基于MicroBlaze 软核的FPGA 片上系统设计

基于MicroBlaze的可重构嵌入式系统设计摘要：基于MicroBlaze软核设计了一个可重构嵌入式系统，可完成基于嵌入式Web服务器的远程监控。

介绍了Xilinx微处理器软核MicroBlaze的定制、硬件平台的搭建及uCLinux操作系统的剪裁，最后给出了实现远程监控的程序流程图。

关键词：可重构MicroBlaze软核；嵌入式系统；XilinxFPGA中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2010) 05-0000-02Design of Embedded Refactoring System Based on MicroBlazeTang Pei,Huang Peng(Yangtze University,School of Computer Science,Jingzhou 434023,China) Abstract:A Refactoring embedded system based on the MicroBlaze soft-core can be used to complete the remote monitoring based on embedded Web server.In this thesis ,We'll introduce some information of Xilinx MicroBlaze soft-core microprocessor and the way of customizing the hardware platform and How to cut the operati ng system uCLinux.At last,We'll give the remote monitoring program flow chart.Keywords:Refactoring MicroBlaze soft-core;Embedded systems;XilinxFPGA可重构技术是目前计算机系统研究中的一个新热点，是指依靠软件编程来改变系统的硬件结构，以适应不同应用的一种技术，也称为自适应计算平台。

双MicroBlaze软核处理器的SOPC系统设计双MicroBlaze软核处理器的SOPC系统设计摘要：设计了一款基于双MicroBlaze软核处理器、面向嵌入式领域的SOPC系统，在信息处理繁忙的情况下，实现两软核处理器之间的同步、通信和中断功能，提高信息吞吐率和系统灵活性，降低设备尺寸。

两处理器之间通过Mutex模块实现同步功能，通过Mailbox 模块实现通信和中断功能，通过共享BRAM模块实现大块通信功能，并进行了有效的功能验证。

该SOPC系统在XUPV5-LX110T开发板上得到验证。

测试结果表明，两软核处理器之间有效地实现了同步，通信和中断功能，达到了预期的效果，验证了方案的有效性。

关键词：MicroBlaze；双核；SOPC；Mutex；Mailbox；BRAM 引言随着时代的发展，单核片上可编程系统SOPC(Systern On a Programmable Chip)解决复杂问题的能力与处理速度已很难满足用户的需求，面向多处理器SOPC系统的设计成为片上系统发展的必然趋势。

具有高密度、大容量逻辑的FPGA(Field Programmable Gate Array)的出现使得高性能片上多处理器的设计成为现实。

目前，片上多核系统的设计已有一定发展，但在处理器间通信和中断方面仍需进一步的研究。

本文在处理器间通信和中断控制方面进行了深入的研究。

MicroBlaze是一个被优化过的可以在Xilinx公司FPGA中运行的软核处理器，可以和其他外设IP核一起完成可编程系统芯片的设计。

它具有运行速度快、占用资源少、可配置性强等优点，广泛应用于通信、高端消费市场等领域。

MicroBlaze处理器采用RISC(ReducedInstruction Set Computer)指令集结构和哈佛存储结构，指令、数据总线位宽均为32位。

本文MicroBlaze处理器采用面积优化，流水线分为3级，即取指、译码和执行，减少了硬件开销。

基于Xilinx MicroBlaze多核嵌入式系统的设计何宾;王瑜【摘要】MicroBlaze core,which is embedded in the Xilinx FPGA, is among the 32-bit RISC Harvard architecture soft processor core. In this paper, for the Xilinx MicroBlaze soft processor interconnect and in order to realize the faster communication between the processors, with the method that PLB bus is mixed with the FSL bus interconnect, using the xps_mailbox, xps_mutex to complete the inter-core communication and synchronization ,under the Xilinx EDK platform, by embedding three soft-core processor into the FPGA Spartan-3E chip, a embedded programmable system on a chip based on multi-core processor running on the FPGA is developed. It concluded that this kind of multi-core interconnect is practicality and feasibility,it improves the speed of inter-core communication.%MicroBlaze核是嵌入在Xilinx FPGA之中的属于32位RISC Harvard架构软处理器核。

