如何快速啟動(dòng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

為了削減成本，提升性能和保持靈活性，在工業(yè)、醫(yī)療、汽車、航天和軍用產(chǎn)品等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括處理器和外設(shè)在內(nèi)的完整的嵌入式系統(tǒng)被整合到了FPGA 上。

雖然FPGA的傳統(tǒng)用戶是硬件設(shè)計(jì)者，但是賽靈思的新型嵌入式設(shè)計(jì)平臺(tái)，使得軟件開發(fā)人員也能夠在熟悉的環(huán)境中輕松編程，包括Eclipse IDE、編譯器、調(diào)試器、操作系統(tǒng)和庫。編程可以利用uC/OS-II之類的RTOS 甚至全嵌入式Linux在裸金屬級(jí)完成。

圖1 嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)

嵌入式設(shè)計(jì)趨勢(shì)及挑戰(zhàn)

FPGA的應(yīng)用到現(xiàn)在已經(jīng)有二十多年的時(shí)間了，我們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域都能看到各種FPGA的應(yīng)用，例如醫(yī)療、工業(yè)控制、汽車電子、連接IP、高端顯示、無線、監(jiān)控、軍事通信等等。然而，F(xiàn)PGA內(nèi)使用嵌入式處理器的時(shí)間只不過是近十年的事情，從1999年到現(xiàn)在，F(xiàn)PGA內(nèi)使用嵌入式處理器在逐年正向增加中。

圖2 EDK 軟件、硬件和集成流程

圖3 簡(jiǎn)單的SDK軟件開發(fā)流程步驟

隨著FPGA內(nèi)使用嵌入式處理器設(shè)計(jì)越來越多，我們面臨的挑戰(zhàn)也越來越多，主要挑戰(zhàn)分為三個(gè)方向：

• 滿足不斷提高的技術(shù)要求

–要求有一個(gè)適用于該應(yīng)用的處理器系統(tǒng)

–要求能夠選擇正確的功能（外設(shè)）組合

• 即便只有很少的FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也能開發(fā)軟件

–需要易于定制的預(yù)配置系統(tǒng)

• 降低進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)

–希望花更少的時(shí)間創(chuàng)建和調(diào)試定制IP模塊

–快速并行開發(fā)和驗(yàn)證軟硬件

很多人都使用過嵌入式處理器，但當(dāng)一開始在選擇一個(gè)嵌入式處理器作為系統(tǒng)核心時(shí)，考慮要點(diǎn)是什么呢？一個(gè)適用于該系統(tǒng)應(yīng)用的處理器以及能夠正確滿足外設(shè)功能需求的組合將會(huì)是最后的選擇。這些選擇處理器的條件都是FPGA嵌入式處理的挑戰(zhàn)。

除此之外，F(xiàn)PGA硬件設(shè)計(jì)的難度必須要有效降低，能讓對(duì)FPGA經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)較少的人員也能夠開發(fā)軟件，這點(diǎn)是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)工程師，他們雖然沒有硬件的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也要能夠開發(fā)軟件，這就必須要有一個(gè)易于制定的預(yù)配置系統(tǒng)。

在進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的管理上，F(xiàn)PGA嵌入式設(shè)計(jì)顯得額外重要，由于FPGA嵌入式設(shè)計(jì)包含軟件和硬件同時(shí)在一個(gè)芯片上，所以當(dāng)問題發(fā)生時(shí)，硬件人員和軟件人員并不能很快理清問題的癥結(jié)點(diǎn)，所以常常延遲進(jìn)度，因此在選擇FPGA嵌入式系統(tǒng)時(shí)，使用人員往往希望花更少的時(shí)間來調(diào)試硬件IP模塊，并同時(shí)開發(fā)驗(yàn)證軟件，軟硬件的整合和效能提升是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。

賽靈思嵌入式平臺(tái)

