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基于LEON3处置赏罚赏罚器和Speed协处置赏罚赏罚器的严重年夜SoC设计完成

宣布时间:2009年06月01日 14:06    宣布者:MCU
要害词: LEON3 , SoC , Speed , 处置赏罚赏罚器 , 协处置赏罚赏罚器
随着科技的生长,旌旗暗记处置赏罚赏罚系统不只请求多功效、高性能,而且请求旌旗暗记处置赏罚赏罚系统的开发、临盆周期短,可编程式公用处置赏罚赏罚器无疑是完成此目的的最好蹊径。可编程公用处置赏罚赏罚器可分为松耦合式(协处置赏罚赏罚器要领,即MCU+协处置赏罚赏罚器)和紧耦合式(公用指令要领,即ASIP),前者较后者易于完成,应用较广。本文就是简介一款松耦合式可编程公用严重年夜SoC设计完成,选用LEON3处置赏罚赏罚器作为MCU,Speed处置赏罚赏罚器作为Coprocessor。
  LEON3及Speed
  LEON3是由欧洲航天总局旗下的Gaisler Research开发、掩护,目的是挣脱欧空局对美国航天级处置赏罚赏罚器的依附。现在LEON3有三个版本(如表1),其中LEON3FT(LEON3 Fault-tolerant)只需欧空局外部成员可以应用。LEON3 (basic version)是遵守GNC GPL License的开源处置赏罚赏罚器,和SPARC V8兼容,接纳7级Pipeline,硬件完成乘法、除法和乘累加功效,详细特点请参考相关手艺文档[1]。


  表1 LEON3的不合版本

  现在,LEON3处置赏罚赏罚器由于开源、高性能、接纳AMBA总线易扩年夜及软件工具完全等因素,在国内外年夜学(如UCB、UCLA、Princeton University等)及科研院所的科研运动中取得普遍应用。
  Speed(别号GA3816)是一款我国自主研发、处于同时代国际先进水平、可重构、可扩年夜的面向FFT、IFFT、FIR及婚配滤波应用的旌旗暗记处置赏罚赏罚器,其外部结构如图1所示,具有以下特点[2~4]:
  1)Speed在追求运算速率的同时兼顾通用性,经由历程设置64位控制字,器件外部资源可凭证不合应用阻拦重组;
  2)可以完成FFT、IFFT、FFT-IFFT、FIR、滑窗卷积等运算,峰值运算才干达256亿次浮点乘累加/秒;
  3)由160个实数浮点乘法累加运算器组成40个双数乘法累加器阵列,1Mbit的双口SRAM,8个512×32bit系数ROM,两个直角到极坐标转换电路,两个对数变换电路及其它赞助电路和控制电路。


  图1 Speed的外部模块结构

  Speed传统的使命要领是经由历程片外FPGA输入控制旌旗暗记和待处置赏罚赏罚数据,这不只增年夜了PCB板级布线、调试的使命量,而且FPGA不克不及用C等高等语言编程,算法修改起来不无邪。此外一方面,随着半导体工艺、微电子手艺的生长,年夜规模的严重年夜SoC完成手艺徐徐成熟,是以有须要将板级FPGA + Speed刷新为芯片级MCU + Speed,这样既能完成真实的可编程增年夜无邪性,又能加速用户开发旌旗暗记处置赏罚赏罚系统的速率。
  应用AHB完成通讯
  为了完成可编程,须要将C/C++法式模范模范表达的信息经由编译器、LEON3处置赏罚赏罚器、AHB总线、DMA控制器和须要的HDL代码,转化成Speed能够识其他信息,进入Speed模块中,如图2。其中AHB总线是LEON3 Core和Speed Core联络的要害。


  图2 完成软件可编程的历程

  AHB总线及AHB控制器
  AMBA总线是一种应用普遍的条理化总线结构,有高速的AHB和低速APB之分,其中AHB是一种流水式高速总线结构,地址和数据总线相互自力,可挂载16个Master和Slaver装备,经常应用来组织和毗连高性能模块,如处置赏罚赏罚器、DMA控制器、协处置赏罚赏罚器等[5~7]。AHB总线的焦点是AHB控制器,主要网罗仲裁器,译码器和多路复用器,其中仲裁器选择AHB Master,而译码器选择AHB Slave,完成写数据WDATA和读数据RDATA脱离,如图3所示。

