基于FSL总线的UART外设IP核设计 处理器, 嵌入式, 外设, 硬件, 用户

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引 言

　　在基于MicroBlaze的SOPC系统中，将用户IP核整合到基于MicroBlaze的嵌入式软核处理器系统中，通常有两种方法：一种是将IP核连接到OPB总线；另一种是将用户IP连接到MicroBlaze专用的FSL总线上。尽管OPB和FSL总线都是MicroBlaze软核与FPGA其他片上逻辑资源连接的主要途径，但它们的分工足不同的。OPB总线适用于将要求低速和低性能的设备连接到MicroBlaze系统中；而FSL总线则适用于将对时间要求高的用户自定义IP核，整合到基于MicroBlaze的软核系统中，以实现硬件加速。

　　在Xilinx公司提供的IP核中，有基于OPB总线的UART外设IP核，但是没有基于FSL总线的IP核，使得该UART外设在对时间要求高的系统中性能受到制约。在这种情况下，有必要设计基于FSL总线的UART外设，以使得UART能够在高速系统中发挥最佳性能。

　　Xilinx公司的MicroBlaze软核是支持CoreConnect总线的标准外设集合。MicroBlaze处理器可以运行在150MHz时钟下，提供125 DMIPS的性能，非常适合于设计针对网络、电信、数据通信和消费市场的复杂嵌入式系统。

　　1 MicroBlaze体系结构

　　1.1 MicroBlaze内核结构

　　MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微处理器IP核，与其他外设IP核一起，可以完成可编程系统芯片(SOPC)的设计。MicroBlaze处理器采用RISC架构和哈佛结构的32位指令和数据总线，可以全速执行存储在片上存储器和外部存储器中的程序，并访问其中的数据。内核结构如图1所示。


　　1.2 MicroBlaze的总线接口

　　MicroBlaze处理器软核具有丰富的接口资源。最新版本的MicroBlaze软核支持的总线接口有：

　　◆带字节允许的OPB(On_chip Peripheral Bus，片上外设总线)V2.0接口；

　　◆高速的LMB(Local Memory Bus，本地存储器总线)接口；

　　◆FSL主从设备接口；

　　◆XCL(Xilinx Cache Link，Xilinx缓存链路)接口；
　
　　◆MDM(Microprocessor Debug Module，微处理器调试模块)连接的凋试接口。

　　OPB是对IBM CoreConnect片上总线标准的部分实现，适用于IP核作为外设连接到MicroBlaze系统中；LMB用于实现对片上的BlockRAM的高速访问；FSL是MicroBlaze软核特有的一个基于FIFO的单向链路，可以实现用户自定义IP核与MicroBlaze内部通用寄存器的直接相连；而XCL则是MicroBlaze软核新增加的，用于实现对片外存储器的高速访问。MicroBlaze软核还有专门的调试接口，通过参数设置，开发人员可以只使用特定应用所需要的处理器特性。




　　2 基于FSL总线的UART IP核设计

　　UART(Universal Asynchronous Receiver Transmit-ter，通用异步收发器)是广泛使用的串行数据传输协议，允许在串行链路上进行全双工的通信。串行外设用到的RS232-C异步串行接口，一般采用专用的集成电路(即UART)实现。8250、8251、NS16450 等芯片都是常见的UART器件，这类芯片已经相当复杂，有的含有许多辅助的模块(如FIFO)，有时并不需要使用完整的UART功能和这些辅助功能。如果设计上用到了FPGA器件，那么可以将所需要的UART功能集成到FPGA内部。使用VHDL将UART的核心功能集成，从而使整个设计更加紧凑、稳定且可靠。

　　2.1 UART的典型应用

　　UART主要由数据总线接口、控制逻辑、波特率发生器、发送部分和接收部分等组成。UART内部所实现的功能包括微处理器接口、发送缓冲器、发送移位寄存器、帧产生、奇偶校验、数据接收缓冲器、接收移位寄存器等。UART的典型应用如图2所示。

　　2.2 FSL总线接口

　　FSL总线是一个基于FIFO的单向点对点通信总线，主要用于FPGA的两个模块间进行快速的通信。FSL接口的I／O信号如图3所示。


　　该接口的主要特点：

　　◆单向的点对点通信；

　　◆非共享的无仲裁通信机制；

　　◆支持控制位与数据分离的通信；

　　◆基于FIFO的通信模式；

　　◆可配置的数据宽度；

　　◆高速的通信性能(独立运行达到600 MHz)。

　　2.3 FSL总线UART硬件设计

　　设计中的主要内容是UART IP模块和MicroBlaze之间的FSL总线接口，该接口提供了UART模块与MicroBlaze之间通信的桥梁。Xilinx公司提供的IP核中包括基于OPB总线的UART模块，但是没有提供基于FSL总线的UART模块。如果设计中需要在UART模块和MicroBlaze之间进行高速交互，设计一个基于FSL总线的UART无疑是最佳的选择。UART经过FSL总线与MicroBlaze的连接如图4所示。



　　从图4中可以看出：对于FSL1，MicroBlaze是主设备，UART模块是从设备，MicroBlaze可以发送数据或者命令给UART模块；而对FSL0来说，UART模块是主设备，而MicroBlaze是从设备，UART模块可以发送数据给MicroBlaze来处理。FSL0和FSL1构成了一个FSL总线对，使得MicroBlaze和UART模块可以进行全双工通信。其设计的顶层实现部分代码如下：





　　2.4 FSL总线UART驱动设计

　　对用户自己设计的IP核来说，如果要集成到SOPC系统中，就必须为该IP核开发相应的驱动程序。驱动程序提供一组操作自定义IP核的操作宏，通过这些操作宏，软件程序开发者可以在高层对IP核进行操作。本设计中的驱动程序，提供了串口对字符或者字符串的发送和接收，用C语言来设计。部分驱动代码如下：


　　3 FSL总线UART外设IP核的验证

　　3.1 硬件平台

　　无论基于何种总线，用户开发的IP核开发完毕之后，都要组建一个基本系统对IP核进行验证。这个基本系统要包含必要的外设，重点对IP核的性能进行测试。如果在测试中发现错误，则需修改错误然后导入到系统中，再进行测试，直到满足基本功能、达到设计预期目标为止。如图5所示，本验证平台包括以下处理器和外设：MicroBlaze，数据指令BRAM，调试模块，DCM模块和用户IP模块。特别注意，增加了2条FSL总线组成一个FSL总线对，用于用户IP与处理器进行通信。


　　3.2 软件开发

　　在上述硬件平台基础上，开发一个基本的C程序，对FSL总线UART进行测试。代码如下：


　　打开串口调试工具，观察到的结果如图6所示。


　　通过验证，所设计的基于FSL总线的UART外设IP核达到预期目标，可以集成到SOPC系统中正常工作。

　　结 语

　　通过本文的设计，给广大SOPC设计人员一个提示：设计基于FSL总线的外设IP核，并通过FSL总线集成到SOPC系统中，可以显著提高系统性能，而且设计过程不是很复杂，比较容易实现。