雙MicroBlaze軟核處理器的SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）

引 言：隨著時(shí)代的發(fā)展，單核片上可編程系統(tǒng)SOPC（SystemOn a Programmable Chip）解決復(fù)雜問題的能力與處理速度已很難滿足用戶的需求，面向多處理器SOPC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為片上系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。具有高密度、大容量邏輯的FPGA（Field Programmable Gate Array）的出現(xiàn)使得高性能片上多處理器的設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。目前，片上多核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已有一定發(fā)展，但在處理器間通信和中斷方面仍需進(jìn)一步的研究。本文在處理器間通信和中斷控制方面進(jìn)行了深入的研究。

MicroBlaze是一個(gè)被優(yōu)化過的可以在Xilinx公司FPGA中運(yùn)行的軟核處理器，可以和其他外設(shè)IP核一起完成可編程系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)。它具有運(yùn)行速度快、占用資源少、可配置性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通信、高端消費(fèi)市場(chǎng)等領(lǐng)域。MicroBlaze處理器采用RISC（Reduced InstructionSet Computer）指令集結(jié)構(gòu)和哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，指令、數(shù)據(jù)總線位寬均為32位。本文MicroBlaze處理器采用面積優(yōu)化，流水線分為3級(jí)，即取指、譯碼和執(zhí)行，減少了硬件開銷。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 雙MicroBlaze SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙MicroBlaze SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1中可知，整個(gè)SOPC系統(tǒng)可以分為兩個(gè)處理器子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用兩個(gè)PLB（Processor Local Bus）v46總線作為系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)，所有的模塊都是直接或間接地連接到這兩個(gè)總線上。兩個(gè)總線上均掛有用于處理器間通信和同步的核，即Mailbox和Mutex,因此兩個(gè)處理器并不是完全獨(dú)立的。表1列出了SOPC系統(tǒng)包含的主要模塊。

表1中的BRAM 有兩種用途：一是作為單個(gè)處理器的私有存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，它通過存儲(chǔ)器局部總線LMB與處理器相連；二是作為兩個(gè)處理器之間的共享存儲(chǔ)器（Shared Memory）用作通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

它所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比Mailbox大很多，特別是在傳輸信息量大于千字節(jié)時(shí)，共享存儲(chǔ)器是最常用的通信模塊。

圖1 雙MicroBlaze SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 SOPC系統(tǒng)的主要模塊

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件結(jié)構(gòu)

圖1所示的SOPC系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)不僅和處理器的數(shù)目有關(guān),還和系統(tǒng)中模塊的配置及功能有關(guān),外部存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備的不同配置都會(huì)影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。

具體如下:

①SOPC系統(tǒng)通過各自獨(dú)立的PLBv46總線隔離兩處理器子系統(tǒng),可以確保兩個(gè)處理器系統(tǒng)在執(zhí)行各自的處理器事務(wù)時(shí)不會(huì)相互干擾。

② 共享模塊(例如MPMC),采用多端口結(jié)構(gòu),這些多端口模塊使多個(gè)處理器在訪問共享模塊時(shí)可以并行進(jìn)行。

③ 兩個(gè)獨(dú)立的MicroBlaze處理器Mb_0和Mb_1,通過共享部件連接在一起,這些共享部件使得兩個(gè)Micro-Blaze處理器之間以各種方式通信。

④ 此SOPC系統(tǒng)中有兩個(gè)MicroBlaze處理器軟核,其中任何一個(gè)MicroBlaze都可以靈活地被其他類型的處理器所代替,比如PowerPC,因此處理器的選擇是非常靈活的。

⑤ 兩個(gè)處理器可以共享互斥訪問設(shè)備,比如串口UART、串行外設(shè)接口SPI(Serial Periphieral Interface)等,這種情況需要在沒有直接連接此外設(shè)的總線和直接連接此外設(shè)的總線之間提供一個(gè)系統(tǒng)總線橋。