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在FPGA设计中使用Xilinx的MicroBlaze

助工
2018-08-23 11:27:03     打赏

MicroBlaze是一款32位软RISC处理器内核,旨在加速传统上需要一个或多个微控制器的成本敏感型大批量应用的开发。

Xilinx成本优化的产品组合FPGA上的MicroBlaze提供了工具套件和FPGA平台的进步,有助于简化开发工作并最大限度地减少系统预算。Xilinx致力于提高MicroBlaze处理器软核的可用性,使工程师能够快速配置嵌入式硬件平台,并立即在行业标准环境中启动软件编码。


作为嵌入式处理器,MicroBlaze使Xilinx的FPGA产品组合能够满足工业,通信基础设施,医疗设备,汽车和消费者市场的集成和性能要求。通过平台和处理器的正确组合,设计人员可以设计解决方案,以满足其架构挑战,包括I / O外设,通信接口,实时功能和操作系统支持的正确组合。


 

MicroBlaze核心架构图1. MicroBlaze核心架构

 


MicroBlaze有何不同之处?

传统上,在FPGA中实现像MicroBlaze这样的处理器软核以获得最大的集成优势意味着需要相当长的时间。加速上市时间意味着迫切需要立即开始软件开发,最后需要的是在编码开始之前额外的学习曲线和微控制器平台的设计开销。通过引入开发流程来解决此问题,该开发流程允许编码立即启动,而无需等待定制的硬件平台。


这些更新可用于成本优化的FPGA系列的一系列开发套件,包括要构建的示例项目。如果您需要与MicroBlaze集成的特定功能,例如收发器,接口或DSP算法,可以IC通过可与MicroBlaze集成的工具链获得“拖放”IP组合。在大多数情况下,IP提供商都有示例项目和教程,可指导您完成实施,并通过试用期或系留选项使设计人员能够立即进行原型设计。Xilinx工具提供支持大多数开发板的免费Web版本。


这与以前的FPGA不同,在这些FPGA中,您必须移植自己的开源操作系统版本或创建自己的内核来运行代码。当Linux版本存在时,它们通常是错误的并且难以实现,因为在wiki上浪费了时间并且构建指令不一致或不充分。今天,MicroBlaze提供操作系统支持,包括freeRTOS和Linux。


它们带有可根据需要进行修改的真实示例项目 - 相对于过去有限的操作系统支持而言是一个相当大的进步。现在可以选择具有可靠确定性的高效实时操作系统或主线内核接受的Linux环境,也可作为预构建的ram磁盘。令人惊讶的是,轻松地“敲定”Linux实现,将其连接到网络接口,并拥有一个简单的Web服务器。


 


MicroBlaze示例运行实时操作系统'FreeRTOS'


图2.运行实时操作系统'FreeRTOS'的MicroBlaze示例

 


一个好的架构必须能够实现新功能的引入,面向未来的设计,减少硬件平台迭代,并结合设计安全性。MicroBlaze是一个功能齐全的微处理器架构,包含这些和许多附加功能。这些功能包括虚拟内存管理,缓存一致性,流链接支持和浮点处理单元。


还应用了具有容错配置选项的高效应用程序因子分解的需求。这些相同的容错选项有助于为安全敏感的应用程序提供防篡改功能。两个或多个“并行”MicroBlaze核心无形锁定监视正在运行的处理器并检测单个事件扰乱或黑客攻击,使系统能够自我诊断并响应其他灾难性情况。


 


Lockstep MicroBlaze容错架构的示例


图3. Lockstep MicroBlaze容错架构示例

 


软核实现

Xilinx的成本优化产品组合还有许多其他进展可帮助改进软核实现。高速SPI配置为驻留在具有多重启动功能的串行闪存中的程序代码提供了更快的启动选项,以支持多处理器应用程序。通过内置的安全更新功能,包括256位AES加密和HMAC / SHA-256身份验证,可实现动态的现场升级。


Xilinx通过部分重配置功能支持FPGA固件更新。这样可以通过下载部分位文件来动态修改FPGA上的逻辑,同时剩余的逻辑继续运行而不会中断。设计可以在不需要额外设备的情况下连续运行,而不是使用多个设备或要求FPGA脱机更新。


从历史上看,随着设计人员被迫在次标准环境中编写和调试代码,FPGA软核集成的好处在于增加了设计复杂性和开发自定义桥接逻辑,IC外设开发和持续低效的价格标签。MicroBlaze具有传统嵌入式微控制器中的所有外设,可轻松与软核集成。


