關(guān)于Leon2軟核
下面是兩篇關(guān)于Leon2的兩篇論文，看過之后應(yīng)該就對Leon2了解了：
(很多人說國內(nèi)論文質(zhì)量差，但在了解某項(xiàng)技術(shù)的初期，還是有些價值的。）
Leon2微處理器IP核原理及應(yīng)用
摘 要?介紹一款開源的、符合SPARCV8規(guī)范的、采用RISC結(jié)構(gòu)的32位處理器IP按——Leon2，它可以從互聯(lián)網(wǎng)上免費(fèi)下載使用。Leon2是以 VHDL形式存在的軟核、完全可綜合、內(nèi)部硬件資源可裁剪、主要面向嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)、可以用FPGA／CPLD和ASIC等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。文中介紹Leon2 的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)、軟硬件的開發(fā)過程和一些應(yīng)用實(shí)例。
關(guān)鍵詞?Leon2 SPARC V8 AMBA VHDL 交叉編譯器
引 言
Leon2是GaislerResearch公司于2003年研制完成的一款32位、符合IEEE-1754(SPARCVS)結(jié)構(gòu)的處理器IP核。它的 前身是歐空局研制的Leon以及ERC32。Leon2的目標(biāo)主要是權(quán)衡性能和價格、高的可靠性、可移植性、可擴(kuò)展性、軟件兼容性等．其內(nèi)部硬件資源可裁 剪(可配置)、主要面向嵌入式系統(tǒng)，可以用FPGA／CPLD和ASIC等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。Leon2處理器的片上資源如下：分離的指令和數(shù)據(jù)Cache、硬件 乘法器和除法器、中斷控制器、具有跟蹤緩沖器的調(diào)試支持單元(DSU)、2個24位定時器、2個通用異步串口(UART)、低功耗模式、看門狗電路、16 位I/O端口、靈活的存儲控制器、以太網(wǎng)MAC和PCI接口。Leon2的VHDL模塊可以在大多數(shù)綜合工具上進(jìn)行綜合，可以在任何符合VHDL-87標(biāo) 準(zhǔn)的仿真器上進(jìn)行仿真；采用AMBA AHB／APB總線結(jié)構(gòu)的用戶設(shè)計新模塊，可以很容易加入到Leon2中，完成用戶的定制應(yīng)用。
Leon2在歐洲和美國都有眾多的應(yīng)用者；國內(nèi)航天部77l所和中科院國家天文臺等單位正在研制基于Leon2的應(yīng)用系統(tǒng)。為了使Leon2得到國內(nèi)業(yè)界 的了解和進(jìn)一步的應(yīng)用，本文將從Leon2的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)、軟硬件的開發(fā)過程和應(yīng)用實(shí)例等四個方面進(jìn)行介紹。在技術(shù)特點(diǎn)中，主要介紹了它所遵循的 SPARCV8規(guī)范、采用的AMBH2．0內(nèi)部系統(tǒng)總線協(xié)議、容錯設(shè)計方法和VHDL編程風(fēng)格等。
1 Leon2的結(jié)構(gòu)
圖1是Leon2的片上結(jié)構(gòu)框圖。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由AMBA AHB和APB支撐，連接著SPARC處理器、Cache系統(tǒng)及片上外設(shè)等設(shè)備。
(1)處理器單元
處理器單元由整數(shù)單元IU、浮點(diǎn)單元FPU、協(xié)處理器單元CP構(gòu)成。整數(shù)單元的特點(diǎn)有：5級指令流水、分離的數(shù)據(jù)和指令Cache、支持2~32個寄存器 窗口、可選的4個觀察口寄存器、可配置乘法器、可選的16×16位MAC(40位累加器)、基2除法器。可支持的浮點(diǎn)處理器有 GaislerResearch的GRFPU，Sun Microsystems的Meiko FPU或其他通用浮點(diǎn)處理單元。Leon2提供了一個通用的用戶可定義的協(xié)處理器，同IU并行運(yùn)行增強(qiáng)了系統(tǒng)功能。
(2)Cache子系統(tǒng)
