浅谈低价位嵌入式处理开发套件 - 全文

嵌入式解决方案营销

高级产品经理

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Jim Burnham

Xilinx, Inc.

嵌入式处理部

嵌入式产品营销

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从头构建复杂的实时嵌入式系统既耗时，效率又低。如果硬件、软件、固件、RTOS(实时操作系统)集成和软件驱动器均为全新产品，其功能和可靠性未经实际应用验证，有谁愿意花功夫去调试它们呢?工程师在设计和调试过程中喜欢把变量分离出来，一个个地进行修改，但对您而言，要想迅速取得进展，所使用的组件一开始就必须得心应手——正所谓“工欲善其事，必先利其器”。从工程安排上讲，从布线到返回头一块原型板通常需要好几周的时间，在此期间软件和固件工程师只能尽力为并不存在的平台开发代码和驱动器。

假如利用现成组件构建一个临时的初始系统，情况也好不了多少，因为您必须要把各个系统部件组合在一起，而这些部件很可能来自不同的供应商。您可能会问：我该查自己的系统呢，还是供应商的组件有问题?这样做行吗?会不会很昂贵?

现在，这一切都不用担心了，因为基于灵活、可编程平台的嵌入式开发套件已经登场，它不仅性能全面，而且价格低廉。这一开发套件可不同于那些只有小小的内存、无法真刀真枪完成实际设计工作的“玩具”，也有别于那些过分针对某个特定行业，致使其功能无法迁移或扩展到您自己应用中的工具。现在，仅用略高于一个高端 MP3 播放器及其配件的价格，您就可以买到一套完全捆绑好的套件，包括硬件、软件、JTAG 探针、通信电缆和预先经过验证的一些参考设计。此套件支持真正嵌入式处理的开发，且兼容多种类型的实际应用，包含为构建快速、灵活的嵌入式处理系统而需要的一切要素。

智能工具、IP 和专为功能丰富的硬件开发板(或评估板、参考板或演示板)编写的参考设计，能缩短嵌入式开发的周期。有了一套性能良好的集成开发套件，您就可以完全专注于自己的实际应用，而无需费神寻找因焊接不当、白线断裂或软件驱动程序与规格所要求的 IP 外设不相符而带来的问题。对于软件/固件团队来说，有没有一个稳定的硬件环境大不一样——如果拥有这样一个环境，他们就可以在首次提交定制硬件板之前，早早动手编写代码，并对其进行测试和调试。赛灵思MicroBlaze 开发套件(Spartan-3E 1600E 版)具有平台所有的灵活性、集成度高，而且价格低廉(图 1)。

软处理和可定制IP 的优点

为尽可能地满足项目要求，工程师需要多种选项及灵活性。通过可编程平台和创新型工具，您可以手动设置嵌入式设计的功能、面积、费用和性能，使其达到最佳状态。在把定制的硬件从商店买回家之前，您可以对灵活的软处理器核进行实例化、定制 IP、优化硬件的性能，还可在一个开发板上对您的软件进行验证。

FPGA 处理系统的本质就决定了它是可编程、可重新设置和现场升级的。因此，它们具备的独特优势可帮助您的产品更快打入市场，并具有更长而且可更新的生命周期。

Spartan 系列 FPGA 支持 32 位 RISC MicroBlaze 软处理器。因为该软处理器像其它 IP 外设一样由 FPGA 元件构建而成，所以可以随意将其实例化。为充分利用低价位的 Spartan 应用，赛灵思对 MicroBlaze 软处理器核进行了优化，以达到在尽可能小面积上实现最佳效果。由于这种MicroBlaze 软处理解决方案的灵活性，您可以在设计周期中随时对更新、更改、或整个新处理器核进行实例化。如果硬件和软件错误都可以改正，已有功能可以增强，新的功能可以添加，甚至在完成部署后还能增加对新标准的支持，那么您可以想象一下，产品的寿命会有多么长!

