引言

PicoBlaze是Xilinx公司為Virtex、Spartan系列FPGA和CoolRunnerII系列CPLD設計的8位嵌入式處理器軟核。PicoBlaze嵌入式處理器具有高達44～100 MIPS的指令執(zhí)行速度，并具有效率高、占用資源少等優(yōu)點，可以方便地嵌入到硬件系統(tǒng)設計中，實現(xiàn)與其他功能模塊的無縫連接[1]，在FPGA嵌入式系統(tǒng)中具有廣泛的應用。傳統(tǒng)的PicoBlaze項目調試方法通常將PicoBlaze的匯編程序編譯后，與FPGA相關邏輯綜合、實現(xiàn)，然后下載到電路板上進行板級驗證，往往要花費大量時間，效率低下。本文介紹了一種基于pBlazIDE的PicoBlaze匯編程序仿真調試方法，并對基于JTAG Loader的PicoBlaze程序快速更新方法進行了詳細分析。實踐證明，該方法簡便可行、效率較高，大大加快了PicoBlaze項目的調試進度。

1　pBlazIDE仿真調試工具

pBlazIDE是一款免費的圖形化仿真調試工具，只有1?45 MB，無需安裝即可使用[1]，非常適合于PicoBlaze匯編程序的前期仿真驗證。pBlazIDE具有以下功能：

◆ 按語法分色高亮顯示代碼;

◆ 指令集仿真器，可設置斷點，并可查看寄存器和存儲器內容;

◆ 源代碼格式化;

◆ KCPSM3到pBlazIDE導入功能，并自動完成語法轉換;

◆ 支持語法分色高亮顯示HTML文件輸出。

pBlazIDE仿真調試工具窗口布局如圖1所示。pBlaz?IDE仿真調試工具窗口布局為標準的Windows界面，主要包括菜單欄、工具欄、代碼區(qū)、I/O端口欄、PicoBlaze處理器狀態(tài)欄、暫存RAM欄、輸出狀態(tài)區(qū)和系統(tǒng)狀態(tài)欄。其中，I/O端口欄和暫存RAM欄只有在程序中使用了I/O端口和暫存RAM時才顯示，平時默認為不顯示狀態(tài)。PicoBlaze處理器狀態(tài)欄顯示程序運行過程中PicoBlaze的寄存器值和標志位狀態(tài)，輸出狀態(tài)區(qū)顯示程序編譯和運行信息，系統(tǒng)狀態(tài)欄顯示內容包括程序運行時間、當前PC值、當前堆棧指針和堆棧值等。

圖1　pBlazIDE仿真調試工具

pBlazIDE與標準的KCPSM3語法相比，除中斷處理和其他少量語句外，大部分均相同。在導入KCPSM3程序時，pBlazIDE會自動完成語法轉換，無需人工干預。必須注意的是，pBlazIDE對KCPSM3語法中I/O端口的定義不會自動轉換，必須手動修改，否則編譯時會報錯。例如，KCPSM3語法中輸出端口定義LED EQU 1應修改為LED DSOUT 1，輸入端口和雙向口的定義與此類似。

pBlazIDE仿真調試步驟如下：

① 打開pBlazIDE仿真調試工具，在Settings里選擇合適的Picoblaze 類型，對于Spartan3、VirtexII或VirtexII Pro系列FPGA選擇Picoblaze 3即可。另外，還需在Settings→Options中設置軟核的系統(tǒng)時鐘，以便pBlazIDE顯示程序精確運行時間。

② 點擊File→Import命令，導入KCPSM3語法格式的.psm源文件，pBlazIDE會自動完成語法轉換。

③ 手動修改I/O端口定義，以滿足pBlazIDE語法要求。

④ 單擊Assemble&Simulate按鈕，對程序進行匯編，如果程序沒有錯誤，即可開始仿真。仿真既可以全速運行，也可以單步運行，并可設置斷點等，大部分功能與常用的單片機開發(fā)軟件Keil 51類似。在仿真過程中，可以查看或修改寄存器和存儲器內容，監(jiān)測I/O輸出是否與預期結果相符，設置輸入端口值和模擬端口輸入;另外，還可以對外部中斷進行模擬仿真，極大地方便了用戶程序調試。

