可編程片上系統(tǒng)（ SoPC）是在可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種靈活、高效的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以從傳統(tǒng)的板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到芯片級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需要的各個(gè)功能單元以IP （ Intellectual Property）的形式集成到FPGA中，實(shí)現(xiàn)集成度更高的嵌入式系統(tǒng)。

Virtex-4系列FPGA是由Xilinx公司推出的包含多個(gè)面向特定領(lǐng)域平臺(tái)的FPGA產(chǎn)品，各個(gè)系列的FPGA通過對(duì)嵌入式處理器、高性能DSP功能單元、增強(qiáng)時(shí)鐘管理、存儲(chǔ)器、并行和串行I/O、混合信號(hào)以及其它功能模塊等的優(yōu)化組合使其可以滿足特定領(lǐng)域的應(yīng)用需求。Virtex-4系列的三個(gè)平臺(tái)分別是：針對(duì)邏輯應(yīng)用的Virtex-4 LX，針對(duì)超高性能信號(hào)處理的Virtex-4SX，針對(duì)嵌入式處理和高速串行連接的Virtex-4 FX。其中Virtex-4 FX系列FPGA主要是為復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用提供優(yōu)化，特別是網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、電信和嵌入式應(yīng)用中的高速串行連接和嵌入式處理，在其配套的EDK環(huán)境中還為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供豐富的總線、時(shí)鐘、外設(shè)、JTAG口等IP資源，使設(shè)計(jì)者能夠方便的搭建自己的嵌入式系統(tǒng)。

1　Virtex-4 FX系列FPGA介紹

Virtex-4 FX系列FPGA芯片內(nèi)至少包含一個(gè)PowerPC405處理器核，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，該處理器核為32位哈佛結(jié)構(gòu)的R ISC硬核，最高工作頻率為400MHz。PowerPC405處理器包括以下功能單元： （ 1）5級(jí)數(shù)據(jù)通道流水線，包括取指、譯碼、執(zhí)行、寫回、裝入寫回5 級(jí)流水段; （ 2 ） 一個(gè)虛擬內(nèi)存管理單元（MMU） ，支持可變頁面大小和寫保護(hù)、控制訪問選項(xiàng);（3）獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache; （ 4）支持調(diào)試和跟蹤，包含一個(gè)JTAG接口; （ 5）三個(gè)可編程計(jì)時(shí)器。另外， PowerPC 405硬核還具有如下特點(diǎn)： （ 1）支持硬件乘法和除法; （ 2） 32個(gè)32位通用寄存器; （ 3） 16KB兩路組相聯(lián)方式指令緩存（ set-associave） ; （4） 16KB兩路組相聯(lián)方式數(shù)據(jù)緩存、寫回/寫直達(dá); （ 5 ） 實(shí)現(xiàn)PowerPC用戶指令集架構(gòu)（U ISA） ; （ 6）專用的片上存儲(chǔ)器接口（OCM） ; （ 7 ）支持IBM CoreConnect總線架構(gòu)。

CoreConnect總線架構(gòu)是由IBM開發(fā)的一種片上總線通信連接技術(shù)。CoreConnect總線包括處理器局部總線（ PLB） 、片上外設(shè)總線（OPB）和設(shè)備控制寄存器總線（DCR） 。PLB總線為主設(shè)備和從設(shè)備之間提供高帶寬、低延遲的連接，OPB總線為連接具有不同總線寬度和時(shí)序要求的外設(shè)提供了一條途徑，減少了對(duì)PLB性能的影響，DCR總線用來控制PowerPC405處理器中的通用寄存器和設(shè)備寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2　基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)2. 1　平臺(tái)技術(shù)