IP 外设也是软性的，在面积要求较高的情况下，可对其进行编辑，替代核的某些功能。与分离式处理解决方案不同的是，您可以针对具体应用选择最优组合，从方案中剔除不需要的额外器件单元。在这样一个软性、可编程的处理系统中，可以通过几种微调方法来提高性能。此 MicroBlaze Spartan 套件使您可以尽情发挥协处理的长处，探索加快设计的多种方法，而不仅仅是在拨快时钟上做文章，因为拨快时钟的好处是有限的。与在单个处理器核上序列运行的纯软件应用相比，在高性能 FPGA 硬件中加入引擎一般来说总能收到改进系统性能之效。用多处理器、插入式浮点单元 (FPU) 或硬件指令做实验，可能会对您的应用大有裨益。利用可编程平台，您可以就 MicroBlaze 处理进行实验而不花分文，因为您不必把自己拴死在初步纸面规格书上所提供的那些孤立的解决方案上。

集成部件，出盒即用

赛灵思MicroBlaze 开发套件(Spartan-3E 1600E 版)为嵌入式开发集成了完整的环境。该套件支持一大批不同的 MicroBlaze 软处理，并包括：

来自合作伙伴 Digilent 的 Spartan 3E 1600E 开发板

ISE(集成软件环境)FPGA 工具

荣获大奖的 Platform Studio 嵌入式工具套件 (XPS)

MicroBlaze 软处理器许可(无需单元版税)

JTAG 探测器、以太网和串行电缆

ChipScope Pro 分析器(评估版)

参考设计

此款低价位 Spartan-3E 1600E 开发板(见图 2)所提供的一组功能十分强劲，绝对物超所值，包括针对存储器的多种选择、时钟、显示器、连接器、用户接口及其他外设，使您能以低成本轻松开发自己的自定义嵌入式设计。实际开发板和附属选项包含如下功能：

DDR SDRAM 存储器接口、线性 Flash、Flash PROM、SPI 串行 Flash

连接器：USB 下载、Digilent JTAG 3 电缆、43 扩展 I/O 和三个 6 管脚 I/O 端口

多个用户接口：RS-232、SPI 端口、四个按钮、八个 LED、四个 DIP 交换机、旋转编码器 USB 和三重模式以太网

外设：10/100 以太网 PHY、四通道 DAC、两通道 ADC

LCD 显示器

此款开发板不仅支持MicroBlaze单处理器设计，也支持 MicroBlaze 处理器的多重实例化，甚至协处理应用，包括 FPGA 架构或 FPU 选项中的硬件指令，以将处理荷载最有效地分配在整个线路设计中。把所有软件功能都加载在单个处理引擎上可能会造成系统性能瓶颈，而在快速 FPGA 电路上实现软件算法能卸去部分荷载，切实加速整个设计过程。事实上，利用协处理、FPU 或硬件指令，系统性能得以大为提高，与纯软件应用相比不可以道里计。在某些实际案例中，性能增加达到 5 倍、10 倍甚至超过 40 倍。

与 Spartan 板相得益彰的，是一组 ISE FPGA 工具，这是针对 FPGA 实现而推出的设计辅助程序，包括输入、综合、验证、布局和布线等。更妙的是，此设计流程已经集成，从嵌入式工具套件集成开发环境 (IDE) 中即可直接调用。

我们的低价位 Spartan-3E 1600E 嵌入式开发套件不仅仅是一块孤立的电路板。您不必只为了开发一个解决方案原型，就把大量宝贵时间花费在四处搜寻合适的部件上。

XPS 嵌入式系统工具套件为嵌入式系统工程师提供了理想的设计环境，使他们不费吹灰之力就可以开始设计过程。本集成开发环境包括设计 GUI、自动化配置向导、编译器和调试器。XPS 构建于 Eclipse 框架之上，并支持 GNU 工具链，可用于处理编译和调试。与平常所用的 Base System Builder 之类大同小异的设计向导，能使配置基本处理器系统的过程自动化，连接并定制 IP，对项目进行组织。此外，XPS 可自动生成实例测试代码和软件驱动器，甚至可为一些最常用的嵌入式操作系统生成板支持包。

