PicoBlaze软核的仿真与调试
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引言
PicoBlaze是Xilinx公司为Virtex、Spartan系列FPGA和CoolRunnerII系列CPLD设计的8位嵌入式处理器软核。PicoBlaze嵌入式处理器具有高达44~100 MIPS的指令执行速度,并具有效率高、占用资源少等优点,可以方便地嵌入到硬件系统设计中,实现与其他功能模块的无缝连接[1],在FPGA嵌入式系统中具有广泛的应用。传统的PicoBlaze项目调试方法通常将PicoBlaze的汇编程序编译后,与FPGA相关逻辑综合、实现,然后下载到电路板上进行板级验证,往往要花费大量时间,效率低下。本文介绍了一种基于pBlazIDE的PicoBlaze汇编程序仿真调试方法,并对基于JTAG Loader的PicoBlaze程序快速更新方法进行了详细分析。实践证明,该方法简便可行、效率较高,大大加快了PicoBlaze项目的调试进度。
1 pBlazIDE仿真调试工具
pBlazIDE是一款免费的图形化仿真调试工具,只有1?45 MB,无需安装即可使用[1],非常适合于PicoBlaze汇编程序的前期仿真验证。pBlazIDE具有以下功能:
◆ 按语法分色高亮显示代码;
◆ 指令集仿真器,可设置断点,并可查看寄存器和存储器内容;
◆ 源代码格式化;
◆ KCPSM3到pBlazIDE导入功能,并自动完成语法转换;
◆ 支持语法分色高亮显示HTML文件输出。
pBlazIDE仿真调试工具窗口布局如图1所示。pBlaz?IDE仿真调试工具窗口布局为标准的Windows界面,主要包括菜单栏、工具栏、代码区、I/O端口栏、PicoBlaze处理器状态栏、暂存RAM栏、输出状态区和系统状态栏。其中,I/O端口栏和暂存RAM栏只有在程序中使用了I/O端口和暂存RAM时才显示,平时默认为不显示状态。PicoBlaze处理器状态栏显示程序运行过程中PicoBlaze的寄存器值和标志位状态,输出状态区显示程序编译和运行信息,系统状态栏显示内容包括程序运行时间、当前PC值、当前堆栈指针和堆栈值等。
图1 pBlazIDE仿真调试工具
pBlazIDE与标准的KCPSM3语法相比,除中断处理和其他少量语句外,大部分均相同。在导入KCPSM3程序时,pBlazIDE会自动完成语法转换,无需人工干预。必须注意的是,pBlazIDE对KCPSM3语法中I/O端口的定义不会自动转换,必须手动修改,否则编译时会报错。例如,KCPSM3语法中输出端口定义LED EQU 1应修改为LED DSOUT 1,输入端口和双向口的定义与此类似。
pBlazIDE仿真调试步骤如下:
① 打开pBlazIDE仿真调试工具,在Settings里选择合适的Picoblaze 类型,对于Spartan3、VirtexII或VirtexII Pro系列FPGA选择Picoblaze 3即可。另外,还需在Settings→Options中设置软核的系统时钟,以便pBlazIDE显示程序精确运行时间。
② 点击File→Import命令,导入KCPSM3语法格式的.psm源文件,pBlazIDE会自动完成语法转换。
③ 手动修改I/O端口定义,以满足pBlazIDE语法要求。
④ 单击Assemble&Simulate按钮,对程序进行汇编,如果程序没有错误,即可开始仿真。仿真既可以全速运行,也可以单步运行,并可设置断点等,大部分功能与常用的单片机开发软件Keil 51类似。在仿真过程中,可以查看或修改寄存器和存储器内容,监测I/O输出是否与预期结果相符,设置输入端口值和模拟端口输入;另外,还可以对外部中断进行模拟仿真,极大地方便了用户程序调试。
2 PicoBlaze程序快速更新方法
PicoBlaze软核编译后的程序存储在FPGA中的BRAM单元中,在调试基于PicoBlaze的项目时,若采用传统的调试方法,那么每次改变PicoBlaze的汇编程序时都要重新综合、布局布线,生成新的比特文件,往往需要几分钟到十几分钟,耗时耗力;而采用JTAG Loader进行调试则无需重新综合、布局布线,可通过JTAG接口直接修改PicoBlaze的程序BRAM,只需几秒即可完成,大大加快了调试进度[2]。JTAG Loader程序更新接口示意图如图2所示。
图2 JTAG Loader程序更新接口示意图
由图2可知,JTAG Loader通过JTAG接口直接修改程序BRAM,达到更新PicoBlaze程序的目的。整个过程简便迅速,并且Xilinx公司提供了相应的JTAG_Loader_ROM_form.vhd模板和批处理文件,用户在初次使用时设置好相关参数后,只需运行批处理文件即可实现PicoBlaze程序的一键更新。JTAG Loader的使用步骤如下:
① 将JTAG_Loader_ROM_form.vhd重命名为ROM_form.vhd,并替换原工程目录下的ROM_form.vhd。
② 用kcpsm3.exe重新编译程序。
③ 将程序ROM的reset端连接到PicoBlaze的复位端。
④ 将JTAG Loader文件夹下的hex2svf.exe、hex2svfsetup.exe、playxsvf.exe、svf2xsvf.exe和jtag_loader.bat复制到工程目录下。
⑤ 编辑jtag_loader.bat文件。
(a) 并口下载电缆方式。打开jtag_loader.bat文件,输入下列内容:
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
将jtag_loader.bat中的1%替换为.psm的文件名,例如led.psm,则将1%替换为led。
(b) USB下载电缆方式。打开jtag_loader.bat文件,输入下列内容:
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
将jtag_loader.bat中的1%替换为.psm的文件名,例如led.psm,则将1%替换为led即可。
⑥ 运行jtag_loader.bat,按提示进行即可实现程序更新。值得注意的是,第一次运行jtag_loader.bat时,需输入IR_Length参数,该参数可以在ISE安装目录下查到,如:D:\Xilinx\10.1\ISE\acecf\data\xccace.bsd文件中的attribute INSTRUCTION_LENGTH of XCCACE : entity is 8。其他器件的查阅方法类似。
本方法已在Xilinx XUP VirtexII PRO开发板上进行了验证,取得了良好的效果,整个程序过程仅需几秒,即可实现程序的一键更新。
结语
8位嵌入式处理器PicoBlaze应用灵活方便。本文介绍的基于pBlazIDE的PicoBlaze汇编程序仿真调试方法和基于JTAG Loader的PicoBlaze程序快速更新方法简便可行,可明显提高PicoBlaze项目调试效率,具有较高的应用价值。