在平臺(tái)的基礎(chǔ)上來構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)為設(shè)計(jì)者提供了極大的便利， Xilinx 推出的嵌入式開發(fā)工具包（ EDK）集成了諸如硬件平臺(tái)產(chǎn)生器（platgen） 、硬件仿真模型產(chǎn)生器（ SimGen） 、軟件平臺(tái)產(chǎn)生器（ libgen） 、應(yīng)用軟件編譯工具（GNU Compiler） 、軟件調(diào)試工具（GNU Debugger） 等一系列工具。設(shè)計(jì)者可以通過集成在EDK環(huán)境下的Xilinx平臺(tái)工作室（XPS）方便的調(diào)用各種工具進(jìn)行基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。EDK環(huán)境下為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了豐富的IP資源，可利用現(xiàn)有的資源迅速搭建自己的嵌入式系統(tǒng)，完成整個(gè)PowerPC系統(tǒng)硬件的開發(fā)。如果開發(fā)工具包提供的IP庫不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的需求，設(shè)計(jì)者也可定制自己的IP。圖2所示為EDK開發(fā)環(huán)境圖形界面。

EDK環(huán)境為其自帶的IP提供了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序及相關(guān)的函數(shù)，設(shè)計(jì)者可以通過調(diào)用這些函數(shù)加快應(yīng)用程序的開發(fā)。對(duì)于設(shè)計(jì)者自行研制的IP，則需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用程序編寫完成后，調(diào)用EDK下的GNU工具，編譯連接生成可執(zhí)行文件，再將硬件、軟件文件結(jié)合在一起，產(chǎn)生可下載的位流文件下載到FPGA，使用Xilinx 微處理器調(diào)試工具（XMD ） 連接GNU調(diào)試工具進(jìn)行應(yīng)用程序調(diào)試，在確認(rèn)應(yīng)用程序正確無誤，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能之后，即可將位流文件轉(zhuǎn)換成PROM的配置文件（MCS文件） 下載到目標(biāo)板上的PROM，從而完成整個(gè)設(shè)計(jì)開發(fā)。圖3為利用EDK工具進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流程。

2. 2　系統(tǒng)架構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者首先要明確設(shè)計(jì)需求，這對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性作用，也是將來設(shè)計(jì)完成后檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否可用的標(biāo)準(zhǔn)之一。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)需求來確定其系統(tǒng)架構(gòu)，定義系統(tǒng)主要模塊組成，決定其接口類型、總線結(jié)構(gòu)、硬件功能及軟件功能，完備的系統(tǒng)架構(gòu)定義要能滿足基本的設(shè)計(jì)需求，并能最大限度的提高系統(tǒng)整體性能。

基于SoPC的多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口的設(shè)計(jì)需求是在板級(jí)多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口模塊的基礎(chǔ)上提出的，通過對(duì)板級(jí)器件的IP化，將原有板上芯片以IP的形式集成到FPGA中，用單片集成電路實(shí)現(xiàn)原板級(jí)電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)板級(jí)多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了如圖4所示的基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)圖，該嵌入式系統(tǒng)集成了PowerPC405處理器、串行通信總線協(xié)議處理器，具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC） 、看門狗（WDT） 、計(jì)時(shí)器（ TIMER）功能，可實(shí)現(xiàn)GJB289A-97（數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線）中規(guī)定的RT/BC功能，支持實(shí)現(xiàn)ISBC協(xié)議（改進(jìn)的靜態(tài)總線控制協(xié)議） ，通過方式選擇分別支持LBE總線訪問、VME總線訪問、PC I總線訪問（通過PLX9054 橋接器） 、PCI-Express總線訪問（通過PEX8311橋接器）四

種主機(jī)接口訪問方式。

硬件設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在XPS圖形界面下調(diào)用現(xiàn)成的IP庫，搭建SoPC的硬件環(huán)境，通過硬件平臺(tái)產(chǎn)生器（p latgen）生成硬件文件，其中PowerPC405處理器、雙口存儲(chǔ)器、SRAM、串行通信總線協(xié)議處理單元掛接在PLB總線上;實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC） 、看門狗（WDT） 、計(jì)時(shí)器（TIMER） 、外部總線接口（ EB I） 、通用輸入輸出接口（ GPIO） 、串口控制器（UART）掛接在OPB 總線上;通用中斷控制器（UIC） 、仲裁器和PLB /OPB 橋的寄存器通過DCR總線訪問。硬件架構(gòu)搭建起后通過硬件仿真模型產(chǎn)生器（ SimGen）對(duì)硬件的功能進(jìn)行仿真。

2. 3　軟件設(shè)計(jì)

