Xilinx FPGA的嵌入式系统开发过程

摘要：围绕Xilinx公司FPGA中的MicroBlaze软核微处理器，对其体系结构、设计流程和相关开发工具进行了详细介绍，并且通过一个实例说明了以MicroBlaze软核处理器为内核的嵌入式系统的开发过程。
关键词：FPGA；MicroBlaze；嵌入式设计

引言
随着FPGA技术的迅速发展，可编程片上系统(SOPC)作为一种特殊的嵌入式微处理器系统，融合了SoC和FPGA各自的优点，并具备软硬件在系统可编程、可裁减、可扩充、可升级的功能，已逐渐成为一个新兴的技术方向。SOPC的核心是在FPGA上实现的嵌入式微处理器核，目前主要有Xilinx公司集成的32位软核MicroBlaze，32位PowerPC系列处理器硬核PowerPC405、PowerPCA40，ARM公司的Cortex-A9，以及Altera公司的Nios系列微处理器软核等。本文主要介绍Xilinx公司的MicroBlaze软核结构，对其体系结构、设计流程和相关开发工具一一进行介绍，并在实际的无线电监测系统中采用此方案，构建了一个小型化、智能化、网络化的软件无线电处理平台。

1 MicroBlaze处理器结构
MicroBlaze软核处理器是可配置的精简指令集(RISC)32位CPU，该RISC核针对Xilinx公司的FPGA芯片进行了优化。设计人员可以根据设计定制处理器的可选配置，根据版本的不同，配置不同的选项。该软核处理器具有以下几个方面的特征：
◆32个32位通用寄存器；
◆32位3个操作数的指令字，指令字有2种寻址模式；
◆分离的32位地址总线和数据总线；
◆具有高速的指令和数据缓存，3级和5级流水线操作；
◆灵活的总线结构，支持LMB、OPB、PLB、XCL、FSL片上总线接口等，新推出的系列还支持AXI总线接口；
◆支持MMU存储管理、FPU浮点单元、高速缓存、异常处理和调试逻辑等可根据性能需求和逻辑区域成本任意裁减的高级特性。
MicroBlaze的这些特性极大地扩展了其应用范围，MicroBlaze处理器的内核仍在不断更新之中，目前使用的版本MicroBlaze v7．1，其内部架构如图1所示。