賽靈思基于FPGA的嵌入式平臺(tái)的基本價(jià)值在于為了滿足不斷提高的客戶要求。而嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)可以讓對(duì)FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)很少的人也能夠快速開發(fā)軟件。而內(nèi)含目標(biāo)參考設(shè)計(jì)Spartan-6和Virtex-6的嵌入式套件可以有效地管理降低客戶開發(fā)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。

Spartan-6 FPGA嵌入式套件

• 描述：

–該套件支持使用MicroBlaze軟處理器的軟件開發(fā)工作以及使用Spartan-6 LX45T FPGA的硬件處理器系統(tǒng)定制工作。

• 組件：

–采用Spartan-6 LX45T FPGA的SP605基礎(chǔ)板

• 下載／調(diào)試電纜、電源

–ISE設(shè)計(jì)套件：嵌入式版本

• ISE和 ChipScope Pro：S6LX45T專用的器件

• Platform Studio、軟件開發(fā)套件(SDK) (Eclipse IDE)

–嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)

• MicroBlaze™處理器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

–技術(shù)文檔

• 硬件設(shè)置指南和入門指南

• 深入的硬件和軟件分步輔導(dǎo)資料

–生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴提供OS/RTOS支持

• Linux、uC/OS-II、TreckVirtex-6 FPGA嵌入式套件

• 描述：

–該套件支持使用MicroBlaze軟處理器的軟件開發(fā)工作以及使用Virtex™-6 LX240T FPGA的硬件處理器系統(tǒng)定制工作

• 組件：

–采用Virtex-6 LX240T FPGA的 ML605基礎(chǔ)板

• 下載／調(diào)試電纜、電源

–ISE設(shè)計(jì)套件：嵌入式版本

• ISE和ChipScope Pro：V6LX240T專用的器件

• Platform Studio、軟件開發(fā)套件(SDK) (Eclipse IDE)

–嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)

• MicroBlaze處理器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

–技術(shù)文檔

• 硬件設(shè)置指南和入門指南

• 深入的硬件和軟件分步輔導(dǎo)資料

–生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴提供OS/RTOS 支持

• Linux、uC/OS-II、Treck

圖4 簡(jiǎn)單硬件設(shè)計(jì)流程步驟

圖5 集成并優(yōu)化軟件／硬件

嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)

Spartan-6和Virtex-6嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)其實(shí)是非常相象的，它們都包含一個(gè)32位的MicroBlaze™RISC處理器，性能優(yōu)化，支持Linux RTOS，100MHz時(shí)鐘頻率。另外還包含集成式存儲(chǔ)控制器，包含DDR、DDR2、DDR3、LPDDR，數(shù)據(jù)速率達(dá)800Mbps。

全套優(yōu)化的軟IP外設(shè)和總線結(jié)構(gòu)包含UART、Flash、GPIO、I2C/SPI、Timer/Intr Controller、Debug。具體如圖1所示，參考設(shè)計(jì)中集成以太網(wǎng)MAC IP，資源百兆、千兆網(wǎng)，子IP也可與外部碼作整合。處理器和處理器子系統(tǒng)全面可操作且簡(jiǎn)便易用，有助于立即著手系統(tǒng)開發(fā)工作。

MicroBlaze處理器子系統(tǒng)

Spartan-6和Virtex-6嵌入式參考設(shè)計(jì)中，提供MicroBlaze處理器子系統(tǒng)，稱為PSS（processer sub system），通過這樣一個(gè)PSS子系統(tǒng)，用戶可以很快地將自己的定義邏輯加入這樣一個(gè)子系統(tǒng)中，由于這個(gè)目標(biāo)參考設(shè)計(jì)MicroBlaze子系統(tǒng)已經(jīng)整合了許多外設(shè)功能，用戶制定的這個(gè)邏輯便可以很快地通過網(wǎng)絡(luò)來控制或者讓DDR內(nèi)存作存儲(chǔ)，這將有效降低客戶在開發(fā)過程中的時(shí)間。

