基于開源微處理器OR1200的嵌入式SoC設(shè)計

RISC是一種執(zhí)行較少類型計算機(jī)指令的微處理器，起源于80 年代的MIPS主機(jī)(即RISC 機(jī))，RISC機(jī)中采用的微處理器統(tǒng)稱RISC處理器。這樣一來，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作(每秒執(zhí)行更多百萬條指令，即MIPS)。因為計算機(jī)執(zhí)行每個指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計算機(jī)指令集越大就會使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會更慢。RISC微處理器不僅精簡了指令系統(tǒng)，采用超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu);它們的指令數(shù)目只有幾十條，卻大大增強(qiáng)了并行處理能力。如：1987年Sun Microsystem公司推出的SPARC芯片就是一種超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的RISC處理器。而SGI公司推出的MIPS處理器則采用超流水線結(jié)構(gòu)，這些RISC處理器在構(gòu)建并行精簡指令系統(tǒng)多處理機(jī)中起著核心的作用。

近年來開放源代碼運(yùn)動迅速發(fā)展，開放性源碼的概念已經(jīng)從軟件領(lǐng)域(如Linux,GCC等)擴(kuò)展到了硬件領(lǐng)域，出現(xiàn)了專門發(fā)布免費(fèi)的IP核源代碼的組織--OpenCores.OR1200以其完全開放的源代碼和編譯器吸引了設(shè)計者。其結(jié)構(gòu)簡單、通用性和可移植性強(qiáng)，具備完整的開發(fā)平臺，非常適合嵌入式SoC設(shè)計[1].關(guān)于OR1200的研究也受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注。

1 32位開放源代碼處理器核OpenRISC1200

OpenRISC1000系列處理器是開放IP核源代碼組織OpenCores公布的32/64位處理器軟核。OpenRISC1200采用了自主設(shè)計的OpenRISC1000體系結(jié)構(gòu)和自定義的ORBIS32 指令集。它是一種32位、標(biāo)量、哈佛結(jié)構(gòu)、5 級整數(shù)流水線的RISC,支持Cache、MMU和基本的DSP 功能。OR1200具有較好的可配置性， 使用者可以根據(jù)自己的需要定制自定義的指令，確定是否使用MMU,配置Cache 的大小(1 KB~64 KB之間)。OR1200同時還提供了1個用于降低功耗的電源管理單元和1個支持片內(nèi)調(diào)試的調(diào)試單元[2].

OR1200有完善的軟件開發(fā)環(huán)境和操作系統(tǒng)的支持。使用者可以通過包括GCC、Binutils和GDB等在內(nèi)的GNU tool chains進(jìn)行基于OR1200內(nèi)核的編譯和調(diào)試。同時，OR1200擁有專門的仿真器Or1ksim,可以進(jìn)行指令集一級的仿真，并支持Linux,μClinux,μC/OS-Ⅱ等任何一種現(xiàn)代操作系統(tǒng)。

OR1200典型應(yīng)用情況[3]:使用0.18 ?滋m和6層金屬工藝時，主頻運(yùn)行達(dá)到300 MHz,可以提供300Dhrystone、2.1MIPS和300 Hz的32 bit×32 bit的DSP乘加操作的能力。OR1200默認(rèn)配置有100萬個晶體管。

2 系統(tǒng)的總體方案

本文構(gòu)建以O(shè)R1200微處理器為核心，包含軟硬件平臺的嵌入式SoC系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)以開源32位RISC核+Wishbone總線為主干，進(jìn)行增量迭代開發(fā)，將仿真驗證過的模塊逐個加入到OR1200嵌入式系統(tǒng)中，然后在FPGA上進(jìn)行驗證。軟件部分進(jìn)行交叉編譯環(huán)境的建立、操作系統(tǒng)的移植、應(yīng)用程序開發(fā)并利用驅(qū)動程序、函數(shù)庫，經(jīng)交叉編譯工具最后生成可執(zhí)行程序下載到內(nèi)存中。最后在Altera的DE2-70開發(fā)板上驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示：

主函數(shù)中3個任務(wù)函數(shù)非常簡單，優(yōu)先級從高到底分別為1、2、3,系統(tǒng)提供的函數(shù)OSTimeDly()分別為10、20、30,OsTimeDly()是將1個任務(wù)掛起，延時若干個時鐘節(jié)拍，CPU可以去執(zhí)行其它任務(wù)。

圖4給出的是通過串口工具輸出μC/OS-II多任務(wù)調(diào)度的信息，3個任務(wù)根據(jù)優(yōu)先級和延遲時間正確執(zhí)行并打印出執(zhí)行信息，測試證明OR1200嵌入式SoC系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行μC/OS-II.

