摘??? 要：本文以Xilinx公司Virtex-II Pro器件為開發(fā)平臺，介紹了其內(nèi)嵌PowerPC405處理器設計的原理和軟硬件協(xié)同設計方法。結合典型的TCP/IP通信實驗，文中詳細描述了系統(tǒng)設計方法以及VxWorks系統(tǒng)下BSP的開發(fā)和移植過程，并給出了實驗結果。
關鍵詞：PowerPC405；EDK；BSP；TCP/IP通信

引言
隨著應用的不斷普及和深入，在設計嵌入式系統(tǒng)時，往往需要同時優(yōu)化眾多因素，如成本、功率、尺寸、性能、靈活性、產(chǎn)品上市時間、設計開發(fā)周期，以及可靠性等。Xilinx 公司推出的嵌入式處理器設計平臺Virtex-II Pro和Virtex-4系列器件可以滿足上述要求，其高性能的設計工具為設計者提供了完善的軟硬件協(xié)同設計能力。本文以Virtex-II Pro P20 芯片內(nèi)嵌PowerPC405硬核為處理器，選用目前廣泛使用的VxWorks操作系統(tǒng)，闡述了內(nèi)嵌PowerPC嵌入式設計的過程和要點，詳細介紹了TCP/IP實時傳輸?shù)恼麄€設計過程，實驗結果表明這種構架模式具有很好的應用前景。

基于FPGA片上PowerPC
的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)
隨著嵌入式技術的發(fā)展，針對當前嵌入式處理器的應用，Xilinx公司推出了兩款基于FPGA的32位嵌入式處理器內(nèi)核。一種是采用先進IP植入技術實現(xiàn)的嵌入在Virtex-II Pro和Virtex-4器件中的PowerPC405處理器內(nèi)核(這是業(yè)界目前唯一的嵌入式硬核)，另一種是MicroBlaze 32位嵌入式處理器軟核。硬核的好處是能夠提供更快的數(shù)據(jù)處理能力，而軟核則具有更好的靈活性，在目標器件中可以進行任意配置。由于硬核在速度和資源上具有優(yōu)勢，因此本文采用了PowerPC405處理器，它支持復雜嵌入式的應用模式。由于同時需要嵌入式RTOS VxWorks，而FPGA內(nèi)部的BlockRAM往往不能滿足提供較大存儲空間的要求，因而一般要由外部的存儲器陣列實現(xiàn)。

該體系結構主要應用于需要RTOS支持的數(shù)據(jù)處理、軟件、控制等實時系統(tǒng)以及以FPGA為核心的復雜應用中。Virtex-II Pro系列器件采用IBM CoreConnect總線技術，該總線包括：處理器局部總線(PLB)、片上外設總線(OPB)和設備控制寄存器總線(DCR)。PLB總線為片內(nèi)的高速數(shù)據(jù)通道，通常連接高速外設、DMA存儲控制器等，OPB總線則通常用于連接速率較低的片上外設，二者通過總線橋接器與處理器總線連接，從而保證PLB總線的高速特性。DCR總線用于實現(xiàn)PowerPC405的通用寄存器與邏輯設備控制寄存器的數(shù)據(jù)通信。

針對基于PowerPC405的平臺FPGA設計，Xilinx公司推出了完整的軟硬件協(xié)同設計工具EDK (Embedded Development Kit)，它是一個專用于FPGA內(nèi)部32位嵌入式處理器的集成化開發(fā)工具包，并提供硬件和軟件協(xié)同設計的能力，從而極大地縮短了設計周期。在軟硬件協(xié)同設計開發(fā)平臺上，嵌入式軟件工程師仍然可以獨立地進行軟件設計，硬件邏輯工程師也就可以繼續(xù)采用過去的設計方法。

在實際的軟硬件協(xié)同開發(fā)時，如果不使用嵌入式RTOS，PowerPC405可以起到類似單片機的作用，軟件開發(fā)就變得相對簡單。而在一些大型項目的開發(fā)過程中，嵌入式RTOS往往是必需的，因此，研究嵌入式RTOS應用開發(fā)及其BSP的移植具有關鍵意義。

基于PowerPC405的
VxWorks下的TCP/IP通信
整體系統(tǒng)設計??
VxWorks提供了豐富而標準的socket編程接口，可以方便地實現(xiàn)TCP/IP通信，同時，其多任務機制可以高效地完成實時任務的產(chǎn)生、調(diào)度、資源分配機制。本文在Virtex-II Pro開發(fā)平臺上利用PowerPC405內(nèi)嵌處理器和PC機進行TCP/IP通信，在底層使用100Mbps以太網(wǎng)作為傳輸媒介，實現(xiàn)了Vxworks嵌入式系統(tǒng)控制的文件實時傳輸。