2　PicoBlaze程序快速更新方法

PicoBlaze軟核編譯后的程序存儲在FPGA中的BRAM單元中，在調試基于PicoBlaze的項目時，若采用傳統(tǒng)的調試方法，那么每次改變PicoBlaze的匯編程序時都要重新綜合、布局布線，生成新的比特文件，往往需要幾分鐘到十幾分鐘，耗時耗力;而采用JTAG Loader進行調試則無需重新綜合、布局布線，可通過JTAG接口直接修改PicoBlaze的程序BRAM，只需幾秒即可完成，大大加快了調試進度[2]。JTAG Loader程序更新接口示意圖如圖2所示。

圖2　JTAG Loader程序更新接口示意圖

由圖2可知，JTAG Loader通過JTAG接口直接修改程序BRAM，達到更新PicoBlaze程序的目的。整個過程簡便迅速，并且Xilinx公司提供了相應的JTAG_Loader_ROM_form.vhd模板和批處理文件，用戶在初次使用時設置好相關參數(shù)后，只需運行批處理文件即可實現(xiàn)PicoBlaze程序的一鍵更新。JTAG Loader的使用步驟如下：

① 將JTAG_Loader_ROM_form.vhd重命名為ROM_form.vhd，并替換原工程目錄下的ROM_form.vhd。

② 用kcpsm3.exe重新編譯程序。

③ 將程序ROM的reset端連接到PicoBlaze的復位端。

④ 將JTAG Loader文件夾下的hex2svf.exe、hex2svfsetup.exe、playxsvf.exe、svf2xsvf.exe和jtag_loader.bat復制到工程目錄下。

⑤ 編輯jtag_loader.bat文件。

(a) 并口下載電纜方式。打開jtag_loader.bat文件，輸入下列內容：

if exist .\hex2svf.cnf goto one

echo Need to set up jtag chain first

hex2svfsetup.exe

echo jtag chain set up

pause

:one

hex2svf %1.hex %1.svf

svf2xsvf ?d ?i %1.svf ?o %1.xsvf

playxsvf %1.xsvf

將jtag_loader.bat中的1%替換為.psm的文件名，例如led.psm，則將1%替換為led。

(b) USB下載電纜方式。打開jtag_loader.bat文件，輸入下列內容：

if exist .\hex2svf.cnf goto one

echo Need to set up jtag chain first

hex2svfsetup.exe

echo jtag chain set up

pause

:one

hex2svf %1.hex %1.svf

svf2xsvf ?d ?i %1.svf ?o %1.xsvf

@echo setMode ?bscan﹥﹥impact_batch_commands.cmd

@echo setCable ?port usb21 ?baud ?1﹥﹥impact_batch_commands.cmd

@echo addDevice ?position 1 ?file .\%1.xsvf﹥﹥impact_batch_commands.cmd

@echo play﹥﹥impact_batch_commands.cmd

@echo quit﹥﹥impact_batch_commands.cmd

impact ?batch impact_batch_commands.cmd

將jtag_loader.bat中的1%替換為.psm的文件名，例如led.psm，則將1%替換為led即可。

⑥ 運行jtag_loader.bat，按提示進行即可實現(xiàn)程序更新。值得注意的是，第一次運行jtag_loader.bat時，需輸入IR_Length參數(shù)，該參數(shù)可以在ISE安裝目錄下查到，如：D:\Xilinx\10.1\ISE\acecf\data\xccace.bsd文件中的attribute INSTRUCTION_LENGTH of XCCACE : entity is 8。其他器件的查閱方法類似。

本方法已在Xilinx XUP VirtexII PRO開發(fā)板上進行了驗證，取得了良好的效果，整個程序過程僅需幾秒，即可實現(xiàn)程序的一鍵更新。

結語

8位嵌入式處理器PicoBlaze應用靈活方便。本文介紹的基于pBlazIDE的PicoBlaze匯編程序仿真調試方法和基于JTAG Loader的PicoBlaze程序快速更新方法簡便可行，可明顯提高PicoBlaze項目調試效率，具有較高的應用價值。