软件总体架构图

1软件总体架构图软件结构如图1.1所示：大容量数据采集与处理程序工业以太网网关路由程序CGIBOATCP/IP操作系统界面ucLinux 内核MicroBlaze Ip 设计图1.1 FPGA 数据采集软件架构图以上是系统的软件结构框图，我们下面将就具体每一个步骤的设计进行一个简要的描述：2 MicroBlaze IP 核设计IP 字面意思是知识产权，在微电子领域，具有知识产权的功能模块成为IP Core 或IP 核。

IP 可以用来生成ASIC 和PLD 逻辑功能块，又称为虚拟器件VC 。

IP 核可以有很多种，比如UART 、CPU 、以太网控制器、PCI 接口等。

根据IP 核描述的所在集成电路的设计层次，IP 可以分为硬IP 、软IP 、固IP 。

硬IP 的芯片中物理掩膜布局已经得到证明，所有的验证和仿真工作都已经完成，用它可以直接生产硅片，系统设计者不能再对它进行修改。

而软IP 是以行为级和RTL 级的Verilog 或VHDL 代码的形式存在，它要经过逻辑综合和版图综合才能最终实现在硅片上。

固IP 则介于两者之间。

Xilinx 公司的MicroBlaze32位软处理器核是支持CoreConnect 总线的标准外设集合。

MicroBlaze 处理器运行在150MHz 时钟下，可提供125 D-MIPS 的性能，非常适合设计针对网络、电信、数据通信和消费市场的复杂嵌入式系统。

1．MicroBlaze 的体系结构MicroBlaze 是基于Xilinx 公司FPGA 的微处理器IP 核，和其它外设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， 如图4.1所示指令端总线接口程序指针（PC ）运算器通用寄存器组32x32Bit指 令 缓冲指 令 译码数 据 端 总 线 接口DLMBDOP B图2.1 MicroBlaze 内核结构框图(1)内部结构MicroBlaze内部有32个32位通用寄存器和2个32位特殊寄存器—— PC 指针和MSR 状态标志寄存器。

为了提高性能，MicroBlaze 还具有指令和数据缓存。

所有的指令字长都是32位，有3个操作数和2 种寻址模式。

指令按功能划分有逻辑运算、算术运算、分支、存储器读/写和特殊指令等。

指令执行的流水线是并行流水线， 它分为3级流水：取指、译码和执行，如图4.2所示。

指令1指令2指令3指令周期4指令周期3指令周期2指令周期1指令周期5图2.2 MicroBlaze 的流水线(2)存储结构MicroBlaze 是一种大端存储系统处理器，使用如图4.3所式的格式来访问存储器。

3178151623240图2.3 大端数据格式(3)中断控制和调试接口MicroBlaze 可以响应软件和硬件中断，进行异常处理， 通过外加控制逻辑， 可以扩展外部中断。

