MicroBlaze实例说明

MicroBlaze相关

by coosign 2005年12月

https://www.360docs.net/doc/66892160.html,/

一、嵌入式相关知识

略

二、MicroBlaze的优势

MicroBlaze软内核是一种针对Xilinx FPGA器件而优化的功能强大的标准32位RISC 处理器。采用传统的单处理器方法进行的基础设计配合Virtex-II Pro FPGA在 150 MHz的时钟频率下，性能达到125 Dhrystone MIPS (DMIPS)，如果与Spartan-3 FPGA配合，在85 MHz 的时钟频率下，性能达到68 Dhrystone MIPS (DMIPS)。为了达到更高的性能，在Virtex-II系列平台FPGA中植入32位PowerPCTM内核，它的DMIPS性能是竞争软处理器内核的五倍多。在Virtex-II Pro FPGA中实现的32位PowerPC内核，在时钟频率为450 MHz 时的性能超过680 DMIPS。总体性能如此之高，但成本却很低，这是因为集成在Virtex-II FPGA中的处理器既简化了设计，占用的片芯面积也减小了。例如，一个高效的设计仅使用了Xilinx 2VP50器件中不到2%的芯片面积。

1、用户可以根据不同的需要灵活地定制系统特性和外设

2、提升系统性能

3、降低成本

4、加快产品的上市时间

如图，使用了嵌入式CPU内核，把一些外设集成到单片FPGA中，可以减小系统复杂性，降低功耗和成本。

传统的系统框架图

SOPC框架图

个人使用体会：使用CPU软核做一些控制还是非常方便的，而且Xilinx提供了强大的模块支持，如GPIO、TIMER、UART、EMC等等。用于实现参数可变的数字滤波器也比较方便。

BUG：上次参加Xilinx的一次培训，工程师说引入CPU会给系统带来不稳定，程序容易跑飞，在极端环境下（如高温），容易死机。

三、EDK软件开发环境

Xilinx软件开发环境功能强大，而且非常容易上手。集成开发环境如下： ISE 7.1

EDK 7.1

3.1 EDK安装目录介绍

服务器上的EDK开发工具安装包：edk_71i_pc.bin，这个光盘映象文件里有安装文件和SP2的升级程序。建议大家打上SP2的补丁。

EDK安装后，安装目录树如下：

其中比较重要的子目录是doc和sw。

doc目录下放了大量的文档资料，具有重大参考价值。如：

edk_getstarted.pdf Getting Started with Xilinx? EDK

ps_ug.pdf Platform Studio User Guide

oslib_rm.pdf OS and Libraries Document Collection

iss_ug.pdf Instruction Set Simulator User’s Guide

mb_ref_guide.pdf MicroBlaze Processor Reference Guide

psf_rm.pdf Platform Specification Format Reference Manual 其中比较重要的是ps_ug.pdf。

sw目录下放置的是Drivers, BSP’s and software services。对于我们编写C代码来说，是非常重要的参考资料。

如图，可以看到在sw下面的XilinxProcessorIPLib目录里面有drivers目录。我们用Microblaze实现串口、GPIO等等，这些硬件模块的驱动就放着drivers下。我们以GPIO为例说明。有gpio_v1_00_a和gpio_v2_00_a两个子目录。数字代表了driver的版本号。

html / api 是我们可以调用的函数的说明，通过这些函数我们可以操作硬件。

examples 是一些C程序代码例子，我们可以参照这些代码来编写我们自己的程序。

后面会通过具体例程来说明这个目录的重要性。

3.2 EDK的界面介绍

通过实例说明。参见8.1。

3.3 EDK工程文件中的目录及文件（后缀）说明

通过实例说明。参见8.1。

四、EDK使用流程

4.1

Microblaze作为Top Module

Microblaze可以作为Top Module，那么在开发过程中，不需要是用ISE，只用EDK集成开发环境。流程如下（后面有具体实例）：

1、硬件设计

?选择FPGA芯片，定制合适的CPU、存储器以及外围器件，生成网表

?编辑UCF，配置管脚

?综合，生成bit文件，下载

2、软件设计

?EDK会根据硬件配置，生成系统库，提供底层硬件驱动和调用接口

?使用C语言编写具体软件，编译生成可执行文件

?将bit下载到硬件上运行

4.2 Microblaze作为 Sub Module

ISE工程中可以像调用诸如DCM模块的IP Core一样，调用Microblaze。如下图所示：

Embedded Processor这个选项在安装EDK软件之后才会出现。这样就可以添加一个嵌入式软核Microblaze作为ISE的一个子模块，这个子模块跟其他VHDL子模块是一样的，通过component 实例化，通过signal来连接。具体操作过程后面会通用实例来说明。