可配置的模式有直接映射模式和2~4組相聯(lián)的多組相聯(lián)模式；可選的三種替換算法是LRU、LRR和偽隨機(jī)。
(3)片上外設(shè)
片上外設(shè)包括：2個中斷控制器、2個UART、2個Timer和1個Watchdog、16位的I／O口、存儲器控制器(PROM、SRAM、 S13RAM)、PCI橋接器、Ethernet接口、高級片上調(diào)試支持單元(DSU)和跟蹤緩沖器等．中斷控制器可以最大處理46個內(nèi)部和外部中斷。2 個串行通信口 (UART)，支持8位數(shù)據(jù)幀、1位校驗(yàn)位、1位停止位，支持硬件流控功能。調(diào)試支持單元(DSU)能夠把處理器設(shè)置到調(diào)試模式，通過它可以讀寫處理器的 所有寄存器和Cache。DSU還包括一個跟蹤緩存，可以保存已執(zhí)行了的指令和AHB上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
2 Leon2的技術(shù)特點(diǎn)
Leon2的技術(shù)特點(diǎn)主要有：采用SPARCV8結(jié)構(gòu)、采用內(nèi)部AMBA總線結(jié)構(gòu)、容錯設(shè)計和VHDL編程風(fēng)格。
2.1 SPARC V8
SPARC是可擴(kuò)展處理器體系架構(gòu)的首字母縮略詞，是一個從RISC派生出的CPU指令集結(jié)構(gòu)(ISA)。指令集結(jié)構(gòu)是指：定義了指令、寄存器、指令和數(shù) 據(jù)存儲器、指令執(zhí)行對寄存器和存儲器的影響、控制指令執(zhí)行的算法等內(nèi)容，但不定義時鐘周期、每條指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)(CPI)、數(shù)據(jù)通路等內(nèi)容。作為一 個結(jié)構(gòu)，SPARC允許在具有不同性能價格比的廣泛應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)不同系列的芯片和系統(tǒng)，包括科學(xué)、工程、編程、實(shí)時和商業(yè)應(yīng)用等。SPARC的設(shè)計目標(biāo)是 優(yōu)化編譯器和易于硬件流水線實(shí)現(xiàn)。
SPARC處理器由整數(shù)單元(IU)、浮點(diǎn)和協(xié)處理器單元(FPU和CP)構(gòu)成。它們各自都有自己的寄存器，其中IU有8個全局寄存器、2~3N個寄存器窗口(由用戶設(shè)定)，浮點(diǎn)和協(xié)處理器單元的選擇依賴于具體應(yīng)用。
(1)寄存器窗口
它是SPARC的最大技術(shù)特點(diǎn)。SPARC處理器包括兩種寄存器：一種是通用寄存器，另一種是控制／狀態(tài)寄存器。IU的通用寄存器叫r寄存器。一個IU的 實(shí)現(xiàn)可能包括40~520個32位r寄存器。這些寄存器又被分成8個全局寄存器，再加上2~32個與實(shí)現(xiàn)有關(guān)的16位寄存器組，每一個寄存器組又進(jìn)一步分 為8個輸入寄存器和8個輸出寄存器。圖2是一個8窗口寄存器結(jié)構(gòu)示意圖。在任何一個時刻，一條指令只能訪問8個全局寄存器和由當(dāng)前窗口指針(CWP)指定 的當(dāng)前窗口。這個窗口是由8個輸入寄存器、8個局部寄存器和8個輸入寄存器構(gòu)成。從圖2中可以看出，兩個相鄰窗口的入和出寄存器是共享的。當(dāng)前是按窗口號 順序(或前或后)轉(zhuǎn)換的，正好上一次的輸出寄存器成為當(dāng)前窗口的輸入寄存器，這樣可以減少存儲器讀寫和運(yùn)行時的現(xiàn)場保護(hù)。
(2)支持的數(shù)據(jù)格式
基本有三種：8／16／32／64位有符號整數(shù)、8／16／32／64位無符號整數(shù)、32／64／128位浮點(diǎn)數(shù)。浮點(diǎn)數(shù)格式符合ANSI／IEEE Standard 754-1985。
(3)Traps
它是一種矢量化的、通過一個包含每個陷阱句柄的前4條指令的特殊陷阱表，將控制轉(zhuǎn)向監(jiān)視軟件。陷阱種類有精確陷阱、延遲陷阱和中斷陷阱。
(4)指令集有
所有指令都編碼成32位格式，可以分成六個基本的類型，一共有72條指令。
六種基本的指令分別 是：
Load／store；
