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1、以MicroBlaze 处理器为内核的嵌入式系统开发过程详解当今时代，嵌入式系统已经无所不在，与人们的日常生活息息相关。嵌入式系统以微处理器为核心，以计算机技术为基础，其主要特征是实时性强。据统计，目前世界上微处理器每年生产总量的95 %以上都是面向嵌入式系统应用，围绕Xilinx 公司的MicroBlaze 微处理器，对其体系结构、设计流程和相关开发工具一一做出介绍，并且通过一个简单的实例来说明以MicroBlaze 处理器为内核的嵌入式系统的开发过程。1 MicroBlaze 处理器结构MicroBlaze 处理器是Xilinx 公司针对嵌入式处理器开发应用推出的一种32 位嵌入式处理器内
2、核，他是一种软核结构，简单但灵活性强，在目标器件中可以进行任意配置。他采用RISC 指令集、Harvard 体系结构，该处理器有以下一些特征：（1） 32 个32 位通用寄存器和2 个专用寄存器。（2） 32 位指令系统， 支持3 个操作数和2 种寻址方式。（3） 分离的32 位指令和数据总线，符合IBM 的OPB总线规范。（4） 通过本地存储器总线（LMB） 直接访问片内块存储器（BRAM） 。（5） 具有高速的指令和数据缓存（cache） ，三级流水线结构。（6） 具有硬件调试模块（MDM） 。（7） 带8 个输入/ 输出快速链路接口（ FSL） 。说明：DOPB 器件内部的外围设备数据接
3、口总线，用于处理器与片内的设备进行数据交换。DLMB 实现数据交换的本地块存储器总线，该总线为处理器内核与块存储器（BRAM） 之间提供专用的高速数据交换通道。IOPB 用于实现外部程序存储器的总线接口。当程序较大时，需要外接大容量的存储器，该总线提供读取指令的通道。ILMB 用于取指令的本地存储器总线，该总线与器件内部的块存储器（BRAM） 相连，实现高速的指令读取。MFSL0. 。 7 主设备数据接口， 提供点对点的通信通道。SFSL0. 。 7 从设备数据接口， 提供点对点的通信通道。2 EDK开发流程EDK（ Embedded Development Kit） 是Xilinx 公司针对
4、FPGA 内部32 位嵌入式处理器开发而推出的开发套件。EDK的工具包中集成了硬件平台产生器、软件平台产生器、仿真模型生成器、软件编译器和软件调试等工具，利用其集成开发环境XPS（ Xilinx Platform Studio） 可以方便、快速地完成嵌入式系统开发的整个流程。EDK 以IP core的形式，提供诸如LMB ，OPB 总线接口、外部存储控制器、SDRAM 控制器、UART 中断控制器、定时器及其他一些外围设备接口等资源，利用这些资源，设计者能够轻松构建一个完善的嵌入式处理器系统，其完整的设计框图如图2所示。一个完整的嵌入式处理器系统设计通常包括3 个部分： 硬件系统的构建;存储器
5、映射及软件的开发;应用程序开发。在XPS 集成开发环境下，嵌入式处理器硬件系统的构建由微处理器硬件规范（MHS） 文件和微处理器外围设备描述（MPD） 文件定义; 软件系统结构由微处理器软件规范（MSS） 文件定义，其开发流程如图3 所示。MHS 文件用于描述硬件系统结构，定义处理器类型、总线接口、外设接口、中断处理和地址空间。该文件可用任意文本编辑器创建，是文本化的原理图输入。MPD 文件包含外围设备的所有有效输入/ 输出接口和硬件参数。MSS 文件主要用来定义软件库、驱动程序和文件系统。说明：Data2BRAM 的作用是把软件代码文件（ 3 .elf） 、FPGA 位流文件（ 3 。 bi
6、t） 和块存储器（BRAM） 初始化数据文件（ 3 。 bmm） 转换成新的FPGA 位流文件（ 3 。 bit ）和存储器数据文件（ 3 。 mem） 。关于应用程序的编写将在下面的实例中详细介绍。3 一个简单的实例本实例基于e 元素科技的数字刀剑系列之火龙刀3评估板，简要叙述一个嵌入式处理器系统的开发流程，着重讲述应用程序的编写。对于其他评估板，只需对用户约束文件（ 3 。 ucf） 稍做修改即可。为简单起见，与图2 所示一个完整的系统相比，本例所述系统只在OPB 总线上挂MDM（硬件调试模块） 和GPIO（通用输入/ 输出设备） 2 个外围设备，GPIO 对应评估板上8 个L ED 输出
7、，当完成下载到FPGA 后，8 个L ED 将不停地闪烁。具体描述如下：第一步，硬件系统构建，在XPS 集成开发环境下，利用BSP（Base System Builder ） 向导自动创建一个以Mi-croBlaze 处理器为核心的简单硬件系统，设置处理器时钟频率为50 MHz ，总线时钟频率为50 MHz ，设置片上读/写调试模块为调试接口，在处理器IP 中，只加入MDM 和GPIO。根据向导逐步操作，即可完成硬件系统的构建。第二步，在硬件系统建立后，利用XPS 的集成工具，完成网表的生成和软件的配置，存储器地址映射（默认由系统自动生成，分配的地址随系统而异） 如表1 所示。驱动配置和存储器
8、映射的标识符及地址分配包含在文件xparameter s. h 中， 以上两步具体操作实现细节可参考EDK相关文档。第三步，应用程序的开发。应用程序的编写使用C 语言，其方法有2 种，第一种是可以采用EDK 提供的应用程序接口函数（API） ，接口函数既多又复杂，不易搞懂;第二种方法是采用访问硬件的通用方式即简单的对地址赋值的方式。本例选用后者，要采用地址赋值方式，首先要了解GPIO 的寄存器地址映射，参见表2 。相关代码及描述如下：首先设定一个指针变量，将系统分配给GPIO 的地址赋给指针变量， 即让指针指向GPIO 的基地址， 也就是GPIO 的数据寄存器（ GPIO DATA） ，接着向
9、GPIO 三态控制寄存器写零（其地址为基地址加上偏移量4 ，即让指针变量加4） ，将GPIO 设置为输出，接下来就可以往GPIO数据寄存器送数，以控制8 个L ED 的状态。# include xbasic_types. h# include xparameters. h# include xuTIl. h# include xgpio_l. h# define L ED DELA Y 2000000void main （）Xuint32 Data = 0xaa ;int Delay ;int count = 0 ;Xuint32 3 ledpt r ;ledpt r = （int 3 ） 0
10、x80002200 ; / / 指针指向GPIO*（ledpt r + 4） = 0x00000000 ;/ / 向GPIO_TRI 寄存器写零，将GPIO 初始化为输出while （1） count + + ;if （count %2 = = 0）*ledpt r = 0x55 ;/ / 向GPIO_DATA 寄存器送数，驱动L EDelse* ledpt r = 0xaa ;/ / 向GPIO_DATA 寄存器送数，驱动L EDfor （Delay = 0 ; Delay L ED_DELA Y; Delay + + ） ;/ / 延时以看清L ED 在闪烁if （count %2 = = 0）* ledpt r = 0x0f ;/ / 向GPIO_DATA 寄存器送数，驱动L EDelse* ledpt r = 0xf0 ;/ / 向GPIO_DATA 寄存器送数，驱动L EDfor （Delay = 0 ; Delay L ED_DELA Y; Delay + + ） ;/ / 延时以看清L ED 在闪烁