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1、EDK学习入门,2010.7.21 大学生创新活动基地,1.绪论,1.1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。 随着移动多媒体、数字娱乐、手机、终端汽车电子等领域的迅速发展，手机、便携式多媒体设备、家庭娱乐用音视频产品的嵌入式解决方案越来越流行。可以说，未来十年内，嵌入式系统将继续保持高增长态势。,1.2 嵌入式系统的特点 高可靠性，在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作； 实时性，许多嵌入式应用有此需求，要求嵌入式操作系统具有实时处理能力
2、，以及嵌入式硬件结构具有很强的实时反应能力； 软硬件一体化，嵌入式系统和具有应用有机地结合在一起，它的升级换代也与具体产品同步进化； 软件固化，嵌入式系统的软件代码一般都固化在只读存储器或闪存中，也就是说软件要求固态化存储，而不是存储在磁盘等载体中。,2.Xilinx的XPS和SDK开发环境介绍 2.1XPS的图形界面,2.2 工程信息域窗口 工程信息域窗口包含3个子窗口：工程子窗口（Project）、应用子窗口（Applications）、IP核目录子窗口（IP Catalog）。 （1）工程子窗口 设计包含的文件信息 设计属性信息 参考文件信息 （2）应用子窗口 应用属性 编译器属性 源代
3、码 库文件,2.2 工程信息域窗口（续） （3）IP核目录子窗口,2.3 编辑窗口 编辑窗口主要是System Assembly View文件窗口，其包含： Bus Interface窗口 Ports窗口 Addresses窗口,2.4 日志窗口 Output：显示所有的信息 Warnings：显示警告信息 Errors：显示错误信息,2.4.2MHS文件结构 （1）参数版本定义：PARAMENT VERSION=2.1.0 （2）外部端口定义： PORT sys_clk_pin=dcm_clk_s,DIR=I,SIGIS=DCMCLK 这行标明工程的顶层有一个信号，名称是sys_clk_pi
4、n,它连接到工程内部网络表信号dcm_clk_s,是一个输入信号（DIR=I），并且连接到DCM模块（SIGIS=DCMCLK） （3）子模块定义： BEGIN microblaze PARAMETER INSTANCE=microblaze_0 PARAMETER HW_VER=4.00.a PORT CLK= sys_clk_s PORT DBG_CAPTURE= DBG_CAPTURE_s END 首先定义子模块使用的IP核名称（ microblaze ），然后例化名称（microblaze_0）、版本（4.00.a）以及其他特性参数。然后是定义子模块的接口信号。,2.4.3MSS文件结
5、构 （1）参数版本定义：PARAMENT VERSION=2.2.0 （2）操作系统定义： BEGIN OS PARAMETER OS_NAME = standalone PARAMETER OS_VER = 2.00.a PARAMETER PROC_INSTANCE = microblaze_0 PARAMETER STDIN = RS232_DTE PARAMETER STDOUT = RS232_DTE END（SIGIS=DCMCLK） （3）驱动程序定义： BEGIN DRIVER PARAMETER DRIVER_NAME = bram PARAMETER DRIVER_VER
6、= 1.00.a PARAMETER HW_INSTANCE = dlmb_cntlr END,2.4.4UCF文件结构 （1）指定管脚类型和位置： Net sys_clk_pin LOC=c9; Net sys_clk_pin IOSTANDARD = LVCMOS33; Net sys_clk_pin PULLDOWN; 第一行指定引脚在芯片上的位置；第二行将引脚的物理特性指定为LVMOS33（3.3V的LVCMOS规范），第三行指定引脚需要芯片内部上位。 （2）指定时钟约束： TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 20000 ps; 描
7、述时钟管脚输入的时钟频率为50MHz。,2.4.5 CMD文件结构 CMD文件基本内容如下： setMode -bscan setCable -p auto identify assignfile -p 1 -file implementation/ download.bit program -p 1 Quit 设置编程模式为边界扫描模式（setMode） 设置编程电缆类型为自动检测（setCable） 识别目标板上有几个可编程的器件（identify） 指定编程使用的比特流文件（assignfile） 编程器件选择（program） 一般CMD文件修改的比较多的部分是assignfile和p
