為了削減成本,，提升性能和保持靈活性,，在工業(yè)、醫(yī)療,、汽車,、航天和軍用產(chǎn)品等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括處理器和外設(shè)在內(nèi)的完整的嵌入式系統(tǒng)被整合到了FPGA 上,。

雖然FPGA的傳統(tǒng)用戶是硬件設(shè)計(jì)者,，但是賽靈思的新型嵌入式設(shè)計(jì)平臺(tái)，使得軟件開發(fā)人員也能夠在熟悉的環(huán)境中輕松編程,，包括Eclipse IDE,、編譯器、調(diào)試器,、操作系統(tǒng)和庫(kù),。編程可以利用uC/OS-II之類的RTOS 甚至全嵌入式Linux在裸金屬級(jí)完成。
 

圖1 嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)

嵌入式設(shè)計(jì)趨勢(shì)及挑戰(zhàn)

FPGA的應(yīng)用到現(xiàn)在已經(jīng)有二十多年的時(shí)間了,，我們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域都能看到各種FPGA的應(yīng)用,，例如醫(yī)療、工業(yè)控制,、汽車電子,、連接IP、高端顯示,、無(wú)線,、監(jiān)控、軍事通信等等,。然而,，F(xiàn)PGA內(nèi)使用嵌入式處理器的時(shí)間只不過(guò)是近十年的事情，從1999年到現(xiàn)在,，F(xiàn)PGA內(nèi)使用嵌入式處理器在逐年正向增加中,。

圖2 EDK 軟件、硬件和集成流程

圖3 簡(jiǎn)單的SDK軟件開發(fā)流程步驟

隨著FPGA內(nèi)使用嵌入式處理器設(shè)計(jì)越來(lái)越多,，我們面臨的挑戰(zhàn)也越來(lái)越多,，主要挑戰(zhàn)分為三個(gè)方向：

• 滿足不斷提高的技術(shù)要求

–要求有一個(gè)適用于該應(yīng)用的處理器系統(tǒng)

–要求能夠選擇正確的功能（外設(shè)）組合

• 即便只有很少的FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也能開發(fā)軟件

–需要易于定制的預(yù)配置系統(tǒng)

• 降低進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)

–希望花更少的時(shí)間創(chuàng)建和調(diào)試定制IP模塊

–快速并行開發(fā)和驗(yàn)證軟硬件

很多人都使用過(guò)嵌入式處理器,，但當(dāng)一開始在選擇一個(gè)嵌入式處理器作為系統(tǒng)核心時(shí),，考慮要點(diǎn)是什么呢？一個(gè)適用于該系統(tǒng)應(yīng)用的處理器以及能夠正確滿足外設(shè)功能需求的組合將會(huì)是最后的選擇,。這些選擇處理器的條件都是FPGA嵌入式處理的挑戰(zhàn),。

除此之外,，F(xiàn)PGA硬件設(shè)計(jì)的難度必須要有效降低，能讓對(duì)FPGA經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)較少的人員也能夠開發(fā)軟件,，這點(diǎn)是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)工程師，他們雖然沒有硬件的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也要能夠開發(fā)軟件,，這就必須要有一個(gè)易于制定的預(yù)配置系統(tǒng),。

在進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的管理上，F(xiàn)PGA嵌入式設(shè)計(jì)顯得額外重要,，由于FPGA嵌入式設(shè)計(jì)包含軟件和硬件同時(shí)在一個(gè)芯片上,，所以當(dāng)問(wèn)題發(fā)生時(shí)，硬件人員和軟件人員并不能很快理清問(wèn)題的癥結(jié)點(diǎn),，所以常常延遲進(jìn)度,，因此在選擇FPGA嵌入式系統(tǒng)時(shí)，使用人員往往希望花更少的時(shí)間來(lái)調(diào)試硬件IP模塊,，并同時(shí)開發(fā)驗(yàn)證軟件,，軟硬件的整合和效能提升是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。

賽靈思嵌入式平臺(tái)

