vxworks5_4 或 vxworks5_5 作為其目標操作系統(tǒng),。
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選擇了操作系統(tǒng)后,，可轉(zhuǎn)到資料庫/操作系統(tǒng)參數(shù)標簽（如圖 3 所示），根據(jù)定制硬件調(diào)整 Tornado BSP,。您可以選擇系統(tǒng)中的任意 UART 器件作為標準 I/O 器件（標準輸入和標準輸出）,。這將使該設(shè)備被用作 VxWorks 控制臺器件。
您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，Xilinx 10/100 以太網(wǎng) MAC 可以集成到 VxWorks 增強型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動（Enhanced Network Driver 即 END)接口,?；蛘撸槐貙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,。 -
選擇“工具 > 生成資料庫”和 BSP 菜單選項,，生成 Tornado BSP。生成的 BSP 與傳統(tǒng)的 Tornado BSP 相似,，位于 ppc405_0/bsp_ppc405_0 下的 Platform Studio 項目目錄中（見圖 4）,。
圖 2 – 設(shè)置選擇嵌入式操作系統(tǒng)
圖 3 – 配置具體操作系統(tǒng)的參數(shù)
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圖 4 – 生成的 BSP 目錄結(jié)構(gòu) |
通過 Platform Studio 生成的 Tornado BSP 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,。
Tornado BSP 完全獨立，并可以傳輸?shù)狡渌夸浳恢?，?BSP 的標準 Tornado 安裝目錄：target/config,。
定制 BSP 詳細信息
由 XPS 生成的用于 VxWorks 的 BSP 與大多數(shù)其他 Tornado BSP 相似，只是 Xilinx 設(shè)備驅(qū)動程序代碼的位置有所不同,。與 Tornado 相關(guān)的現(xiàn)成的設(shè)備驅(qū)動程序代碼通常位于 Tornado 分布目錄的 target/src/drv 目錄中,，而由 Platform Studio 自動生成的 BSP 的設(shè)備驅(qū)動器代碼位于 BSP 目錄本身中。
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圖 5 – Tornado 2.x 項目：VxWorks 標簽 |
基于 FPGA 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,，設(shè)備驅(qū)動程序可以改變，因此就需要對設(shè)備驅(qū)動程序源文件進行更為動態(tài)的放置,。表 4 為自動生成的 BSP 的目錄樹,。Xilinx 設(shè)備驅(qū)動程序放置在 BSP 子目錄 ppc405_0_drv_csp/xsrc 中。
Xilinx 設(shè)備驅(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 header 和執(zhí)行文件組成的 VxWorks 驅(qū)動程序。此外,，對于設(shè)備驅(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)動程序的操作系統(tǒng)獨立部分應(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)動程序進行調(diào)整,，使其得以在 VxWorks 之類的操作系統(tǒng)下使用。例子有串行端口使用的 Serial IO 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準操作系統(tǒng)接口的驅(qū)動程序才要求操作系統(tǒng)附屬驅(qū)動程序,。
Xilinx 驅(qū)動程序源文件加入 VxWorks 映像構(gòu)件的方式同其他 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_
該過程與 VxWorks sysLib.c 針對 Wind River-supplied 驅(qū)動程序納入源文件的過程相似,。Xilinx 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性問題。如果所有的 Xilinx 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,。這會對設(shè)備驅(qū)動程序產(chǎn)生限制，也會抵消其操作系統(tǒng)獨立性,。
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表 6 – Tornado 2.x 項目：文件標簽 |
與 Tornado IDE 集成
自動生成的 BSP 被集成到 Tornado IDE（項目設(shè)備）,。BSP 可從命令行使用 Tornado make 工具編譯，或從 Tornado Project 編譯,。生成 BSP 后,，只需在命令行鍵入 make vxWorks 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）,。如果您使用的是 Tornado Project 設(shè)備,，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,。
Tornado 2.2.x 不僅支持 gnu 編譯器,，還支持 diab 編譯器。Platform Studio 創(chuàng)建的 Tornado BSP 有一個 makefile,，如果您想使用 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 Tornado Project 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,。此文件將設(shè)備驅(qū)動程序融入了 Tornado IDE 菜單系統(tǒng)。驅(qū)動程序在“硬件 > 外圍設(shè)備”子文件夾處與 BSP 結(jié)合在一起,。在其下面是單獨的設(shè)備驅(qū)動程序文件夾,。圖 5 顯示一個帶有 Xilinx 設(shè)備驅(qū)動程序的菜單。
Tornado Project Facility 的“文件”標簽也會顯示用來將 Xilinx 設(shè)備驅(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 Platform Studio 自動創(chuàng)建,，您只需要知道其存在就行了。圖 6 顯示一個驅(qū)動程序構(gòu)建文件的示例,。
一些常用設(shè)備與操作系統(tǒng)緊密結(jié)合,，而其他設(shè)備可通過直接使用設(shè)備驅(qū)動程序從應(yīng)用程序上訪問。與 VxWorks 緊密結(jié)合的設(shè)備驅(qū)動程序包括：
- 10/100 以太網(wǎng) MAC
- 10/100 以太網(wǎng) Lite MAC
- 1 Gigabit 以太網(wǎng) MAC
- 16550/16450 UART
- UART Lite
- 中斷控制器
- System ACE™ 技術(shù)
- PCIe
所有其他設(shè)備及相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序并未緊密集成到 VxWorks 接口，而只是與其松散集成,。對這些設(shè)備的訪問可通過從用戶應(yīng)用程序直接訪問相關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序來進行,。
結(jié)束語
隨著基于嵌入式處理器的 FPGA 日益受人喜愛并得到廣泛應(yīng)用，能將硬件和軟件流程有效組織在一起的工具解決方案應(yīng)運而生,，對幫助設(shè)計者工作效率跟上芯片的進展起到了關(guān)鍵作用,。
Xilinx 用戶一直非常認可 Platform Studio 及其與 VxWorks 5.4 and 5.5. 的集成。Xilinx 將對 Wind River 流程的開發(fā)予以不懈支持,，此流程不久就會包括對 VxWorks 6.0 和 Workbench IDE 的支持,。
作者： Rick Moleres 軟件IP經(jīng)理 [email protected]
Milan Saini 技術(shù)行銷經(jīng)理 [email protected] 賽靈思公司