基于嵌入式處理器的Virtex FPGA板級支持包設計

具有嵌入式處理器的平臺FPGA提供很大的靈活性、集成度和高性能。目前，在單個可編程邏輯器件中開發極其復雜且高度定制化的嵌入式系統已成為可能。隨著芯片性能的不斷增加，如何使設計方法始終高效、多產，成為人們面臨的主要挑戰。嵌入式系統開發的關鍵活動之一是板級支持包（BSP）。利用BSP，可以使嵌入式軟件應用程序成功地初始化，并與連接到處理器的硬件資源進行通信。典型的BSP組件包括引導代碼、器件驅動程序代碼和初始化代碼。

創建BSP是一個冗長而繁復的過程，并且每當微處理器與處理器和相關的外設的組合有所變更時都得再次創建。對FPGA而言，短的設計周期加上平臺的靈活性，會使得管理BSP的任務更為艱巨（圖1）。這就迫使人們尋找更有效地管理BSP的方法。

設計流程和軟件BSP生成

賽靈思處理器的設計包含硬件平臺集結流程和嵌入式軟件開發流程。這些流程都通過XPS（Xilinx Platform Studio）工具加以管理，該工具屬于賽靈思嵌入式開發套件（EDK）的一部分。

設計通常始于在XPS中集結與配置處理器及與其相連接的器件。定義好硬件平臺后，就可以配置系統的軟件參數了。XPS的一個主要特點是，它可以根據你對處理器、外設和嵌入式操作系統的選擇和配置來定制BSP。系統通過硬件設計的迭代改變而發展，同時BSP隨著平臺而發展。

自動生成的BSP可賦予嵌入式系統設計者以下能力：自動創建與硬件設計完全匹配的BSP；使用預認證的組件消除BSP設計錯誤；立即啟動應用軟件開發，提高設計者的效率。

創建用于VxWorks的BSP

XPS可生成用于賽靈思Virtex-II Pro和Virtex-4 FPGA中的PowerPC 405處理器及其外設的定制Tornado 2.0.x（VxWorks5.4）或Tornado 2.2.x（VxWorks5.5）BSP。生成的BSP包含系統必需的所有支持軟件，包括引導代碼、器件驅動程序和VxWorks初始化。

圖1：平臺FPGA靈活性要求軟件BSP產生過程更高效

在XPS定義完具有PowerPC 405處理器的硬件系統后，只需遵循以下三個步驟即可生成用于VxWorks的BSP：

1. 使用軟件設置對話框選擇要為系統使用的操作系統。XPS用戶可選擇VxWorks5.4或VxWorks5.5作為其目標操作系統。

2. 選擇了操作系統后，可轉到資料庫/操作系統參數標簽，根據定制硬件調整Tornado BSP。你可以選擇系統中的任意UART器件作為標準I/O器件（標準輸入和標準輸出）。這將使該器件被用作VxWorks控制器件。

你還可以選擇將哪些外設作為連接外設，將哪些器件緊密集成到VxWorks操作系統。例如，賽靈思10/100以太網MAC可以集成到VxWorks增強型網絡驅動程序（END）接口。或者不必將以太網器件連接到END接口，而從VxWorks應用程序直接訪問它。

3. 選擇“工具》生成庫”和BSP菜單選項，生成Tornado BSP。生成的BSP與傳統的Tornado BSP相似，位于ppc405_0/bsp_ppc405_0下的“Platform Studio”目錄中（見圖2）。注意ppc405_0為硬件設計中PowerPC 405處理器的實例名。XPS用戶可指定其它實例名，此時BSP的子目錄名稱會匹配處理器實例名。

基于嵌入式處理器的Virtex FPGA板級支持包設計

圖2：生成的BSP目錄結構

通過XPS生成的Tornado BSP具有一個“Makefile”文件，如果希望使用Diab編譯器而不是Gnu編譯器，可在命令行修改此文件。

Tornado BSP是完全獨立的，并可以轉移到其它目錄位置，如BSP的標準Tornado安裝目錄：target/config。

定制BSP

由XPS生成的用于VxWorks的BSP與大多數其它Tornado BSP相似，只是賽靈思器件驅動程序代碼的位置有所不同。與Tornado相關的現成器件驅動程序代碼通常位于Tornado分布目錄的 target/src/drv目錄中，而由XPS自動生成的BSP的器件驅動程序代碼位于BSP目錄本身中。