  图3 AHB总线的组成结构

  DMA控制器
  DMA是指装备直接对盘算机存储器阻拦读写操作的要领。这类要领下数据的读写无需CPU推行指令,也不经由CPU外部存放器,而是应用系统的数据总线直接在源地址和目的地址之间传送数据,到达极高的传输速率。DMA控制器一方面可以吸收总线,便可以像CPU一样视为总线的主装备,这是DMA与其它外设最基本的差异;此外一方面,作为一个I/O器件,其DMA控制功效正式经由历程初始化编程来设置。当CPU对其写入或读出时,它又和其它的外设一样成为总线的隶属装备。
  本文中为了完成DMA和AHB亲近合营,即启动DMA后年夜量原始数据经由历程AHB总线从数据存储器进入Speed模块,须要DMA控制器外部网罗AHB Master模块,如图4所示。另外须要诠释的是,LEON3为了完成AHB上装备的plug&play须要在0xFFFFF000-0xFFFFF800地址空间添加装备信息[8~9],以是DMA 控制器和Speed协处置赏罚赏罚器亦要云云,以便LEON3的软硬件协调不合。在C语言完成DMA时,向DMA的控制存放器写入照顾的信息,便可启动DMA传输,如图5所示。


  图4 DMA与AHB Master的关系



  图5 启动DMA的C代码体现

  Speed的AHB接口
  为了使Speed可以顺遂吸收LEON3传送已往的控制字或DMA传送已往的原始数据,须要在原来的Speed core模块顶层添加AHB Slaver协定来吸收AHB上传送的数据,和发生照顾波形的HDL代码来将C法式模范模范的信息天生Speed所能识其他旌旗暗记波形进入Speed模块外部,即从图6中的控制字,转化成图7中的时序。


  图6 C语言形貌的Speed控制字



  图7 Speed core所需的装备时序

  同理于控制字,滤波系数和原始数据的输入亦须要一定的HDL代码来完成指令或数据向时序图的转化,其本质相当于译码,完成起来难度不年夜,此处就不再累述。Speed处置赏罚赏罚后数据经由历程状态旌旗暗记(zero_flag)降低沿触发LEON3的中止照顾,完成向外部存储器的输入,此历程和数据输入类似。
  编程、编译及仿真
  用户在C编程时,只须要凭证Speed所需的启动要领,先设置控制字、再输入滤波系数、然后启动DMA输入原始数据。值得重视的地方是,为了完成Speed的运算与DMA中原始数据输入同步,须要在C代码的不合指令间拔出一定的延迟指令,此延迟距离可凭证软硬件的照顾速率来盘算。
  Gaisler Research公司供应完全的LEON3开发套件,网罗C代码编译器sparc-elf-gcc,年夜年夜便利了软硬件开发和联络调试。 将LEON3和Speed的SoC硬件HDL形貌,及编译后的二进制指令调入Modelsim阻拦软件仿真,再应用FPGA阻拦硬件仿真,其效果如图8、9、10所示。


  图8 从C语言控制字发生的装备时序



  图9 触发中止照顾的zero_flag旌旗暗记  


  图10 在Altera StratixII 2S180中的仿真效果

  结语
  本项目应用LEON3的高性能、易编程、开源等优点,开发了AHB总线接口和DMA控制器,完成了Speed公用旌旗暗记处置赏罚赏罚器的软件可编程,年夜年夜简化了Speed用户的开发历程。有待刷新的地方是,1)以后Speed可处置赏罚赏罚40bit数据,而Leon3是32bit,没有最年夜限制施展Speed的运算才干;2)假定在LEON3上运转RTEMS (Real Time Executive for Multiprocessor Systems) 操作系统,将进一步便应用户扩年夜LEON3的应用价值。
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