低價(jià)位嵌入式處理開(kāi)發(fā)套件

Spartan-3E 1600E 開(kāi)發(fā)套件支持靈活的 MicroBlaze 軟處理設計

作者：Jay Gould
Xilinx, Inc.
嵌入式解決方案營(yíng)銷(xiāo)
高級產(chǎn)品經(jīng)理
jay.gould@xilinx.com

Jim Burnham
Xilinx, Inc.
嵌入式處理部
嵌入式產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)
jim.burnham@xilinx.com

從頭構建復雜的實(shí)時(shí)嵌入式系統既耗時(shí)，效率又低。如果硬件、軟件、固件、RTOS（實(shí)時(shí)操作系統）集成和軟件驅動(dòng)器均為全新產(chǎn)品，其功能和可靠性未經(jīng)實(shí)際應用驗證，有誰(shuí)愿意花功夫去調試它們呢？工程師在設計和調試過(guò)程中喜歡把變量分離出來(lái)，一個(gè)個(gè)地進(jìn)行修改，但對您而言，要想迅速取得進(jìn)展，所使用的組件一開(kāi)始就必須得心應手——正所謂“工欲善其事，必先利其器”。從工程安排上講，從布線(xiàn)到返回頭一塊原型板通常需要好幾周的時(shí)間，在此期間軟件和固件工程師只能盡力為并不存在的平臺開(kāi)發(fā)代碼和驅動(dòng)器。

假如利用現成組件構建一個(gè)臨時(shí)的初始系統，情況也好不了多少，因為您必須要把各個(gè)系統部件組合在一起，而這些部件很可能來(lái)自不同的供應商。您可能會(huì )問(wèn)：我該查自己的系統呢，還是供應商的組件有問(wèn)題？這樣做行嗎？會(huì )不會(huì )很昂貴？

現在，這一切都不用擔心了，因為基于靈活、可編程平臺的嵌入式開(kāi)發(fā)套件已經(jīng)登場(chǎng)，它不僅性能全面，而且價(jià)格低廉。這一開(kāi)發(fā)套件可不同于那些只有小小的內存、無(wú)法真刀真槍完成實(shí)際設計工作的“玩具”，也有別于那些過(guò)分針對某個(gè)特定行業(yè)，致使其功能無(wú)法遷移或擴展到您自己應用中的工具?，F在，僅用略高于一個(gè)高端 MP3 播放器及其配件的價(jià)格，您就可以買(mǎi)到一套完全捆綁好的套件，包括硬件、軟件、JTAG 探針、通信電纜和預先經(jīng)過(guò)驗證的一些參考設計。此套件支持真正嵌入式處理的開(kāi)發(fā)，且兼容多種類(lèi)型的實(shí)際應用，包含為構建快速、靈活的嵌入式處理系統而需要的一切要素。

智能工具、IP 和專(zhuān)為功能豐富的硬件開(kāi)發(fā)板（或評估板、參考板或演示板）編寫(xiě)的參考設計，能縮短嵌入式開(kāi)發(fā)的周期。有了一套性能良好的集成開(kāi)發(fā)套件，您就可以完全專(zhuān)注于自己的實(shí)際應用，而無(wú)需費神尋找因焊接不當、白線(xiàn)斷裂或軟件驅動(dòng)程序與規格所要求的 IP 外設不相符而帶來(lái)的問(wèn)題。對于軟件/固件團隊來(lái)說(shuō)，有沒(méi)有一個(gè)穩定的硬件環(huán)境大不一樣——如果擁有這樣一個(gè)環(huán)境，他們就可以在首次提交定制硬件板之前，早早動(dòng)手編寫(xiě)代碼，并對其進(jìn)行測試和調試。賽靈思MicroBlaze 開(kāi)發(fā)套件（Spartan-3E 1600E 版）具有平臺所有的靈活性、集成度高，而且價(jià)格低廉（圖 1）。

軟處理和可定制IP 的優(yōu)點(diǎn)

