基于LEON3處理器和Speed協(xié)處理器的復(fù)雜SoC設(shè)計(jì)

　　前言

　　隨著科技的發(fā)展，信號(hào)處理系統(tǒng)不僅要求多功能、高性能，而且要求信號(hào)處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)周期短，可編程式專用處理器無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)此目的的最好途徑?？删幊虒Ｓ锰幚砥骺煞譃樗神詈鲜?協(xié)處理器方式，即MCU+協(xié)處理器)和緊耦合式(專用指令方式，即ASIP)，前者較后者易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用較廣。本文就是介紹一款松耦合式可編程專用復(fù)雜SoC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，選用LEON3處理器作為MCU，Speed處理器作為Coprocessor。

　　LEON3及Speed

　　LEON3是由歐洲航天總局旗下的Gaisler Research開(kāi)發(fā)、維護(hù)，目的是擺脫歐空局對(duì)美國(guó)航天級(jí)處理器的依賴。目前LEON3有三個(gè)版本(如表1)，其中LEON3FT(LEON3 Fault-tolerant)只有歐空局內(nèi)部成員可以使用。LEON3 (basic version)是遵循GNC GPL License的開(kāi)源處理器，和SPARC V8兼容，采用7級(jí)Pipeline，硬件實(shí)現(xiàn)乘法、除法和乘累加功能，詳細(xì)特性請(qǐng)參考相關(guān)技術(shù)文檔[1]。

表1 LEON3的不同版本

　　目前，LEON3處理器因?yàn)殚_(kāi)源、高性能、采用AMBA總線易擴(kuò)展及軟件工具完備等因素，在國(guó)內(nèi)外大學(xué)(如UCB、UCLA、Princeton University等)及科研院所的科研活動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。

　　Speed(又名GA3816)是一款我國(guó)自主研發(fā)、處于同時(shí)代國(guó)際先進(jìn)水平、可重構(gòu)、可擴(kuò)展的面向FFT、IFFT、FIR及匹配濾波應(yīng)用的信號(hào)處理器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有以下特點(diǎn)[2~4]：

　　1)Speed在追求運(yùn)算速度的同時(shí)兼顧通用性，通過(guò)設(shè)置64位控制字，器件內(nèi)部資源可根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行重組;

　　2)可以實(shí)現(xiàn)FFT、IFFT、FFT-IFFT、FIR、滑窗卷積等運(yùn)算，峰值運(yùn)算能力達(dá)256億次浮點(diǎn)乘累加/秒;

　　3)由160個(gè)實(shí)數(shù)浮點(diǎn)乘法累加運(yùn)算器組成40個(gè)復(fù)數(shù)乘法累加器陣列，1Mbit的雙口SRAM，8個(gè)512×32bit系數(shù)ROM，兩個(gè)直角到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換電路，兩個(gè)對(duì)數(shù)變換電路及其它輔助電路和控制電路。

圖1 Speed的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)

　　Speed傳統(tǒng)的工作方式是通過(guò)片外FPGA輸入控制信號(hào)和待處理數(shù)據(jù)，這不僅增大了PCB板級(jí)布線、調(diào)試的工作量，而且FPGA不能用C等高級(jí)語(yǔ)言編程，算法改動(dòng)起來(lái)不靈活。另一方面，隨著半導(dǎo)體工藝、微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模的復(fù)雜SoC實(shí)現(xiàn)技術(shù)逐漸成熟，因此有必要將板級(jí)FPGA + Speed改進(jìn)為芯片級(jí)MCU + Speed，這樣既能實(shí)現(xiàn)真正的可編程增大靈活性，又能加快用戶開(kāi)發(fā)信號(hào)處理系統(tǒng)的速度。

　　利用AHB實(shí)現(xiàn)通信

　　為了實(shí)現(xiàn)可編程，需要將C/C++程序表達(dá)的信息經(jīng)過(guò)編譯器、LEON3處理器、AHB總線、DMA控制器和必要的HDL代碼，轉(zhuǎn)化成Speed能夠識(shí)別的信息，進(jìn)入Speed模塊中，如圖2。其中AHB總線是LEON3 Core和Speed Core結(jié)合的關(guān)鍵。

圖2 實(shí)現(xiàn)軟件可編程的過(guò)程

　　AHB總線及AHB控制器

　　AMBA總線是一種應(yīng)用廣泛的層次化總線結(jié)構(gòu)，有高速的AHB和低速APB之分，其中AHB是一種流水式高速總線結(jié)構(gòu)，地址和數(shù)據(jù)總線相互獨(dú)立，可掛載16個(gè)Master和Slaver設(shè)備，常用來(lái)組織和連接高性能模塊，如處理器、DMA控制器、協(xié)處理器等[5~7]。AHB總線的核心是AHB控制器，主要包括仲裁器，譯碼器和多路復(fù)用器，其中仲裁器選擇AHB Master，而譯碼器選擇AHB Slave，實(shí)現(xiàn)寫(xiě)數(shù)據(jù)WDATA和讀數(shù)據(jù)RDATA分開(kāi)，如圖3所示。