Arthmetic／logical／shift；
Control transfer；
Read／write control register；
Floating-point operate；
Coprocessor operate。
(5)存儲器模式
SPARC的存儲器模型定義了存儲器操作的語義，指定了處理器發(fā)射出這些操作的順序與這些指令被存儲器執(zhí)行的順序是如何進(jìn)行關(guān)聯(lián)的。標(biāo)準(zhǔn)的存儲器模型叫作 TSO(Total Store Ordering)，所有的SPARC實(shí)現(xiàn)必須提供這個模型；另一個模型叫作PSO，它可以提供更高性能的存儲系統(tǒng)。
2.2 AMBA
AMBA(Advanced Microntroller Bus Architecture)規(guī)范，是一種已制定的、開放的規(guī)范，充當(dāng)著SoC設(shè)計的架構(gòu)，正迅速成為SoC和IP庫開發(fā)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，為高性能嵌入式微控 制器設(shè)計定義了一種片上通信標(biāo)準(zhǔn)．AMBA規(guī)范中定義了三種不同的總線，即AHB、ASB和APBAHB是為高性能、高時鐘頻率的系統(tǒng)模塊提供的，擔(dān)任著 高性能系統(tǒng)的背板總線、支持多處理器、片上各種存儲器和片外外部存儲器接口連接到低功耗輔助宏單元。ASB也是為高性能系統(tǒng)模塊提供，當(dāng)AHB的高性能特 點(diǎn)無需要時，就可以用ASB來代替；它也支持多處理器、片上各種存儲器和片外外部存儲器接口連接到低功耗輔助宏單元。APB是為低功耗的外圍設(shè)備提供的， 它優(yōu)化到為最小功耗和減小接口的復(fù)雜性來支持輔助功能。
圖3是AMBA總線微控制器的典型結(jié)構(gòu)。它含有一套高性能的背板總線，AHB或ASB；它能支撐外部存儲器帶寬，在這套總線掛接著CPU、片上存儲器和其 他DMA設(shè)備。通過一個橋接器，可以把AHB和APB總線連接起來。APB上面連接著大多數(shù)的輔助設(shè)備，如UART、定時器、PIO等。
2.3 容錯問題
為了適用于航空航天的高可靠性應(yīng)用，Leon2采用多層次的容錯策略；奇偶校驗(yàn)、TMR(三模冗余)寄存器、片上EDAC(檢錯和糾錯)、流水線重啟、強(qiáng) 迫Cache不命中等．盡管現(xiàn)在幾乎所有CPU都有一些常規(guī)的容錯措施，如奇偶校驗(yàn)、流水線重啟等，像IBM S／390 G5還采用了寫階段以前的全部流水線復(fù)制技術(shù)．IntelItanium采用的混合ECC和校驗(yàn)編碼等技術(shù)；但遠(yuǎn)沒有Leon2那樣，采用如此全面的容錯 措施。
Leon2將時序(存儲)單元的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)作為數(shù)字容錯的主要內(nèi)容，根據(jù)時序邏輯的不同特點(diǎn)和性質(zhì)，采用了不同的容錯技術(shù)和手段．
Cache的容錯。大的Cache對高性能CPU來說是至關(guān)重要的，而且位于處理器的關(guān)鍵(時間)通路上。為了減少復(fù)雜性和時間開銷，錯誤檢測的方法采 用2位的奇偶校驗(yàn)位，l位用作奇校驗(yàn)，l位偶校驗(yàn)，因此可以檢查所有的錯誤情況，在讀Cache的同時進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)校驗(yàn)出錯誤，強(qiáng)制Cache丟失，并從 外部存儲去獲取數(shù)據(jù)。
處理器寄存器文件的錯誤保護(hù)。寄存器文件是處理器內(nèi)部的寄存器堆，內(nèi)部的寄存器對于指令的運(yùn)行速度和用戶程序設(shè)計的靈活程度都是很重要的。內(nèi)部寄存器的 使用頻率很大，其狀態(tài)的正確性是也很關(guān)鍵。Leon2采用1、2奇偶校驗(yàn)位和(32.7)BCH校驗(yàn)和進(jìn)行容錯。
觸發(fā)器的錯誤保護(hù)。處理器的2500個觸發(fā)器均采用三模冗余的方式進(jìn)行容錯，通過表決器來決出正確的輸出。
外部存儲器的錯誤保護(hù)。采用掛上的EDAC單元實(shí)現(xiàn)。EDAC：采用標(biāo)準(zhǔn)的(32.7)BCH碼，每32位字可糾正1位錯誤和檢測2位錯誤。
