基于OR1200的嵌入式SoPC硬件平台设计

SoC(System on Chip)片上系统是现代电子系统设计的一个发展方向，它将原先分立的多个芯片集成在一块芯片上，通过提高芯片的集成度、减少系统芯片的数量和相互之间的PCB连线、减小PCB面积来降低整个系统的成本，同时使系统的性能、功能和可靠性都有很大的提高。随着新型的高性能、低成本FPGA的出现和综合技术的提高，基于FPGA的SoPC(System on Programmable Chip)可编程片上系统正逐步走向市场。基于FPGA的SoPC与基于ASIC技术的SoC相比，具有设计周期短、产品上市速度快、设计风险和设计成本低、集成度高、灵活性大、维护和升级方便、硬件缺陷修复和排除简单等优点。因此基于FPGA和包括32位CPU在内的各种IP核的系统级应用开发将是下一代电子系统设计的发展方向。
　　顺应这个潮流，FPGA器件的主要供应商Altera和Xilinx都推出了各自的SoPC解决方案：Nios系统和MicroBlaze系统。它们功能强大、开发环境和配套IP核完善，是工程应用的首选。但是它们只能用在各自厂商的FPGA上，不但配套IP核价格昂贵，而且用户无法获得所有源代码，不利于我国SoPC技术的发展。
　　针对这种情况，笔者使用Altera公司的Cyclone FPGA和OpenCores组织提供的各种免费、开源的IP核，构建了以OpenRISC1200 CPU为核心，配以各类外围IP核的完全开源的SoPC系统，并成功地运行了μClinux系统。同时本系统采用的所有IP核在源代码不变的情况下可以使用Xilinx的开发工具进行综合、布线，为该系统在其他FPGA平台上的运行打下了良好的基础。
1 OR1200
　　本系统使用的OpenRISC1200处理器(以下简称OR1200)是OpenRISC系列RISC处理器内核的一员。OpenRISC是由OpenCores组织负责开发和维护、免费、开源的RISC处理器内核家族。OpenRISC1200出现于2001年7月，支持ORBIS32指令集。该指令集包括32位整数指令、基本的DSP指令、32位的Load和Store指令、程序流程控制指令和特殊指令(实际上还不支持除法指令)。2002年8月，OpenRISC1200基本成熟，配有比较完善的软件开发环境和操作系统，改进和维护一直持续到现在。
　　OR1200是一种32位、标量、哈佛结构、5级整数流水线的RISC处理器，它有32个32位通用寄存器，支持缓存、虚拟存储器和基本的DSP功能，外部数据和地址总线接口符合Wishbone标准。辅助功能包括用于实时调试的调试单元、计数器、可编程中断控制器和电源管理单元，这些功能大大增强了CPU独立工作的能力，对软件调试和操作系统的支持较好，简化了整体系统的设计。OR1200的标准组成结构如图1所示。
　　CPU/DSP单元是OR1200处理器的核心，其基本结构框图如图2所示。

　　当使用0.18μm和6层金属工艺时，OR1200的主频可达300MHz，此时可以提供300 Dhrystone 2.1 MIPS和300M次/秒的32×32的DSP乘加操作能力。
　　OR1200在2002年9月被Flextronics公司选中，用于集成在Flextronics的设计中，并提供商业服务。2003年8月，Flextronics公司成功实现了集成OR1200、10Mbps/100Mbps自适应以太网 MAC控制器、32位 33MHz/66MHz PCI接口、16550兼容UART和Memory控制器的SoC芯片，并成功运行了μClinux和Linux操作系统。
2 板级系统组成
　　板级系统以Altera的Cyclone系列FPGA EP1C12QC240为核心，配以EPCS4配置存储器和配置电路组成核心系统，再配以2片29LV160DB NOR Flash(4MB)、2片IS61LV25616 SRAM(1MB)、2片HY57V561620 SDRAM(64MB)、1个RS232串行口、1个通用JTAG接口和8段LED、按钮、拨码开关组成基本系统。Flash、SRAM和SDRAM组成存储系统，它们共用FPGA的存储器总线，大大减少了存储系统占用的FPGA管脚数，并为系统提供了运行大型软件所需要的存储器空间。通用JTAG接口可以通过专用接口电缆与PC机的并口相连，实现对CPU的在线调试和系统存储空间的访问。串行口可以为系统实现一个基本的控制台，并可以作为向系统下载大量数据的通道。因此，基本系统的组成足以调试和运行基本的μClinux系统。
　　完整的板级系统的组成框图如图3所示，它除了基本系统以外，还包括1片10Mbps/100Mbps自适应以太网PHY芯片、320×240彩色STN LCD、10位×3通道视频DAC和2个PS2接口。使用以上完整的板级系统可以实现简单的网络和人机界面应用，再配以μClinux操作系统即可实现一个完整的计算机系统。