操作步驟

提高效率只需簡(jiǎn)單幾步，第一步，數(shù)分鐘內(nèi)啟動(dòng)設(shè)計(jì)，包括連接電纜，接通開發(fā)板電源，載入嵌入式平臺(tái)演示；第二步，評(píng)估，包括評(píng)估嵌入式平臺(tái)演示，用互動(dòng)界面評(píng)估性能參數(shù)；第三步，定制，包括啟動(dòng)嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)項(xiàng)目，根據(jù)軟件開發(fā)輔導(dǎo)資料對(duì)軟件應(yīng)用進(jìn)行編程、調(diào)試和描述，根據(jù)硬件開發(fā)輔導(dǎo)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

在經(jīng)過第一步和第二步之后，用戶已經(jīng)充分了解嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)的內(nèi)容，并可利用嵌入式目標(biāo)參考設(shè)計(jì)來加入用戶自己的邏輯和自己的軟件，使用XPS進(jìn)行硬件制定的開發(fā)，使用SDK進(jìn)行軟件的開發(fā)，這樣就可以按時(shí)完成設(shè)計(jì)要求。

EDK是Xilinx嵌入式開發(fā)套件，其主要工具XPS是集成標(biāo)準(zhǔn)硬件流程ISE以及標(biāo)準(zhǔn)軟件流程SDK。XPS本身并不實(shí)現(xiàn)硬件流程，是通過呼叫ISE來達(dá)成硬件流程的實(shí)現(xiàn)。硬件流程包含了標(biāo)準(zhǔn)的FPGA硬件發(fā)展流程。XPS也不實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)軟件流程，也是通過呼叫SDK來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)軟件流程。用戶可以通過XPS對(duì)系統(tǒng)作描述，如圖2所示?？梢苑QXPS為一個(gè)腳本產(chǎn)生器，是用來聯(lián)絡(luò)硬件和軟件流程的工具。

簡(jiǎn)單的SDK軟件開發(fā)流程步驟如圖3所示，這些都將在SDK上完成。

• 采用SDK Eclipse IDE開始設(shè)計(jì)

• 打開專門針對(duì)MicroBlaze PSS 目標(biāo)參考設(shè)計(jì)配置的工作區(qū)(Workspace)

• 編程

• 創(chuàng)建獨(dú)立的軟件平臺(tái)或OS BSP

• 創(chuàng)建、編譯并構(gòu)建軟件應(yīng)用

• 用圖形調(diào)試器調(diào)試軟件應(yīng)用

簡(jiǎn)單硬件設(shè)計(jì)流程步驟如圖4所示。

• 用XPS開始設(shè)計(jì)

• 啟動(dòng)MicroBlaze PSS目標(biāo)參考設(shè)計(jì)項(xiàng)目

• 修改

• 從EDK套件中選擇其他標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)添加到PSS

• 根據(jù)“創(chuàng)建IP向?qū)?rdquo;創(chuàng)建定制IP

• 根據(jù)“調(diào)試配置向?qū)?rdquo;添加ChipScope調(diào)試IP

集成并優(yōu)化軟件／硬件的步驟如圖5所示。

• 用 ChipScope™Pro 分析工具調(diào)試軟件／硬件集成問題

• 用SDK描述應(yīng)用并確定熱點(diǎn)

• 下載性能關(guān)鍵代碼(performance critical code)到硬件加速器

第三方提供嵌入式軟件支持主流的有Linux (PetaLinux)、uC/OS-II和Treck 網(wǎng)絡(luò)中間件，主要特性如表1所示。

表1 生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴主要特性

總結(jié)

最后總結(jié)一下，新型嵌入式開發(fā)套件可最大限度地縮短開發(fā)時(shí)間也就是加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，采用預(yù)集成組件降低風(fēng)險(xiǎn)，也就是新型目標(biāo)參考設(shè)計(jì)可幫助設(shè)計(jì)人員提高工作效率?？梢允乖O(shè)計(jì)人員致力于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化和增值。

