摘要： MicroBlaze 是基于Xilinx公司新一代FPGA器件的軟處理器核。其FSL 總線是FIFO單向鏈路,，可以實現(xiàn)用戶自定義IP核與MicroBlaze內(nèi)部通用寄存器的高速直連,。本文對MicroBlaze的幾種主要總線接口摘要進行比較，詳細分析,、介紹FSL總線的結(jié)構(gòu),、特點、工作原理和配置方法,。通過一個矢量漢字還原的應用實例,，具體描述在FPGA片上系統(tǒng)設計中利用FSL高速總線整合用戶自定義IP核，實現(xiàn)軟處理器系統(tǒng)硬件加速的方法及步驟,。
關(guān)鍵詞 ：FPGA IP核 FSL總線 軟核處理器 MicroBlage
引 言
隨著半導體制造工藝的發(fā)展,，以FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）為代表的新一代可編程邏輯器件（PLD）的邏輯資源密度不斷增加，使得可編程技術(shù)很自然地就與系統(tǒng)芯片集成技術(shù)（SoC）的結(jié)合日益緊密,，并逐步成為可配置平臺技術(shù)（configurable platform）的主流,。
目前，各主要PLD廠商基于FPGA的可配置平臺雖然大都采用“微處理器十可編程邏輯”的架構(gòu),，但在開發(fā)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)時,，卻采用了各自不同的方式來整合處理器系統(tǒng)與片上的其他邏輯資源（大多數(shù)以用戶IP核形式出現(xiàn)）。MicroBlaze軟核處理器是Xilinx公司為其FPGA器件開發(fā)的,，其特有的FSL（Fast Simplex Link,，快速單向鏈路）總線，可以實現(xiàn)用戶IP核與軟核處理器的高速連接,，為設計者提供了一條解決這類問題的途徑,。
1 MicroBlaze軟核處理器
1.1 概 述
MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微處理器軟IP核。它采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線,，內(nèi)部有32個 32位寬度的通用寄存器,；在150 MHz的時鐘頻率下，最高可達到125 DMIPS的處理性能,，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示（圖中省略了指令側(cè)的同類接口）,。使用Xilinx公司提供的EDK（嵌入式系統(tǒng)開發(fā)套件）,，可以在參數(shù)化的圖形界面下方便地完成嵌入式軟處理器系統(tǒng)的設計。其突出的優(yōu)點,，一是設計靈活性,；二是可以整合用戶自定義IP核，使得算法可以在硬件中并行地執(zhí)行而不是在軟件中串行執(zhí)行,，從而極大地加速軟件的執(zhí)行速度,，即所謂的硬件加速。
1.2 MicroBlaze軟核總線接口
MicroBlaze軟處理器核具有豐富的接口資源,。目前,，最新版本的MicroBlaze軟核支持的接口標準有：
◆帶字節(jié)允許的OPB（On-chip Peripheral Bus，片上外設總線）V2.0接口,；
◆高速的LMB（Local Memory Bus,，本地存儲器總線）接口；
◆FSL 主從設備接口,；
◆XCL（Xilinx Cache Link,，Xilinx緩存鏈路）接口；
◆與MDM（微處理器調(diào)試模塊）連接的調(diào)試接口,。
OPB是對IBM Core Connect片上總線標準的部分實現(xiàn),，適用于將IP核作為外設連接到MicroBlaze系統(tǒng)中。LMB用于實現(xiàn)對片上的blockRAM的高速訪問,。 FSL是MicroBlaze軟核特有的一個基于FIFO的單向鏈路,，可以實現(xiàn)用戶自定義IP核與 MicroBlaze內(nèi)部通用寄存器的直接相連；而 XCL則是MicroBlaze軟核新增加的,，用于實現(xiàn)對片外存儲器的高速訪問,。 MicroBlaze軟核還有專門的調(diào)試接口,，通過參數(shù)設置,，開發(fā)人員可以只使用特定應用所需要的處理器特性。
1.3 MicroBIaze系統(tǒng)的硬件加速
