眾多FPGA 應用均可通過使用簡單的軟核處理器來簡化時序控制結(jié)構(gòu)的生成，從而深受其益。

作者：Adam P. Taylor

e2v公司工程系統(tǒng)負責人

aptaylor@theiet.org

PicoBlaze 是一款結(jié)構(gòu)緊湊的8 位軟核微控制器，F(xiàn)PGA工程師可在其所選的賽靈思FPGA 中對其進行實例化。一旦實現(xiàn)，該處理器完全包含到僅使用邏輯Slice 和Block RAM 的FPGA 架構(gòu)中;無需外部易失性和非易失性存儲器。

由于其實現(xiàn)方案封裝面積小，F(xiàn)PGA 才可能容納多個PicoBlaze 實例化。每個實例化用于實現(xiàn)通常由狀態(tài)機創(chuàng)建的控制結(jié)構(gòu)。這樣不僅能縮短開發(fā)時間，而且還可用標準化方法來控制結(jié)構(gòu)生成。由于賽靈思FPGA結(jié)構(gòu)潛在的高性能，PicoBlaze 實例化往往能夠超越許多分離式8 位微控制器。

下面讓我們看看如何在我們的設(shè)計中充分利用這款便捷的器件。

PICOBLAZE 架構(gòu)

在使用這個處理器之前，首先讓我們了解一下它的架構(gòu)。PicoBlaze 是一款基于RISC 架構(gòu)的非常簡單的8 位微控制器(如圖1 所示)。該控制器有一個12 位的地址端口，這意味著它可以處理多達4096 個存儲器位置。

圖1 – PicoBlaze架構(gòu)，處理器(左)和存儲器(右)

每個地址位置包括一個18 位指令，用以定義該處理器必須執(zhí)行的操作。該處理器的輸入輸出可能通過兩個8位端口(一個輸入端口，一個輸出端口)。該控制器還提供了一個8 位識別端口，可讓多達256 個外設(shè)通過該端口進行讀寫。此外，該控制器還提

供一個64、128 或256 字節(jié)大小可選的高速暫存存儲器。跟所有微處理器一樣，PicoBlaze 包含一個算術(shù)邏輯單元并支持一個中斷。有了這些功能，意味著該控制器能夠為FPGA 設(shè)計工程師帶來眾多優(yōu)勢。

PicoBlaze 最重要的一個方面是它具有高度的確定性，這意味著所有指令都需要兩個時鐘周期才能執(zhí)行完畢，中斷服務最多需要四個時鐘周期。( 您可以通過下載賽靈思用戶指南，了解有關(guān)PicoBlaze 架構(gòu)的更多詳情。)

如何使用PICOBLAZE?

FPGA 應用通常需要結(jié)合并行和時序操作，其中數(shù)據(jù)流主要采用并行操作，而控制結(jié)構(gòu)主要以時序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，如狀態(tài)機。(參見《賽靈思中國通信》第46 期，“ 如何在您的FPGA 中實現(xiàn)狀態(tài)機”)。然而，復雜的控制結(jié)構(gòu)如果以狀態(tài)機實現(xiàn)，可能會變得

難以處理，不僅會延長驗證時間，而且還會讓開發(fā)周期的后期修改變得困難重重。復雜的狀態(tài)機還需要花更多時間來開發(fā)，如果需要開發(fā)數(shù)個，那么花費時間就會相當長。

此外，您還可以使用PicoBlaze控制通過RS232、I2C 和SPI 接口的串行通信。事實上，您采用典型8位微處理器實現(xiàn)的任何方案均可在PicoBlaze 中實現(xiàn), 而且具有更高的性能。工程師們已經(jīng)用PicoBlaze 在控制系統(tǒng)中實現(xiàn)PID 控制器。他們結(jié)合使用PicoBlaze 與I2C、SPI 或并行DAC 來創(chuàng)建方形、鋸齒和三角形以及更復雜的正弦/ 余弦等各種參考波形(使用移位加CORDIC 算法)。在您的FPGA 中實例化PicoBlaze 微控制器來實現(xiàn)這些時序功能，不僅可縮短開發(fā)時間，而且還允許在開發(fā)周期的