主檢測模式。是指兩個相同的處理器同時并行執(zhí)行相同的指令，只讓其中的主模式處理器輸出結(jié)果，不讓檢測模式的處理器輸出結(jié)果。在內(nèi)部，將檢測模式處理器的輸出同主模式處理器輸出進(jìn)行比較，以檢查錯誤是否存在。這種工作模式，可以應(yīng)用于要求更高可靠性的情況。
在軟件上，還要考慮Cache的清洗問題。因?yàn)樯厦娼榻B的五種方法，只有在對相應(yīng)的單元進(jìn)行訪問時才進(jìn)行錯誤檢查。如果存儲單元的數(shù)據(jù)不常使用，這些單元的錯誤會逐漸增加，因此必須使用一些軟件的方法來實(shí)現(xiàn)。
2.4 編碼風(fēng)格
Leon2的VHDL編碼風(fēng)格，同傳統(tǒng)以并發(fā)執(zhí)行的并發(fā)進(jìn)程(或并發(fā)語句)作為模塊、所謂的“數(shù)據(jù)流”編碼風(fēng)格不一樣，采用的是“二進(jìn)程”的設(shè)計方法。這 種編碼風(fēng)格克服了“數(shù)據(jù)流”編碼方式的可讀性差、抽象級低、仿真時間長等缺點(diǎn)?！岸M(jìn)程”編碼風(fēng)格的具體措施是：①所有的端口和信號聲明采用記錄的形式進(jìn) 行說明，如按輸入輸出分類進(jìn)行記錄說明；②每個實(shí)體只有兩個進(jìn)程，一個組合進(jìn)程和一個時序進(jìn)程；③在組合進(jìn)程中全部采用變量(而不是信號)，以使用結(jié)構(gòu)化 的順序編碼方式；④在時序
進(jìn)程中通過時鐘同步，進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
“二進(jìn)程”的編碼風(fēng)格的模型可用圖4來表示。它基本與狀態(tài)機(jī)模型一樣，只是組合進(jìn)程部分，采用變量形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)化順序編碼，來完成下一個時鐘周期的輸出和下一個狀態(tài)進(jìn)行計算。時序進(jìn)程部分是在時鐘的作用下，完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出驅(qū)動。
3 軟硬件開發(fā)
3.1 VHDL
Leon2除了VHDL源代碼外，還提供了頂層Makefile文件、Modelsim仿真器支持文件、Boot-monitor文件、VHDL測試文件、綜合支持文件、Leon2調(diào)試用的C語言源文件等，便于對Leon2進(jìn)行硬件和軟件方面的測試。
Leon2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以通過模塊配置，使處理器具有不同的功能結(jié)構(gòu)。配置的方式可以采用tkconfig腳本進(jìn)行圖形界面的方式進(jìn)行，也可以直接對包 文件device．vhd進(jìn)行手動編輯來完成。配置主要是通過修改一系列的常數(shù)的聲明值來實(shí)現(xiàn)的。Leon2中許多模塊功能是可以進(jìn)行配置的，這些配置信 息是在包文件Target．vhd里進(jìn)行聲明的。
Leon2可配置的內(nèi)容包括：
①所采用的綜合工具和目標(biāo)庫。綜合的技術(shù)可以是：Synplify、Synopsys-DC、Synopsys-FC2、 XST和Leonardo等，目標(biāo)技術(shù)可以是Xilinx的Virtex和Virtex II(FPGA)、Atmel的ATC35和ACT25(0.35／0.25μm CMOS)、TSMC 0.25μm CMOS、UMC 0.25／0.18μm CMOS、以及Actel的ProAsie(FPGA)和Axeellerator(反熔絲FPGA)等。
②整數(shù)單元IU的寄存器窗口、乘法器、除法器、 快速跳轉(zhuǎn)和觀察點(diǎn)的配置。寄存器窗口可以設(shè)置為2~32個，但為了同交叉編譯器LECCS兼容必須配置為8個窗口，乘法器可以配置成迭交、16×16加流 水寄存器、16×16、32×8.32×16、32×32等形式。
③浮點(diǎn)處理單元FPU的配置，可以配置為使用meiko或是lth兩種浮點(diǎn)處理器之一。