為盡可能地滿(mǎn)足項目要求，工程師需要多種選項及靈活性。通過(guò)可編程平臺和創(chuàng )新型工具，您可以手動(dòng)設置嵌入式設計的功能、面積、費用和性能，使其達到最佳狀態(tài)。在把定制的硬件從商店買(mǎi)回家之前，您可以對靈活的軟處理器核進(jìn)行實(shí)例化、定制 IP、優(yōu)化硬件的性能，還可在一個(gè)開(kāi)發(fā)板上對您的軟件進(jìn)行驗證。

FPGA 處理系統的本質(zhì)就決定了它是可編程、可重新設置和現場(chǎng)升級的。因此，它們具備的獨特優(yōu)勢可幫助您的產(chǎn)品更快打入市場(chǎng)，并具有更長(cháng)而且可更新的生命周期。

Spartan 系列 FPGA 支持 32 位 RISC MicroBlaze 軟處理器。因為該軟處理器像其它 IP 外設一樣由 FPGA 元件構建而成，所以可以隨意將其實(shí)例化。為充分利用低價(jià)位的 Spartan 應用，賽靈思對 MicroBlaze 軟處理器核進(jìn)行了優(yōu)化，以達到在盡可能小面積上實(shí)現最佳效果。由于這種MicroBlaze 軟處理解決方案的靈活性，您可以在設計周期中隨時(shí)對更新、更改、或整個(gè)新處理器核進(jìn)行實(shí)例化。如果硬件和軟件錯誤都可以改正，已有功能可以增強，新的功能可以添加，甚至在完成部署后還能增加對新標準的支持，那么您可以想象一下，產(chǎn)品的壽命會(huì )有多么長(cháng)！

IP 外設也是軟性的，在面積要求較高的情況下，可對其進(jìn)行編輯，替代核的某些功能。與分離式處理解決方案不同的是，您可以針對具體應用選擇最優(yōu)組合，從方案中剔除不需要的額外器件單元。在這樣一個(gè)軟性、可編程的處理系統中，可以通過(guò)幾種微調方法來(lái)提高性能。此 MicroBlaze Spartan 套件使您可以盡情發(fā)揮協(xié)處理的長(cháng)處，探索加快設計的多種方法，而不僅僅是在撥快時(shí)鐘上做文章，因為撥快時(shí)鐘的好處是有限的。與在單個(gè)處理器核上序列運行的純軟件應用相比，在高性能 FPGA 硬件中加入引擎一般來(lái)說(shuō)總能收到改進(jìn)系統性能之效。用多處理器、插入式浮點(diǎn)單元 (FPU) 或硬件指令做實(shí)驗，可能會(huì )對您的應用大有裨益。利用可編程平臺，您可以就 MicroBlaze 處理進(jìn)行實(shí)驗而不花分文，因為您不必把自己拴死在初步紙面規格書(shū)上所提供的那些孤立的解決方案上。

集成部件，出盒即用

賽靈思MicroBlaze 開(kāi)發(fā)套件（Spartan-3E 1600E 版）為嵌入式開(kāi)發(fā)集成了完整的環(huán)境。該套件支持一大批不同的 MicroBlaze 軟處理，并包括：

　來(lái)自合作伙伴 Digilent 的 Spartan 3E 1600E 開(kāi)發(fā)板
　ISE（集成軟件環(huán)境）FPGA 工具
　榮獲大獎的 Platform Studio 嵌入式工具套件 (XPS)
　MicroBlaze 軟處理器許可（無(wú)需單元版稅）
　JTAG 探測器、以太網(wǎng)和串行電纜
　ChipScope Pro 分析器（評估版）
　參考設計

此款低價(jià)位 Spartan-3E 1600E 開(kāi)發(fā)板（見(jiàn)圖 2）所提供的一組功能十分強勁，絕對物超所值，包括針對存儲器的多種選擇、時(shí)鐘、顯示器、連接器、用戶(hù)接口及其他外設，使您能以低成本輕松開(kāi)發(fā)自己的自定義嵌入式設計。實(shí)際開(kāi)發(fā)板和附屬選項包含如下功能：

