在嵌入式设计中使用MicroBlaze（Vivado版本）

Posted 2022-06-03 DuinoDu

原文Xilinx官方文档《ug898-vivado-embedded-design》第三章

一、MicroBlaze处理器设计介绍（略）

二、创建带有MicroBlaze处理器的IP设计

使用Vivado进行MicroBlaze设计和使用ISE有很大的不同。（译者加：所以你要仔细看下面的说明）

Vivado IDE使用IP综合设计工具进行嵌入式开发。IP综合工具是一个基于图像界面的工具，能够帮助你构建复杂的IP子系统。

Vivado IDE的IP目录中提供了很多现成的IP核，提供使用。你也可以向这个目录添加自定义的IP核。

开始IP综合设计（步骤）

1、在工作流导向面板中的IP Integrator中，点击Create Block Design。（表示你要开始构建带有IP核的框图了）

2、Add IP，找到MicroBlaze，添加到Block中。

（当然，也可以用tcl命令添加IP核：create_bd_cell -type ip -vlnv xilinx.com:ip:microblaze:9.3 microblaze_0）

3、双击MicroBlaze的Block，开始配置软核。

三、MicroBlaze配置窗口（配置窗口说明）

MicroBlaze的配置向导提供如下功能：

---可一键配置的基于模板的配置对话框

---MicroBlaze主要参数的评估：相对面积，频率，性能表现，评估是基于对话框中给定的参数。

---配置流程的向导

---所有配置选项的提示，用来理解各个选项的作用

---使用Adaanced按钮，可以直接访问tabbed接口的所有选项。

MicroBlaze配置向导提供如下向导页：

---配置向导(Configuration Wizard)：第一页，提供模板选择和一般设置。

---一般设置(General)：执行单元的选择，优化。

---异常(Exceptions)：异常功能的使能。（如果在第一页选中了该功能）

---调试(Debug)：断点和查看点的数量。（如果在第一页选中了该功能）

---缓存(Cache)：缓存设置。（如果在第一页选中了该功能）

---内存管理单元(MMU)：MMU设置。（如果在第一页选中了该功能）

---总线(Buses)：总线设置。最后一页，总是显示。

在配置向导的欢迎页中，左边显示的是当前设置的频率、面积和性能的相对评估值。

频率：这个值是用当前架构的最大值进行归一化取得相对值。表示当前设置能够达到的频率。（这个值可能会比实际的值超过30%，不要把这个估计值当做系统一定能达到的频率的保证。）

面积：这个值表示LUT数量，用当前架构的最大值进行归一化取得相对值。...（...5%...）

性能：当前设置下的相对性能估计。

BRAMs：（Vivado 2015.1中没找见）

DSP48或者MULT18：（Vivado 2015.1中没找见）

第一页（Welcome Page）

使用配置向导最简单的办法便是，使用六个配置模板中的一个，每一个配置模板都是一个完整的配置方案。你可以使用模板作为自己配置的起点，再修改模板给定的设置。

每当你修改一个选项，左边的评价参数便会实时更新。下面介绍这六个配置模板。

---最小面积（Minimum Area）：软核提供的最小架构。没有缓存和调试。

---最强性能（Maximum Performance）：可能的最大性能。拥有很大的缓存和调试，拥有所有的执行单元。

---最高频率（Maximum Frequency）：可能的最高频率。小缓存，没有调试，一部分执行单元。

---带有MMU的Linux（Llinx with MMU）：当运行带有MMU的linux时，能够获得高性能的设置。内存管理使能，大的缓存和调试，所有的执行单元。

---低端的带有MMU的Linux：...内存管理使能，小的缓存和调试。

---典型：在性能、面积、频率中取了折中。适合脱机程序，低开销内核。有缓存和调试功能。

一般设置

如果模板没有选择，也可以在页面中，根据项目需求，进行选项配置。当你把鼠标放在选项上时，会出现一个提示，告诉你它有什么用。下面详细介绍这些选项。

---Select implemention to optimize area(with lower instruction throughput)：使能面积优化功能。如果选了这个，implementation就会优化面积，尤其是减少流水线数量，从5条减少到3条。（推荐：建议在资源比较紧张的架构，如Artix-7，使能这个选项。然而，如果对性能有敏感的要求，就不要选这个选项，因为一些指令需要额外的时钟周期去执行。另外，对于MMU, Branch Target Cache, Instruction Cache Streams, Instruction Cache Victims, Data Cache Victims, ACE是不能进行面积优化的。）

---Enable MicroBlaze Debug Module Interface：使能调试功能。用Xilinx Microprocessor Debugger来下载、调试程序。（推荐：除非面积资源奇缺，否则不要禁止这个功能。）

---Use Instruction and Data Caches：当执行放在LMB之外的程序的时候，可以使用指令缓存来改善性能。指令缓存有如下特点：....当使用外部存储时，激活这个选项可以明显地改善性能，即使这个缓存很小。

---Enable Exceptions：当使用一个支持异常的操作系统时，需要激活这个选项。或者在一个单独的程序中添加异常回调函数。

---Use Memory Management：当使用一个支持虚拟内存保护的操作系统时（如Linux），需要激活。（当你使能面积优化或者堆栈保护功能时，内存管理单元是不可见的，自动禁止）

