具有嵌入式處理器的 平臺 FPGA 為您提供前所未有的靈活性、集成度和高性能。目前，在單個可編程邏輯設(shè)備中開發(fā)極其復(fù)雜且高度定制化的嵌入式系統(tǒng)已成為可能。

      
       隨著芯片性能的不斷增加，如何使設(shè)計方法始終高效、多產(chǎn)，成為人們面臨的主要挑戰(zhàn)。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵活動之一是開發(fā)板支持包 (BSP)。利用 BSP，可以使嵌入式軟件應(yīng)用程序成功地初始化，并與連接到處理器的硬件資源進行通信。典型的 BSP 組件包括引導(dǎo)代碼、設(shè)備驅(qū)動程序代碼和初始化代碼。

      
       創(chuàng)建 BSP 是一個冗長而繁復(fù)的過程，并且在微處理器復(fù)合體（處理器和相關(guān)的外設(shè)）每次有所變更時都得再次進行。對 FPGA 而言，迅速的設(shè)計循環(huán)加上平臺的靈活性，會使得管理 BSP 的任務(wù)更為艱巨（圖 1）。這一情況迫使人們尋找更有效地管理 BSP 的方法。

      
        本文將描述 Xilinx 提供的一種創(chuàng)新解決方案，它可以簡化 RTOS BSP 的創(chuàng)建和管理。我們選擇了 WindRiver VxWorks 流程來闡明這一概念，但其蘊含的技術(shù)是通用的，同樣適用于支持 Xilinx® 處理器的所有其他操作系統(tǒng)解決方案。

圖 1 – 平臺 FPGA 靈活性要求軟件 BSP 生成過程具有高效率。

設(shè)計流程和軟件BSP生成

       Xilinx 處理器的設(shè)計包含硬件平臺裝配流程和嵌入式軟件開發(fā)流程。這些流程都通過 Xilinx Platform Studio (XPS) 工具加以管理，該工具屬于 Xilinx 嵌入式開發(fā)套件 (EDK) 的一部分。

      
        設(shè)計通常始于在 XPS 中裝配與配置處理器及與其相連接的配件。定義好硬件平臺后，就可以配置系統(tǒng)的軟件參數(shù)了。Platform Studio 的一個主要特點是，它可以根據(jù)您對處理器、外設(shè)和嵌入式操作系統(tǒng)的選擇和配置來定制 BSP。系統(tǒng)通過硬件設(shè)計的疊代改變而發(fā)展，同時，BSP 隨著平臺而發(fā)展。

      
       自動生成的 BSP 可賦予嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者以下能力：

•      自動創(chuàng)建與硬件設(shè)計完全匹配的 BSP

•      使用預(yù)認證的組件消除 BSP 設(shè)計錯誤

•      立即啟動應(yīng)用軟件開發(fā)，增加設(shè)計者的產(chǎn)量

創(chuàng)建用于WindRiver VxWork 的BSP

       Platform Studio 可生成用于 Xilinx Virtex™-II Pro 和 Virtex-4 FPGA 中的 PowerPC™ 405 處理器及其外設(shè)的定制 Tornado 2.0.x (VxWorks 5.4) 或 Tornado 2.2.x (VxWorks 5.5) BSP。生成的 BSP 包含系統(tǒng)必需的所有支持軟件，包括：引導(dǎo)代碼、設(shè)備驅(qū)動程序和 VxWorks 初始化。

      
         在 Platform Studio 定義完具有 PowerPC 405 處理器的硬件系統(tǒng)后，只需遵循以下三個步驟即可生成用于 VxWorks 的 BSP：

     
        1. 使用軟件設(shè)置對話框選擇要為系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)。Platform Studio 用戶可選擇 vxworks5_4 或 vxworks5_5 作為其目標操作系統(tǒng)。