作为Sub Module一个很重要的问题：必须把C代码编译后的可执行文件初始化到FPGA 的RAM中！

五、一个简单的例子(Top Module)

下面通过一个例子介绍一下具体的开发流程。可以不用深究具体的实现细节，先通过这个例子体会一下开发的过程。有了感性的了解后，在下一节将作具体讨论。

本例子功能是点亮一盏LED灯。

1 硬件

【1】在某一路径下建立目录test。(注意：EDK不支持中文目录)

运行Xilinx Platform Studio。进入到以下界面，点击OK：

【2】选择I would like to create a new design点击Next。

【3】选择I would like to create a system for custom board. 然后点击Next

【4】选择具体Xilinx FPGA芯片。我们常使用的是Spartan 3系列的芯片，该芯片只支持Microblaze。选择完毕后点击Next。

【5】选择晶振频率，复位信号电平，是否需要Debug，以及Memory大小。

【6】点击Add Device，IO Interface Type 选择 GPIO，Device 选择 LEDS。点击OK。

【7】选择GPIO的数据位数。Next。

【8】选择内部元件（如Timer），本例程不使用，直接Next。

【9】系统自动提供测试程序，不建议选中。去掉2个勾。Next。

【10】Next。

【11】完成。

【12】这时，会弹出一个窗口，它的意思是你需要修改两个文件。一个是当前目录下

data/system.ucf 文件（这是一个管脚配置文件）。另外一个是etc/download.cmd 文件（这是JTAG下载配置文件，不用管它）。点击OK。

2 软件

硬件平台建立完毕后，编写软件以及在FPGA中实现功能。

【1】选中Tools -> Generate Libraries and BSPs。作用：生成可供程序调用的库函数。放

在了工程目录中的microblaze_0下面。

【2】选择Applications标签，新建软件工程，添加c文件。

【3】编写c代码。

#include "xbasic_types.h"

#include "xparameters.h"

#include "xutil.h"

#include "xgpio_l.h"

int main()

{ int i;

// Set the direction for all signals to be inputs except the LED output XGpio_mSetDataDirection(XPAR_GPIO_REG_BASE, 1, 0x0);

// Loop forever blinking the LED

while (1)

{

XGpio_mSetDataReg(XPAR_GPIO_REG_BASE, LED_CHANNEL, 0xff);

for (i = 0; i< 1000000; i++);

XGpio_mSetDataReg(XPAR_GPIO_REG_BASE, LED_CHANNEL, 0x00);

for (i = 0; i< 1000000; i++);

}

return 0;

}

【4】选择Tools - > Build All User Applications。

【5】编辑UCF文件。针对本例，只要在默认文件的基础上该即可。

UCF文件放在了工程下data目录里面。

Net sys_clk_pin LOC=H14;

Net sys_rst_pin LOC=Y11;

## System level constraints

Net sys_clk_pin TNM_NET = sys_clk_pin;

TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 10000 ps; Net sys_rst_pin TIG;

## FPGA pin constraints

Net fpga_0_LEDS_GPIO_d_out_pin<0> LOC=AF15;

Net fpga_0_LEDS_GPIO_d_out_pin<1> LOC=N19;

Net fpga_0_LEDS_GPIO_d_out_pin<2> LOC=V20;

【6】生成网表。

【7】生成bit文件。生成的bit文件放在工程的implementation\目录下。

然后就可以下载到FPGA上运行了。

六、一个复杂的例子（Sub Module）

本例子功能仍然是点亮一盏LED灯，但Microblaze是在ISE下作为一个子模块调用的。【1】新建一个ISE工程，然后添加一个CPU。