第1章基于XILINX FPGA嵌入式系统片上系统开发概述XILINX是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商。

Xilinx公司成立于 1984年。

并首创了现场可编程逻辑阵列（FPGA）这一创新性的技术，并于1985年首次推出商业化产品。

随着FPGA技术的发展，FPGA的逻辑容量越来越大，成本越来越低。

在这种趋势下，FPGA可以代替系统中越来越多的器件，最后发展到FPGA片上系统。

第1节XILINX简介XILINX是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商。

Xilinx公司成立于 1984年。

并首创了现场可编程逻辑阵列（FPGA）这一创新性的技术，并于1985年首次推出商业化产品。

目前Xilinx满足了全世界对 FPGA产品一半以上的需求。

Xilinx可编程逻辑解决方案缩短了电子设备制造商开发产品的周期并加快了产品面市的速度，从而减小了制造商的风险。

Xilinx产品已经被广泛应用于从无线基站到DVD播放机的数字多媒体电子应用技术中。

传统的半导体公司只有几百个客户，而Xilinx在全世界有7，500多家客户与50，000多个设计开端。

其客户包括Alcatel，Cisco Systems，EMC，Ericsson，Fujitsu，Hewlett-Packard，IBM，Lucent Technologies，Motorola，NEC，Nokia，Nortel，Samsung，Siemens，Sony，Sun Microsystems以与Toshiba。

Xilinx的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求的Spartan系列；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用Virtex系列，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。

在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件。

目前高端的Virtex系列已经从开始的Virtex发展到最近的Virtex5。

第７卷第２３期２００７年１２月１６７１—１８１９（２００７）２３—６１９０—０３科学技术与工程ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶ０１．７Ｎｏ．２３Ｄｅｃ．２００７⑥２００７Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．基于ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ的ＦＰＧＡ重配置系统设计李炜Ｊｌ’（电子科技大学自动化工程学院，成都６１００５４）摘要介绍了ＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡ的配置模式和配置原理，提出一种基于ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ软核处理器的ＦＰＧＡ重配置系统设计方案。

该方案灵活简便，具有很高的应用价值。

关键词ＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ微处理器重配置中图法分类号ＴＮ９１９．３；文献标识码Ａ基于ＳＲＡＭ工艺的ＦＰＧＡ集成度高，逻辑功能强，可无限次重复擦写，被广泛应用于现代数字系统的设计中。

基于ＳＲＡＭ工艺的ＦＰＧＡ在掉电后数据会丢失，当系统重新上电时，需要对其重新配置。

在系统重构或更换系统工作模式时，往往也需要对ＦＰＧＡ进行在线重配置，以获得更加灵活的设计和更加强大的功能。

在这些过程中，如何根据系统的需求，快速高效地将配置数据写入ＦＰＧＡ，对ＦＰＧＡ进行在线重配置，是整个系统重构的关键。

在ＦＰＧＡ的重配置系统设计中，通过外部控制器对ＦＰＧＡ进行在线重配置的方案是上佳选择。

在这种方案中，可以由外部控制器模拟ＦＰＧＡ的配置时序，并采用串行化，或者并行化的方式发送ＦＰＧＡ所需要的配置时钟和数据。

同时，在配置过程中控制器可以监控配置进程，很好地保证在线重配置的实时陛和高效性。

现基于ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ软核处理器，提出了一种灵活简便的ＦＰＧＡ在线重配置系统设计方案。

１ＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡ配置方式及配置流程实现ＦＰＧＡ的数据配置方式比较多，以Ｘｉｌｉｎｘ公司的Ｖｉｒｔｅｘ－４系列ＦＰＧＡ为例，主要有从串模式、主串模式、８位从并模式、３２位从并模式、主并模式及ＪＴＡＧ模式这六种配置方式。