      
        2. 選擇了操作系統(tǒng)后，可轉(zhuǎn)到資料庫/操作系統(tǒng)參數(shù)標簽，根據(jù)定制硬件調(diào)整 Tornado BSP。您可以選擇系統(tǒng)中的任意 UART 器件作為標準 I/O 器件（標準輸入和標準輸出）。這將使該設(shè)備被用作 VxWorks 控制臺器件。

       
         還可以選擇將哪些外設(shè)作為連接外設(shè)，將哪些器件緊密集成到 VxWorks 操作系統(tǒng)。例如，Xilinx 10/100 以太網(wǎng) MAC 可以集成到 VxWorks 增強型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動（Enhanced Network Driver即END)接口?；蛘撸槐貙⒁蕴W(wǎng)器件連接到 END 接口，而從 VxWorks 應(yīng)用程序直接訪問它。

      
         3. 選擇“工具 > 生成資料庫”和 BSP 菜單選項，生成 Tornado BSP。生成的 BSP 與傳統(tǒng)的 Tornado BSP 相似，位于 ppc405_0/bsp_ppc405_0 下的 Platform Studio 項目目錄中。

       注：ppc405_0 為硬件設(shè)計中 PowerPC 405 處理器的實例名。Platform Studio 用戶可指定其他實例名，此時，BSP 的子目錄名稱會匹配處理器實例名。

    通過 Platform Studio 生成的 Tornado BSP 具有一個 Makefile 文件，如果希望使用 Diab 編譯器而不是 Gnu 編譯器，可在命令行修改此文件。

       Tornado BSP 完全獨立，并可以傳輸?shù)狡渌夸浳恢茫?/SPAN> BSP 的標準 Tornado 安裝目錄：target/config。

定制 BSP 詳細信息

       由 XPS 生成的用于 VxWorks 的 BSP 與大多數(shù)其他 Tornado BSP 相似，只是 Xilinx 設(shè)備驅(qū)動程序代碼的位置有所不同。與 Tornado 相關(guān)的現(xiàn)成的設(shè)備驅(qū)動程序代碼通常位于 Tornado 分布目錄的 target/src/drv 目錄中，而由 Platform Studio 自動生成的 BSP 的設(shè)備驅(qū)動器代碼位于 BSP 目錄本身中。

       基于 FPGA 的嵌入系統(tǒng)之動態(tài)特性是造成此微小差別的原因。因為基于 FPGA 的嵌入系統(tǒng)可以用新的或更改后的 IP 重新編程，設(shè)備驅(qū)動程序可以改變，因此就需要對設(shè)備驅(qū)動程序源文件進行更為動態(tài)的放置。Xilinx 設(shè)備驅(qū)動程序放置在 BSP 子目錄 ppc405_0_drv_csp/xsrc 中。

      
        Xilinx 設(shè)備驅(qū)動程序在 C 盤中執(zhí)行并分布在數(shù)個源文件中，這點不同于傳統(tǒng)的、通常由單個 C header 和執(zhí)行文件組成的 VxWorks 驅(qū)動程序。此外，對于設(shè)備驅(qū)動程序，既有獨立于操作系統(tǒng)的執(zhí)行，又有可選的依賴于操作系統(tǒng)的執(zhí)行。

      
        驅(qū)動程序的操作系統(tǒng)獨立部分應(yīng)同任何操作系統(tǒng)或處理器一起使用。它提供了一種應(yīng)用程序接口 (API)，能提取基礎(chǔ)硬件的功能。驅(qū)動程序的操作系統(tǒng)附屬部分對驅(qū)動程序進行調(diào)整，使其得以在 VxWorks 之類的操作系統(tǒng)下使用。例子有串行端口使用的 Serial IO 驅(qū)動程序和以太網(wǎng)控制器使用的 END 驅(qū)動程序。只有能被緊密集成到標準操作系統(tǒng)接口的驅(qū)動程序才要求操作系統(tǒng)附屬驅(qū)動程序。