3 内核的集成、仿真与验证
　　内核的集成、仿真与验证是建立本平台的难点。要实现上述所有功能，除了OpenRISC1200 CPU外，至少还需要以下IP：
　　·Wishbone总线互连；
　　·CPU Debug模块；
　　·通用I/O控制器；
　　·片内高速RAM控制器；
　　·16550兼容UART控制器；
　　·Memory控制器；
　　·10Mbps/100Mbps自适应以太网MAC控制器；
　　·VGA/LCD控制器；
　　·8042兼容PS/2控制器。
　　以上多数IP可以从OpenCores获得，像通用I/O控制器和片内高速RAM控制器这类简单的IP，可以自己编写。不过需要注意的是，为了使系统能够正确地运行或者获得更好的综合效果，多数IP在集成时都要进行修改。需要修改的IP及其修改内容如下：
　　·OR1200：通用寄存器组、缓存、MMU使用的RAM块需要针对Synplify进行修改，以便能够综合到M4K RAM块中，MMU、DSP MAC单元根据需要决定是否在配置中去掉，以提高速度，减少逻辑资源的占用；
　　·Wishbone总线互连：添加空穴地址空间的访问处理；
　　·UART控制器：数据接收和发送FIFO需要针对Synplify进行修改，以便能够综合到M4K RAM块中；
　　·Memory控制器：添加复位后的默认值配置，以便系统可以选择从Flash或者SRAM启动；
　　·以太网控制器：控制寄存器和FIFO需要针对Synplify进行修改，以便能够综合进M4K RAM块中，并且需要添加对不支持Burst模式的Wishbone总线互连接口的支持；
　　·VGA/LCD控制器：显示FIFO需要针对Synplify进行修改，以便能够综合进M4K RAM块中，并且需要修改对扫描时钟输出的控制。
　　使用以上IP构建的系统内核的结构框图如图4所示。中间模块是Wishbone总线互连IP，它有8个主设备、8个从设备接口。OR1200的指令和数据接口各占用了一个主设备接口。Debug模块需要访问存储空间，因此也用了一个主设备接口。以太网控制器使用主存储器来存储、获得数据，VGA/LCD控制器使用主存储器获得显示缓冲数据，因此它们也都占用了一个主设备接口。以太网、VGA/LCD和Memory控制器的控制寄存器空间各占用了一个从设备接口，Memory控制器的存储器空间占用了一个从设备接口，其余的UART、PS/2、I/O和片内RAM控制器各占用了一个从设备接口。

　　为保持软件的兼容性，在设置Wishbone总线互连IP各个主设备和从设备的地址以及分配中断号时，需要符合ORP标准。ORP(OpenRISC Reference Platform)是一个对基于OpenRISC处理器的系统的定义，它包括存储器空间、外围设备的地址定义和中断向量的分配。其作用是标准化基于OpenRISC的硬件和软件的设计，提高软件可重用性并缩短硬件设计的验证时间。
　　在进行完各个IP的单独测试后，使用OR1200的软件开发包GCC对系统引导程序和μClinux进行编译，并将得到的二进制文件嵌入到存储器仿真文件中，对系统的初始化、引导和操作系统的启动进行仿真。
　　在仿真成功后，进行了下载验证。由于使用的EP1C12器件的逻辑容量有限，无法同时实现以上所有功能，因此设计了两个配置方案，分别面向网络和个人终端。前者具备以太网功能，但是没有PS/2和VGA/LCD控制器，后者相反。使用Synplify和QuartusII软件对个人终端配置的系统进行综合、布局布线后，系统速度和各模块所占逻辑单元LEs(Logic Elements)的情况如表1所示。

　　实际下载验证证明，以上两种配置都可以40MHz的速度运行μClinux系统。目前，已经选定使用该系统作为基于SoPC的数控系统的基础实现平台。