基于LEON微處理器的SOC原型平臺設計

高 鵬

上海同濟大學(xué)電子信息學(xué)院   200092

摘　要：本文首先簡(jiǎn)要介紹了LEON2微處理器，然后論述在A(yíng)ltera的FPGA開(kāi)發(fā)板上建立基于LEON2的SOC原型平臺，從硬件設計和軟件結構兩個(gè)方面詳細介紹了設計思路。

關(guān)鍵字：LEON2 現場(chǎng)邏輯門(mén)陣列 片上系統 原型平臺

Design a SOC prototype platform based on LEON2
Gao peng
E-mail: gaopeng828@hotmail.com

Abstract: This paper first introduce LEON2 micro-processor, then tell how to design prototype platform based on LEON2 in Altera’s FPGA development board. It specify our think of hardware design and software architecture.

Keywords: LEON2   FPGA   SOC   Prototype-platform

　　隨著(zhù)IC制造工藝水平的快速發(fā)展，片上系統（SOC）在ASIC設計中得到廣泛應用。微處理器IP核是SOC片上系統的核心部分。但是大多數公司和研究機構沒(méi)有足夠的財力與人力開(kāi)發(fā)自己的處理器，所以業(yè)界比較流行的做法就是購買(mǎi)微處理器的IP核，例如ARM核或MIPS核,但需要數十萬(wàn)美金的許可證費用的投入。

　　除了昂貴的ARM核與MIPS核以外，我們還有另外一種選擇，就是選擇開(kāi)放源代碼的微處理器的IP核。目前可以實(shí)際使用的開(kāi)放源代碼處理器有LEON系列與OPENRISC系列兩種。本文就介紹了LEON2微處理器核，快速的建立起一個(gè)SOC的平臺的原型對于驗證系統性能與加快軟件開(kāi)發(fā)都是相當重要的。本文還詳細闡述了如何在A(yíng)ltera的FPGA開(kāi)發(fā)板上建立基于LEON2微處理器的SOC原型平臺。

1 LEON2微處理器

　　LEON處理器系列是歐洲航天局的下屬的研究所開(kāi)發(fā)的32位微處理器，應用在航天局的各種ASIC芯片內。目前有LEON2，LEON3系列。LEON系列處理器是一個(gè)可配置，可綜合適于在SOC設計中應用的微處理器核。LEON2處理器是一個(gè)使用SPARC V8指令集的32位的RISC處理器，它的源代碼由可綜合的VHDL代碼構成。同時(shí)LEON2的性能也很不錯，使用Dhrystone2.1的測試平臺，LEON可以達到大約0.85MIPS/MHz。更大的好處是LEON處理器是一個(gè)公開(kāi)源代碼，遵循GNU LGPL協(xié)議。任何人都可以其網(wǎng)站上免費下載其硬件代碼和各種開(kāi)發(fā)軟件工具與相關(guān)文檔。并且在自己ASIC項目中使用。

　　LENO2的處理器具有以下的特點(diǎn):

　　內部使用了5級流水線(xiàn)，兼容SPARC V8指令集。

　　具有硬件乘法，除法和MAC的功能。

　　具有分開(kāi)的指令和數據cache結構（哈佛結構），可以根據需求靈活的配置cache的容量，大小范圍是1－64kbyte。

　　片上總線(xiàn)規范使用了AMBA2.0規范，支持APB,和AHB標準。

　　具備一些片上常用外設，包括UART，中斷控制，I/O端口，實(shí)時(shí)時(shí)鐘,看門(mén)狗等。

　　支持硬件調試功能。

　　從上面的介紹可以看出，LEON2的性能相當不錯，但是作為一個(gè)處理器，除了本身的性能以外，同時(shí)還必須要有高效的編譯器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，各種應用軟件和操作系統的支持。ARM和MIPS在嵌入式的廣泛應用，與其背后的高效的軟件編譯開(kāi)發(fā)工具，以及眾多支持ARM和MIPS的實(shí)時(shí)操作系統軟件有很大關(guān)系。很多公司選擇ARM或MIPS，不僅看重微處理器的性能，更大的方面是看重其背后的軟件支持環(huán)境。雖然LEON系列在這一點(diǎn)上不如商用微處理器，但是也是相當不錯了。和硬件代碼一起，可以下載LECCS，一個(gè)基于GCC的免費的C/C++的交叉編譯系統，同時(shí)也可以使用GDB調試工具做源代碼級別的調試。開(kāi)源社區還提供免費的實(shí)時(shí)系統RTEMS,UClinux,eCos等免費實(shí)時(shí)操作系統。上述實(shí)時(shí)操作系統都已在LEON2處理器上移植成功了。

