利用Xilinx的MicroBlaze进行FPGA设计

MicroBlaze是一个32位软RISC处理器核心，创建它是为了加速成本敏感、高容量应用程序的开发，传统上需要一个或多个微控制器。

Xilinx成本优化组合FPGA上的MicroBlaze提供了先进的工具套件和FPGA平台，以帮助简化开发工作和最小化系统预算。Xilinx专注于提高MicroBlaze处理器软核的可用性，使工程师能够快速配置嵌入式硬件平台，并立即在行业标准环境中开始软件编码。

作为嵌入式处理器，MicroBlaze使Xilinx的FPGA组合能够满足工业、通信基础设施、医疗设备、汽车和消费市场的集成和性能要求。通过平台和处理器的正确组合，设计人员可以制定一个解决方案来满足他们的体系结构挑战，包括I/O外设、通信接口、实时功能和操作系统支持的正确组合。

图1。微毛核心架构

微毛状如何不同？

传统上，在FPGA中实现MicroBlaze这样的处理器软核以获得最大的集成优势意味着相当长的时间。加速上市意味着立即进行软件开发的巨大压力，最后需要的是在编码开始之前额外的学习曲线和微控制器平台的设计开销。这个问题通过引入一个开发流来解决，该开发流允许立即开始编码，而不必等待定制的硬件平台。

这些更新可以尝试使用一系列成本优化的FPGA系列开发工具包，包括可构建的示例项目。如果您需要与MicroBlaze集成的特定功能，如收发器、接口或DSP算法，可以通过与MicroBlaze集成的工具链访问“拖放”IP组合。在大多数情况下，IP供应商会提供一些示例项目和教程来指导你如何实现，并通过试用期或绑定选项让设计师能够立即创建原型。Xilinx工具提供了支持大多数开发板的免费web版本。

这与过去的fpga不同，在过去的fpga中，您必须移植自己的开源os版本或创建自己的内核来运行代码。当Linux版本存在时，它们通常都有bug，很难实现，因为在wiki上浪费了时间，构建指令不一致或不充分。今天，MicroBlaze提供了包括freeRTOS和Linux在内的操作系统支持。

这些实例项目可以根据需要进行修改——与过去有限的os支持相比，这是一个相当大的进步。现在可以选择具有可靠确定性或主流内核可接受的Linux环境的高效实时操作系统，也可以作为预构建的ram磁盘使用。它是令人惊讶的容易“搞大”一个Linux实现，把它连接到一个网络接口，并有一个简单的web服务器。

图2。微勃朗示例运行实时操作系统'freertos'

一个良好的架构必须启用新功能介绍，未来证明设计具有减少的硬件平台迭代，并包含设计安全性。MicroBlaze是一种全功能微处理器架构，包括这些和许多其他功能。这些功能包括虚拟内存管理，高速缓存一致性，流链路支持以及浮点处理单元。

还应用了对具有容错配置选项的高端应用程序进行分解的需求。这些容错选项有助于为安全敏感应用程序提供防篡改功能。两个或两个以上的“并行”MicroBlaze核心隐形地同步监控运行的处理器，检测单个事件扰乱或黑客攻击，使系统能够自我诊断和响应其他灾难性的情况。

图3。Lockstep MicroBlaze容错体系结构的示例

实现风潮

Xilinx的成本优化组合有许多其他的改进来帮助改进软核心实现。高速SPI配置为驻留在串行flash中的程序代码提供了更快的启动选项，具有多启动能力，以支持多处理器应用程序。通过内置的安全更新功能，包括256位AES加密和HMAC/SHA-256认证，可以实现动态的现场升级。

Xilinx通过部分重新配置功能支持FPGA固件更新。这使得通过下载部分位文件，可以通过下载部分位文件在FPGA上动态修改剩余逻辑在不中断的情况下继续运行。而不是使用多个设备或要求将FPGA脱机更新，而是可以在不需要其他设备的情况下具有连续操作。

从历史上看，FPGA软核集成的好处伴随着设计复杂性的增加和开发自定义桥接逻辑、外设开发的价格标签，以及设计者被迫在低于标准的环境中编写和调试代码的持续低效。MicroBlaze拥有传统嵌入式微控制器中的所有外设，这些外设很容易与软核集成。

基于eclipse的工具链是一个全面的、熟悉的环境，它提供了完全混合级别的调试，还支持多处理器开发。软件设计人员可以在同一个开发环境中在ARM或Microblaze编译和调试支持之间进行切换。自动板支持包创建提供了对Microblaze硬件体系结构的内存映射的访问，包括外设和I/O。BSP链接在外围驱动程序中，并包括一个汽车制造设施，使设计以最小的开销进行。