④Cache。Cache組的有效大小可以配置為1~64 KB，但必須是2的次冪，每行可以設(shè)置成4~8個字，組的數(shù)量可以是1~4。替換算法可以是隨機(jī)、LRR或LRU，并且指令Cache和數(shù)據(jù)Cache是 獨(dú)立進(jìn)行配置的。
⑤存儲器控制器。
⑥D(zhuǎn)ebug配置。
⑦片上外設(shè)的配置，如中斷控制器、看門狗等。
⑧引導(dǎo)配置。
⑨AMHB總線的相關(guān)配置。
⑩PCI配置。
Leon2有四個可綜合的頂層文件；
◇leon．vhd一一標(biāo)準(zhǔn)的Leon2頂層；
◇leon_pci.vhd一一標(biāo)準(zhǔn)的Leon2加上PCI接口構(gòu)成的頂層；
◇leon_eth．vhd一一標(biāo)準(zhǔn)的Leon2加上一個10／100 Mbps以太網(wǎng)MAC構(gòu)成的頂層；
◇leon_etn_pci．vhd一一標(biāo)準(zhǔn)的Leon2加上一個10／100 Mbps以太網(wǎng)MAC以及PCI接口構(gòu)成的頂層。
在上述四個頂層的下面，可以很容易地集成用戶自己的功能模塊。
3.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)
同一般的嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)一樣，Leon2應(yīng)用系統(tǒng)的軟件開發(fā)需要采用交叉編譯環(huán)境來進(jìn)行。Leon2應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)主要采用 LECCS(Leon／ERC32 GUN交叉編譯系統(tǒng))。LECCS是由Cynus、OAR和Gaisler研究公司開發(fā)的多平臺開發(fā)系統(tǒng)，是基于GNU系列的可以自由獲取的、并帶有一系 列附加“點(diǎn)”工具的開發(fā)系統(tǒng)。LECCS可以在Linux(-2.2.x或更高)、Solaris(-2.7或更高)和windows(Cygwin- 1.1.7更高)等多種平臺上運(yùn)行。要在Windows平臺上運(yùn)行LECCS，必須安裝Cygwin。它一個是Unix層面模擬器。
LECCS包括如下程序包：GCC--3.2.3C／C++編譯器、RTEMS--4.6.0-βC／C++實(shí)時核、獨(dú)立C庫、GDB-5.3SPARC 交叉調(diào)試器、遠(yuǎn)程調(diào)試監(jiān)視器、GDB的DDD圖形前端(僅對Unix)、GDB的GDB-TK圖像前端(僅對Windows)、引導(dǎo)PROM的 builder以及Leon調(diào)試支持單元監(jiān)視器等。還包括一些工具，如交叉匯編器、匯編預(yù)處理器、GNU連接器、二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器等等。
采用LECCS進(jìn)行Leon2應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)的過程如下：
①利用GCC編譯和鏈接程序；
②利用仿真器了SIM調(diào)試程序；
③在遠(yuǎn)程目標(biāo)系統(tǒng)上調(diào)試程序；
④為獨(dú)立應(yīng)用產(chǎn)生引導(dǎo)PROM程序。
LECCS支持兩種類型的應(yīng)用：一種是通常的順序CC++程序，一種是基于R了EMS核的多任務(wù)實(shí)時CC++程序。
軟件仿真工具可以采用丁SIM。它是一個通用的SPARC架構(gòu)仿真器，可以對基于ERC-32和Leon的計算系統(tǒng)進(jìn)行仿真，性能和使用方法可以參見 TSIM用戶指南。Leon2為應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試在硬件上作了極大的支持，那就是它的調(diào)試支持單元(DSU)和跟蹤緩沖器。具體使用時可參見Leon2用戶 手冊和leon DSU Monitor用戶手冊。
4 Leon2的應(yīng)用
Leon2在國內(nèi)外都有應(yīng)用。