基于Eclipse的工具链是一个全面,熟悉的环境,提供完整的混合级调试,还支持多处理器开发。软件设计人员可以在同一开发环境中切换ARM或Microblaze编译和调试支持。创建自动板支持包可以访问Microblaze硬件架构的存储器映射,包括外设和I / O. 外围驱动程序中的BSP链接包括一个automake工具,使设计能够以最小的开销进行。


选择最佳FPGA平台,然后使用SDK打开三个预先配置的MicroBlaze架构之一,并按照快速入门指南  (PDF)中的说明进行操作。软件设计人员可以在大约五分钟内启动并运行“hello world”。这使工程师能够熟悉Microblaze并开始实施,而无需使用Vivado FPGA工具套件。如果需要更多专用定制,则可以使用Vivado的IP Integrator工具调整模板项目。该工具集成了连接和块自动化配置向导,并提供了一种添加附加IP,修改接口外设,总线连接和内存映射的简单方法。


 


使用Vivado IP Integrator工具快速添加外设


图4.使用Vivado IP Integrator工具快速添加外设

 


成本优化的FPGA产品组合

成本优化的FPGA Spartan-6,Spartan-7,Artix-7和Zynq-7000系列提供量身定制的特性和功能,以满足各种目标应用的需求。尽管它们都具有实现硬件算法和基于微处理器的控制系统的能力,但它们的差异反映了特定于目标应用的要求,这些要求仅通过通用逻辑以经济高效的方式获得是不切实际的。


 


Xilinx成本优化的产品组合概述

图5. Xilinx成本优化的产品组合概述

 


Spartan-6和Spartan-7

Spartan-6和Spartan-7 FPGA平台适用于任意连接,桥接应用和传感器接口。话虽如此,它们仍然足以支持高性能算法,同时仍然提供当今最高的I / O连接平台。由于采用小型封装选项,它们可以实现缩小的四层PCB设计。


Spartan-7的性能降低了电源尺寸和成本,从而提高了成本和尺寸。许多内置系统级模块,包括DSP Slice,PLL,双12位1MHz ADC和系统监控磁贴,可将功能映射到FPGA中,从而进一步节省成本。其他功能包括高速DDR3接口功能和大量现成的IP模块,可连接到行业标准的AMBA AXI-4总线。汽车级版本可用于需要更高温度容限的应用,架构师可通过AES和Device DNA保护增强IP安全性来确保其设计。


 


产品Artix-7

Artix-7适用于需要高速串行接口或信号处理繁重应用的设计。具有6.6Gbps功能的收发器是目前业界最快的收发器。此速度使PCI Express,DisplayPort,串行ATA,HDMI,USB3.0和具有UHD功能的SDI等接口可与MicroBlaze系统集成。


 


ZYNQ-7000

Zynq-7000是一款SoC,具有单核或双核ARM-Cortex-A9子系统,具有超过3000个与FPGA架构的高速互连,可实现高速算法加速。为了获得更高的速度,设计人员可以使用Zynq UltraScale + MPSoC双核和四核A53。Xilinx提供系统和以IP为中心的设计,在接口级集成即插即用IP,而不是IP构建模块的信号级。设计生态系统支持使用C / C ++进行高级综合,system-C open-CL通过Eclipse使软件开发人员更容易加速。


 


MicroBlaze集成

MicroBlaze集成到Xilinx的可配置逻辑分析仪Chipscope Pro软件中。这允许硬件接口,包括串行和并行总线,通用I / O和任何逻辑互连,可以直接逐周期捕获并跟踪微处理器操作。物理配置,编程和调试接口可用于将高级软件调试连接到MicroBlaze系统,以启用所需的所有熟悉的断点和步进设施。


Xilinx提供用于CPLD和FPGA开发套件的USB 2下载电缆以及JTAG电缆,可根据需要直接连接到设备本身。如果需要远程调试,则可以通过集线器连接到LAN,或通过独立供电的以太网连接到JTAG电缆。如果需要其他选项,或者需要与现有工具链兼容,则可以从第三方提供商处获得调试解决方案。


MicroBlaze既可作为主处理器,也可作为ARM子系统的协处理器,实现实时算法加速和关键功能隔离。通过硬件设计更改(包括添加更多MicroBlaze处理器)实现实时改进,新功能可靠地增加。升级可以通过高安全性实现,软件和FPGA逻辑映像可在不间断运行期间升级。低成本的集成ARM解决方案为FPGA提供了应用空间和物联网功能,可以根据实时算法支持的需要包含尽可能多的MicroBlaze协处理器。


Xilinx的OpenCL C-to-VHDL功能可实现软件设计的隐形在线硬件加速。将MicroBlaze与成本优化的产品组合相结合,可提供可扩展的面向未来的架构,该架构具有统一的工具链,该工具链使用全面的IP目录。





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