　DDR SDRAM 存儲器接口、線(xiàn)性 Flash、Flash PROM、SPI 串行 Flash
　連接器：USB 下載、Digilent JTAG 3 電纜、43 擴展 I/O 和三個(gè) 6 管腳 I/O 端口
　多個(gè)用戶(hù)接口：RS-232、SPI 端口、四個(gè)按鈕、八個(gè) LED、四個(gè) DIP 交換機、旋轉編碼器 USB 和三重模式以太網(wǎng)
　外設：10/100 以太網(wǎng) PHY、四通道 DAC、兩通道 ADC
　LCD 顯示器

此款開(kāi)發(fā)板不僅支持MicroBlaze單處理器設計，也支持 MicroBlaze 處理器的多重實(shí)例化，甚至協(xié)處理應用，包括 FPGA 架構或 FPU 選項中的硬件指令，以將處理荷載最有效地分配在整個(gè)線(xiàn)路設計中。把所有軟件功能都加載在單個(gè)處理引擎上可能會(huì )造成系統性能瓶頸，而在快速 FPGA 電路上實(shí)現軟件算法能卸去部分荷載，切實(shí)加速整個(gè)設計過(guò)程。事實(shí)上，利用協(xié)處理、FPU 或硬件指令，系統性能得以大為提高，與純軟件應用相比不可以道里計。在某些實(shí)際案例中，性能增加達到 5 倍、10 倍甚至超過(guò) 40 倍。

與 Spartan 板相得益彰的，是一組 ISE FPGA 工具，這是針對 FPGA 實(shí)現而推出的設計輔助程序，包括輸入、綜合、驗證、布局和布線(xiàn)等。更妙的是，此設計流程已經(jīng)集成，從嵌入式工具套件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 中即可直接調用。

我們的低價(jià)位 Spartan-3E 1600E 嵌入式開(kāi)發(fā)套件不僅僅是一塊孤立的電路板。您不必只為了開(kāi)發(fā)一個(gè)解決方案原型，就把大量寶貴時(shí)間花費在四處搜尋合適的部件上。

XPS 嵌入式系統工具套件為嵌入式系統工程師提供了理想的設計環(huán)境，使他們不費吹灰之力就可以開(kāi)始設計過(guò)程。本集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包括設計 GUI、自動(dòng)化配置向導、編譯器和調試器。XPS 構建于 Eclipse 框架之上，并支持 GNU 工具鏈，可用于處理編譯和調試。與平常所用的 Base System Builder 之類(lèi)大同小異的設計向導，能使配置基本處理器系統的過(guò)程自動(dòng)化，連接并定制 IP，對項目進(jìn)行組織。此外，XPS 可自動(dòng)生成實(shí)例測試代碼和軟件驅動(dòng)器，甚至可為一些最常用的嵌入式操作系統生成板支持包。

這些智能嵌入式工具具有“平臺意識”，并能從菜單驅動(dòng)環(huán)境下自動(dòng)化特定電路板的流程。Xilinx 與其電路板合作伙伴公司（如 Avnet、Nu Horizons 和 Digilent 等）合作，隨嵌入式硬件板提交一份電路板說(shuō)明文件；而 Platform Studio 則利用該文件構建新的菜單支持。用這種設計向導方法來(lái)配置系統，您可以在短短幾分鐘內創(chuàng )建基本的嵌入式系統，因而縮短熟悉過(guò)程，加快設計進(jìn)程。

MicroBlaze 套件捆綁了一個(gè)性能不凡的嵌入式 IP 庫和針對每個(gè) MicroBlaze 處理器的使用許可。您不必為發(fā)送給用戶(hù)的 MicroBlaze 設計支付特許使用費，而且，因為 MicroBlaze 是軟性的，您的設計永遠也不會(huì )過(guò)時(shí)。IP 產(chǎn)品目錄支持一大批處理外設選項。

目標板需連接到主機以進(jìn)行各種各樣的通信，因為工具的使用和設計文件的創(chuàng )建都在主機上進(jìn)行。最常用的嵌入式目標板連接方法是利用一個(gè)符合業(yè)界標準的 JTAG 探針。