8、rogram两个命令中的1，这代表需要编程的器件是JTAG链上的第一个器件。,2.5 SDK图形界面,3 Microblaze处理器的总线介绍 Microblaze处理器的总线主要有： OPB总线，用于访问外设，包括存储器、GPIO等设备，使用范围广泛，多用于连接对速率要求较低的设备，如HDLC、10/100M以太网等，虽然也可以连接如DDR等快速外设，但效率并不高。 LMB总线，专用于连接Microblaze与FPGA内部的BlockRAM，高速总线； Cache Link，专用于连接Microblaze与用做Cache的外部存储器，快速总线，一般用FSL总线实现。 而在EDK10.1版本以
9、后，用PLB总线代替了OPB总线。PLB效率远高于OPB，在设计时，需要较大吞吐量的外设（如DDR、GMAC等）都通过PLB连接。不同的总线有不同的控制端口，和自己独特的时序操作，使其应用于相应的场合。,4 用XPS向导创建EDK的最小系统 点击桌面上的Xilinx Platform Studio，系统会自动出现如下对话框：,点击OK后，系统会自动出现如下对话框：,此对话框是设置工程路径。设置完毕后会出现如下对话框：,点击NEXT，出现如下对话框：,在如下面两个选项里，第一项是选择Xilinx定制的开发板，第二项是选择用户自定制的开发板， 在这里我们选择第一项，然后点击Next。并进行如下设置
10、： 在 Board Vendor（生产厂家）选项栏中选择：Xilinx 在 Board Name 选项栏中选择：Spartan-3E Starter Board 在 Board Revision（版本号）选项栏中选择：C,点击Next，你将看到处理器选择对话框，默认设置，继续点击NEXT，将出现如下对话框：,点击Next，你将看到处理器选择对话框，默认设置，继续点击NEXT，将出现如下对话框：按照下面要求选择 设置： 参考时钟频率：50 MHz 这是开发板上的外部时钟。这个时钟用来产生处理器和总线时钟。时钟频率的高低主要取决于FPGA或主板，因为一定的片上资源的可以对时钟进行分频或倍频。 处理
11、器时钟频率（Processor Clock Frequency）：50 MHz 处理器总线时钟频率（Processor Bus Clock Frequency）：50 MHz 调试接口（Debug Interface）：On-chip H/W debug module 本地数据指令存储空间（Local Data and Instruction Memory）：8 KB Cache 使能（Cache Enabled）: unchecked,单击Next，选择外设，由于仅仅是最小系统，故只选择选择LEDs_8Bit (OPB_GPIO, no interrupt)来进行控制，选择RS232_DCE
12、 (115200 baud rate, no parity，no interrupt)作为串口运用超级终端进行调试。,之后设置添加外部设备（Add Internal Peripherals）对话框，这里不添加， 故单击Next。然后设置软件安装（Software Setup）对话框,选择Memory Test，不选择Peripheral SelfTest 。点击Next ，您将会看到设置内存测试应用对话框，默认设置即可,单击 Next 按钮您将看到建立系统（System Created）对话框，显示系统信息摘要,点击Generate ，将会显示一个祝贺画面，指示工程已经成功创建。,单击结束（F
13、inish）按钮成功的生成一个工程。你将会看到下一步对话框，选择Start Using Platform Studio,点击OK 。 将会出现一个系统总体图，图上有系统外围，总线以及系统间的连接。,至此，最小系统创建完毕。,下面讲解如何在硬件上验证（以Test_memory工程为例） 完成上述步骤后，打开UCF文件，如果是用户自定制的开发板，则需要编写ucf文件，对于Xilinx定制的开发板，其会根据前面的设置自行生成相应的ucf文件。 在设置完UCF后，点击Hardware Generate Bitstream选项，生成硬件比特流。,硬件Bit文件生成后，然后就是软件开发的流程。如下图点击S
14、oftware Generate Libraries and BSP，系统会自动生成整个系统的驱动程序。,在驱动程序生成后，然后对应用软件做编译，现在先讲解在XPS中进行编译。如下图,对于Test_memory工程，系统已经生成了可应用的程序如下：,然后打开超级终端软件，准备开始调试软件，如下图所示。,命名并确定， 然后设定串口的参数和开发板一致，如下图，点击确定,当软件编译完成后，要生成可以下载的download.bit文件，这个Bit流文件和前面system.bit文件是不同的，它包含硬件bit流文件和应用软件的bit流文件的信息。,这时超级终端会打印出如下的信息。,为硬件设计添加 IP实
