FPGA嵌入式系统 开发过程中的XBD文件设计

随着可编程逻辑器件的不断进步和发展，FPGA在嵌入式系统中发挥着越来越重要的作用，已经开始被广泛应用于通信、航天、医疗、工控等领域。Xilinx公司作为全球最大的可编程逻辑器件生产厂商，为嵌入式系统设计人员提供了比较全面的解决方案。Xilinx的嵌入式系统开发环境EDK，提供了一种通用的完全集成的硬件和软件开发环境，使设计人员可以利用单个开发环境快速配置针对PowerPC硬处理器或Microblaze软处理器内核的平台。在EDK开发环境下，利用用户向导可以准确快速地创建一个新的嵌入式系统，而在这一过程中，XBD文件决定了系统的硬件平台描述文件MHS以及约束文件UCF的正确与否，在构建系统过程中起着至关重要的作用。

1 基于FPGA的嵌入式系统开发
    利用Xilinx公司的嵌入式系统开发工具EDK就可以完成整个嵌入式系统的硬件和软件开发，EDK由XPS(Xilinx Platform Studio)和SDK(Software DevelopmentKit)组成。其中XPS是主设计程序平台，可以实现嵌入式系统开发的所有步骤，并且可以在其中调用SDK。SDK是软件开发工具，支持C和C++，主要完成软件设计。在XPS开发环境下，完整的开发流程如图1所示。

    MHS和MSS文件都是根据系统要求在EDK环境下生成的。MHS文件包含了对整个嵌入式系统的定义，包括处理器、总线、外围设备、地址空间等，用于整个硬件平台的综合、实现；MSS文件包含了操作系统、设备驱动等信息，将其输入到库生成器(Libgen)，产生应用程序中需要的驱动程序及Xilinx的调用库。
    嵌入式开发软件EDK为设计人员提供了自动化的设计向导——BSB(Base System Builder)，可以指引工程师快速完成整个设计过程。在利用BSB创建嵌入式系统过程中，利用嵌入式硬件平台的XBD文件对板级各个功能电路的描述，按步骤选择需要的电路模块添加到MHS文件中，从而减少出现错误的可能，降低学习难度。因此，一个新的嵌入式FPGA硬件平台确定以后，在EDK中针对开发板进行嵌入式系统开发，可以利用相应的XBD文件，快速建立一个基于FPGA的嵌入式系统。

2 板级描述文件XBD
    XBD(Xilinx Board Description)文件定义了电路板的功能模块以及各个模块与FPGA芯片的接口情况，利用BSB可以将XBD文件中包含的功能模块加入到要建立的嵌入式系统中。
    在EDK的安装目录下，Xilinx公司为设计者提供了一些开发板的XBD文件。但是，一个新的嵌入式硬件平台建立后，想要在EDK软件中利用BSB向导读取硬件电路的信息，从而高效无误地产生FPGA嵌入式系统，需要针对电路板上的各个单元电路设计新的XBD文件来描述硬件平台的信息。通常，一个XBD文件包括如下信息：
    ◆电路板所支持的功能模块的FPGA接口；
    ◆每个模块的属性、参数、端口定义；
    ◆不同端口或模块间的连接信息；
    ◆每个FPGA引脚的UCF约束信息。
    由于XBD文件是对硬件各功能模块的描述，因此在设计XBD过程中也是以模块的形式来表示电路板信息的，而且各个功能块的描述具备相似的结构，使用相同的赋值命令进行具体参数定义。
2．1，模块的定义
    一个完整的模块定义如下：
    BEGIN<block_type_keyword>
    :
    END
    关键字BEGIN表示一个新的模块开始，后面是要定义模块的类型，中间部分是与描述IP核行为的MPD文件相对应的各种参数。当前，XBD文件能够识别3种类型的模块定义：
    ①IO_INTERFACE。IO_INTERFACE指定了一个电路板上的物理模块(不包括FPGA本身)，每一个IO—INTERFACE在板上应该有一个在FPGA中使用的软IP核与之相对应。
    ②IO_ADAPTER。IO_ADAPTER指定了连接IO_INTERFACE引脚与相应软IP端口的软胶合逻辑。
    ③FPGA。FPGA模块代表FPGA本身。
2．2 赋值命令
    每个BEGIN—END模块包括多个赋值命令。赋值命令至少包括一个name—value对，还可以加入多个name—value子对。
    赋值命令包括：
    ①ATTRIBIJTE。ATTRIBUTE命令是对属性命名的关键字。对于经过ATTRIBUTE赋值的对象，EDK工具会执行某种操作或以特定的方式使用该对象。ATTRIBUTE赋值命令可以在BEGIN—END模块内部或者外部使用。
    ②PARAMETER。PARAMETER命令将IP核中的PARAMETER参数同XBD文件中的IO_INTERE、ACE联系在一起，且PARAMETER命令只能在IO_INTERFACE模块内部使用。
    ③PORT。PORT命令用来指定电路板上各个模块(包括FPGA)的连通性，只能在IO_INTERFACE和IO_ADAPTER模块内使用。
    PARAMETER和PORT命令后能够跟随子属性，每一个子属性也是name—value对。子属性必须同PA—RAMETER和PORT命令在同一行，并且用逗号隔开。