國外應(yīng)用很多，如基于Leon的數(shù)字聽寫機(jī)、指紋安全系統(tǒng)、GPS處理機(jī)、BIST(內(nèi)建自測試)等方面的產(chǎn)品。這里簡單介紹洛杉磯加州大學(xué)的 ThumbPod指紋安全系統(tǒng)，以及Nemerix公司的NJ1030型GPS基帶產(chǎn)品。ThumbPod安全系統(tǒng)，是將人的指紋作為身份認(rèn)證(數(shù)字身 份)的安全系統(tǒng)。其原型的硬件系統(tǒng)由Xilinx的FPGA(XC2V1000)、Micron的 256 MHz-DDR-SDRAM、Authentec的AF-S2型手指感應(yīng)器等構(gòu)成。CPU采用Leon2處理器核，并通過Leon2的協(xié)處理器接口 (CPI)掛接了AES(高級加密系統(tǒng))協(xié)處理器來執(zhí)行AES算法，以加快加密速度．系統(tǒng)的最大工作時鐘頻率可以達(dá)100 MHz，工作電壓可以是3.3／2.5／1.8／1.5V等多種電壓。NJl030型GPS基帶產(chǎn)品，目標(biāo)是GPS的L1載波C／A碼處理，并提供對WAAS和EGNOS兩種增強(qiáng)系統(tǒng)的支持，可以和世界上領(lǐng)先 的第三方的GPS-RF前端設(shè)備兼容。
國內(nèi)，航天部771所和中科院國家天文臺都正在或計劃研制基于Leon2的星載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。這種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，不再采用體積大、笨重而又功耗巨大的處 理器芯片(如DSP)，而是直接將Leon2放進(jìn)FPGA。系統(tǒng)將大部分的處理功能硬件化，利用FPAG的豐富資源，將整個系統(tǒng)放入一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)。 其中的Leon2只進(jìn)行控制管理和一些必須的計算處理。國家天文臺正計劃研制基于Leon2的星載系統(tǒng)，系統(tǒng)將處理每日采集到的1780 GB數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過預(yù)處理(圖像積分、輻射校正、幾何校正、磁圖處理)、小波壓縮、圖像格式等，使圖像壓縮到10GB左右，并下傳到地面站。
結(jié) 語
本文介紹了Leon2開源處理核的技術(shù)特點(diǎn)、軟硬件開發(fā)過程、國內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)例。技術(shù)特點(diǎn)主要是SPARCV8規(guī)范、AMBH2.0總線結(jié)構(gòu)、容錯設(shè)計方 法和VHDL編程風(fēng)格；對Leon2應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)工具和方法進(jìn)行了介紹；在應(yīng)用實(shí)例中，介紹兩種國外的應(yīng)用和兩種國內(nèi)的應(yīng)用，其中包括作者正在進(jìn) 行研制的星載圖像處理系統(tǒng)。
LEON2應(yīng)用于數(shù)字機(jī)頂盒CPU的FPGA仿真
時間：2009-04-24 10:09:35 來源：現(xiàn)代電子技術(shù) 作者：朱旭，徐良波 中船重工第710研究所
摘 要：采用免費(fèi)軟核LEON2作為數(shù)字機(jī)頂盒的CPU可以降低產(chǎn)品成本。為了使LEON2軟核能更快更好地應(yīng)用于數(shù)字機(jī)頂盒，選擇先在FPGA開發(fā)板上建立 基于LEON2處理器的一個原型，通過這個原型對硬件性能進(jìn)行仿真，并且還可以在線修改程序，這樣就很容易驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，加速軟件開發(fā)調(diào)試流程。經(jīng)過在 FPGA開發(fā)板上的仿真，對基于LEON2的系統(tǒng)測試取得了預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞：LEON2；片上系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；知識產(chǎn)權(quán)核；現(xiàn)場可編程門陣列
0 引 言
近年來，隨著數(shù)字多媒體業(yè)務(wù)和Internet網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，新型數(shù)字機(jī)頂盒可以有效利用我國巨大的有線電視網(wǎng)絡(luò)資源，完成視頻點(diǎn)播、數(shù)字電視的接收及接入Internet等綜合業(yè)務(wù)功能。