      
        Xilinx 驅(qū)動程序源文件加入 VxWorks 映像構(gòu)件的方式同其他 BSP 文件加入的方式相同。針對每個驅(qū)動程序，在 BSP 目錄中都有一個名為 ppc405_0_drv_<driver_version>.c 的文件。此文件包括針對給定設(shè)備的驅(qū)動程序源文件 (*.c)，并自動由 BSP makefile 編譯。
   
         該過程與 VxWorks sysLib.c 針對 Wind River-supplied 驅(qū)動程序納入源文件的過程相似。Xilinx 驅(qū)動程序文件不像其余驅(qū)動程序一樣單純納入 sysLib.c 的原因，在于命名空間的沖突和可維護性問題。如果所有的 Xilinx 驅(qū)動程序文件都是單個編譯單元的一部分，那么靜態(tài)功能和數(shù)據(jù)就不再處于保密狀態(tài)了。這會對設(shè)備驅(qū)動程序產(chǎn)生限制，也會抵消其操作系統(tǒng)獨立性。

與Tornado IDE 集成

       自動生成的 BSP 被集成到 Tornado IDE（項目設(shè)備）。BSP 可從命令行使用 Tornado make 工具編譯，或從 Tornado Project 編譯。生成 BSP 后，只需在命令行鍵入 make vxWorks 來編譯可啟動的 RAM 映像。這是假定此前已設(shè)置了 Tornado 環(huán)境（此設(shè)置可以在 Windows 操作平臺上在命令行使用 host/x86-win32/bin/torVars.bat 來完成）。如果您使用的是 Tornado Project 設(shè)備，可以在新生成的 BSP 的基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個項目，然后使用通過 IDE 提供的構(gòu)件環(huán)境編譯此 BSP。

      
        Tornado 2.2.x 不僅支持 gnu 編譯器，還支持 diab 編譯器。Platform Studio 創(chuàng)建的 Tornado BSP 有一個 makefile，如果您想使用 diab 編譯器而不是 gnu 編譯器，則可以在命令行修改此 makefile。尋找稱為“工具”的生成變量，將值設(shè)置到“diab”而不是“gnu”。如果使用 Tornado Project 工具，項目最初創(chuàng)建時，可選擇所需的編譯器。

       
        文件 50ppc405_0.cdf 位于 BSP 目錄下，并在創(chuàng)建 BSP 的過程中加以更改。此文件將設(shè)備驅(qū)動程序融入了 Tornado IDE 菜單系統(tǒng)。驅(qū)動程序在“硬件 > 外圍設(shè)備”子文件夾處與 BSP 結(jié)合在一起。在其下面是單獨的設(shè)備驅(qū)動程序文件夾。

       
        Tornado Project Facility 的“文件”標簽也會顯示用來將 Xilinx 設(shè)備驅(qū)動程序與 Tornado 構(gòu)建過程結(jié)合在一起的文件數(shù)量。這些文件由 Platform Studio 自動創(chuàng)建，只需要知道其存在就行了。

       
          一些常用設(shè)備與操作系統(tǒng)緊密結(jié)合，而其他設(shè)備可通過直接使用設(shè)備驅(qū)動程序從應(yīng)用程序上訪問。與 VxWorks 緊密結(jié)合的設(shè)備驅(qū)動程序包括：

•      10/100 以太網(wǎng) MAC

•      10/100 以太網(wǎng) Lite MAC

•      1 Gigabit 以太網(wǎng) MAC

•      16550/16450 UART

•      UART Lite

•      中斷控制器

•      System ACE™ 技術(shù)

•      PCIe

      
         所有其他設(shè)備及相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序并未緊密集成到 VxWorks 接口，而只是與其松散集成。對這些設(shè)備的訪問可通過從用戶應(yīng)用程序直接訪問相關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序來進行。

結(jié)束語

       隨著基于嵌入式處理器的 FPGA 日益受人喜愛并得到廣泛應(yīng)用，能將硬件和軟件流程有效組織在一起的工具解決方案應(yīng)運而生，對幫助設(shè)計者工作效率跟上芯片的進展起到了關(guān)鍵作用。