　　由于LEON2處理器的源代碼是公開(kāi)的，任何人都可以免費得到和使用。很多研究機構和公司沒(méi)有自己的處理器的核，如果去開(kāi)發(fā)，需要大量的人力物力支持，而且附帶的各種軟件編譯器的開(kāi)發(fā)也需要大量的工作，對于中小型的公司或研究院很難做到。如果通過(guò)購買(mǎi)ARM或者M(jìn)IPS的核，通常都需要幾十萬(wàn)美金的許可證的費用，同時(shí)以后的產(chǎn)品也必須要付一定的費用。而LEON系列處理器就給了這些公司和研究機構另外的一種選擇。雖然在功耗和性能上同常用的ARM,MIPS等處理器還有些不足，但是完全可以使用。LEON處理器是經(jīng)過(guò)了多個(gè)ASIC芯片流片成功的實(shí)踐檢驗。目前基于LEON系列的ASIC芯片也有幾十個(gè)項目。

2 在FPGA開(kāi)發(fā)板上建立基于LEON2的SOC原型平臺

　　隨著(zhù)片上系統復雜性的不斷增加，為了克服片上系統（SOC）設計的挑戰，半導體業(yè)界正在采取一種基于系統原型的平臺設計方法。這種方法就是通過(guò)將片上系統映射到FPGA，這樣可以在接近運行速度的前提下，驗證硬件和軟件。這樣不僅給為軟件部分能盡早的進(jìn)行開(kāi)發(fā)與調試工作提供了一個(gè)原型，同時(shí)也可以在實(shí)際運行中發(fā)現一些在系統設計中沒(méi)有注意的地方。這樣最終可以縮短設計周期，同時(shí)為ASIC設計一次成功提供了更大的把握。

　　在我們的設計中，為了上述的目的，所以決定在FPGA開(kāi)發(fā)板上建立基于LEON2處理器的SOC平臺。使用這個(gè)原型系統，就可以很容易驗證系統的性能，并且加速軟件開(kāi)發(fā)調試流程。圖2 就是我們的一個(gè)基于LEON2的平臺的模塊框圖。LEON2處理器作為核心部分，片內ROM存放monitor負責系統初始化和將程序拷貝到片外SRAM內的任務(wù)，片外RAM是FPGA開(kāi)發(fā)板上memory，用來(lái)存放程序和數據。我們自己設計的IP核通過(guò)AHB總線(xiàn)和LEON2相互交互。

　　FPGA開(kāi)發(fā)板是Altera公司的FPGA開(kāi)發(fā)板NIOS。板上主要有以下資源，一塊APEX20KE的FPGA，256K字節的RAM(2個(gè)64K*16bit的片子)，JTAG接口（通過(guò)JTAG接口我們可以從PC機上對APEX20KE進(jìn)行編程），串行口和計算機的COM1口相連。APEX20KE是Altera公司的可編程邏輯器件，標準門(mén)數為20萬(wàn)門(mén)左右，片上可配置RAM或ROM為10K。

　　開(kāi)發(fā)流程如圖3開(kāi)發(fā)流程圖。

　　硬件流程: LEON2軟核用VHDL代碼編寫(xiě)的，和我們的VHDL設計文件一起使用Synplify綜合工具生成FPGA的網(wǎng)表文件，然后使用Altera公司的布局布線(xiàn)和下載的工具Quartus生成相應的SOF文件。通過(guò)JTAG端口將SOF文件下載到片子上去。對FPGA硬件進(jìn)行配置。由于Quartus軟件可以預先配置APEX20KE片上ROM，所以我們可以利用這一點(diǎn)，在LEON2的片上ROM預先配置好1K大小的Monitor軟件。

　　軟件開(kāi)發(fā)流程,當軟件代碼完成以后，使用LEON2的基于GCC的LECCS交叉編譯系統對C代碼編譯，得到二進(jìn)制代碼以后，就可以通過(guò)串行口下載到FPGA開(kāi)發(fā)板上。

3 軟硬件詳細設計

　　在LEON的開(kāi)發(fā)網(wǎng)站上可以下載VHDL代碼， LEON2是一個(gè)可配置的處理器核，可以根據具體系統的應用范圍，對處理器的性能進(jìn)行權衡。例如可以將指令和數據cache進(jìn)行設置，選擇從1kbyte到64kbyte的大小。同時(shí)選擇處理器是否要支持硬件乘法器。是否要有硬件debug的功能等等。圖四是LEON2的處理器配置的界面，將各個(gè)選項部分配置完畢，系統生成對應的VHDL代碼。