利用微处理器调试模块(MDM)IP 核，可通过JTAG 接口来调试处理器系统。

多个MicroBlaze 处理器可以用1个MDM 来完成多处理器调试。

(4)快速单一链路接口MicroBlaze 处理器具有8个输入和8个输出快速单一链路接口(FSL)。

FSL 通道是专用于单一方向的点到点的数据流传输口。

FLS 和MicroBlaze 的接口宽度是32位。

每一个FSL 通道都可以发送和接收控制或数据字。

2. CoreConnect 技术CoreConnect是由IBM开发的片上总线通信链，它使多个芯片核相互连接成为一个完整的新芯片成为可能。

CoreConnect技术使整合变得更为容易，而且在标准产品平台设计中，处理器、系统以及外围的核可以重复使用，以达到更高的整体系统性能。

Xilinx将为所有嵌入式处理器用户提供IBM CoreConnect许可，因为它是所有Xilinx 嵌入式处理器设计的基础。

MicroBlaze处理器使用了与IBM PowerPC 相同的总线，用作外设。

虽然MicroBlaze软处理器完全独立于PowerPC,但它让设计者可以选择芯片上的运行方式，包括一个嵌入式PowerPC，并共享它的外设。

CoreConnect总线架构如图4.4所示。

它包括片上外围总线(OPB)，处理器本机总线(PLB)，设备控制寄存器(DCR)总线以及1个总线桥和2个判优器。

图2.4 CoreConnect 总线架构(1)片上外设总线(OPB)内核通过片上外设总线(OPB)来访问低速和低性能的系统资源。

OPB是一种完全同步总线，它的功能处于一个单独的总线层级。

它不是直接连接到处理器内核的。

OPB接口提供分离的32 位地址总线和32位数据总线。

处理器内核可以借助“PLB to OPB”桥，通过OPB访问从外设。

作为OPB总线控制器的外设可以借助“OPB to PLB”桥，通过PLB访问存储器。

(2)处理器本机总线(PLB)PLB接口为指令和数据一侧提供独立的32位地址和64位数据总线。

PLB支持具有PLB总线接口的主机和从机通过PLB信号连接来进行读写数据的传输。

总线架构支持多主从设备。

每一个PLB主机通过独立的地址总线、读数据总线和写数据总线与PLB连接。

PLB从机通过共享但分离的地址总线、读数据总线和写数据总线与PLB连接，对于每一个数据总线都有一个复杂的传输控制和状态信号。

为了允许主机通过竞争来获得总线的所有权，有一个中央判决机构来授权对PLB的访问。

(3)设备控制寄存器总线(DCR)设备控制寄存器总线(DCR)是为在CPU通用寄存器(GPRs)和DCR的从逻辑设备控制寄存器(DCRs)之间传输数据而设计的。

3.MicroBlaze 的开发应用EDK(嵌入式开发套件)可以进行MicroBlaze IP核的开发。

工具包中集成了硬件平台产生器、软件平台产生器、仿真模型生成器、软件编译器和软件调试工具等。

EDK中提供一个集成开发环境XPS(Xilinx Platform Studio),以便使用系统提供的所有工具，完成嵌入式系统开发的整个流程。

EDK中还带有一些外设接口的IP核，如LMB、OPB总线接口、外部存储控制器、SDRAM 控制器、UART、中断控制器、定时器等。

利用这些资源，可以构建一个较为完善的嵌入式微处理器系统。

在FPGA上设计的嵌入式系统层次结构为5级，可在最低层硬件资源上开发IP核，或利用已开发的IP核搭建嵌入式系统，这是硬件开发部分；开发IP核的设备驱动、应用接口(API)和应用层(算法)，属软件开发内容。

利用MicroBlaze构建基本的嵌入式系统如图4.5所示。

通过标准总线接口——LMB总线和OPB总线的IP核，MicroBlaze就可以和各种外设IP核相连。

图2.5 MicroBlaze系统架构图EDK中提供的IP核均有相应的设备驱动和应用接口，使用者只需利用相应的函数库，就可以编写自己的应用软件和算法程序。

对于用户自己开发的IP 核，需要自己编写相应的驱动和接口函数。

软件设计流程如图4.6所示。

图2.6 软件开发流程3 移植uclinux首先不管什么平台，移植uclinux，整个流程都遵从于:Kernel preparation —> isntall BSP —> Build hardware platform —> Memory test —> Build kernel image —> Download 具体来说，如下图4.7所示：图3.1 uclinux移植流程1.搭建开发环境操作系统：Redhat Hat Linux 9，安装的时候添加开发和编译环境。

（编译内核）Windows（安装EDK）交叉编译工具：针对不同的CPU系列，有不同的编译环境，通常，程序是在一台计算机上编译，然后再分布到将要使用的其他计算机上。

当主机系统（运行编译器的系统）和目标系统（产生的程序将在其上运行的系统）不兼容时，该过程就叫做交叉编译。

建立一个交叉编译工具链是一个相当复杂的过程，网上有一些编译好的可用的交叉编译工具链可以下载。

下载并安装好，我们的编译环境就搭建好了。

(1)下载并创建BSP从petalogix站点下载BSP，并安装到电脑上。

把在EDK下生成的包含硬件系统信息的“auto-config.in”文件复制到linux的/home/devel/src\uClinux-2.4.x\arch\microblaze\platform\uclinux-auto路径下。

编译器需要从auto-config.in文件里知道“the address map and the processor system”以及其它相关信息。

(2)配置内核在网站上下载源代码包，并安装在系统的任意目录。

此时，就可以使用命令来进行内核的配置了：$cd~/uClinux-dist$make menuconfig这里，我们需要进行一系列内核配置的选择。

(3)编译内核生成image文件$cd ~/uClinux-dist$ make dep$ make clean$ make这个过程期间将完成下面的内容：编译内核（Build kernel）编译uclinux的C库（C libraries ）编译用户程序（user applications）转换成二进制文件编译内核文件系统合并内核和文件系统为一个二进制文件编译成功，你就会在uClinux-dist的目录下发现一个新的目录images。

里面就包含了你编译成功的系统文件，image.elf和image.bin两个文件。

(4)下载内核文件到目标板将在上面编译生成的内核文件image.bin下载到目标板上去并运行.4.1 移植工业以太网协议由于Spartan-3E只提供了物理层（PHY）的网络控制器，所以对于处理本装置的物理层以上的网络设备，需要重新制定适合本系统的网络协议。

工业以太网EtherNet/IP，是一种适用于工业环境的通讯体系，能够在广阔的区域中支持大量现场设备的连接。

它采用通用工业协议（CIP）作为其应用层协议。

CIP协议支持各种控制、配置和信息处理服务，包括显式报文（用于信息传输，灵活的报文交换）以及隐式报文（用于控制和实时I/O数据的传输），支持轮询、周期和状态改变数据传输触发机制，点对点单播和广播数据传输方式[3]。

OE服务的设计简化了EtherNet/IP的移植，只需要修改操作环境文件来适合FPGA 操作体系。

4.2 移植BOA从下载一个主流版本的BOA源码包，本系统用的是boa-0.94.13.tar.gz。

第一步：修改Makefile文件，编译BOA源码，生成BOA可执行文件。