3 XBD文件的设计实现
    在基于FPGA的嵌入式系统中，无论是硬核Power—PC还是软核Microblaze处理器，都是通过IP核的方式与周围设备进行操作的，因此，在XBD中定义电路模块时要选择与实际电路相对应的IP核。在描述IP核行为的MPD文件中，定义了IP核的各种参数，I0_INTERFACE的子属性IOTYPE决定了该IP核是否能够与电路板上的特定模块进行连接，通过查看MPD文件的信息就可以知道该IP的功能及其各种参数。例如，对于电路板上的4个LED显示单元，为了能够利用BSB将其加入到嵌入式系统中，需要在XBD文件中定义一个能够对4个LED进行操作的模块。在基于FPGA的嵌入式系统中，处理器通过通用I／O接口GPIO对LED进行操作，故LED在XBD中要定义一个IOTYPE为GPIO的I0_INTER—FACE模块，表示可以通过这个模块与实际电路板上的I／O进行通信。在GPIO的MPD文件描述中，对于I0_IN—TERFACE进行了如下定义：
    IO_INTERFACE IO_IF=gpio_O，IO_TYPE=XIL_GPIO_V1
    这个I0_INTERFACE表明IP核可以和GPIO进行通信。
    与电路板上特定模块通信的IP核选定后，根据实际的电路特点，在XBD文件中指定模块的参数值，这些参数值都要与MPD文件中的参数一一对应。需要指出的是，EDK工具是利用XBD文件中的IO_IS子属性将IP核的端口与电路板上模块连接在一起的。在MPD文件中，GPIO的部分描述摘录如下：

    MPD文件定义了IOTYPE类型为XIL_GPIO_V1的I／O接口，并且有C_GPIO_WIDTH和C_ALL_INPUTS两个参数。这些参数跟随的I0_INTERFACE是通过IO_IF子属性来指定的。同样，PORT GPIO_IO也是通过IO_IF子属性来表示属于gpio_0接口的。通过MPD文件对GPIO的描述，可以通过将电路板上的4个LED电路模块在XBD文件中定义一个IO_INTERFACE模块来表示。

    可以看到，MPD文件中I0TYPE类型为XIL_GPIO_V1的IO_INTERFACE同XBD文件中IOTYPE类型同样为XIL_GPIO_V1的LEDs_4BIT模块是匹配的。因此，子属性IO_IS决定了IP核中的端口同XBD文件中哪个端口连接。最终，利用自己设计的XBD文件中的LEDs_4BIT模块，通过BSB建立一个基于FPGA的嵌入式系统。实际电路板中4个LED在构建的硬件配置文件MHS中的描述如下：

    类似于在XBD文件中设计一个与4个LED进行通信的GPIO模块，利用同样的方法，在XBD中能够完成电路板上其他模块的设计，如UART、按键、存储器等。在XBD文件中将电路板上所有的模块信息设计完成之后，为了使EDK软件中的开发向导BSB能够读取到自己设计的XBD文件的信息，要将XBD文件存放到EDK安装目录下的<library_name>／boards中。应该注意的是，开发板的目录名称必须同板本身的名称相同，每个开发板目录下应该包括一个／data目录，XBD文件必须以<board_name>_v2_2_O．xbd的形式命名，并且存放在这个／data目录下，例如…／boards／myboard_revl／data／myboard_rev1_v2_2_0．xbd。这样，在利用BSB创建嵌入式系统过程中，XPS工具就会自动搜索<library_name>／boards目录，并将该目录下存在的描述开发板信息的XBD文件在创建向导BSB中显示出来。

4 总 结
    板级描述文件XBD在利用BSB快速构建基于FPGA的嵌入式系统中起着非常重要的作用，本文针对新的硬件平台的XBD文件设计进行了介绍。在XBD文件设计时，针对电路板上的各个实际电路模块，通过对照相应描述IP行为的MPD文件进行各个电路模块的设计与实现。