1 數(shù)字機(jī)頂盒總體設(shè)計方案
數(shù)字機(jī)頂盒分為兩個通道，下行通道接收來自電纜或光纖的有線電視信號，上行通道傳輸從客戶端到服務(wù)器端的指令。
下行通道方案如圖1所示，調(diào)諧器接收來自有線網(wǎng)的高頻信號，通過QAM解調(diào)器完成信道解碼，從載波中分離出包含音、視頻和其他數(shù)據(jù)信息的傳送流(TS)。 傳送流中一般包含多個音、視頻流及一些數(shù)據(jù)信息。解復(fù)用器則用來區(qū)分不同的節(jié)目，提取相應(yīng)的音、視頻流和數(shù)據(jù)流，送入MPEG一2解碼器和相應(yīng)的解析軟 件，完成數(shù)字信息的還原。對于付費(fèi)電視，條件接收模塊對音、視頻流實(shí)施解擾，并采用含有識別用戶和進(jìn)行記賬功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。MPEG 一2解碼器完成音、視頻信號的解壓縮，經(jīng)視頻編碼器和音頻D／A變換，還原出模擬音、視頻信號，在常規(guī)彩色電視機(jī)上顯示高質(zhì)量圖像，并提供多聲道立體聲節(jié) 目。
上行通道方案如圖2所示，用戶發(fā)送指令，然后經(jīng)過編碼符合網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，從以太網(wǎng)接口傳輸?shù)秸{(diào)制器，再經(jīng)物理信道傳給終端服務(wù)器。
2 LEON2處理器
嵌入式CPU是數(shù)字電視機(jī)頂盒的心臟，當(dāng)數(shù)據(jù)完成信道解碼以后，首先要解復(fù)用，把傳輸流分成視頻、音頻，使視頻、音頻和數(shù)據(jù)分離開。CPU是嵌入式操作系 統(tǒng)的運(yùn)行平臺，它要與操作系統(tǒng)一起完成網(wǎng)絡(luò)管理，顯示管理、有條件接收管理、圖文電視解碼、數(shù)據(jù)解碼、視頻信號的上下變換等功能。
LEON系列32位RISC處理器核的第一個版本是LEONl，它是由歐洲航天局主持設(shè)計開發(fā)的。LEONl的設(shè)計初衷是為了使歐洲能夠擺脫在航空航天高 性能嵌入式處理器上對美國的嚴(yán)重依賴。以Jiri Caisler為首的設(shè)計團(tuán)隊(duì)在完成LEONl后從歐洲航天局獨(dú)立出來，成立了Gaisler Research公司，后來就推出了LE—ON2處理器。LEON2是一個可配置的微處理器核，使用SPARC V8指令集，它的源代碼由可綜合的VHDL代碼構(gòu)成。LEON2內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。
LEON2的整數(shù)處理單元是5級流水線設(shè)計，采用SPARC V8(IEEE一1754)指令和體系結(jié)構(gòu)，具有分離的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache。LEON2的整數(shù)單元包括一個可選的16×16的MAC單元，能 夠完成基本的DSP運(yùn)算，同時還提供了浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)的接口和協(xié)處理器(CP)的接口，可以擴(kuò)展浮點(diǎn)運(yùn)算和DSP處理。LEON2選用了ARM公 司的AMBA 2．0片上總線標(biāo)準(zhǔn)，用于連接內(nèi)存控制器、定時器、中斷控制器、UART接口、PCI接口、10／100 Mb／s以太網(wǎng)接口等模塊。LEON2同時還提供1個調(diào)試支持單元和1個調(diào)試串口，用于支持片內(nèi)調(diào)試。LEON2的一個非常重要的特點(diǎn)就是具有很好的可配 置性。使用者根據(jù)自己的需要，通過一個用tcl／tk腳本編寫的圖形化界面，對LEON2內(nèi)核的絕大多數(shù)模塊進(jìn)行配置，比如可以配置Cache的大小和訪 問方式，是否支持硬件乘／除法，是否需要內(nèi)存。