后期階段進行簡單的修改。當然，作為軟核，PicoBlaze 還有助于解決過時問題，而且在您開發(fā)ASM 模塊時還支持設(shè)計重用。

首個PICOBLAZE 實例化

遵循以下幾個簡單步驟，您就可以在您的設(shè)計中快速實現(xiàn)PicoBlaze。首先，確保您將用于目標器件中的微控制器是最新版本。您可從賽靈思PicoBlaze 下載區(qū)下載這些微控制器產(chǎn)品，這里既提供支持最新7 系列器件的版本，又提供能與舊版Spartan®-3

和Virtex®-4 器件協(xié)同使用的微控制器版本。

當下載了正確的處理器版本后,將這些文件解壓到您的工作目錄下并確保您能讀取“read-me”文件，同時根據(jù)需要密切關(guān)注路徑的設(shè)置以及賽靈思的環(huán)境變量。在您的工作目錄中, 您將注意到以下文件或應用，以及有用的read-me 文件、許可證文件和用戶指南。

• KCPSM6.Vhd: 這是一個真正的PicoBlaze 源代碼。

• KCPSM6.exe ：這是一個匯編程序，您可運用其生成所需的機器碼和存儲器文件。

• ROM_Form.vhd ：這是一個可執(zhí)行匯編程序，使用該文件可以生成VHDL 文件，您創(chuàng)建的程序?qū)⒋鎯υ谶@里。

• KCPSM6_design_template vhd ：這是一個PicoBlaze 處理器模板實例。

• All_kcpsm6_syntax.psm ：這個文件是關(guān)于所有匯編程序命令和語法的定義。

對于我們的實例設(shè)計，如果你不想將PicoBlaze 及其程序存儲器添加到現(xiàn)有項目中，那么最后一步您應在我們能實例化PicoBlaze 及其程序存儲器的ISE® 設(shè)計套件中創(chuàng)建一個新的項目。

一旦完成上述步驟，我們就準備開始在我們的應用中創(chuàng)建PicoBlaze處理器。在此最簡單的層面上，您只需在您的設(shè)計中聲明兩個組件：一個是處理器本身，另一個是程序存儲器，如圖1 所示 ( 處理器位于左側(cè)方框中，存儲器位于右側(cè)方框中，用以提供上下文環(huán)境)。當然，如果您需要實現(xiàn)一個以上的實例化，那么您應該提供若干個存儲器組件，用于存儲不同的程序。然而，首先需要我們做的是了解典型項目的開發(fā)流程。

開發(fā)流程

創(chuàng)建首個PicoBlaze 實例其實很簡單。第一步，使用Notepad++ 之類的編輯器創(chuàng)建一個空白的文本文件。該文件應該具備一個 .PSM 的文件擴展名，比如像“test.psm”這樣的。您可以用PicoBlaze 匯編程序?qū)ξ⒖刂破鬟M行編程。

賽靈思在All_kcpsm6_ syntax.psm 文件中對該語法進行了詳細介紹，您可以自行下載。無論怎樣，這個語法很容易理解和掌握。圖2 是匯編程序代碼片段的示例，這是一個簡單程序，用以閃存運行頻率為2Hz、時鐘頻率為 40MHz 的LED。

圖2 – 用于項目閃存LED的匯編程序代碼片段

一旦您對自己的匯編程序感到滿意后，就可以進行下一步：通過您下載的匯編程序可執(zhí)行文件運行該程序。這樣將會生成一個存儲器文件 (您的FPGA 中會用到的VHDL)、一個日志文件和一個十六進制文件，我們將在后文介紹它們的用途。圖3 顯示了針對上述代碼片段所運行的匯編程序流程。一旦運行匯編程序，您現(xiàn)在就能夠在您的FPGA 內(nèi)實例化PicoBlaze。