这些智能嵌入式工具具有“平台意识”，并能从菜单驱动环境下自动化特定电路板的流程。Xilinx 与其电路板合作伙伴公司(如 Avnet、Nu Horizons 和 Digilent 等)合作，随嵌入式硬件板提交一份电路板说明文件;而 Platform Studio 则利用该文件构建新的菜单支持。用这种设计向导方法来配置系统，您可以在短短几分钟内创建基本的嵌入式系统，因而缩短熟悉过程，加快设计进程。

MicroBlaze 套件捆绑了一个性能不凡的嵌入式 IP 库和针对每个 MicroBlaze 处理器的使用许可。您不必为发送给用户的 MicroBlaze 设计支付特许使用费，而且，因为 MicroBlaze 是软性的，您的设计永远也不会过时。IP 产品目录支持一大批处理外设选项。

目标板需连接到主机以进行各种各样的通信，因为工具的使用和设计文件的创建都在主机上进行。最常用的嵌入式目标板连接方法是利用一个符合业界标准的 JTAG 探针。

赛灵思 提供的唯一连接方式是 USB JTAG 探针，可用于 FPGA 和嵌入式软件下载及调试。这一性能可简化处理过程，使您不必依赖于多个探针，消除为不同功用而来回调换探针的麻烦。以太网和串行电缆也包括在套件中，这样，一打开封装，您立即就能完成所有需要的连接。

参考设计和嵌入式 OS 支持

在集成开发套件中，能真正使您游刃有余地进行设计，并且最具决定性、最关键的部分，是一批参考设计和符合业界标准的嵌入式 OS 支持。该套件包含已有的、行之有效的示例设计，您打开产品包装后，立即就能拥有可以运行的基本系统。这些预先验证过的参考系统可以在您开始创建新的代码或 IP 之前确认硬件及连接的状况是否正常，这样，如果问题出在电路板或电缆上，您就不会白费时间在自己的设计中找问题。

这些参考系统也是极好的示例，为您展示 Spartan-3E 1600E 平台的众多功能，如 DDR SDRAM、以太网、RS232 和 LCD 功能等。您可以把这些示例用作模板，这样，假如您的定制板要实现同样的功能，您就可以用模板来模拟您自己的设计功能，或者原封不动地照搬已有的功能。

经预先验证过的参考系统示例包括：

从主系列模式配置的问好字词示例

从 BPI Up 模式配置的 μClinux 示例

从 BPI Down 模式配置的简单网络服务器

使用现有设计示例可即时启动您自己的设计，与手动生成复杂系统设计的方方面面相比较，可节约几天甚或几个月的开发时间。在 上可以找到其他参考设计和更新。

对嵌入式操作系统 (eOS) 的支持也是许多处理应用取得成功的关键。MicroBlaze 开发套件包括对产品/供应商的若干 eOS 支持，这些已经实践证明非常及时、有效，例如：

Mentor Graphics Nucleus

Petalogix μClinux

Micrium μC/OS-II

如果需要对 eOS 和工具产品的特定支持，最好是产品来自于哪家供应商，就找哪家。由 Spartan 和 MicroBlaze 组合而成的处理解决方案也得到了许多其他第三方嵌入式 RTOS 或硬件/软件设计工具合作伙伴的支持。我们的嵌入式合作伙伴的网站，在以下网站上有列表：

结论

与传统处理解决方案相比，所提供的嵌入式处理具有明显的优势，包括软处理器、协处理和可定制 IP 的高度灵活性和独特魅力。我们的低价位 Spartan-3E 1600E 嵌入式开发套件不仅仅是一块孤立的电路板。您不必只为了开发一个解决方案原型，就把大量宝贵时间花费在四处搜寻合适的部件上。该套件包括经预先验证过、行之有效的参考设计，能显著加快实时工程师的开发过程。打开产品包装盒后(这盒产品的价位可是颇为公道)，立即就能拥有可以运行的嵌入式设计。