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隨著可編程邏輯器件的不斷進步和發展，FPGA在嵌入式系統中發揮著越來越重要的作用，已經開始被廣泛應用于通信、航天、醫療、工控等領域。Xilinx公司作為全球最大的可編程邏輯器件生產廠商，為嵌入式系統設計人員提供了比較全面的解決方案。Xilinx的嵌入式系統開發環境EDK，提供了一種通用的完全集成的硬件和軟件開發環境，使設計人員可以利用單個開發環境快速配置針對PowerPC硬處理器或Microblaze軟處理器內核的平臺。在EDK開發環境下，利用用戶向導可以準確快速地創建一個新的嵌入式系統，而在這一過程中，XBD文件決定了系統的硬件平臺描述文件MHS以及約束文件UCF的正確與否，在構建系統過程中起著至關重要的作用。 1 基于FPGA的嵌入式系統開發 利用Xilinx公司的嵌入式系統開發工具EDK就可以完成整個嵌入式系統的硬件和軟件開發，EDK由XPS(Xilinx Platform Studio)和SDK(Software DevelopmentKit)組成。其中XPS是主設計程序平臺，可以實現嵌入式系統開發的所有步驟，并且可以在其中調用SDK。SDK是軟件開發工具，支持C和C++，主要完成軟件設計。在XPS開發環境下，完整的開發流程如圖1所示。  MHS和MSS文件都是根據系統要求在EDK環境下生成的。MHS文件包含了對整個嵌入式系統的定義，包括處理器、總線、外圍設備、地址空間等，用于整個硬件平臺的綜合、實現；MSS文件包含了操作系統、設備驅動等信息，將其輸入到庫生成器(Libgen)，產生應用程序中需要的驅動程序及Xilinx的調用庫。 嵌入式開發軟件EDK為設計人員提供了自動化的設計向導——BSB(Base System Builder)，可以指引工程師快速完成整個設計過程。在利用BSB創建嵌入式系統過程中，利用嵌入式硬件平臺的XBD文件對板級各個功能電路的描述，按步驟選擇需要的電路模塊添加到MHS文件中，從而減少出現錯誤的可能，降低學習難度。因此，一個新的嵌入式FPGA硬件平臺確定以后，在EDK中針對開發板進行嵌入式系統開發，可以利用相應的XBD文件，快速建立一個基于FPGA的嵌入式系統。 2 板級描述文件XBD XBD(Xilinx Board Description)文件定義了電路板的功能模塊以及各個模塊與FPGA芯片的接口情況，利用BSB可以將XBD文件中包含的功能模塊加入到要建立的嵌入式系統中。 在EDK的安裝目錄下，Xilinx公司為設計者提供了一些開發板的XBD文件。但是，一個新的嵌入式硬件平臺建立后，想要在EDK軟件中利用BSB向導讀取硬件電路的信息，從而高效無誤地產生FPGA嵌入式系統，需要針對電路板上的各個單元電路設計新的XBD文件來描述硬件平臺的信息。通常，一個XBD文件包括如下信息： ◆電路板所支持的功能模塊的FPGA接口； ◆每個模塊的屬性、參數、端口定義； ◆不同端口或模塊間的連接信息； ◆每個FPGA引腳的UCF約束信息。 由于XBD文件是對硬件各功能模塊的描述，因此在設計XBD過程中也是以模塊的形式來表示電路板信息的，而且各個功能塊的描述具備相似的結構，使用相同的賦值命令進行具體參數定義。 2．1，模塊的定義 一個完整的模塊定義如下： BEGIN＜block_type_keyword＞ : END 關鍵字BEGIN表示一個新的模塊開始，后面是要定義模塊的類型，中間部分是與描述IP核行為的MPD文件相對應的各種參數。當前，XBD文件能夠識別3種類型的模塊定義： ①IO_INTERFACE。IO_INTERFACE指定了一個電路板上的物理模塊(不包括FPGA本身)，每一個IO—INTERFACE在板上應該有一個在FPGA中使用的軟IP核與之相對應。 ②IO_ADAPTER。IO_ADAPTER指定了連接IO_INTERFACE引腳與相應軟IP端口的軟膠合邏輯。 ③FPGA。FPGA模塊代表FPGA本身。 2．2 賦值命令 每個BEGIN—END模塊包括多個賦值命令。賦值命令至少包括一個name—value對，還可以加入多個name—value子對。 賦值命令包括： ①ATTRIBIJTE。ATTRIBUTE命令是對屬性命名的關鍵字。對于經過ATTRIBUTE賦值的對象，EDK工具會執行某種操作或以特定的方式使用該對象。ATTRIBUTE賦值命令可以在BEGIN—END模塊內部或者外部使用。 ②PARAMETER。PARAMETER命令將IP核中的PARAMETER參數同XBD文件中的IO_INTERE、ACE聯系在一起，且PARAMETER命令只能在IO_INTERFACE模塊內部使用。 ③PORT。PORT命令用來指定電路板上各個模塊(包括FPGA)的連通性，只能在IO_INTERFACE和IO_ADAPTER模塊內使用。 PARAMETER和PORT命令后能夠跟隨子屬性，每一個子屬性也是name—value對。子屬性必須同PA—RAMETER和PORT命令在同一行，并且用逗號隔開。 3 XBD文件的設計實現 在基于FPGA的嵌入式系統中，無論是硬核Power—PC還是軟核Microblaze處理器，都是通過IP核的方式與周圍設備進行操作的，因此，在XBD中定義電路模塊時要選擇與實際電路相對應的IP核。在描述IP核行為的MPD文件中，定義了IP核的各種參數，I0_INTERFACE的子屬性IOTYPE決定了該IP核是否能夠與電路板上的特定模塊進行連接，通過查看MPD文件的信息就可以知道該IP的功能及其各種參數。例如，對于電路板上的4個LED顯示單元，為了能夠利用BSB將其加入到嵌入式系統中，需要在XBD文件中定義一個能夠對4個LED進行操作的模塊。在基于FPGA的嵌入式系統中，處理器通過通用I／O接口GPIO對LED進行操作，故LED在XBD中要定義一個IOTYPE為GPIO的I0_INTER—FACE模塊，表示可以通過這個模塊與實際電路板上的I／O進行通信。在GPIO的MPD文件描述中，對于I0_IN—TERFACE進行了如下定義： IO_INTERFACE IO_IF=gpio_O，IO_TYPE=XIL_GPIO_V1 這個I0_INTERFACE表明IP核可以和GPIO進行通信。 與電路板上特定模塊通信的IP核選定后，根據實際的電路特點，在XBD文件中指定模塊的參數值，這些參數值都要與MPD文件中的參數一一對應。需要指出的是，EDK工具是利用XBD文件中的IO_IS子屬性將IP核的端口與電路板上模塊連接在一起的。在MPD文件中，GPIO的部分描述摘錄如下： MPD文件定義了IOTYPE類型為XIL_GPIO_V1的I／O接口，并且有C_GPIO_WIDTH和C_ALL_INPUTS兩個參數。這些參數跟隨的I0_INTERFACE是通過IO_IF子屬性來指定的。同樣，PORT GPIO_IO也是通過IO_IF子屬性來表示屬于gpio_0接口的。通過MPD文件對GPIO的描述，可以通過將電路板上的4個LED電路模塊在XBD文件中定義一個IO_INTERFACE模塊來表示。 可以看到，MPD文件中I0TYPE類型為XIL_GPIO_V1的IO_INTERFACE同XBD文件中IOTYPE類型同樣為XIL_GPIO_V1的LEDs_4BIT模塊是匹配的。因此，子屬性IO_IS決定了IP核中的端口同XBD文件中哪個端口連接。最終，利用自己設計的XBD文件中的LEDs_4BIT模塊，通過BSB建立一個基于FPGA的嵌入式系統。實際電路板中4個LED在構建的硬件配置文件MHS中的描述如下： 類似于在XBD文件中設計一個與4個LED進行通信的GPIO模塊，利用同樣的方法，在XBD中能夠完成電路板上其他模塊的設計，如UART、按鍵、存儲器等。在XBD文件中將電路板上所有的模塊信息設計完成之后，為了使EDK軟件中的開發向導BSB能夠讀取到自己設計的XBD文件的信息，要將XBD文件存放到EDK安裝目錄下的＜library_name＞／boards中。應該注意的是，開發板的目錄名稱必須同板本身的名稱相同，每個開發板目錄下應該包括一個／data目錄，XBD文件必須以＜board_name＞_v2_2_O．xbd的形式命名，并且存放在這個／data目錄下，例如…／boards／myboard_revl／data／myboard_rev1_v2_2_0．xbd。這樣，在利用BSB創建嵌入式系統過程中，XPS工具就會自動搜索＜library_name＞／boards目錄，并將該目錄下存在的描述開發板信息的XBD文件在創建向導BSB中顯示出來。 4 總 結 板級描述文件XBD在利用BSB快速構建基于FPGA的嵌入式系統中起著非常重要的作用，本文針對新的硬件平臺的XBD文件設計進行了介紹。在XBD文件設計時，針對電路板上的各個實際電路模塊，通過對照相應描述IP行為的MPD文件進行各個電路模塊的設計與實現。 |