賽靈思基于FPGA的嵌入式平臺(tái)的基本價(jià)值在于為了滿足不斷提高的客戶要求,。而嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)可以讓對(duì)FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)很少的人也能夠快速開發(fā)軟件,。而內(nèi)含目標(biāo)參考設(shè)計(jì)Spartan-6和Virtex-6的嵌入式套件可以有效地管理降低客戶開發(fā)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。

Spartan-6 FPGA嵌入式套件

• 描述：

–該套件支持使用MicroBlaze軟處理器的軟件開發(fā)工作以及使用Spartan-6 LX45T FPGA的硬件處理器系統(tǒng)定制工作,。

• 組件：

–采用Spartan-6 LX45T FPGA的SP605基礎(chǔ)板

• 下載／調(diào)試電纜,、電源

–ISE設(shè)計(jì)套件：嵌入式版本

• ISE和 ChipScope Pro：S6LX45T專用的器件

• Platform Studio、軟件開發(fā)套件(SDK) (Eclipse IDE)

–嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)

• MicroBlaze™處理器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

–技術(shù)文檔

• 硬件設(shè)置指南和入門指南

• 深入的硬件和軟件分步輔導(dǎo)資料

–生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴提供OS/RTOS支持

• Linux,、uC/OS-II,、TreckVirtex-6 FPGA嵌入式套件

• 描述：

–該套件支持使用MicroBlaze軟處理器的軟件開發(fā)工作以及使用Virtex™-6 LX240T FPGA的硬件處理器系統(tǒng)定制工作

• 組件：

–采用Virtex-6 LX240T FPGA的 ML605基礎(chǔ)板

• 下載／調(diào)試電纜、電源

–ISE設(shè)計(jì)套件：嵌入式版本

• ISE和ChipScope Pro：V6LX240T專用的器件

• Platform Studio,、軟件開發(fā)套件(SDK) (Eclipse IDE)

–嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)

• MicroBlaze處理器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

–技術(shù)文檔

• 硬件設(shè)置指南和入門指南

• 深入的硬件和軟件分步輔導(dǎo)資料

–生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴提供OS/RTOS 支持

• Linux,、uC/OS-II、Treck
 

圖4 簡(jiǎn)單硬件設(shè)計(jì)流程步驟

圖5 集成并優(yōu)化軟件／硬件

嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)

Spartan-6和Virtex-6嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)其實(shí)是非常相象的,，它們都包含一個(gè)32位的MicroBlaze™RISC處理器,，性能優(yōu)化，支持Linux RTOS,，100MHz時(shí)鐘頻率,。另外還包含集成式存儲(chǔ)控制器，包含DDR,、DDR2,、DDR3、LPDDR,，數(shù)據(jù)速率達(dá)800Mbps,。

全套優(yōu)化的軟IP外設(shè)和總線結(jié)構(gòu)包含UART,、Flash、GPIO,、I2C/SPI,、Timer/Intr Controller、Debug,。具體如圖1所示,，參考設(shè)計(jì)中集成以太網(wǎng)MAC IP，資源百兆,、千兆網(wǎng),，子IP也可與外部碼作整合。處理器和處理器子系統(tǒng)全面可操作且簡(jiǎn)便易用,，有助于立即著手系統(tǒng)開發(fā)工作,。

MicroBlaze處理器子系統(tǒng)

Spartan-6和Virtex-6嵌入式參考設(shè)計(jì)中，提供MicroBlaze處理器子系統(tǒng),，稱為PSS（processer sub system）,，通過(guò)這樣一個(gè)PSS子系統(tǒng)，用戶可以很快地將自己的定義邏輯加入這樣一個(gè)子系統(tǒng)中,，由于這個(gè)目標(biāo)參考設(shè)計(jì)MicroBlaze子系統(tǒng)已經(jīng)整合了許多外設(shè)功能,，用戶制定的這個(gè)邏輯便可以很快地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制或者讓DDR內(nèi)存作存儲(chǔ)，這將有效降低客戶在開發(fā)過(guò)程中的時(shí)間,。