这些模式是通过２００７年７月３１３收到第一作者简介：李炜（１９８３一），男，成都电子科技大学自动化工程学院研究生，研究方向：基于ＦＰＧＡ的嵌入式系统开发。

基于Microblaze多核系统的设计及在FPGA上的实现
李剑阳;付宇卓;刘婷
【期刊名称】《微电子学与计算机》
【年(卷),期】2009(0)7
【摘要】文中设计的多核系统是基于Microblaze软核,通过平台FPGA设计技术实现的.核间互联采用OPB总线,每个核都有IP模块来记录编号,实现的硬件锁完成了多核的启动和多核的同步.最后将操作系统Mutek移植到该系统上,完成线程调度和任务分配.实验证明,该系统能很好地支持多核多线程,有效提高了并行处理能力.【总页数】4页(P160-163)
【关键词】多核;Microblaze;多线程;MJPEG
【作者】李剑阳;付宇卓;刘婷
【作者单位】上海交通大学微电子学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP303
【相关文献】
1.基于FPGA MicroBlaze软核实现的直流电机控制系统 [J], 阎骏;李琳
2.基于Xilinx MicroBlaze多核嵌入式系统的设计 [J], 何宾;王瑜
3.基于FPGA MicroBlaze软核实现的以太网设计方法 [J], 王晓鹏
4.基于MicroBlaze软核的FPGA片上系统设计 [J], 王磊
5.基于FPGA MicroBlaze软核实现的以太网设计方法 [J], 王晓鹏
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基于Microblaze的经典设计汇总，提供软硬件架构、流程、算法Microblaze 嵌入式软核是一个被Xilinx 公司优化过的可以嵌入在FPGA 中的RISC 处理器软核，具有运行速度快、占用资源少、可配置性强等优点，广泛应用于通信、军事、高端消费市场等领域。

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。

本文介绍基于Microblaze 的设计实例，供大家参考。

双Microblaze 软核处理器的SOPC 系统设计本文以MieroBlaze 软核为基础，利用XPS 作平台来设计双MieroBlaze 处理器片上系统，此片上系统可以很好地实现两软核处理器间的通信和中断功能，该系统在Xilinx 公司的XUPV5-LX110T 开发板上得到实现，在超级终端中得到验证。

基于Microblaze 的16 点fft 的设计实现本文采用FPGA 和Microblaze 进行嵌入式系统设计，文中在分析了FFT 算法后，描述了运算的蝶形单元，地址生成单元及FFT 的实现过程。

从实际设计出发，完成了基于FPGA 的单精度浮点运算器的FFT 设计，精度达到10-6。

大大缩小了接收机体积，便于系统实现小型化、集成化。

Microblaze 在RFID 阅读器的软硬件设计中的应用本文研究和实现了基于FPGA 的阅读器，这种阅读器具有结构灵活、体积小、升级容易、方便实现不同的外设接口等优点。

论文结构如下第一部分描述阅读器的总体结构，第二部分是硬件部分结构，第三部分是软件部分结构，第四部分是阅读器的实现。

MicroBlaze 处理器的PetaLinux 操作系
本文针对Xilinx 公司的MicroBlaze 软核，介绍了PetaLinux 嵌入式操作系统及其移植方法，研究了PetaLinux 的相关配置和启动方案。

1 基于MicroBlaze 处理器的系统设计
1.1 MicroBlaze 处理器简介
MicroBlaze 软核处理器是一种针对Xilinx FPGA 器件而优化的功能强大的微处理器。

它内部采用RISC 架构的32 位指令和数据总线，支持CoreConnect 片上总线的标准外设计集合，具有兼容性和重复利用性，且可根据性能需求和逻辑区域成本任意裁减，极大地扩展了应用范围，其最精简的
核只需要将近400 个Slice。

MicroBlaze 的CoreConnect 总线、它能够将FPGA 内各种不同的IP。

基于FPGAMicroBlaze软核实现的以太网设计方法作者：王晓鹏来源：《数字技术与应用》2017年第06期摘要：以太网是目前最流行的分组交换局域网技术，它的控制是分布式的，无中央权力的授权接入可以同时接入多台机器，自己检测载波是否空闲。

以太网技术具有简单、方便、价格低、速度高等特点，在军事、工业、教育、娱乐等方面获有着广泛的应用。

本设计主控芯片采用Sparntan 3E系列型号为XC3S500E-PQ208 的FPGA，以太网控制器采用DM9000芯片实现，详细阐述工程设计流程和软硬件实现方法。