选择一个最佳的FPGA平台，然后使用SDK打开三种预配置的MicroBlaze架构之一，并遵循位于快速入门指南(PDF)。软件设计师可以在大约5分钟内启动并运行“hello world”。这使工程师能够熟悉Microblaze并开始实现，而不需要使用Vivado FPGA工具套件。如果需要更多特殊用途的定制，可以使用Vivado的IP集成商工具来调整模板项目。该工具集成了连接和块自动化配置向导，并提供了添加额外IP、修改接口外设、总线连接和内存映射的简单方法。

图4。快速添加外设与Vivado IP集成商工具

成本优化的FPGA产品组合

成本优化的FPGA Spartan-6，Spartan-7，Artix-7和Zynq-7000系列提供量身定制的功能和功能，以满足各种目标应用程序的需求。虽然它们都具有实现硬件算法和基于微处理器的控制系统的能力，但它们的差异反映了目标应用程序特定要求，这些要求是单独使用通用逻辑的成本有效地获得的特定于目标的特定要求。

图5。Xilinx成本优化的投资组合概述

斯巴达-6和斯巴达 - 7

Spartan-6和Spartan-7 FPGA平台适用于任何连接，桥接应用和传感器接口。有了这一说，它们仍然足够强大，可用于高性能算法，同时仍提供当今可用的最高I / O连接平台。由于其小的形状包装选项，它们使得缩小的四层PCB设计。

Spartan-7的性能降低了电源尺寸和成本，导致成本和尺寸改进。许多内置的系统级块，包括DSP切片，PLL，双12位1MHz ADC，以及系统监控图块使能功能映射到FPGA中以进行额外的节省。其他功能包括高速DDR3接口功能和大量可用的IP块，可连接到行业标准的AMBA AXI-4总线。汽车等级版本可用于需要更高耐高温的应用程序，并且架构师可以通过使用AES和设备DNA保护的增强的IP安全性来确保其设计。

Artix-7

Artix-7适用于需要高速串行接口或信号处理繁重应用的设计。6.6Gbps的收发器是目前业界最快的。这种速度使得诸如PCI Express、DisplayPort、串行ATA、HDMI、USB3.0和支持uhd的SDI等接口能够与MicroBlaze系统集成。

zynq - 7000

Zynq-7000是一款SoC，具有单核或双核ARM-Cortex-A9子系统，有超过3000个高速互连到FPGA fabric，以实现高速算法加速。为了获得更高的速度，设计师可以使用Zynq UltraScale+ MPSoC双核和四核A53。Xilinx提供以系统和IP为中心的设计，在接口级别集成即插即用IP，而不是IP构建块的信号级别。设计生态系统支持使用C/ c++、system-C open-CL进行高级合成，通过Eclipse使软件开发人员更容易加速。

MicroBlaze集成

MicroBlaze集成到Xilinx的可配置逻辑分析仪，Chipscope Pro软件。这允许硬件接口，包括串行和并行总线，通用I/O，和任何逻辑互连，直接循环捕获和跟踪与微处理器操作。可以使用物理配置、编程和调试接口将高级软件调试连接到MicroBlaze系统，以实现所有熟悉的断点和所需的步进功能。

Xilinx提供CPLD和FPGA开发套件的USB 2下载电缆，以及JTAG电缆，如果需要可以直接连接到设备本身。如果需要远程调试，则可以通过集线器或通过独立供电的以太网到JTAG电缆的交换机连接到LAN。如果需要其他选项，或者需要与现有工具链兼容，可以从第三方提供商获得调试解决方案。

微卷大既是主要处理器的工作，也可以作为ARM子系统的协处理器，使实时算法加速和关键函数分离。通过硬件设计改变，可靠地通过包括更多MicroBlaze处理器的改进来可靠地增加。可以通过高安全性，软件和FPGA逻辑图像进行升级，在不间断操作期间可升级。低成本集成ARM解决方案将应用程序空间和IOT功能添加到可以将其与实时算法支持所需的MicroBlaze协处理器的FPGA添加到FPGA中。

Xilinx的OpenCL C-To-VHDL功能可实现无形的软件设计的内硬件加速。将MicroBlaze与成本优化的产品组合相结合，提供了一种可扩展的未来校准，具有统一的工具链，它利用了全面的IP目录。

额外资源

• MicroBlaze设计中心
• 既投资组合

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