Gaisler Research公司還提供了比較完善的基于LEON2的GNU軟件開發(fā)環(huán)境。使用者可以使用TSIM或GRMON進(jìn)行LEON內(nèi)核的調(diào)試仿真。 LECCS是專門針對LEON的交叉編譯系統(tǒng)，可以進(jìn)行C／C++的編譯和調(diào)試。SnapGear Linux是基于LClinux的實(shí)時Linux內(nèi)核，它的LEON版提供了對LEON處理器的全面支持，可以支持MMU和NOM—MU等不同配置方案。
由以上描述可以看出，LEON2具有強(qiáng)大的硬件配置和完備的軟件開發(fā)環(huán)境支持，可以承擔(dān)數(shù)字機(jī)頂盒CPU要求的各種信號處理任務(wù)。
3 在FPGA開發(fā)板上建立LEON2的SoC平臺
3.1 硬件平臺的建立
圖4就是基于LEON2的平臺的模塊框圖。LE—ON2處理器作為核心部分，片內(nèi)ROM存放Monitor負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和將程序拷貝到片外SRAM內(nèi)的 任務(wù)，片外RAM是FPGA開發(fā)板上Memory，用來存放程序和數(shù)據(jù)。設(shè)計的IP核通過AHB總線和LEON2相互交互。
FPGA開發(fā)板主要有以下資源：
50MHz有源時鐘；
1塊Altera公司的核心FPGA芯片EP2C20F484一C8，邏輯單元18 752個；
2片512KB的IS61LV25616一AL SRAM芯片組成32b寬共1MB容量，其中每片設(shè)計為可兼容1MB，總共最大可擴(kuò)充到2MB；
JTAG接口(通過JTAG接口可以從PC機(jī)上對EP2C20F484C8進(jìn)行編程)；
串口與計算機(jī)COMl相連，可以用于程序下載。
將配置好的LEON2的VHDL代碼，加入設(shè)計的HDL代碼，一起使用Synplify綜合工具生成FPGA的網(wǎng)表文件；然后使用Quartus進(jìn)行布局 布線，將LEON2核同片內(nèi)ROM和片外SRAM連接，布局布線完成后生成相應(yīng)的SOF文件；通過JTAG端口將SOF文件下載到片子上去，對FPGA硬 件進(jìn)行配置，最后占用FPGA資源是5800個邏輯單元，可以達(dá)到的時鐘頻率最大為46MHz。
3.2 軟件設(shè)計
由于Quartus軟件可以預(yù)先配置EP2C20F484C8片上ROM，所以可以在LEON2的片上ROM預(yù)先配置好的1 KB大小的Monitor軟件。Monitor的主要作用是在LEON2系統(tǒng)reset初始化時首先對處理器初始化，對LEON2的存儲配置寄存器進(jìn)行配 置；然后向UART口發(fā)送啟動信息；等待UART信息。當(dāng)軟件部分使用交叉編譯器LECCS在PC上編譯完畢后，PC機(jī)通過UART口和FPGA開發(fā)板相 互通信，就可以將編譯好的srec文件下載到：FPGA開發(fā)板上，放置在片內(nèi)ROM里面的Monitor程序就讀入程序的內(nèi)容以及程序的起始地址。開始 Monitor將srec程序拷貝到SRAM程序區(qū)，等全部程序下載好以后，Monitor最后1條程序就會自動跳轉(zhuǎn)到程序的起始位置，執(zhí)行SRAM里的 程序。這樣就可以反復(fù)修改程序，反復(fù)下載程序，便于軟件的開發(fā)和調(diào)試。
4 結(jié) 語
通過將片上系統(tǒng)映射到FPGA，這樣可以在接近運(yùn)行速度的前提下，驗(yàn)證硬件和軟件。這樣不僅為軟件部分能盡早地進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試工作提供了原型，同時也可以在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)一些在系統(tǒng)設(shè)計中沒有注意的地方。最終可以縮短設(shè)計周期，同時為ASIC設(shè)計一次成功提供了更大的把握。
在FPGA開發(fā)板上建立基于LEON2處理器的SoC平臺后，使用這個原型系統(tǒng)，就可以很容易驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，并且加速軟件開發(fā)調(diào)試流程。
另：據(jù)我看的一篇論文講，有個論文評測了多種目前的軟核MicroBlaze?and?OpenRISC 1200等，leon2是其中性能最棒的！
