- 基于SoPC的FPGA集成嵌入式系统设计

基于SoPC的多路传输数据总线接口的设计需求是在板级多路传输数据总线接口模块的基础上提出的,通过对板级器件的IP化,将原有板上芯片以IP的形式集成到FPGA中,用单片集成电路实现原板级电路的设计。根据板级多路传输数据总线接口模块的系统结构,提出了如图4所示的基于SoPC的嵌入式系统架构图,该嵌入式系统集成了PowerPC405处理器、串行通信总线协议处理器,具有实时时钟(RTC) 、看门狗(WDT) 、计时器( TIMER)功能,可实现GJB289A-97(数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线)中规定的RT/BC功能,支持实现ISBC协议(改进的静态总线控制协议) ,通过方式选择分别支持LBE总线访问、VME总线访问、PC I总线访问(通过PLX9054 桥接器) 、PCI-Express总线访问(通过PEX8311桥接器)四
种主机接口访问方式。

硬件设计过程中,系统设计者在XPS图形界面下调用现成的IP库,搭建SoPC的硬件环境,通过硬件平台产生器(p latgen)生成硬件文件,其中PowerPC405处理器、双口存储器、SRAM、串行通信总线协议处理单元挂接在PLB总线上;实时时钟(RTC) 、看门狗(WDT) 、计时器(TIMER) 、外部总线接口( EB I) 、通用输入输出接口( GPIO) 、串口控制器(UART)挂接在OPB 总线上;通用中断控制器(UIC) 、仲裁器和PLB /OPB 桥的寄存器通过DCR总线访问。硬件架构搭建起后通过硬件仿真模型产生器( SimGen)对硬件的功能进行仿真。

 

2. 3　软件设计

基于SoPC的嵌入式系统软件设计过程中,软件设计者要明确嵌入式系统的相关硬件配置,诸如内存地址映射关系,硬件寄存器配置等,这将决定开发出的嵌入式软件是否具备实用性。嵌入式软件的设计通常包括CPU启动代码,系统初始化代码,硬件自测试程序,设备驱动程序,实时操作系统及应用软件等,根据不同的系统需求,软件包含的内容稍有差异。软件设计阶段,设计者将选择出编译和调试工具并完成编程。

基于SoPC的多路传输数据总线接口的软件由初始化程序、自测试程序、BC /RT控制程序组成。基于SoPC的嵌入式软件开发是在EDK环境下采用C语言编程实现的,通过软件平台产生器( libgen) 、应用软件编译工具(GNU Compiler)编译连接得到可执行文件,该文件可与生成的硬件位流文件通过JTAG接口一起下载到FPGA 运行,也可先将位流文件固化到外部PROM中,应用软件的可执行文件转换成二进制文件固化到外部FLASH中,系统上电后自动加载硬件逻辑并将应用软件搬家到SRAM运行。各部分软件完成如下的功能:初始化程序完成CPU初始化及相关功能单元的初始化;自测试程序完成系统的上电自测试和内部自检; BC /RT控制程序完成该嵌入式系统作为BC或RT时的数据传输控制。基于SoPC的嵌入式系统硬件设计和软件设计可以并行开展,利用软硬件协同设计的思想,可加快整个嵌入式设计的速度。

2. 4　测试验证

基于SoPC的嵌入式系统设计的测试验证用来保证系统不存在软件和硬件上的缺陷。软件测试验证旨在通过执行软件并观察其行为是否满足设计要求,而硬件测试验证则包括了确保硬件能够对外在的激励作出正确的响应并能正确的执行软件。

基于SoPC的多路传输数据总线接口中复杂的软硬件结构及其种类繁多的IP资源,使得该系统的测试验证工作也变得复杂。在测试验证过程中,采用多级测试验证技术,首先对各单一模块进行仿真测试,进行软硬件协同验证,再通过集成各个功能模块进行系统集成验证,最后进行板级验证。在进行系统各模块功能验证时,软件可以作为硬件测试的信号源,针对各个模块都编写相应的C语言测试向量,进行功能覆盖率测试。在单一功能模块验证测试的基础上,将各模块集成为一个完整的系统,对整个系统进行集成测试。进行板级验证时,可以运行更为完整、更接近实际应用的C程序测试向量,使得测试更全面、更可靠。图5所示为板级验证平台示意图。

3　结束语

本文通过对Xilinx公司Virtex-4 FX系列FPGA的介绍,分析了其内嵌的PowerPC405处理器的体系结构及CoreConnect总线的特点,通过基于SoPC的多路传输数据总线接口的硬、软件设计技术和验证技术的介绍,更好地阐述了基于SoPC的嵌入式系统设计方法。在基于SoPC的嵌入式系统设计中,通过单片FPGA实现多片专用芯片的功能,减少器件数目,缩小系统面积,增加系统可靠性,达到了对板级多路传输数据总线接口模块小型化、集成化的目的。基于SoPC的嵌入式系统设计以其数据处理速度快、集成度高、开发周期短、应用灵活方便等特点,相信在航空航天领域将会得到广泛的应用。