將用戶IP核整合到基于MicroBlaze的嵌入式軟核處理器系統(tǒng)中,，通常有兩種方法：一種方法是將IP核連接到OPB總線,；第二種方法就是將用戶IP連接到MicroBlaze專用的FSL總線上。OPB與FSL比較如表1所列,。
注：①數(shù)據(jù)分別來自opb_v20和FSL_v20數(shù)據(jù)手冊,；
②該數(shù)據(jù)是在總線配置為1主2從情況下得到的；
③該數(shù)據(jù)對MicroBlaze軟核而言,。
從表1可見,，盡管OPB和FSL都是MicroBlaze軟核與FPGA其他片上邏輯資源連接的主要途徑，但其特點決定了分工是不同的：OPB總線適用于將低速和低性能要求的設備連接到MicroBlaze系統(tǒng)中,；而FSL總線則適用于將時間要求高的用戶自定義IP核整合到基于 MicroBlaze的軟核系統(tǒng)中,，以實現(xiàn)硬件加速,。
2 FSL總線
2.1 FSL總線接口
FSL總線是一個基于FIFO的單向點對點通信總線，主要用于FPGA的兩個模塊問進行快速的通信,。FSL總線IP核結(jié)構(gòu)如圖2所示,，F(xiàn)SL接口的I/O信號如表2所列。
該接口的主要特點：
◆單向的點對點通信,；
◆非共享的無仲裁通信機制,；
◆支持控制位與數(shù)據(jù)分離的通信；
◆基于FIFO的通信模式,；
◆可配置的數(shù)據(jù)寬度,；
◆高速的通信性能（獨立運行達到600 MHz）。
2.2 FSL總線的寫操作時序
對FSL總線的寫操作是由FSL_M_Write信號控制的,。圖3是FSL總線的寫操作時序,。FSL主設備在第一個時鐘上升沿檢查到 FSL_M_Full 信號未置高，就允許主設備將FSL_M_Write置高,，并將FSL_M_Data和FSL_M_Control推上總線,，在下一個時鐘周期這些數(shù)據(jù)就被總線讀取并送入FIFO了。圖中的Write2和Write3是一組“背靠背”的連續(xù)寫操作,。在Write3時,，F(xiàn)IFO滿使得 FSL_M_Full信號被置高，迫使主設備取消自己的FSL_M_Write信號,，直到一次讀操作將FSL_M_Full置低后,，才可以發(fā)起另一次寫操作。因此,，圖中暗示著在 Write4處也發(fā)生了一次從設備的讀操作,，否則FSL_M_Full將再次置高。
2.3 FSL總線讀操作時序
對FSL總線的讀操作是由FSL_S_Read信號控制的,，圖4是FSL從設備的3次讀操作時序,。當FSL總線上存在有效數(shù)據(jù)（FSL_S_Exists =‘1’），F(xiàn)SL_M_Data上的數(shù)據(jù)和FSL_M_Control上的控制位就立即可以被FSL從設備讀取,。一旦從設備完成讀操作,， FSL_S_Read信號必須置高一個時鐘周期，以確認從設備成功完成了一次讀操作,。在讀操作發(fā)生后的時鐘上升沿（圖中Read2 處）,， FSL_M_Data和FSL_M_Control會被更新為新數(shù)據(jù)，同時FSL_S_Exists和FSL_M_Full信號也會被更新,。同樣,，這里暗示著在Readl和Read2之間發(fā)生了兩次主設備的寫操作。
3 FSL總線用法
3.1 使用FSL總線IP核的設備間通信
目前Xilinx提供的FSL總線IP核的版本是FSL_V20。兩個設備要使用FSL進行數(shù)據(jù)傳輸,，就必須分別作為主設備或從設備連接到FSL核上,。如果需要進行雙向的傳輸，只要兩個設備分別作為主從設備,，使用兩個FSL核連接即可,。
無論是作為主設備或是從設備，都需要通過在設備的微處理器外設描述文件（MPD）中進行相應的定義,，以實現(xiàn)所需類型的FSL接口,。下面這段代碼就是一個分別定義了FSL主設備接口FSL_OUT和從設備接口FSL_IN的MPD文件：
BEGIN my_fsl_peripheral
OPTl0N IPTYPE=PERIPHERAL
OPTl0N IMP_NETLIST=TRUE
BUS_INTERFACE BUS=FSL_IN，BUS_STD=FSL,，BUS TYPE=SLAVE
BUS_INTERFACE BUS=FSL_OUT,，BUS_STD=FSL，BUS_TYPE=MASTER
##Ports