可以利用EDK中的BaseSystem BuilderWizard來快速構建基于PowerPC405的系統(tǒng)。首先設定參考時鐘頻率、處理器時鐘、總線時鐘，如果在設計中包含有100M網(wǎng)口，那么總線時鐘必須選擇100M以上的頻率。然后選取相應的外設， RS232串口、100M以太網(wǎng)口、SDRAM等，其中plb_bram_if_cntrl外設是必選的，該控制器完成對BlockRAM的控制，保持CPU處于一個確定的狀態(tài)。系統(tǒng)設計架構如圖3所示，這里用到了EDK內(nèi)帶的Ethernet MAC LogiCore(圖中的EMAC)。

BSP開發(fā)和移植
嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)中一項非常重要的任務，就是BSP (板級支持包)的開發(fā)。這是一項非常復雜而繁瑣的工作，Xilinx公司提供的EDK套件，可以在很大程度上減輕開發(fā)者的工作。EDK中的BSP生成器(BSPgen)可以根據(jù)不同的微處理器、外設和RTOS組合自動產(chǎn)生用戶可裁剪的BSP。它包含了系統(tǒng)所必需的支持軟件，包括Boot代碼、設備驅(qū)動和RTOS的初始化。利用BSPgen可以把Xilinx器件驅(qū)動打包到BSP的子目錄下，并且把Xilinx器件驅(qū)動與VxWorks及其Tornado集成開發(fā)環(huán)境無縫集成，充分減少開發(fā)周期。

但是，BSPgen生成的BSP只是一個固定的BSP模板文件，不能自動設置RAM/ROM的存儲器映射，不支持用戶通過BSPgen流程自定義的核/驅(qū)動，不能自動集成總線錯誤檢測，而且，Caches在缺省情況下被禁止的。

對于BSP開發(fā)人員來講，借助EDK的BSPgen，還必須要做以下幾項工作：
1) 準確定義RAM/ROM邊界地址，修改configure.h和makefile文件(兩者的地址定義必須相匹配)；

2) 增加不能與VxWorks無縫集成的其他器件的驅(qū)動文件，如總線錯誤檢測及報告、關鍵性中斷、GPIO接口、I2C接口、SPI接口等；

3) 配置以太網(wǎng)參數(shù)，設置缺省的IP地址、MAC地址(sysNet.c文件中)；

4) 配置內(nèi)核服務選項，禁止/使能Cache和RAM，設置TCP/UDP/IP參數(shù)等；

5) 增加總線錯誤檢測報告和關鍵中斷支持文件。

經(jīng)過以上修改之后，將BSPgen產(chǎn)生的BSP放在Tornado的安裝目錄…targetconfig下，在Tornado集成環(huán)境下生成Bootloader，然后就可以進行一般的嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)過程了。在這里，對BSP的修改只有config.h和makefile文件的RAM/ROM地址定義，修改如下：
#define ROM_BASE_ADRS?? 0xff800000?????????
?? #define ROM_TEXT_ADRS?? (ROM_BASE_ADRS)????
?? #define ROM_WARM_ADRS?? (ROM_TEXT_ADRS+8)??
?? #define ROM_SIZE??????? 0x00400000?????????
?? #define RAM_HIGH_ADRS?? 0x00200000?????????
?? #define RAM_LOW_ADRS??? 0x00100000???????

TCP/IP通信實驗
本文建立的實驗環(huán)境包括：一塊Virtex-II Pro開發(fā)板DS-BD-2VP20-FF1152(客戶端)，一臺Pentium4計算機主機(服務器端)，一根RS232串口線、網(wǎng)線，parallel IV下載線。基于TCP/IP的Socket應用框架原理如圖4所示，經(jīng)過實際測試得知，網(wǎng)絡吞吐效率可超過30%。????????
客戶端程序：
sFd=socket (AF_INET, SOCK_STREAM,0);
optval = 60000;
setsockopt (sFd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (char *)&optval, sizeof (optval));
sockAddrSize=sizeof (struct sockaddr_in);
bzero((char *)&serverAddr , sockAddrSize);
serverAddr.sin_family=AF_INET;serverAddr.sin_len=(u_char) sockAddrSize;
serverAddr.sin_port=htons (SERVER_PORT_NUM);
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr ("128.0.43.102");
connect(sFd, (struct sockaddr *)&serverAddr,sockAddrSize)；
send (sFd ,(char *)&myrequest. message, REQUEST_MSG_SIZE,0)；
服務器端的程序可以由VC類庫來實現(xiàn)，這里就不再給出。

結語
開發(fā)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)是邁向最終SoC的必由之路，傳統(tǒng)的FPGA廠商紛紛涉足嵌入式領域，F(xiàn)PGA所具有的低成本、低功耗、小尺寸、高性能、開發(fā)周期短等優(yōu)勢，必將使其在當今嵌入式開發(fā)的熱潮中具有廣闊的應用前景。（李明 萬堅）

[1].Virtex-4datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/Virtex-4_1602352.html.
[2].100Mdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/100M_2509927.html.
[3].RS232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.