電子技術(shù)應(yīng)用 　孫 愷 魏洪興 陳友東

        摘要：針對現(xiàn)有商業(yè)SoPC系統(tǒng)的固有問題，提出了基于開源IP核與軟件資源的SoPC系統(tǒng)硬件平臺構(gòu)建方案，并使用Cyclone FPGA進(jìn)行了實際驗證，證明了該硬件平臺的實用性。探討了該平臺在普及SoPC技術(shù)和研究更高性能系統(tǒng)方面的積極作用。

        關(guān)鍵詞：OpenRISC1200可編程片上系統(tǒng)IP核 FPGA

        SoC（System on Chip）片上系統(tǒng)是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的一個發(fā)展方向，它將原先分立的多個芯片集成在一塊芯片上，通過提高芯片的集成度、減少系統(tǒng)芯片的數(shù)量和相互之間的PCB連線、減少PCB面積來降低整個系統(tǒng)的成本，同時使系統(tǒng)的性能、功能和可靠性都有很大的提高。隨著新型的高性能、低成本FPGA的出現(xiàn)和綜合技術(shù)的提高，基于FPGA的SoPC(System on Programmable Chip)可編程片上系統(tǒng)正逐步走向市場。基于FPGA的SoPC與基于ASIC技術(shù)的SoC相比，具有設(shè)計周期短、產(chǎn)品上市速度快、設(shè)計風(fēng)險和設(shè)計成本低、集成度高、靈活性大、維護(hù)和升級方便、硬件缺陷修復(fù)和排除簡單等優(yōu)點。因此基于FPGA和包括32位CPU在內(nèi)的各種IP核的系統(tǒng)級應(yīng)用開發(fā)將是下一代電子系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展方向。

        順應(yīng)這個潮流，F(xiàn)PGA器件的方要供應(yīng)商Altera和Xilinx都推出了各自的SoPC解決方案：Nios系統(tǒng)和MicroBlaze系統(tǒng)。它們功能強大、開發(fā)環(huán)境和配套IP核完善，是工程應(yīng)用的首選。但是它們只能用在各自廠商的FPGA上，不但配套IP核價格昂貴，而且用戶無法獲得所有源代碼，不利于我國SoPC技術(shù)的發(fā)展。

　　
        針對這種情況，筆者使用Altera公司的Cyclone FPGA和OpenCores組織提供的各種免費、開源的IP核，構(gòu)建了以O(shè)penRISC1200CPU為核心，配以各類外圍IP核的完全開源的SoPC系統(tǒng)，并成功地運行了μClinux系統(tǒng)。同時本系統(tǒng)采用的所有IP核在源代碼不變的情況下可以使用Xilinx的開發(fā)工具進(jìn)行綜合、布線，為該系統(tǒng)在其他FPGA平臺上的運行打下了良好的基礎(chǔ)。

　　1 OR1200

        本系統(tǒng)使用的OpenRISC1200處理器（以下簡稱OR1200）是OpenRISC系列RISC處理器內(nèi)核的一員。OpenRISC是由OpenCores組織負(fù)責(zé)開發(fā)和維護(hù)、免費、開源的RISC處理器內(nèi)核家族。OpenRISC1200出現(xiàn)于2001年7月，支持ORBIS32指令集。該指令集包括32位整數(shù)指令、基本的DSP指令、32位的Load和Store指令、程序流程控制指令和特殊指令（實際上還不支持除法指令）。2002年8月，OpenRISC1200基本成熟，配有比較完善的軟件開發(fā)環(huán)境和操作系統(tǒng)，改進(jìn)和維護(hù)一直持續(xù)到現(xiàn)在。

        OR1200是一種32位、標(biāo)量、哈佛結(jié)構(gòu)、5級整數(shù)流水線的RISC處理器，它有32個32位通用寄存器，支持緩存、虛擬存儲器和基本的DSP功能，外部數(shù)據(jù)和地址總線接口符合Wishbone標(biāo)準(zhǔn)。輔助功能包括用于實時調(diào)試的調(diào)試單元、計數(shù)器、可編程中斷控制器和電源管理單元，這些功能大大增強了CPU獨立工作的能力，對軟件調(diào)試和操作系統(tǒng)的支持較好，簡化了整體系統(tǒng)的設(shè)計。OR1200的標(biāo)準(zhǔn)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        CPU/DSP單元是OR1200處理器的核心，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        當(dāng)使用0.18μm和6層金屬工藝時，OR1200的主頻可達(dá)300MHz，此時可以提供300Dhrystone2.1MIPS和300M次/秒的32×32的DSP乘加操作能力。

        OR1200在2002年9月被Flextronics公司選中，用于集成在Flextronics的設(shè)計中，并提供商業(yè)服務(wù)。2003年8月，F(xiàn)lextronics公司成功實現(xiàn)了集成OR12000、10Mbps/100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)MAC控制器、32位33MHz/66MHzPCI接口、16550兼容UART和Memory控制器的SoC芯片，并成功運行了μClinux和Linux操作系統(tǒng)。

　　
　　2 板級系統(tǒng)組成

        板級系統(tǒng)以Altera的Cyclone系列FPGA EP1C12QC240為核心，配以EPCS4配置存儲器和配置電路組成核心系統(tǒng)，再配以2片29LV160DB NOR Flash(4MB)、2片IS61LV25616 SRAM(1MB)、2片HY561620 SDRAM(64MB)、1個RS232串行口、1個通用JTAG接口和8段LED、按鈕、撥碼開關(guān)組成基本系統(tǒng)