更多詳細(xì)內(nèi)容，敬請(qǐng)瀏覽：http://seminar.eccn.com/091230/jchf.asp

問答選編

問：Spartan-6設(shè)計(jì)平臺(tái)采用“開箱即用”設(shè)計(jì)，具體都包含哪些含有FPGA系統(tǒng)開發(fā)所需的軟硬件套件？

答：Spartan-6 FPGA Embedded Kit包含ISE套件Embedded Edition和SP605開發(fā)板。

問：集成式存儲(chǔ)控制器，DDR、DDR2等的存儲(chǔ)空間都是多少？

答：這個(gè)取決于你的外部存儲(chǔ)空間有多大。

問：Spartan-6的存儲(chǔ)器時(shí)鐘最大頻率是多少呢？

答：Spartan-6的MCB最快能到400MHz。如果跟DDR3一起用的話，能達(dá)到800MB/s的帶寬。

問：Xilinx提供的標(biāo)準(zhǔn)嵌入式IP及第三方伙伴提供的IP添加完就可以直接使用？

答：mankit大部份Xilinx的標(biāo)準(zhǔn)嵌入式IP都是免費(fèi)的。

問：Spartan-6嵌入式套件和Spartan-6的數(shù)字信號(hào)處理開發(fā)套件應(yīng)用上有哪些區(qū)別？

答：Spartan-6 Embedded Kit:SP605 (LX45T) + ISE DS Embedded Edition.

Spartan-6 DSP Kit:AS-LX150T board + ISE DS System Edition.

問：Spartan-6 FPGA采用什么工藝技術(shù)？

答：Spartan-6采用45nm工藝技術(shù),是45nm工藝的低成本FPGA。

問：Spartan-6對(duì)設(shè)計(jì)保密有何特長(zhǎng)？

答：Spartan-6有DeviceDNA來保護(hù)你的設(shè)計(jì)，而在LX75/LX75T以上的器件有bitstream AES加密。

問：用spartan就可以實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單的邏輯，但是如果串口速度比較高怎么辦？請(qǐng)問s6里包含GTX嗎？

答：Spartan-6有LX和LXT系列，LXT系列有3.2Gbps的GTP。

問：Spartan-6最大容量是多少？

答：最大容量的Spartan-6有15萬LUTs(XC6SLX150/XC6SLX150T)。

問：Xilinx有無低成本的Spartan-6 DEMO板供應(yīng)?

答：我們有入門版的DEMO板SP601,可以在www.xilinx.com/sp601找到。

問：Spartan-6 FPGA套件除了支持PCIegen1標(biāo)準(zhǔn)的接口與千兆位以太網(wǎng)鏈接外，是否還支持gen2標(biāo)準(zhǔn)的接口？

答：Spartan-6不支持gen2的PCIe.如果你需要gen2的支持, 你可以選擇Virtex-6，詳情參考V6 PCIe的文檔。

問：ISE的所有版本都支持MIG設(shè)計(jì)嗎？

答：所有版本的ISE都可以支持MIG設(shè)計(jì)。

問：Virtex-6是否兼容PCIExpress2.0標(biāo)準(zhǔn)？

答：Virtex-6已經(jīng)通過了PCI Express 2.0 (2.5Gbps和 5Gbps)的兼容測(cè)試。

問：Spartan-6的工作電壓等級(jí)是多少?

答：Spartan-6的工作電壓是1.2V的,我們也有提供low power的Spartan-6 -1L器件，它的工作電壓是1.0V。

問：Spartan-6在基站設(shè)計(jì)中有優(yōu)勢(shì)嗎？

答：Spartan-6的DSP Slice能使工程師在RRU設(shè)計(jì)上可以用低成本的Spartan-6 FPGA來實(shí)現(xiàn)DPD，PC-CFR，DUC，DDC等功能。