3 硬件平臺的構(gòu)建

OR1200Q嵌入式SoC系統(tǒng)組件包括：OR1200、Wishbone互聯(lián)模塊、Memory Controller、Flash、SDRAM、UART、GPIO、DM9000A接口模塊以及DM9000A控制器。圖2所示系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。

系統(tǒng)外接50 MHz的時鐘，經(jīng)過PLL分頻，系統(tǒng)工作在25 MHz頻率。由于OR1200的可配置性，配置了硬件乘法功能，選擇8 KB的IC(指令緩存)、8 KB的DC(數(shù)據(jù)緩存)，選擇NO_DMMU,NO_IMMU,即未加內(nèi)存管理單元。起始地址設(shè)為0x100,對系統(tǒng)做了硬件映射，復(fù)位時，0x04000000地址映射到0x0地址，所以系統(tǒng)可以從Flash啟動。Memory Control為統(tǒng)一的存儲控制器模塊，控制著SDRAM和Flash 2種存儲器。本系統(tǒng)針對AlteraDE2-70開發(fā)板硬件配置選擇64 MB的SDRAM和8 MB的Flash.Flash用于存儲壓縮的內(nèi)存映像文件及啟動程序Bootloder.Bootloder把壓縮的內(nèi)存映像文件從Flash復(fù)制到SDRAM中，并跳到起始位置解壓執(zhí)行可執(zhí)行文件、啟動操作系統(tǒng)。UART是嵌入式中重要的I/O設(shè)備，本系統(tǒng)選擇由OpenCores組織維護(hù)的UART16550 IP核，它與國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容并且可配置。UART通信協(xié)議的要求是：波特率9600 b/s、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、無奇偶校驗位。GPIO在系統(tǒng)中主要用于控制LED顯示狀態(tài)。DM9000A支持8 bit和16 bit數(shù)據(jù)接口以適用于不同的微處理器，但是沒有合適的開源IP模塊來連接DM9000A和Wishbone.因此需要開發(fā)1個IP接口模塊能將Wishbone從設(shè)備信號轉(zhuǎn)換為DM9000A控制信號。這個接口模塊有2個接口：1個連接在Wishbone從設(shè)備上;1個連接DM9000A控制器。DM9000A本身是little-endian,OR1200是big-endian,所以數(shù)據(jù)線接法應(yīng)該做交叉接法。

Wishbone互聯(lián)模塊有很多種，比如Wishbone Conbuse、Wishbone Traffic Cop、Wishbone Interconnect Matrix.鑒于本系統(tǒng)外設(shè)不多，選擇Wishbone Traffic Cop,它有8個主設(shè)備、9個從設(shè)備。系統(tǒng)2個主設(shè)備即指令總線主設(shè)備、數(shù)據(jù)總線主設(shè)備，主設(shè)備通過Wishbone 的總線譯碼器和仲裁器與從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，總線仲裁器選擇控制總線的主設(shè)備，保證每個周期最多只有1個主設(shè)備獲得總線控制權(quán)。系統(tǒng)有4個從設(shè)備，分別是UART、Flash、SDRAM和DM9000A.每個從設(shè)備都由32 bit地址線的最高8 bit來編址，總線譯碼器對主設(shè)備發(fā)出的地址的最高3 bit進(jìn)行譯碼來決定訪問哪個從設(shè)備。

4 系統(tǒng)的軟件開發(fā)

軟件開發(fā)過程包括交叉編譯環(huán)境的搭建，Bootloader的設(shè)計、μC/OS-II的移植和應(yīng)用程序開發(fā)等。[!--empirenews.page--]

4.1 GNU交叉編譯環(huán)境的構(gòu)建

OR1200系統(tǒng)使用的是OR32工具鏈，它由GCC, GNU Binutils和GDB組成，另外還提供了OR32模擬仿真工具。gcc-3.4.4用于程序的編譯;Binutils-2.16.1提供了鏈接等各種工具;gdb-5.3用于程序的調(diào)試。OR32模擬仿真工具or1ksim工具可以模擬OR1200處理器的行為，讓程序脫離處理器在模擬工具上運(yùn)行，從而實現(xiàn)OR1200與程序并行開發(fā)。OR32可從opencores網(wǎng)站上下載。