15、验 XPS 提供两种方法来添加到已存在的工程中。你可以用第一种方法，通过系统体视图页面来添加绝大部分附加IP并连接它们。第二种方法是手工编写MHS 文件。此方法需对 MHS 文件以及 IP 的结构有较深了解得。 选择窗口左边的 IP目录标签，点击 General Purpose IO上的加号查看在它下面的IP核,双击XPS General Purpose IO图标，添加实例到系统体视图。 把添加的外围实例更名为data_out,通过在文件名上点击鼠标一次，就可以任意输入字符作为外围的新名称。 点击 Bus Interface过滤器上的加号.在 Bus Connection竖线上点击一下，选择d
16、ata_out的 SPLB中选择 mb_plb。,选择 Addresses 过滤器。你可以人为的分配基址，指定外设的地址空间大小，你还可以通过 XPS自动分配地址。点击Generate Addressest选择系统自动分配基址和外设的最高地址。在data_out图标下，点击size图标，你可以将其更改为64K。,使用Ports过滤器来为data_out连接必要的端口。你首先确定实例的参数，然后连接外部引脚。 双击data_out图标进入配置窗口，注意：外设可以分配给两个信道，但是由于我们只用到一个所以 Enable Channel 2不选。点击common GPIO Data Bus Widt
17、h 一栏向下箭头，设置为8，然后点OK。其是将GPIO接口的数据设置为8位。,点击Channel1的前面两个参数向下按钮，分别设置Channel 1 is Bi-directional为 False ，Channel 1 is input Only 为 True，如图4-11所示，点击 OK确认。这样是设置GPIO口为输入口；同样设置Channel 1 is Bi-directional为 False ，Channel 1 is input Only 为False是设置GPIO口为输出口；设置Channel 1 is Bi-directional为True ，Channel 1 is inpu
18、t Only 为False是设置GPIO口为输入输出双向口。,至此，添加系统自带的IP核已经介绍完毕,6 添加自定制IP实验 1. 点击 XPS中的 Hardware Create or Import Peripheral，打开向导 2. 点击 Next 将开始 Create and Import Peripheral Wizards 流程,3. 在选择流程页面，选择 Create templates for a new peripheral ，点击 Next，To an XPS project ，已经自动选择好了，工程的路径也已经设置好了，默认设置就行。,4. 点击 Next ，在文件名一栏
19、键入 lcd_ip，版本默认为 1.00.a，点击 Next。,5. 在总线接口界面，选择 Peripheral Bus (OPB)，点击 Next,继续在向导选择 select User Logic S/W Register support。选择一个可寻址 32位寄存器。 1.在 IPIF Services页面，选择 User Logic S/W Register Support，点击 Next。,2. 在 User S/W Register 页面，选择 “Disable posted write” ，点击 Next, 保持默认寄存器设置值。,3. 拖动 IP Interconnect (I
20、PIC)页面滚动条，里面显示基于用户当前选择的默认 IPIC信号。,在 (OPTIONAL) Peripheral Simulation Support页面，不要选择 Generate BFM simulation platform 一项，点击 Next 在 (OPTIONAL) Peripheral Implementation Options（外设实现选项） 页面，只选择 Generate template driver files to help you to implement software interface ，其它的都不选。,点击 Next ，将会出现综合信息页面。点击 Fin
21、ish 关闭向导 在 XPS中，点击 IP Catalog 图标，可以发现 lcd_ip 已经添加到 Project Repository（工程库）目录下。,添加名为 lcd的端口到 MPD文件，作为 LCD外设的控制信号。 1. 通过 Windows Explorer，在工程目录下浏览 pcores lcd_ip_v1_00_a data 。 2. 使用编辑器打开 lcd_ip_v2_1_0.mpd 文件。 3. 在 Ports部分， OPB_Clk前面添加如下 表达式：PORT lcd = “ “, DIR = O, VEC = 0:6,4. 保存文件并关闭文件,用文本编辑器打开 lcd_