　　DMA控制器

　　DMA是指設(shè)備直接對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作的方式。這種方式下數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)無(wú)需CPU執(zhí)行指令，也不經(jīng)過(guò)CPU內(nèi)部寄存器，而是利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接在源地址和目的地址之間傳送數(shù)據(jù)，達(dá)到極高的傳輸速率。DMA控制器一方面可以接管總線，即可以像CPU一樣視為總線的主設(shè)備，這是DMA與其它外設(shè)最根本的區(qū)別;另一方面，作為一個(gè)I/O器件，其DMA控制功能正式通過(guò)初始化編程來(lái)設(shè)置。當(dāng)CPU對(duì)其寫(xiě)入或讀出時(shí)，它又和其它的外設(shè)一樣成為總線的從屬設(shè)備。

　　本文中為了實(shí)現(xiàn)DMA和AHB密切配合，即啟動(dòng)DMA后大量原始數(shù)據(jù)通過(guò)AHB總線從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)入Speed模塊，需要DMA控制器內(nèi)部包含AHB Master模塊，如圖4所示。另外需要說(shuō)明的是，LEON3為了實(shí)現(xiàn)AHB上設(shè)備的plug&play需要在0xFFFFF000-0xFFFFF800地址空間添加設(shè)備信息[8~9]，所以DMA 控制器和Speed協(xié)處理器亦要如此，以便LEON3的軟硬件協(xié)調(diào)一致。在C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)DMA時(shí)，向DMA的控制寄存器寫(xiě)入相應(yīng)的信息，即可啟動(dòng)DMA傳輸，如圖5所示。

圖5 啟動(dòng)DMA的C代碼示意

　　Speed的AHB接口

　　為了使Speed可以順利接收LEON3傳送過(guò)來(lái)的控制字或DMA傳送過(guò)來(lái)的原始數(shù)據(jù)，需要在原有的Speed core模塊頂層添加AHB Slaver協(xié)議來(lái)接收AHB上傳送的數(shù)據(jù)，以及產(chǎn)生相應(yīng)波形的HDL代碼來(lái)將C程序的信息生成Speed所能識(shí)別的信號(hào)波形進(jìn)入Speed模塊內(nèi)部，即從圖6中的控制字，轉(zhuǎn)化成圖7中的時(shí)序。

圖6 C語(yǔ)言描述的Speed控制字

圖7 Speed core所需的配置時(shí)序

　　同理于控制字，濾波系數(shù)和原始數(shù)據(jù)的輸入亦需要一定的HDL代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)指令或數(shù)據(jù)向時(shí)序圖的轉(zhuǎn)化，其本質(zhì)相當(dāng)于譯碼，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度不大，此處就不再累述。Speed處理后數(shù)據(jù)通過(guò)狀態(tài)信號(hào)(zero_flag)下降沿觸發(fā)LEON3的中斷響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)向外部存儲(chǔ)器的輸出，此過(guò)程和數(shù)據(jù)輸入類(lèi)似。

　　編程、編譯及仿真

　　用戶在C編程時(shí)，只需要按照Speed所需的啟動(dòng)方式，先設(shè)置控制字、再輸入濾波系數(shù)、然后啟動(dòng)DMA輸入原始數(shù)據(jù)。值得注意的地方是，為了實(shí)現(xiàn)Speed的運(yùn)算與DMA中原始數(shù)據(jù)輸入同步，需要在C代碼的不同指令間插入一定的延遲指令，此延遲間隔可根據(jù)軟硬件的響應(yīng)速度來(lái)計(jì)算。

　　Gaisler Research公司提供完整的LEON3開(kāi)發(fā)套件，包括C代碼編譯器sparc-elf-gcc，大大方便了軟硬件開(kāi)發(fā)和聯(lián)合調(diào)試。 將LEON3和Speed的SoC硬件HDL描述，及編譯后的二進(jìn)制指令調(diào)入Modelsim進(jìn)行軟件仿真，再利用FPGA進(jìn)行硬件仿真，其結(jié)果如圖8、9、10所示。

圖8 從C語(yǔ)言控制字產(chǎn)生的配置時(shí)序

圖9 觸發(fā)中斷響應(yīng)的zero_flag信號(hào)

圖10 在Altera StratixII 2S180中的仿真結(jié)果

　　結(jié)語(yǔ)

　　本項(xiàng)目利用LEON3的高性能、易編程、開(kāi)源等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了AHB總線接口和DMA控制器，實(shí)現(xiàn)了Speed專用信號(hào)處理器的軟件可編程，大大簡(jiǎn)化了Speed用戶的開(kāi)發(fā)過(guò)程。有待改進(jìn)之處是，1)當(dāng)前Speed可處理40bit數(shù)據(jù)，而Leon3是32bit，沒(méi)有最大限度發(fā)揮Speed的運(yùn)算能力;2)如果在LEON3上運(yùn)行RTEMS (Real Time Executive for Multiprocessor Systems) 操作系統(tǒng)，將進(jìn)一步方便用戶擴(kuò)展LEON3的利用價(jià)值。