賽靈思 提供的唯一連接方式是 USB JTAG 探針，可用于 FPGA 和嵌入式軟件下載及調試。這一性能可簡(jiǎn)化處理過(guò)程，使您不必依賴(lài)于多個(gè)探針，消除為不同功用而來(lái)回調換探針的麻煩。以太網(wǎng)和串行電纜也包括在套件中，這樣，一打開(kāi)封裝，您立即就能完成所有需要的連接。

參考設計和嵌入式 OS 支持

在集成開(kāi)發(fā)套件中，能真正使您游刃有余地進(jìn)行設計，并且最具決定性、最關(guān)鍵的部分，是一批參考設計和符合業(yè)界標準的嵌入式 OS 支持。該套件包含已有的、行之有效的示例設計，您打開(kāi)產(chǎn)品包裝后，立即就能擁有可以運行的基本系統。這些預先驗證過(guò)的參考系統可以在您開(kāi)始創(chuàng )建新的代碼或 IP 之前確認硬件及連接的狀況是否正常，這樣，如果問(wèn)題出在電路板或電纜上，您就不會(huì )白費時(shí)間在自己的設計中找問(wèn)題。

這些參考系統也是極好的示例，為您展示 Spartan-3E 1600E 平臺的眾多功能，如 DDR SDRAM、以太網(wǎng)、RS232 和 LCD 功能等。您可以把這些示例用作模板，這樣，假如您的定制板要實(shí)現同樣的功能，您就可以用模板來(lái)模擬您自己的設計功能，或者原封不動(dòng)地照搬已有的功能。

經(jīng)預先驗證過(guò)的參考系統示例包括：

　從主系列模式配置的問(wèn)好字詞示例
　從 BPI Up 模式配置的 μClinux 示例
　從 BPI Down 模式配置的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器

使用現有設計示例可即時(shí)啟動(dòng)您自己的設計，與手動(dòng)生成復雜系統設計的方方面面相比較，可節約幾天甚或幾個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間。在 www.xilinx.com/cn/sp3e1600e 上可以找到其他參考設計和更新。

對嵌入式操作系統 (eOS) 的支持也是許多處理應用取得成功的關(guān)鍵。MicroBlaze 開(kāi)發(fā)套件包括對產(chǎn)品/供應商的若干 eOS 支持，這些已經(jīng)實(shí)踐證明非常及時(shí)、有效，例如：

　Mentor Graphics Nucleus
　Petalogix μClinux
　Micrium μC/OS-II

如果需要對 eOS 和工具產(chǎn)品的特定支持，最好是產(chǎn)品來(lái)自于哪家供應商，就找哪家。由 Spartan 和 MicroBlaze 組合而成的處理解決方案也得到了許多其他第三方嵌入式 RTOS 或硬件/軟件設計工具合作伙伴的支持。我們的嵌入式合作伙伴的網(wǎng)站，在以下網(wǎng)站上有列表：www.xilinx.com/cn/ise/embedded/epartners/listing.htm.

結論

與傳統處理解決方案相比，賽靈思 所提供的嵌入式處理具有明顯的優(yōu)勢，包括軟處理器、協(xié)處理和可定制 IP 的高度靈活性和獨特魅力。我們的低價(jià)位 Spartan-3E 1600E 嵌入式開(kāi)發(fā)套件不僅僅是一塊孤立的電路板。您不必只為了開(kāi)發(fā)一個(gè)解決方案原型，就把大量寶貴時(shí)間花費在四處搜尋合適的部件上。該套件包括經(jīng)預先驗證過(guò)、行之有效的參考設計，能顯著(zhù)加快實(shí)時(shí)工程師的開(kāi)發(fā)過(guò)程。打開(kāi)產(chǎn)品包裝盒后（這盒產(chǎn)品的價(jià)位可是頗為公道），立即就能擁有可以運行的嵌入式設計。

要了解我們的低價(jià)位 MicroBlaze 開(kāi)發(fā)套件（Spartan-3E 1600E 版）的詳情，請訪(fǎng)問(wèn) www.xilinx.com/cn/embdevkits。要了解我們的所有嵌入式處理解決方案，一個(gè)絕佳的起始站點(diǎn)是 www.xilinx.com/cn/processor。