基于OpenBus系統的FPGA嵌入式設計與實現

勾榮

（江蘇廣播電視大學 江蘇 南京 210019）

現場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）是美國Xilinx公司于1984年首先開發的一種通用型用戶可編程器件。FPGA內部由可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的I/O單元陣列構成，包含豐富的邏輯門、寄存器和I/O資源[1]。目前，面向大規模可編程器件FPGA的廣泛應用，正在不斷地加速電子設計技術從硬件電路設計向“軟”設計的過渡。Altium Designer是傳統電路設計軟件Protel的高端設計版本，除了具備基本的電路原理圖設計和PCB設計功能外，它的特色主要在于增強了FPGA開發功能，將電子產品的板級設計、可編程邏輯設計和嵌入式設計開發融合在一起[2]。

傳統的FPGA系統設計多是基于硬件描述語言VHDL或者Verilog來完成的，需要開發者具備一定的硬件描述語言知識，而且這種方式的設計就可讀性而言具有一定的復雜度。Altium Designer提出了一種系統級的設計概念——OpenBus系統[2]，這是一種全新的系統級的FPGA設計方法。這種設計方法避開了傳統的FPGA設計中用硬件描述語言來編程、仿真和驗證等步驟，以更加抽象的方式表示了處理器與外圍設備間的互聯，降低了FPGA設計的復雜度，簡化了FPGA設計。

Altium Designer的創新電子設計平臺NanoBoard 3000提供了將嵌入式智能作為設計核心的設計環境，在這個平臺上可以調試、下載FPGA嵌入式設計，實現電路硬件設計和基于“軟核”處理器的嵌入式軟件設計。

1 基于OpenBus系統的設計要素

1.1 OpenBus系統

“OpenBus系統”是一個描述一種使用普通總線實現整個系統內邏輯功能性“模塊”連接的術語[2]。通過這種方法，用戶能夠很快地裝配一個包含滿足應用需求的各種功能在內的系統。具體來說，OpenBus系統是Altium Designer軟件自帶的高端 IP 模塊，包含 Connectors（連接器）、Processors（處理器）、Memories（存儲器）、Peripherals（外圍設備）等，如圖1的OpenBus Palette面板所示。設計時可以根據設計需求，直接在OpenBus Palette面板調用相關的IP模塊，即OpenBus器件，連接構成設計系統。但要注意的是，這些IP模塊在調用后，還需要進行相應的參數配置才能使用。這種OpenBus系統的設計方法與傳統的將處理器和外圍電路作為元件放置在電路板上不同，它移除了所有低級別的走線和互連細節，能夠快速地構建系統。

圖1 OpenBus面板Fig.1 OpenBus palette

1.2 FPGA設計元件庫與軟件平臺搭建器

除了OpenBus Palette面板中的OpenBus器件，要完成FPGA嵌入式設計，還需要使用Altium Designer軟件中的FPGA設計元件庫。這些元件庫提供了FPGA設計中所需的外圍器件。Altium Designer軟件提供的常用的FPGA設計元件 庫 有 ：FPGA NB3000 Port-Plugin.IntLib、FPGA Peripherial.IntLib、FPGA Generic.IntLib、FPGA Configurable Generic.IntLib、FPGA Instruments.IntLib 等。

與OpenBus系統配合進行FPGA嵌入式設計的，還有軟件平臺搭建器SwPlatform。因為進行FPGA嵌入式設計時，FPGA器件的外圍引腳常需要驅動如LED、觸摸屏、揚聲器等硬件設備。而要使這些硬件設備能正常工作，就要在設計中包含相應的驅動代碼。這些硬件的驅動代碼無需自行編寫，Altium Designer的軟件平臺搭建器SwPlatform可以把所有連接外設所需的低階驅動代碼整合一起。軟件平臺搭建器SwPlatform采用圖形化方式連接用戶的應用程序與底層硬件。在進行FPGA設計時，軟件平臺搭建器SwPlatform可以自動地由FPGA設計的硬件部分獲取底層硬件的信息。如圖2所示，軟件平臺搭建器SwPlatform自動根據底層信息（Wrapper，棧層中的 HARDWARE部分）提供對于硬件的驅動（Driver，棧層中的SOFTWARE PLATFORM部分）以及服務程序（Context，棧層中的APPLICATION CODE部分）。設計時只需關注構建設計本身的應用程序代碼，不需要考慮過多的底層驅動代碼。

圖2 軟件平臺搭建器接口原理圖Fig.2 Schematic diagram of the swplatform interface

1.3 創新電子設計平臺NanoBoard 3000

Altium Designer的創新電子設計平臺NanoBoard 3000，板載Xilinx公司的FPGA芯片Spartan XC3S 1400AN。通過USB接口，將裝有Altium Designer軟件的PC機與NanoBoard 3000連接，Altium Designer軟件就可以與NanoBoard 3000直接通信，下載并交互地開發和調試程序。設計過程中無需仿真環境，加快了開發流程。

