当今时代,嵌入式系统已经无所不在,与人们的日常生活息息相关。随着嵌入式技术以及嵌入式实时操作系统等信息技术的发展,人们对控制器也提出了越来越高的要求。研究模块化、嵌入式、可重构的开放式控制器成为当前控制领域的一个重要发展方向。嵌入式系统以微处理器为核心, 以计算机技术为基础,其主要特征是实时性强。
嵌入式微处理器PicoBlaze 适用于Spartan、CoolRunner 和Virtex 等系列FPGA,运行速度可达到40MIPS 以上,提供49 个不同的指令,l6 个寄存器,256 个地址端口,1 个可屏蔽的中断。其性能超过了传统的8bit 微处理器。本文设计的基于PicoBlaze的计时系统具有很好的模块化特点,能够将其例化为IP 核应用于很多的工程实践中。
1 系统设计方案
本文设计的基于PicoBlaze 的计时系统,采用8 位微处理器PicoBlaze 作为控制中枢,通过应用比较成熟的串口方式实现与上位机的通信, 通信速率在0~20000bit/s 的范围内能够实现很好的实时交互处理,利用DCM 进行FPGA 内部复杂时钟的控制和管理,可根据不同需要产生相应计时时钟。使该系统具有较高的模块化和灵活性的特点。
2 PicoBlaze 原理与结构分析
PicoBlaze 8 位微处理器是Xilinx 公司为Virtex 系列FPGA、Spartan 系列FPGA 和CoolRunner 系列CPLD 器件设计的嵌入式专用IP Core。它解决了常量编码可编程状态机(KCPSM)的问题。以Spartan-3 系列XC3S200 20 万门FPGA 为例,这一模块只占用96 个Slices,仅是整个FPGA 资源的5%。PicoBlaze 适用于复杂的但对时间要求不太高的系统中,并可以简化设计。
PicoBlaze 8 位微处理器内部结构如图1 所示。该处理器由全局寄存器、算术逻辑单元(ALU)、程序流控制标志和复位逻
辑、输入/输出(I/O)、中断控制器等几大部分构成。
全局寄存器:16 个8 位全局寄存器,S0~SF。寄存器的操作是非常灵活的;没有为特殊任务保留寄存器,任何寄存器的优先权都是一样的。
算术逻辑单元(ALU):提供了8 位处理器需要的所有简单操作。执行所有的操作都是用任意一个寄存器提供的操作数完成。若操作需两个操作数,则由另一寄存器指定或在指令中嵌入一8 位常量值。在不增加程序大小的前提下,指定任意常量值,增强了简单的指令特性。更明白地说,ADD1 与INCREMENT 指令是等价的。若操作超过8 位,则有一选项(增加或减少)可供选择。二进制操作码(LOAD、AND、0R、XOR)可操作和测试二进制数,还包括SHIFT 和ROTATE 指令集合。
程序流控制标志:ALU 操作后的结果影响ZERO 和CARRY两个标记。用有条件的或无条件的程序流控制指令决定程序执
行的顺序。JUMP 指令指定在程序空间内的绝对地址。CALL 指令将程序定位到用一段代码写的子程序的绝对地址, 同时将返回地址压栈。嵌套CALL 指令使用的栈为l5 层,对于程序大小足够了。
复位逻辑:复位信号强迫程序回到初始状态,即程序从地址O0 开始执行,中断被屏蔽,状态标记和堆栈也同时复位,但寄存器中内容不受影响。
输入/输出(I/O):PicoBlaze 提供256 个输入端口和256 个输出端口。由端口总线提供一个8 位地址值与一个READ 或
WRITE 选通脉冲信号,一起指定访问端口。这个端口地址值或为一确定值或由任意一寄存器中内容指定。当访问由分布式或块状RAM 组成的内存时,最好用直接寻址。当进行输入操作时,输入端口上的值被送到指定的寄存器中。当输出一个READSTROBE输出脉冲时,即表示进行了一次输入操作。
中断控制器:PicoBlaze 提供一中断输入信号。只要用一些简单的组合逻辑,多个信号就可进行组合并被应用于这一中断。
程序中可定义此中断是否被屏蔽,默认值是中断被屏蔽。一被激活的中断信号使程序执行“CALL FF”指令(FF 即256,程序存储器的最后一个位置),然后设计者为此定义的放在此处的一段程序被执行。一般在此地址放一JUMP 指令, 跳转到中断服务程序。中断进程屏蔽其它中断, RETURNI 指令保证在中断程序结束后,标记和控制指令回到原先的状态。
3 串口收发接口设计
3.1 串口收发接口硬件设计
嵌入式微处理器PicoBlaze 本身并不具备串行接口,因此必须在FPGA 中设计串口接收和发送模块并通过总线结构与Picoblaze连接。串口接收和发送模块的设计可采用成熟的IP 核。实际设计中采用了Xilinx 的串口收发IP 核,其特点是串口波特率和符号规则都可以灵活地定制, 同时具有l6 字节的接收FIFO和l6 字节的发送FIFO。
使用Picoblaze 和串口收发IP 核构成的串口收发系统结构见图2。
在设计中,发送模块、接收模块和标志寄存器分别有不同的地址,Picoblaze 通过地址端口对串口收发模块进行访问。设计中的标志寄存器, 可用于指示发送模块和接收模块中FIFO 的状态,Picoblaze 通过查询标志寄存器来完成对串口数据的收发控制。
3.2 串口收发接口软件设计
Picoblaze 通过对标志寄存器的查询,根据FIFO 的状态进行操作。Picoblaze 的编程,类似于汇编语言。串口发送子程序代码如下:
|
楼主
标题置顶
标题高亮