4.2 啟動代碼Bootloder的設(shè)計

Boot Loader 是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。通常，Boot Loader 是嚴(yán)重地依賴于硬件而實現(xiàn)的，特別是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一個通用的 Boot Loader 幾乎是不可能的。盡管如此，我們?nèi)匀豢梢詫?Boot Loader 歸納出一些通用的概念來，以指導(dǎo)用戶特定的 Boot Loader 設(shè)計與實現(xiàn)。

4.2.1 移植分析

對于計算機(jī)系統(tǒng)來說，從開機(jī)到操作系統(tǒng)啟動需要一個引導(dǎo)過程，嵌入式系統(tǒng)同樣離不開引導(dǎo)程序，這個引導(dǎo)程序就是Bootloader.通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射表，從而建立適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。

結(jié)合前面構(gòu)建的OR1200嵌入式SoC系統(tǒng)，具體的移植過程中需要修改或編寫以下代碼：

spr_defs.h OR1200相關(guān)寄存器的設(shè)置;

board.h系統(tǒng)驗證所用的DE2-70開發(fā)板的定義，啟動參數(shù)等;

flash_boot.S,修改初始化代碼和入口;

flash.ld,代碼在flash中的地址空間安排;

mc.h存儲控制器的初始化;

uart.h UART的初始化;

copier.c下載的程序從Flash拷貝到SDRAM執(zhí)行的拷貝代碼;

在Makefile中添加Bootloder的編譯支持。

4.2.2 啟動分析

0x100處是復(fù)位入口地址，但是Flash的初始地址為0x04000000,通過設(shè)置寄存器對系統(tǒng)做了硬件映射。復(fù)位時，0x04000000地址映射到0x0地址，所以可從Flash啟動。系統(tǒng)加電后，CPU從該地址開始執(zhí)行。該地址也就是系統(tǒng)異常處理向量表第1項(復(fù)位)。跳到了init_mc 中，此時完成了系統(tǒng)的大部分初始化，例如設(shè)置寄存器、CPU、SDRAM、Flash.然后把Flash中的拷貝代碼(copier)拷貝到SDRAM,跳到SDRAM中的Copier處，copier負(fù)責(zé)把Flash中的用戶程序(userprog.bin)拷貝到SDRAM中去，并跳到0x100處，解壓執(zhí)行用戶程序，啟動操作系統(tǒng)。此時的內(nèi)存映射為：SDRAM為0x00000000~0x04000000, Flash還是0x04000000~0x08000000.Bootloader的啟動如圖3所示。

4.3 實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植

μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步(信號量，郵箱，消息 隊列)和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個任務(wù)獨立工作，互不干涉，很容易實現(xiàn)準(zhǔn)時而且無誤執(zhí)行，使實時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為減化。μC /OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。

μC/OS-II是一個代碼公開、內(nèi)核精簡、實時性強(qiáng)、支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)，非常適合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。μC/OS-II 是由與處理器相關(guān)的代碼，與處理器無關(guān)的代碼及與應(yīng)用程序相關(guān)的代碼組成。它在設(shè)計之初就已經(jīng)充分考慮了可移植性，所以μC/OS-II在不同處理器上的移植是比較容易的，主要是編寫與處理器相關(guān)的代碼，即OS_CPU_A_ASM、OS_CPU.H、OS_CPU_C.C.因此對于μC/OS-II的移植可以參考文獻(xiàn)[4]中第13章，明確OR1200微處理器的數(shù)據(jù)聲明類型、OR1200微處理器支持的堆棧增長方向、臨界區(qū)處理方式。

5 系統(tǒng)運(yùn)行測試

系統(tǒng)通過驗證操作系統(tǒng)移植的正確性來測試所構(gòu)建的OR1200嵌入式SoC系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，編寫main.c實現(xiàn)3個任務(wù)以及任務(wù)切換。函數(shù)的主要功能包括完成μC/OS-II操作系統(tǒng)的初始化、硬件資源的初始化、創(chuàng)建相關(guān)任務(wù)和啟動μC/OS-II操作系統(tǒng)這幾部分。main.c的主函數(shù)部分如下：

本文介紹了一種基于OR1200微處理器的嵌入式SoC系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。系統(tǒng)經(jīng)測試運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)的硬件核心選用了開源的32位微處理器核OR1200,并定位于嵌入式系統(tǒng)，性能良好，也可適應(yīng)其他的開放源碼IP,對于掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)和自主創(chuàng)新的處理器具有重大的意義，本系統(tǒng)已應(yīng)用于青島市重大科技攻關(guān)項目"基于OR1200嵌入式SoC網(wǎng)關(guān)集成電路的設(shè)計及AVS實現(xiàn)".