　　在最終的設計中，選取了指令和數據cache分別是1kbyte，不帶有硬件乘法功能的模塊。得到LEON2的VHDL代碼，然后加入我們自己設計的HDL代碼，使用modelsim做簡(jiǎn)單的功能仿真。等功能仿真通過(guò)后,使用synplify對VHDL綜合，應用 APEX20KE器件，最終的綜合結果是：占用 FPGA資源是5800個(gè)LE，可以達到的時(shí)鐘頻率最大46M。應當注意的是，由于A(yíng)PEX20KE器件是Altera公司2000年的產(chǎn)品，如果采用Altera新一代的FPGA器件,例如StratixII器件，時(shí)鐘頻率可以達到107M,可以滿(mǎn)足大多數的應用領(lǐng)域。

　　使用quartus進(jìn)行布局布線(xiàn)時(shí)，需要將LEON2和外圍的memory連接起來(lái), LEON2對程序存儲器和數據存儲器是統一尋址。但是在FPGA原型平臺設計時(shí)，軟件需要多次修改調試，所以不能采取將程序固化在片外flash這種做法。所以采用了圖5的結構，LEON2核同片內ROM和片外SRAM連接。其中ROM存放了一個(gè)monitor程序。由于這個(gè)部分是整個(gè)平臺正常工作的核心，所以下面我專(zhuān)門(mén)對它做詳細的解釋。

   LEON2的平臺中有兩個(gè)memory，分別是片內ROM，片外SRAM,LEON2對存儲器是統一尋址的。分配如下：

　　Monitor的主要作用是在LEON2系統reset初始化的時(shí)候首先對處理器初始化，對LEON2的存儲配置寄存器進(jìn)行配置。然后向UART口發(fā)送啟動(dòng)信息，然后等待從UART信息。當軟件部分使用交叉編譯器LECCS在PC上編譯完畢后， PC機通過(guò)UART口和FPGA開(kāi)發(fā)板相互通信，就可以將編譯好的srec文件下載到FPGA開(kāi)發(fā)板上去,放置在片內rom里面的monitor程序就讀入程序的內容以及程序的起始地址。起先monitor將srec程序拷貝到SRAM程序區，等全部程序下載好以后， monitor最后一條程序就會(huì )自動(dòng)跳轉到程序的起始位置，執行SRAM里的程序。

　　使用圖5的連接。由于data_to_leon[31:0]的數據線(xiàn)是單向的，我們使用多路復用器來(lái)選擇從外部SRAM的數據輸入或者內部ROM數據輸入和data_to_leon[31:0]相互連接,使用romsn[0]來(lái)選擇。romsn[0]只有當訪(fǎng)問(wèn)PROM時(shí)才會(huì )置低，也就是地址為0x00000000-0x1FFFFFFF的時(shí)候。根據上面的描述只有系統reset初始化的時(shí)候訪(fǎng)問(wèn)PROM，也就是romsn[0]置低，等下載的程序全部都拷貝到SRAM程序區以后，monitor會(huì )控制LEON2處理器跳轉到程序的起始位置，也就是片外的SRAM內，這時(shí)候romsn[0]保持高電平，也就是data_to_len[31:0]于ram_datain[31:0]連接。這樣系統就只會(huì )接收外部SRAM的數據。

　　也就是，程序下載完畢后，就只會(huì )執行下載的程序。這樣就可以反復修改程序，反復下載程序?？梢栽诶眠@個(gè)原型平臺開(kāi)發(fā)和調試軟件硬件程序。圖6是monitor的程序框圖。

　　最終，在FPGA里根據上面圖5的連接將LEON2分別和片內ROM，片外SRAM相互連接，其中片內rom放入了前面所說(shuō)的monitor的程序。使用quartus做布局布線(xiàn)和下載。最終在FPGA開(kāi)發(fā)板上建立了LEON2的SOC原型平臺，系統可以穩定的工作在33M的時(shí)鐘下，并且由于FPGA的可多次配置的特性，極大的方便了軟件模塊和硬件模塊的開(kāi)發(fā)調試工作。

4 總結和題外話(huà)

　　上面的內容論述了如何利用Altera的FPAG開(kāi)發(fā)板資源，使用開(kāi)放源代碼的LEON2微處理器，建立一個(gè)基于LEON2的SOC原型開(kāi)發(fā)平臺。并且從軟件結構和硬件設計的兩個(gè)方面詳細介紹了這個(gè)平臺的建立。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，完全滿(mǎn)足要求，加快了我們的項目開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

參考文獻：

1 單片機原理及接口技術(shù)    李朝青 編著(zhù) 北京航空航天大學(xué)出版社 1994年第一版

2 Nios Embedded Processor Development board  Altera Corporation  March   2002, ver2.0

3 Nios Embedded Processor Getting Started      Altera Corporation  January  2002 ver2.0

4 Nios board schematic                      Altera Corporation  January  2002 ver2.0

5 The LEON-2 Process User’s Mannual          Version 1.0.13  August    2003

6  http://www.gaisler.com/index.html