作者：張開(kāi)鋒，肖山竹，陸靜芳

1 MicroBlaze的體系結(jié)構(gòu)

MicroBlaze采用功能強(qiáng)大的32位流水線結(jié)構(gòu)，包含32個(gè)32位通用寄存器和1個(gè)可選的32位移位器，時(shí)鐘頻率可達(dá)150 MHz;在Virrex一4 FPGA上運(yùn)行速率高達(dá)120 DMIPS，僅占用Virtex—II Pro FPGA中的950個(gè)邏輯單元。MicroBlaze軟核的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它具有以下基本特征：

①32個(gè)32位通用寄存器和2個(gè)專(zhuān)用寄存器(程序計(jì)數(shù)器和狀態(tài)標(biāo)志寄存器)。

②32位指令系統(tǒng)，支持3個(gè)操作數(shù)和2種尋址方式。

③分離的32位指令和數(shù)據(jù)總線，符合IBM的OPB總線規(guī)范(與外設(shè)相連接的低速總線)。

④通過(guò)本地存儲(chǔ)器總線(LMB，本地高速總線)直接訪問(wèn)片內(nèi)塊存儲(chǔ)器(BRAM)。

⑤具有高速的指令和數(shù)據(jù)緩存(cache)，三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)(取址、譯碼、執(zhí)行)。

⑥具有硬件調(diào)試模塊(MDM)。

⑦帶8個(gè)輸入和8個(gè)輸出快速鏈路接口(FSL)。

圖中接口信號(hào)說(shuō)明如下：

①DOPB，器件內(nèi)部的外圍設(shè)備數(shù)據(jù)接口總線，用于處理器與片內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

②DLMB，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的本地塊存儲(chǔ)器總線。該總線為處理器內(nèi)核與塊存儲(chǔ)器(BRAM)之間提供專(zhuān)用的高速數(shù)據(jù)交換通道。

③IOPB，用于實(shí)現(xiàn)外部程序存儲(chǔ)器的總線接口。當(dāng)程序較大時(shí)，需要外接大容量的存儲(chǔ)器。該總線提供讀取指令的通道。

④ILMB，用于取指令的本地存儲(chǔ)器總線。該總線與器件內(nèi)部的塊存儲(chǔ)器(BRAM)相連，實(shí)現(xiàn)高速的指令讀取。

⑤MFSLO～7，主設(shè)備數(shù)據(jù)接口，提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信通道。

⑥SFSLO～7，從設(shè)備數(shù)據(jù)接口，提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信通道。

2 MicroBlaze嵌入式開(kāi)發(fā)工具EDK

Xilinx公司提供了完善的嵌入式開(kāi)發(fā)工具EDK(Em—bedded Development Kit)。EDK是Xilinx公司于2003年推出的SOPC(System On Programmable Chip)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)套件。該套件集成了豐富的開(kāi)發(fā)工具和大量的IP核資源，其中集成的工具包括硬件平臺(tái)生成器(PlatGen)、硬件仿真模型生成器(SimGen)、硬件調(diào)試工具(XMD)、軟件庫(kù)生成器(LibGen)、應(yīng)用軟件編譯工具(GNU Compilers)、軟件調(diào)試工具(GNU Debuggers)等;IP核資源包括LMB和OPB總線接口、外部存儲(chǔ)器控制器(EMC)、SDRAM控制器、UART接口、中斷控制器、定時(shí)器等。所有這些工具和資源都由EDK中的一個(gè)叫平臺(tái)工作室XPS(XilinxPlatform Studio)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境統(tǒng)一管理。XPS提供一個(gè)友好的圖形用戶(hù)界面(GUI)，使用非常方便。設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3 液晶顯示模塊

MPG240128液晶模塊為圖形點(diǎn)陣式液晶，不僅可以顯示數(shù)字、字符等內(nèi)容，還可以顯示漢字和任意圖形。該模塊的控制芯片為T(mén)6963C，與外部的連接只有8位數(shù)據(jù)線和6條控制線及電源。液晶模塊引腳說(shuō)明如表1所列。MCtJ只要通過(guò)這些數(shù)據(jù)線和控制線，按照相應(yīng)的時(shí)序進(jìn)行讀寫(xiě)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的顯示控制。

4 MicrOBlaze與液晶顯示模塊的接口

由于本文采用的液晶模塊已經(jīng)自帶了顯示控制芯片T6963C，因此液晶模塊的外圍電路相對(duì)來(lái)說(shuō)就比較簡(jiǎn)單，只要考慮和MicroBlaze的接口電路即可。本設(shè)計(jì)采用GPIO模擬液晶模塊的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶模塊的顯示控制。MicroBlaze和液晶模塊的接口電路如圖3所示。

在EDK開(kāi)發(fā)套件的XPS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。在其界面環(huán)境下，添加所需IP核，進(jìn)行系統(tǒng)連接和各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置。利用平臺(tái)產(chǎn)生器，根據(jù)硬件描述文件(.MHS文件)，生成嵌入式系統(tǒng)子模塊的網(wǎng)表文件(.NGC)，然后調(diào)用Xilinx的綜合工具XST進(jìn)行綜合，從而構(gòu)成整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件模型。

本設(shè)計(jì)中采用了GPIO對(duì)液晶模塊進(jìn)行控制。EDK提供了一系列API函數(shù)，通過(guò)這些函數(shù)可以很方便地對(duì)GPIO進(jìn)行操作。下面先介紹2個(gè)函數(shù)：

其中，InstancePtr是指針，指向要控制的GPIO的基地址;Channel為通道值，選0或1。這兩個(gè)函數(shù)只對(duì)Mask中對(duì)應(yīng)位為1的位有影響，比如，XGpio_DiscreteSet(&lcd240128，1，Ox00000001)將LCl3240128_pin置1，而不影響其他位;同理，XGpio_DiscteteClear(&1cd240128，1，0x00000001)將LCD240128_pin<0>置0，而不影響其他位。為了增強(qiáng)程序的可讀性，增加了8個(gè)宏定義：#define wr_high()XGpio_DiscreteSet(&lcd240128，1，Ox00000800)，#define wr_low()XGpio_DiscreteClear(&1cd240128，l，0x00000800)，其他6個(gè)同理可推知。有了這2個(gè)函數(shù)，就可以很方便地編寫(xiě)出寫(xiě)命令和寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)了。下面對(duì)這2個(gè)函數(shù)作簡(jiǎn)要介紹：

液晶顯示圖形和字符都是由點(diǎn)陣組成的，因此，在液晶上顯示一個(gè)像素點(diǎn)是顯示圖形和字符的基礎(chǔ)。下面將單像素點(diǎn)顯示函數(shù)介紹如下：

有了單像素點(diǎn)顯示函數(shù)，就可以很方便地編寫(xiě)出字符顯示函數(shù)和圖形顯示函數(shù)了。限于篇幅，這里不作介紹。

結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)已在Xilinx Spatan3 Starter Board上進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了良好的效果。通過(guò)本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)可以看出，MicroBlaze是一個(gè)功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活的嵌入式軟處理器，特別是其強(qiáng)大的用戶(hù)自定義邏輯功能，極大地方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，基于嵌入式軟處理器的SOPC開(kāi)發(fā)方法，必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

責(zé)任編輯：gt