利用Xilinx的MicroBlaze进行FPGA设计

MicroBlaze是一个32位软RISC处理器核心，创建它是为了加速成本敏感、高容量应用程序的开发，传统上需要一个或多个微控制器。

Xilinx成本优化组合FPGA上的MicroBlaze提供了先进的工具套件和FPGA平台，以帮助简化开发工作和最小化系统预算。Xilinx专注于提高MicroBlaze处理器软核的可用性，使工程师能够快速配置嵌入式硬件平台，并立即在行业标准环境中开始软件编码。

作为嵌入式处理器，MicroBlaze使Xilinx的FPGA产品组合能够满足工业，通信基础设施，医疗器械，汽车和消费市场的集成和性能要求。通过平台和处理器的合适组合，设计人员可以举起解决方案，以满足其建筑挑战，该挑战包含I / O外围设备，通信接口，实时功能和操作系统支持的正确组合。

图1所示。MicroBlaze核心架构

MicroBlaze有何不同?

传统上，在FPGA中实现了像微卷的处理器软核，以获得最大积分优势意味着相当大的时间。加速到市场的时间意味着在进行中立即获得软件开发的强烈压力，并且需要在编码开始之前的额外学习曲线和微控制器平台的开销。通过引入开发流程来解决此问题，该流程允许编码立即开始，而无需等待自定义的硬件平台。

这些更新可用于尝试为成本优化的FPGA系列的开发套件数组，包括建立示例项目。如果您需要与MicroBlaze集成的特定功能，例如收发器，接口或DSP算法，则“拖放”IP的产品组合可通过可与MicroBlaze集成的工具链可用。在大多数情况下，IP提供者有一个示例项目和教程，指导您通过实现以及试用期或系列选项，使设计人员能够立即启动原型。Xilinx工具提供了一个免费的Web可用版本，支持大多数开发板。

这与过去的FPGA不同，在那里您必须将自己的版本移植到Open-Source O.S或创建自己的内核以运行代码。当存在Linux版本时，它们通常是错误的，并且难以在Wiki上浪费时间和不一致或不足的构建指令实现。如今MicroBlaze提供操作系统支持，包括Freertos和Linux在内的选项。

这些具有可修改的真实界限项目，因为需要适合于过去的有限O.S支持。现在可以选择有效的实时操作系统，该系统具有可靠的确定性或主线内核接受的Linux环境，也可用作预构建的RAM磁盘。令人惊讶的是“敲门”一个Linux实现，将其连接到网络接口，并进行简单的Web服务器。

图2。运行实时操作系统“FreeRTOS”的MicroBlaze示例

一个好的体系结构必须支持新特性的引入，在减少硬件平台迭代的同时保证设计的可靠性，并结合设计安全性。MicroBlaze是一个功能齐全的微处理器架构，包含了这些和许多附加功能。这些特性包括虚拟内存管理、缓存一致性、流链接支持和浮点处理单元。

还应用了对具有容错配置选项的高端应用程序进行分解的需求。这些容错选项有助于为安全敏感应用程序提供防篡改功能。两个或两个以上的“并行”MicroBlaze核心隐形地同步监控运行的处理器，检测单个事件扰乱或黑客攻击，使系统能够自我诊断和响应其他灾难性的情况。

图3。Lockstep MicroBlaze容错体系结构的示例

实现风潮

Xilinx的成本优化组合有许多其他的改进来帮助改进软核心实现。高速SPI配置为驻留在串行flash中的程序代码提供了更快的启动选项，具有多启动能力，以支持多处理器应用程序。通过内置的安全更新功能，包括256位AES加密和HMAC/SHA-256认证，可以实现动态的现场升级。

Xilinx通过部分重新配置功能支持FPGA固件更新。这使得可以通过下载部分位文件来动态修改FPGA上的逻辑，同时剩余的逻辑继续运行而不中断。与其使用多个设备或要求离线FPGA进行更新，设计可以在不需要额外设备的情况下实现连续操作。

从历史上看，FPGA软核集成的好处伴随着设计复杂性的增加和开发自定义桥接逻辑、外设开发的价格标签，以及设计者被迫在低于标准的环境中编写和调试代码的持续低效。MicroBlaze拥有传统嵌入式微控制器中的所有外设，这些外设很容易与软核集成。

基于eclipse的工具链是一个全面的、熟悉的环境，它提供了完全混合级别的调试，还支持多处理器开发。软件设计人员可以在同一个开发环境中在ARM或Microblaze编译和调试支持之间进行切换。自动板支持包创建提供了对Microblaze硬件体系结构的内存映射的访问，包括外设和I/O。BSP链接在外围驱动程序中，并包括一个汽车制造设施，使设计以最小的开销进行。