圖3 –使用KCPSM6匯編程序生成存儲器文件

您現(xiàn)在擁有兩個所需的VHDL文件：KCPSM6.vhd 和由匯編程序創(chuàng)建的包含您的應用的VHDL 文件( 在本例中為test.vhd)。第二步：

在您的VHDL 設(shè)計中聲明兩個組件(KCPSM6 和Memory) 并對他們進行實例化(如圖4 所示)。在圖5 所示的代碼片段中可以看到這個簡單的VHDL 示例。這個VHDL 示例實現(xiàn)的PicoBlaz 可以將LED 閃存到LX9Spartan® 開發(fā)板上。

圖4 – PicoBlaze上下文方框圖

圖5 –將LED閃存到LX9 Spartan開發(fā)板上的PicoBlaze的代碼片段

仿真與驗證

一旦您在應用中完成了設(shè)計文件的實例化，您肯定希望能在綜合和實現(xiàn)之前在仿真環(huán)境中驗證一下該系統(tǒng)或模塊的性能。由于PicoBlaze 使用的是邏輯Slice 和 Block RAM，所以您在Mentor Graphics 的Mod-elSim 或賽靈思ISE 中的ISim ( 如果您是在

Vivado® 設(shè)計套件中的Xsim 中實現(xiàn)您的PicoBlaze，也可使用Xsim) 等程序中進行仿真就極其簡單。

由于Block RAM 包含有針對您程序的指令，所以仿真工作自然就簡單。基本上，您只需要提供一個時鐘以及實例化要求的其他輸入輸出。圖6 顯示了在ISim 中進行的PicoBlaze仿真結(jié)果，以及指令加載之間的兩個時鐘周期。

圖6 – ISim仿真結(jié)果

圖6 – ISim仿真結(jié)果

升級您的程序

在FPGA( 以及比特文件) 中內(nèi)置PicoBlaze 的最大優(yōu)勢之一就是在FPGA 配置完成后PicoBlaze 開始直接在其RAM 中運行程序。然而，在某些情況下，您可能需要修改該處理器核正在執(zhí)行的程序。雖然根據(jù)設(shè)計余下部分的復雜程度，您可能會重新運行Implementation 階段(包括更新了的存儲器文件)，但這會非常耗時，尤其是您只在實驗室里嘗試各種可能的情況下。因此，在重新運行Implementation 階段之前可以用JTAGloader 更新處理器 核的程序存儲器，來調(diào)試你的軟件程序。其中JTAG loader 也能通過下載獲得。

在使用JTAG loader 之前，首先需要在您的設(shè)計設(shè)置中啟用該加載程序。在一個程序存儲器的實例化中使用通用C_JTAG_LOAD-ER_ENABLE: integer := 1 。注意您一次只能為您設(shè)計中的一個內(nèi)存實例設(shè)置該參數(shù)。

在您的設(shè)計中啟用該程序后，您必須從JTAG_loader 目錄中選擇和你的操作系統(tǒng)匹配的版本并將其復制到您的工作目錄下 ( 即十六進制文件所在位置)?，F(xiàn)在您可以打開一個命令窗口并導航到您的工作目錄下，然后使用以下命令。

jtagloader –l .hex

注意：我已經(jīng)我的操作系統(tǒng)重新命名為可執(zhí)行文件版本，即jtagloader.exe。

當您在您的最新PSM 文件上運行匯編程序時，此項操作將下載所創(chuàng)建的十六進制文件，結(jié)果如圖7 所示。下載該文件后，您將注意到JTAGloader 會停止處理器執(zhí)行并在釋放處理器復位之前下載新的程序到存儲器中，此時處理器開始運行新的程序。

一旦您對PSM 文件的更新行為感到滿意，您就可以重新運行實現(xiàn)方案和比特文件生成，從而確保下次該器件經(jīng)過配置，能夠執(zhí)行更新的程序。