基于FPGA的嵌入系統之動態特性是造成此微小差別的原因。因為基于FPGA的嵌入系統可以用新的或更改后的IP重新編程，器件驅動程序可以改變，因此就需要對器件驅動程序源文件進行更為動態的放置。圖2為自動生成的BSP目錄樹，賽靈思器件驅動程序放置在BSP子目錄ppc405_0_drv_csp/xsrc中。

賽靈思器件驅動程序在C盤中執行并分布在數個源文件中，這點不同于傳統的、通常由單個C頭文件和執行文件組成的VxWorks驅動程序。此外，對于器件驅動程序，既有獨立于操作系統的執行，又有可選的依賴于操作系統的執行。

驅動程序的操作系？？立部分應同任何操作系統或處理器一起使用。它提供了一種應用程序接口（API），能提取基礎硬件的功能。驅動程序的操作系統附屬部分對驅動程序進行調整，使其得以在VxWorks之類的操作系統下使用，例如串行端口使用的Serial IO驅動程序和以太網控制器使用的END驅動程序。只有能被緊密集成到標準操作系統接口的驅動程序才要求操作系統附屬驅動程序。

賽靈思驅動程序源文件加入VxWorks映像構件的方式同其它BSP文件加入的方式相同。針對每個驅動程序，在BSP目錄中都有一個名為 ppc405_0_drv_.c的文件。此文件包括針對給定器件的驅動程序源文件（*.c），并自動由BSP makefile編譯。

該過程與VxWorks sysLib.c針對風河系統（Wind River）提供的驅動程序納入源文件的過程相似。賽靈思驅動程序文件不像其余驅動程序一樣單純納入sysLib.c的原因，在于命名空間的沖突和可維護性問題。如果所有的賽靈思驅動程序文件都是單個編譯單元的一部分，那么靜態功能和數據就不再處于保密狀態了。這會對器件驅動程序產生限制，也會抵消其操作系？？立性。

與Tornado IDE集成

自動生成的BSP被集成到 Tornado IDE。BSP可從命令行使用“Tornado make”工具編譯，或從“Tornado Project”編譯。生成BSP后，只需在命令行鍵入“make VxWorks”來編譯可啟動的RAM映像。這是假定此前已設置了Tornado環境（此設置可以在Windows操作平臺上在命令行使用 host/x86-win32/bin/torVars.bat來完成）。如果你使用的是“Tornado Project”器件，可以在新生成的BSP的基礎上創建一個項目，然后使用通過IDE提供的構件環境編譯此BSP。

Tornado 2.2.x不僅支持Gnu編譯器，還支持Diab編譯器。XPS創建的Tornado BSP有一個“Makefile”，如果你想使用Diab編譯器而不是Gnu編譯器，則可以在命令行修改此“Makefile”。尋找稱為“工具”的生成變量，將值設置到Diab而不是Gnu。如果使用“Tornado Project”工具，項目最初創建時可選擇所需的編譯器。

文件“50ppc405_0.cdf”位于BSP目錄下，并在創建BSP的過程中加以更改。此文件將器件驅動程序融入了Tornado IDE菜單系統。驅動程序在“硬件》外圍器件”子文件夾處與BSP結合在一起。在其下面是單獨的器件驅動程序文件夾。

“Tornado Project Facility”的“文件”標簽也會顯示用來將賽靈思器件驅動程序與Tornado構建過程結合在一起的文件數量。這些文件由XPS自動創建，你只需要知道其存在就行。

一些常用器件與操作系統緊密結合，而其它器件可通過直接使用器件驅動程序從應用程序？？問。與 VxWorks緊密結合的器件驅動程序包括：10/100以太網MAC；10/100以太網Lite MAC；1Gb以太網MAC；16550/16？50 UART；UART Lite；中斷控制器；System ACE技術；PCIe。

所有其它器件及相關的器件驅動程序并未緊密集成到VxWorks接口，而只是與其松散集成。對這些器件的訪問可通過從用戶應用程序直接訪問相關器件驅動程序來進行。