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 。 bit） 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，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 2000000
void main （）
{
xuint32 data = 0xaa ;
int delay ;
int count = 0 ;
xuint32 3 ledpt r ;
ledpt r = （int 3 ） 0x80002200 ; / / 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 ed
}
else
{
* ledpt r = 0xaa ;
/ / 向gpio_data 寄存器送数，驱动l ed
}
for （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 ed
}
else
{
* ledpt r = 0xf0 ;
/ / 向gpio_data 寄存器送数，驱动l ed
}
for （delay = 0 ; delay 《 l ed_dela y; delay + + ） ;
/ / 延时以看清l ed 在闪烁
}
}
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（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 。 bit） 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，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。
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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 2000000
void main （）
{
xuint32 data = 0xaa ;
int delay ;
int count = 0 ;
xuint32 3 ledpt r ;
ledpt r = （int 3 ） 0x80002200 ; / / 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 ed
}
else
{
* ledpt r = 0xaa ;
/ / 向gpio_data 寄存器送数，驱动l ed
}
for （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 ed
}
else
{
* ledpt r = 0xf0 ;
/ / 向gpio_data 寄存器送数，驱动l ed
}
for （delay = 0 ; delay 《 l ed_dela y; delay + + ） ;
/ / 延时以看清l ed 在闪烁
}
}
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