NanoBoard 3000板上資源豐富，含高級的I2S立體聲系統，有板載放大器、混音器及立體聲揚聲器。全面的視頻輸出，包括S-Video、混合視頻的輸入輸出及VGA輸出。標準的存儲器接口，包括IDE、Compact flash及SD內存卡。各種標準通信接口，包括 USB、Ethernet、RS-232 串口、CAN、PS/2 mini-DIN。另外，還有各種通用開關和LED。FPGA設計下載前需要配置管腳約束文件，目的是讓設計輸入輸出端口與目標FPGA器件的管腳對應起來。在Altium Designer軟件中進行FPGA嵌入式設計，下載程序時，選擇自動配置約束文件功能，就可為FPGA設計自動添加管腳約束文件。

2 基于OpenBus系統的設計與實現

文中基于OpenBus系統設計實現了一個32位處理器TSK3000A控制LED的FPGA嵌入式工程。將嵌入式程序代碼 “嵌入”到TSK3000A處理器中，在軟件平臺搭建器SwPlatform提供底層驅動程序的基礎上，用C語言編寫應用程序代碼，控制NanoBoard 3000開發板上的LED。同時，自動配置FPGA約束文件，在創新電子平臺NanoBoard 3000上下載程序。程序下載調試成功后，可以看到LED的亮暗情況與嵌入式代碼中預先設計的一樣，表明設計是完全正確的。

2.1 OpenBus系統設計與頂層原理圖設計

在Altium Designer中新建一個FPGA工程，為工程添加原理圖文件和OpenBus文件[3-4]。打開OpenBus Palette面板，調用 LED Controller、連接器 Interconnect、32-bit RISC Processor TSK3000A、SRAM Controller等元件，合理配置OpenBus器件參數，完成OpenBus文件的設計，如圖3所示。

圖3 OpenBus文件設計Fig.3 Design of the openbus system

將圖3的OpenBus文件生成原理圖符號[3]，在設計的頂層原理圖中調用。調用FPGA設計元件庫中的其他外圍組成電路的元器件，連線完成頂層原理圖的設計，如圖4所示。

2.2 軟件平臺搭建器SwPlatform與嵌入式代碼設計

本設計中要用32-bit RISC Processor TSK3000A處理器來控制LED，需要添加LED的驅動程序，如圖5所示。在器件棧中選擇Import from FPGA按鈕，Altium Designer將自動檢查FPGA工程，添加LED Controller和LED Controller Drive，這樣就為LED器件完成了硬件驅動程序的添加。

圖4 頂層原理圖設計Fig.4 Design of the top level schematic

圖5 Device stacks器件堆棧Fig.5 Device stack

在軟件平臺搭建器SwPlatform完成LED器件底層硬件驅動代碼的基礎上，用C語言設計應用程序代碼[5-6]，實現32-bit RISC Processor TSK3000A處理器控制LED器件的功能。NanoBoard 3000上有一組共 8個 LED（RGB USER LEDS）。程序代碼擬控制LED7的亮度值為最大值的一半，LED0的亮度每隔一定的時間，逐漸增強然后熄滅。程序代碼清單如下：

上述程序中的led_open函數、led_set_intensity函數都可以在Altium Designer軟件的知識中心面板查看到其具體含義和調用方法。

2.3 FPGA管腳映射與設計下載

FPGA設計必不可少的一步是通過約束文件，建立設計端口與實際目標FPGA器件真實引腳之間的連接關系。約束文件中詳細列出了端口到引腳的映射及其它相關的設計特性，如時鐘分配等。配置管理器會自動打開，顯示檢測到的約束文件并添加到工程中，約束配置文件就創建完成了。連接NanoBoard 3000與裝有Altium Designer軟件的電腦，成功下載設計后，占用的資源情況，如圖6所示。在NanoBoard 3000開發板上可以看到，最左側的LED7的亮度是程序中設定的數值，而最右側的LED0亮度則是逐漸變化的，LED的亮暗變化情況與設計意圖一致。

圖6 項目資源占用情況Fig.6 Result summary

3 結 論

基于OpenBus系統的FPGA嵌入式設計沒有硬件描述語言的編程，OpenBus文件的設計像繪制原理圖一樣方便，軟件平臺搭建器SwPlatform為FPGA嵌入式設計完成了底層的驅動代碼。結合Altium Designer的創新電子平臺NanoBoard 3000可片內在線調試，能及時發現設計中的問題，節約項目的研發與設計時間。這種設計方法相對傳統的FPGA設計開發，設計過程大大簡化，符合FPGA嵌入式“軟”設計的設計應用發展趨勢。

[1]何賓.Xilinx可編程邏輯器件設計技術詳解[M].北京：清華大學出版社，2010.

[2]徐向民.Altium Designer快速入門[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[3]王靜.Altium Designer Winter 09電路設計案例教程[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[4]穆秀春.從Protel到Altium Designer[M].北京：電子工業出版社，2011.

[5]譚浩強.C程序設計[M].4版.北京：清華大學出版社，2010.

[6]凌明.嵌入式系統高級C語言編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.