基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中，軟件設(shè)計(jì)者要明確嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)硬件配置，諸如內(nèi)存地址映射關(guān)系，硬件寄存器配置等，這將決定開發(fā)出的嵌入式軟件是否具備實(shí)用性。嵌入式軟件的設(shè)計(jì)通常包括CPU啟動(dòng)代碼，系統(tǒng)初始化代碼，硬件自測(cè)試程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件等，根據(jù)不同的系統(tǒng)需求，軟件包含的內(nèi)容稍有差異。軟件設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者將選擇出編譯和調(diào)試工具并完成編程。

基于SoPC的多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口的軟件由初始化程序、自測(cè)試程序、BC /RT控制程序組成。基于SoPC的嵌入式軟件開發(fā)是在EDK環(huán)境下采用C語言編程實(shí)現(xiàn)的，通過軟件平臺(tái)產(chǎn)生器（ libgen） 、應(yīng)用軟件編譯工具（GNU Compiler）編譯連接得到可執(zhí)行文件，該文件可與生成的硬件位流文件通過JTAG接口一起下載到FPGA 運(yùn)行，也可先將位流文件固化到外部PROM中，應(yīng)用軟件的可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制文件固化到外部FLASH中，系統(tǒng)上電后自動(dòng)加載硬件邏輯并將應(yīng)用軟件搬家到SRAM運(yùn)行。各部分軟件完成如下的功能：初始化程序完成CPU初始化及相關(guān)功能單元的初始化;自測(cè)試程序完成系統(tǒng)的上電自測(cè)試和內(nèi)部自檢; BC /RT控制程序完成該嵌入式系統(tǒng)作為BC或RT時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸控制。基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)可以并行開展，利用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的思想，可加快整個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)的速度。

2. 4　測(cè)試驗(yàn)證

基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)試驗(yàn)證用來保證系統(tǒng)不存在軟件和硬件上的缺陷。軟件測(cè)試驗(yàn)證旨在通過執(zhí)行軟件并觀察其行為是否滿足設(shè)計(jì)要求，而硬件測(cè)試驗(yàn)證則包括了確保硬件能夠?qū)ν庠诘募?lì)作出正確的響應(yīng)并能正確的執(zhí)行軟件。

基于SoPC的多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口中復(fù)雜的軟硬件結(jié)構(gòu)及其種類繁多的IP資源，使得該系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證工作也變得復(fù)雜。在測(cè)試驗(yàn)證過程中，采用多級(jí)測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)，首先對(duì)各單一模塊進(jìn)行仿真測(cè)試，進(jìn)行軟硬件協(xié)同驗(yàn)證，再通過集成各個(gè)功能模塊進(jìn)行系統(tǒng)集成驗(yàn)證，最后進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證。在進(jìn)行系統(tǒng)各模塊功能驗(yàn)證時(shí)，軟件可以作為硬件測(cè)試的信號(hào)源，針對(duì)各個(gè)模塊都編寫相應(yīng)的C語言測(cè)試向量，進(jìn)行功能覆蓋率測(cè)試。在單一功能模塊驗(yàn)證測(cè)試的基礎(chǔ)上，將各模塊集成為一個(gè)完整的系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集成測(cè)試。進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證時(shí)，可以運(yùn)行更為完整、更接近實(shí)際應(yīng)用的C程序測(cè)試向量，使得測(cè)試更全面、更可靠。圖5所示為板級(jí)驗(yàn)證平臺(tái)示意圖。

3　結(jié)束語

本文通過對(duì)Xilinx公司Virtex-4 FX系列FPGA的介紹，分析了其內(nèi)嵌的PowerPC405處理器的體系結(jié)構(gòu)及CoreConnect總線的特點(diǎn)，通過基于SoPC的多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口的硬、軟件設(shè)計(jì)技術(shù)和驗(yàn)證技術(shù)的介紹，更好地闡述了基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。在基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過單片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)多片專用芯片的功能，減少器件數(shù)目，縮小系統(tǒng)面積，增加系統(tǒng)可靠性，達(dá)到了對(duì)板級(jí)多路傳輸數(shù)據(jù)總線接口模塊小型化、集成化的目的。基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)以其數(shù)據(jù)處理速度快、集成度高、開發(fā)周期短、應(yīng)用靈活方便等特點(diǎn)，相信在航空航天領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛的應(yīng)用。