22、ip.vhd 和 user_logic.vhd文件，路径为 C:xupembeddedlabslab3pcoreslcd_ip_v1_00_ahdlvhdl 。添加必要的声明和逻辑到lcd_ip.vhd 和 user_logic.vhd文件。 1. 浏览到 pcores lcd_ip_v1_00_ahdlvhdl 目录。 2. 选择 lcd_ip.vhd 文件并用文本编辑器打开。 3. 在 USER ports added here token 下面添加 7位的 lcd,4. 找到下一处 -USER ，添加端口声明，保存并关闭文件。,5. 从 vhdl目录下打开 user_logic.vhd
23、文件，在用户端口区域添加 lcd 。,6. 在到下一次 -USER ， 并为用户逻辑做内部信号声明。,7. 找到 USER logic implementation 添加如下代码或者下面复制粘贴过去。,8. 保存改动，并关闭 user_logic.vhd 。接下来就可以把其当做系统自带的IP进行调用了,7 创建基本应用程序 在软件开发之前，应在 Software Platform Settings下设置软件开发环境。 选择 Software Software Platform Settings,选择 Software Platform 标签，检校下列参数。,选择 OS and Librarie
24、s 标签，确认 stdin 和 stdout选择 RS232_DCE.， microblaze_exceptions 和 enable_sw_intrusive_profiling 的 Current Value 一项选 false，其它的都按下图所示的设置。,在 Drivers(驱动)部分，检查确认系统中的各个外设的驱动。,在 Interrupt Handlers （中断管理）部分，注意所有的外设都应该是没有中断，因为本设计中没有外设支持中断。 点击 OK 保存设置,编程时可以通过View API Documentation 查看外设的C语言函数驱动。 在 System Assembly V
25、iew （系统体视图）中，右击 LEDs_8Bit外设，选择 Driver: gpio_v2_01_a View API Documentation,学习xgpio.h文件。在软件应用中必须进行如下操作，才能对 GPIO进行读/写： 1) GPIO初始化 2) 设置数据方向 3)读/写数据,XGpio_Initialize (XGpio *InstancePtr, Xuint16 DeviceId) InstancePtr 是 Xgpio实例的指针 。指针指向的地址必须通过调用者进行预先分配。 以后通过 XGpio API操作必须由此指针构成。 DeviceId 是XGpio 组件控制的器件的
26、唯一识别号。通过识别号，可以在调用或升级 应用时通过识别号将Xgpio类型实例调用到一个特定的器件。 XGpio_SetDataDirection (XGpio * InstancePtr, unsigned Channel, Xuint32 DirectionMask) InstancePtr 是指向将要使用的 Xgpio实例的指针。 Channel 是GPIO（1或 2）将要工作的信道。 DirectionMask是离散信号输入输出标志位。0表示输出，1表示输入。 XGpio_DiscreteWrite (XGpio *InstancePtr, unsigned channel, Xuin
27、t32 data) InstancePtr. 是指向将要使用的Xgpio实例的指针。 Channel是 GPIO（1或 2）将要工作的信道。 Data 写入离散寄存器中的数据,介绍一下led控制程序,8 系统的设计完善 对于一个完整的SOPC系统，在完成了软件部分的开发后，还应该将生成的包含.elf文件的SDK工程添加到XPS中，其添加操作过程如下：在Application下点击Add Software Application Project，会出现一个对话框，对工程命名并设置路径，点击OK即可。,而后根据需要可以进行如下两种完善： 如果是只是运用SOPC系统，则可生成软硬件比特流，下载到板子
28、上进行验证设计，其操作如下：1）生成软硬件比特流：Device ConfigurationUpdate Bitstream；2）下载比特流：Device Configuration Download Bitstream。 如果是要输出EDK设计到ISE中，则需进行如下操作： 1）EDK工程默认都是作为顶层模块，在这里改成子模块，如果保持EDK工程为顶层模块，最后生成的子目录中将没有任何文件。 2）打开ISE工程导航，为用户顶层FPGA设计创建或打开ISE工程。 3）为用户ISE工程选择FPGA器件族、封装和速率等级，这些属性和嵌入式子模块中位ISE工程指定的属性相同。 4）选择“Project”“Add Source”打开添加源的窗口。 5）在“Add Exiting Sources”对话框中，为嵌入式子模块选择XMP格式的XPS工程文件。用户的XPS子模块将在工程面板中源的位置出现。 6）选择XMP源并运行“View HDL Instantiation Template”来产生HDL模板样例，模板中的HDL部分可以复制到用户顶层HDL源文件中。,