PORT CLK=””,，DIR=IN,，SIGIS=CLK
PORT RESET=””。DIR=IN
PORT FSL_S_READ=FSL_S_Read,，DIR=out,，BUS=FSL_IN
PORT FSL_S_DATA=FSL_S_Data，DIR=in,，VEC=[o:31],，BUS=FSL_IN
PORT FSL_S_CONTROL=FSL_S_Control，DIR=in,， BUS=FSL_IN
PORT FSL_s_EXISTS=FSL_S_Exists,，DIR=in，BUS=FSL_IN
PORT FSL_M_WRITE=FSL_M_Write,，DIR=out,，BUS=FSL_OUT
PORT FSL_M_DATA=FSL_M_Data，DIR=out,，VEC=[o:31],，BUS=FSL_OUT
PORT FSL_M_CONTROL=FSL_M_Control，DIR=out,， BUS=FSL_OUT
PORT FSL_M_FULL=FSL_M_Full,，DIR=in，BUS=FSL_OUT
3.2 通過FSL與MicroBlaze通信
MicroBlaze軟核的FSL總線接口支持最多8對FSL連接,，具體實現(xiàn)多少接口由系統(tǒng)硬件描述文件（MHS）中的參數(shù) C_FSL_LINKS決定。默認情況下該參數(shù)為0,，表示不實現(xiàn)FSL接口,。當需要使用FSL總線把MicroBlaze和FPGA中的一個或多個邏輯模塊連接起來時，必須設置該參數(shù)的值為相應的模塊數(shù)。該參數(shù)的取值范圍是0～8,。
在MicroBlaze指令集中還有針對FSL總線操作的指令,，它們分別是：
◆get，put——阻塞式數(shù)據(jù)讀寫FSL,，控制信號被置為0,；
◆nget，nput——非阻塞式數(shù)據(jù)讀寫FSL,，控制信號被置為0,；
◆cget，cput——阻塞式控制位讀寫FSL,，控制信號被置為1,；
◆ncget，ncput——非阻塞式控制位讀寫FSL,，控制信號被置為1,。
4 FSL總線應用實例
在下面的實例中，嘗試通過FSL總線技術(shù),，將實現(xiàn)特定函數(shù)功能的用戶自定義IP核整合到MicroBlaze軟核系統(tǒng)中,，以實現(xiàn)硬件加速的目的。這里以一個矢量漢字（vector font）還原功能的硬件模塊的整合為例,，說明FSL總線的應用過程,。所使用的開發(fā)平臺是Memec Insight 公司生產(chǎn)的Virtex—II系列的MicroBlaze開發(fā)板，板上采用的FPGA器件為Virtex—II 1000,，系統(tǒng)時鐘為100 MHz,，開發(fā)工具為Xilinx公司的EDK 6.3及ISE 6.3。
4.1 FSL總線應用方案
如圖5所示,，vectOr_font核通過FSL_Code-與FSL_Lattice兩條FSL總線與MicroBlaze軟核直接相連,。
對于FSL_Code總線，MicroBlaze核是主設備,，而vector_font核是從設備,。這樣MicroBlaze可以通過 FSL_Code總線向vectOr_font核發(fā)送漢字的區(qū)位碼（或者其他格式的漢字編碼，由使用的矢量字庫和還原算法決定）以及漢字的屬性信息（如字體,、大小等）,。
對于FSL_Lattice總線則正好相反。vector font 核作為主設備可以通過它向MicroBlaze核發(fā)送經(jīng)過還原處理后的漢字點陣數(shù)據(jù)以及漢字點陣尺寸信息（用于將點陣數(shù)據(jù)在顯存中組織成正確的顯示格式）,。
4.2 數(shù)據(jù)傳輸指令與控制位指令的應用
FSL 提供的獨立于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂莆豢梢杂脕韺φ趥鬏斨械臄?shù)據(jù)進行標記,。為了區(qū)分區(qū)位碼數(shù)據(jù)與漢字屬性數(shù)據(jù)，以及點陣數(shù)據(jù)與漢字點陣尺寸數(shù)據(jù),。 MicroBlaze分別通過FSL的數(shù)據(jù)傳輸指令和控制位傳輸指令來發(fā)送漢字的區(qū)位碼和漢字屬性信息,，接收點陣數(shù)據(jù)和漢字點陣尺寸信息,。對應的實現(xiàn)代碼如下：