关键词：FPGA；DM9000；MicroBlaze；嵌入式中图分类号：TP393.11；TN791 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）06-0154-011 以太网技术基础以太网接口中最重要的协议是TCP/IP，包括应用层、传输层、Internet层、网络接口层、物理层。

在网络接口层包括逻辑数据控制子层（LLC）和媒体访问子层（MAC），MAC子层在上层协议和以太网之间传输和接收数据，确保以太网上第一个帧的数据遵循介质存取规则。

2 芯片选择2.1 FPGA芯片介绍Spartan3E系列的XC3S500E-PQ208，该芯片逻辑门数达50万门，有20块RAM，芯片内含208个I/O引脚，需要3.3V、2.5V、1.8V的I/O端口电压，各个分组独立供电。

2.2 以太网控制器DM9000介绍DM9000是一个综合、成本低的快速以太网控制器芯片，具有通用的处理器接口，传输速率达100Mbit/S，具有自适应，低功耗、高处理性能，支持3.3～5V电源电压。

它向外提供一个MII接口，支持8位、16位、32位的接口来适应不同的处理器对内部存储器的访问，且具备MAC控制器，简化了设计流程、能完成不同系统的软件驱动开发。

3 整体设计方案3.1 硬件设计整体硬件设计采用FPGA位主控制器，外接以太网控制芯片DM9000，DM9000自带物理（PHY）层处理接口和媒体接入控制（MAC）层处理接口，DM9000与水晶头（RJ-45）连接，DM9000提供了8位、16位、32 位三种不同的连接方式，本文选择8位的连接方式，DM9000原理图如图1所示。

基于MicroBlaze的嵌入式系统设计基于MicroBlaze 的嵌入式系统设计由技术编辑于星期二, 03/26/ - 23:06 发表摘要：当今时代,嵌入式系统已经无所不在,与人们的日常生活息息相关。

嵌入式系统以微处理器为核心,以计算机技术为基础,其主要特征是实时性强。

据统计,当前世界上微处理器每年生产总量的95 %以上都是面向嵌入式系统应用,围绕Xilinx 公司的MicroBlaze 微处理器,对其体系结构、设计流程和相关开发工具一一做出介绍,而且经过一个简单的实例来说明以MicroBlaze 处理器为内核的嵌入式系统的开发过程。

1 MicroBlaze 处理器结构MicroBlaze 处理器是Xilinx 公司针对嵌入式处理器开发应用推出的一种32 位嵌入式处理器内核,她是一种软核结构,简单但灵活性强,在目标器件中能够进行任意配置。

她采用RISC 指令集、Harvard 体系结构,该处理器有以下一些特征：(1) 32 个32 位通用寄存器和2 个专用寄存器。

(2) 32 位指令系统, 支持3 个操作数和2 种寻址方式。

(3) 分离的32 位指令和数据总线,符合IBM 的OPB总线规范。

(4) 经过本地存储器总线(LMB) 直接访问片内块存储器(BRAM) 。

(5) 具有高速的指令和数据缓存(cache) ,三级流水线结构。

(6) 具有硬件调试模块(MDM) 。

(7) 带8 个输入/ 输出快速链路接口( FSL) 。

说明：DOPB 器件内部的外围设备数据接口总线,用于处理器与片内的设备进行数据交换。

DLMB 实现数据交换的本地块存储器总线,该总线为处理器内核与块存储器(BRAM) 之间提供专用的高速数据交换通道。

IOPB 用于实现外部程序存储器的总线接口。

当程序较大时,需要外接大容量的存储器,该总线提供读取指令的通道。

ILMB 用于取指令的本地存储器总线,该总线与器件内部的块存储器(BRAM) 相连,实现高速的指令读取。

基于MicroBlaze软核的FPGA片上系统设计
Xilinx 公司的MicroBlaze 32 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，并访问其的
数据，如图1 所示。

(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2 所示。

(2)存储结构
MicroBlaze 是一种大端存储系统处理器，使用如图3 所式的格式来访问
存储器。