选择最佳FPGA平台，然后使用SDK打开三种预配置的微卷制架上的一个，并按照位于的说明进行操作快速入门指南（PDF）。软件设计师可以在大约五分钟内使用“Hello World”运行。这使工程师能够熟悉MicroBlaze和开始实施，而无需使用Vivado FPGA工具套件。如果需要更专用的自定义，则可以使用Vivado的IP Integrator工具调整模板项目。此工具包含连接和块自动化配置向导，并提供了添加额外IP，修改界面外设，总线连接和内存映射的直接方法。

图4。快速添加外设与Vivado IP集成商工具

成本优化的FPGA组合

成本优化的FPGA Spartan-6、Spartan-7、Artix-7和Zynq-7000系列提供定制的功能和功能，以满足各种目标应用的需求。尽管它们都有能力实现硬件算法和基于微处理器的控制系统，但它们的差异反映了特定于目标应用程序的需求，仅用通用逻辑以成本效益获得这些需求是不切实际的。

图5。Xilinx成本优化投资组合概述

Spartan-6和Spartan-7

Spartan-6和Spartan-7 FPGA平台用于任何对任何连接、桥接应用和传感器接口。尽管如此，它们仍然足够强大，能够实现高性能算法，同时仍然提供目前可用的最高I/O连接平台。由于其小的形状因子封装选项，它们可以实现缩小的四层PCB设计。

Spartan-7的性能降低了电源的尺寸和成本，导致成本和尺寸的改进。许多内置的系统级块，包括DSP片、锁相环、双12位1MHz adc和一个系统监控块，使功能映射到FPGA以额外节省。其他功能包括高速DDR3接口能力和大量现成的IP块，可连接到行业标准AMBA axis -4总线。汽车级版本可用于需要更高的温度耐受性的应用程序，建筑师可以通过增强的IP安全与AES和设备DNA保护来确保他们的设计。

artix-7.

ARTIX-7可用于需要高速串行接口或信号处理重型应用的设计。6.6Gbps的能力收发器目前是该行业中可用的最快。此速度使PCI Express，DisplayPort，串行ATA，HDMI，USB3.0和UHD的SDI等界面能够与MicroBlaze系统集成。

zynq - 7000

Zynq-7000是一款SoC，具有单核或双核ARM-Cortex-A9子系统，有超过3000个高速互连到FPGA fabric，以实现高速算法加速。为了获得更高的速度，设计师可以使用Zynq UltraScale+ MPSoC双核和四核A53。Xilinx提供以系统和IP为中心的设计，在接口级别集成即插即用IP，而不是IP构建块的信号级别。设计生态系统支持使用C/ c++、system-C open-CL进行高级合成，通过Eclipse使软件开发人员更容易加速。

微勃朗集成

MicroBlaze集成到Xilinx的可配置逻辑分析仪Chipscope Pro软件中。这允许硬件接口，包括串行和并行总线，通用I / O和任何逻辑互连，以直接逐个循环捕获和跟踪和跟踪微处理器操作。物理配置，编程和调试接口可用于将高级软件调试连接到MicroBlaze系统，以实现所有熟悉的断点和所需的步进设施。

Xilinx提供CPLD和FPGA开发套件的USB 2下载电缆，以及JTAG电缆，如果需要可以直接连接到设备本身。如果需要远程调试，则可以通过集线器或通过独立供电的以太网到JTAG电缆的交换机连接到LAN。如果需要其他选项，或者需要与现有工具链兼容，可以从第三方提供商获得调试解决方案。

MicroBlaze可以作为ARM子系统的主处理器或协处理器，实现实时算法加速和关键功能分离。通过硬件设计更改(包括添加更多MicroBlaze处理器)实现实时改进，可靠地增加了新特性。升级可以以高安全性完成，软件和FPGA逻辑图像可在不间断运行期间升级。低成本的集成ARM解决方案为FPGA增加了应用空间和物联网功能，可以根据实时算法支持的需要整合尽可能多的MicroBlaze协处理器。

Xilinx的OpenCL C-to-VHDL能力使软件设计的无形在线硬件加速成为可能。MicroBlaze与成本优化组合相结合，提供了一个可伸缩的、经得起未来检验的体系结构，该体系结构具有一个统一的工具链，利用了一个全面的IP目录。

额外的资源

• MicroBlaze设计中心
• 既投资组合

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