//使用非阻塞的數(shù)據(jù)寫函數(shù)向FSL總線寫入漢字區(qū)位碼Microblaze_nbwrite_datatsl（code,O）
//使用非阻塞的控制位寫函數(shù)向FSL總線寫入漢字屬性信息maicroblaze_cnbwrite_cnlfsl（attibute，O）
//使用非阻塞的數(shù)據(jù)讀函數(shù)從FSL總線讀取漢字點陣數(shù)據(jù)microblaze_nbread_datafsl（1attice,，O）
//使用非阻塞的控制位讀函數(shù)從FSL總線讀取漢字點陣尺寸信息microblaze_cnbread_cnlfsl（size,，O）
代碼中用到的與FSL有關(guān)函數(shù)的定義，都在include目錄下的mb_interface．h文件中,。其中,，各函數(shù)的第二個參數(shù)代表進行讀寫操作的 FSL總線接口的編號，對應Mi—croBlaze軟核的8對FSL接口,。該參數(shù)的取值范圍從0到7,。本例中,MicroBlaze只使用了一對 FSL接口，故而值為0,。
4.3 實現(xiàn)步驟
首先,，在Base System Wizard中設計圖5虛線框中所示的一個簡單的MicroBlaze嵌入式處理器系統(tǒng)。然后,，在XPS集成開發(fā)環(huán)境下完成用戶自定義IP核（本例中即 vectoz__font核）的添加,、Microblaze核FSL接口的添加（設置參數(shù) C_FSL_LINKS=1），同時添加兩個FSL總線IP核,，分別用于實現(xiàn)FSL_Code和FSL_Lattice總線,。另外，將兩個FSL總線IP 核的參數(shù)C_USE_CONTROL置為1,，以打開FSL總線的控制位傳輸功能,。所有這些改動，最后都會被更新到MES文件中,。這樣,，硬件平臺生成工具 platgen就可以根據(jù)它生成所需要的FPGA配置文件了。
硬件的實現(xiàn)完成后,，進行相應軟件參數(shù)的設置,，如將系統(tǒng)標準輸入輸出設備指向UART模塊等。然后,，用庫生成工具libgen,，根據(jù)MSS（系統(tǒng)軟件描述文件）文件，將所需外設函數(shù)庫的頭文件添加進工程中,。
通過調(diào)用這些函數(shù),，可以操作和控制這些外設。通過Tool項里的build命令,，調(diào)用mb—gcc：編譯工具,，將編寫的應用程序編譯成ELF文件，再用 updatebitstrcam命令將程序代碼對應的RAM初始化數(shù)據(jù)添加到前面生成的FPGA配置文件中,，生成最終的bit配置文件,。最后,，使用 download命令將bit文件下載到目標板中,。
以上就是整個FSL應用實例設計的實現(xiàn)過程,。本例只是為了說明FSL總線的使用。實際應用中,，還可以根據(jù)具體情況通過FSL,，將更多的用戶自定義IP核（如DCT、FFT等）添加到．MicroBlaze軟核系統(tǒng)中去,。
5.結(jié) 語
在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中,，人們一直希望能夠有一個滿足自己需要的“定制”的嵌入式處理器，而不是手頭大量存在的通用微處理器,。但是,，直接將用戶自定義IP核添加到處理器核中，不僅受到處理器原架構(gòu)的束縛,，還有可能降低處理器的性能（處理器工作頻率）,；而通過與內(nèi)部寄存器直接相連的FSL接口，用戶自定義IP 可以在不破壞處理器原有結(jié)構(gòu)的情況下,，緊密地與MicroB- laze軟核結(jié)合在一起,。這樣，即使關(guān)鍵路徑覆蓋了用戶IP 核,，由于它在處理器內(nèi)核之外,，也不會導致處理器時鐘頻率的降低。
通過對FSL總線的分析以及上述實例的驗證,，證明了在基于MicroBlaze的SoC 系統(tǒng)設計中,，一方面可以針對具體應用進行“量體裁衣”式的設計；另一方面,，利用其專用的FSL總線接口技術(shù),，實現(xiàn)嵌入式軟處理器系統(tǒng)與用戶自定義邏輯的整合，從而在不提高系統(tǒng)主頻的前提下,，通過部分函數(shù)功能的硬件實現(xiàn)來提升系統(tǒng)的性能,。