操作步驟

提高效率只需簡(jiǎn)單幾步,，第一步，數(shù)分鐘內(nèi)啟動(dòng)設(shè)計(jì),，包括連接電纜,，接通開發(fā)板電源，載入嵌入式平臺(tái)演示,；第二步,，評(píng)估，包括評(píng)估嵌入式平臺(tái)演示,，用互動(dòng)界面評(píng)估性能參數(shù),；第三步，定制,，包括啟動(dòng)嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)項(xiàng)目,，根據(jù)軟件開發(fā)輔導(dǎo)資料對(duì)軟件應(yīng)用進(jìn)行編程、調(diào)試和描述,，根據(jù)硬件開發(fā)輔導(dǎo)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)修改,。

在經(jīng)過(guò)第一步和第二步之后，用戶已經(jīng)充分了解嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)的內(nèi)容,，并可利用嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)來(lái)加入用戶自己的邏輯和自己的軟件,，使用XPS進(jìn)行硬件制定的開發(fā),，使用SDK進(jìn)行軟件的開發(fā)，這樣就可以按時(shí)完成設(shè)計(jì)要求,。

EDK是Xilinx嵌入式開發(fā)套件,，其主要工具XPS是集成標(biāo)準(zhǔn)硬件流程ISE以及標(biāo)準(zhǔn)軟件流程SDK。XPS本身并不實(shí)現(xiàn)硬件流程,，是通過(guò)呼叫ISE來(lái)達(dá)成硬件流程的實(shí)現(xiàn),。硬件流程包含了標(biāo)準(zhǔn)的FPGA硬件發(fā)展流程。XPS也不實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)軟件流程,，也是通過(guò)呼叫SDK來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)軟件流程。用戶可以通過(guò)XPS對(duì)系統(tǒng)作描述,，如圖2所示,。可以稱XPS為一個(gè)腳本產(chǎn)生器,，是用來(lái)聯(lián)絡(luò)硬件和軟件流程的工具,。

簡(jiǎn)單的SDK軟件開發(fā)流程步驟如圖3所示，這些都將在SDK上完成,。

• 采用SDK Eclipse IDE開始設(shè)計(jì)

• 打開專門針對(duì)MicroBlaze PSS 目標(biāo)參考設(shè)計(jì)配置的工作區(qū)(Workspace)

• 編程

• 創(chuàng)建獨(dú)立的軟件平臺(tái)或OS BSP

• 創(chuàng)建,、編譯并構(gòu)建軟件應(yīng)用

• 用圖形調(diào)試器調(diào)試軟件應(yīng)用

簡(jiǎn)單硬件設(shè)計(jì)流程步驟如圖4所示。

• 用XPS開始設(shè)計(jì)

• 啟動(dòng)MicroBlaze PSS目標(biāo)參考設(shè)計(jì)項(xiàng)目

• 修改

• 從EDK套件中選擇其他標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)添加到PSS

• 根據(jù)“創(chuàng)建IP向?qū)?rdquo;創(chuàng)建定制IP

• 根據(jù)“調(diào)試配置向?qū)?rdquo;添加ChipScope調(diào)試IP

集成并優(yōu)化軟件／硬件的步驟如圖5所示,。

• 用 ChipScope™Pro 分析工具調(diào)試軟件／硬件集成問(wèn)題

• 用SDK描述應(yīng)用并確定熱點(diǎn)

• 下載性能關(guān)鍵代碼(performance critical code)到硬件加速器

第三方提供嵌入式軟件支持主流的有Linux (PetaLinux),、uC/OS-II和Treck 網(wǎng)絡(luò)中間件，主要特性如表1所示,。

表1 生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴主要特性

總結(jié)

最后總結(jié)一下,，新型嵌入式開發(fā)套件可最大限度地縮短開發(fā)時(shí)間也就是加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，采用預(yù)集成組件降低風(fēng)險(xiǎn),，也就是新型目標(biāo)參考設(shè)計(jì)可幫助設(shè)計(jì)人員提高工作效率,。可以使設(shè)計(jì)人員致力于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化和增值,。