---Enable Discrete Ports：使能软核上的独立端口。

第二页（General）

1、指令（Instructions）

---使能桶型移位器（Enable Barrel Shifter）：使能软核中的筒形移位器硬件。激活这个参数，就可以使用如下指令（bsrl,bsra,...）使能这个可以提高应用的性能，但是会增大软核的尺寸。如果激活，编译器会自动使用筒形移位器指令。

---使能浮点单元（Enable Floating Point Unit）：使能一个单精度浮点单元（FPU）。使用FPU可以明显地提高应用的单精度浮点性能，同时也会增大软核的尺寸。

---使能整形乘法器（Enable Integer Multiplier）：使能一个整形乘法器硬件。若激活，则可以在给MUL32赋值时，使用mul和muli指令。当给MUL64赋值时，使用mulh,mulhu,mulhsu指令。这个参数可以设置为NONE，可以把MUL或者DSP48释放，用作其他用途。这样做对软核的面积影响很小。当使用这个选项，编译器自动使用mul指令。

---使能整形触发器（Enable Integer Divider）：使能一个整形除法器硬件。若激活，可以使用idiv，iduvu指令。使能这个选项可以提高应用中的除法性能，但是增大了软核的尺寸。当使用这个选项，编译器自动使用idiv指令。

---使能额外机器状态寄存器指令（Enable Additional Machine Status Register Instructions）：若激活，则可以读写MSR，使用msrset和msrclr命令。可以提高访问MSR的性能。

---使能模式比较器（Enable Pattern Comparator）：如激活，则可以使用模式匹配指令pcmpbf，pcmpeq，pcmpne。模式匹配字节查找指令（pattern comparator byte find, pcmpbf）返回找到的第一个字节的位置，提高字符串和模式匹配操作的效率。若使能，SDK库会自动使用这个指令。pcmfeq和pcmpne指令根据两个字是否相同，返回1或者0。这些指令会提高setting flags的效率，编译器会自动使用它们。激活这个选项还可以count leading zeros指令，clz。clz指令能提高优先级编码的效率。

---使能保留的加载/保存和交换指令（Enable Reserved Load/Store and Swap Instructions）：lbur,lhur,lwr,sbr,shr,swr,swapb,和swaph。这些指令能够以相对的字节序来读写数据，交换指令能交换字节或者半个字长。当用little-endian的MicroBlaze访问big-endian的网络时，可以提高效率。

---使能额外的流命令（Enable Additional Stream Instructions）：当使用AXI4-Stream链接时，提供额外的功能。这包括动态访问指令GETD和PUTD，这两个指令用寄存器来选择接口。（重要：一定要激活流异常功能，才能使用这些指令，而且知道选择一个流链接）

2、优化

选择Implementation来优化面积（当指令吞吐量很低时）：这个选项和欢迎页的选项功能相同。...

3、容错

---使能容错功能（Enable Fault Tolerance Support）

第三页（异常）

1、数学异常（Math Exceptions）

---使能浮点单元异常

---使能整形除法异常

2、总线异常（Bus Exceptions）

---使能指令端AXI异常

---使能数据段AXI异常

3、其他异常（Other Exceptions）

---使能非法指令异常

---使能Unaligned数据异常

---产生非法指令异常，除了NULL指令

---使能流异常

---使能堆栈保护

第四页（缓存）

第五页（MMU）

第六页（调试）

第七页（总线）

1、本地内存总线接口（LMB）

2、AXI和ACE接口

3、流接口

4、其他接口

四、MicroBlaze处理器的交叉触发特性

当使能basic debugging，交叉触发功能有两个信号提供：DBG_STOP和MB_Halted。

---当DBG_STOP输入为1，MicroBlaze会在几条指令后暂停。XMD检测到MicroBlaze暂停了，并记录暂停的位置。这个信号可以被任何外部的事件用来暂停软核，例如当一个集成逻辑分析器（ILA）被触发。

---MB_Halted输出信号为1，当MicroBlaze暂停的时候，例如碰到一个断点或者观察点，执行了一条XMD停止指令之后，或者当DBG_STOP被置1。当通过XMD命令重新启动软核时，输出清0。

这两个引脚是隐藏的，除非在欢迎页中使能显示独立端口（Show Discrete Ports）。

你也可以使用MB_Halted信号来触发一个集成逻辑分析器，或者在多核系统中，暂停其他MicroBlaze软核（连接到它们的DBG_STOP端）。

当启动扩展调试功能时，交叉触发功能可以和MDM一起使用。MDM在所有连接的处理器中，提供可编程的交叉触发功能，包括外部触发的输入端和输出端。可以查阅MicroBlaze Debug Module Product Guide手册查看细节。

MicroBlaze最多支持8个交叉触发动作。交叉触发动作由相对应的MDM交叉触发输出产生，两者通过调试总线连接。

可以有两个地方设置扩展调试功能：一个是前面提到的调试配置页，另一个是在运行MicroBlaze的Block Antomation时，选择该功能。

另外，还要在MDM模块的配置页中，使能交叉触发功能（Enable Cross Trigger）。MDM模块可以最多配置4组外部触发的输入和输出。

最后，运行Connection Automation，连接交叉触发信号到ILA(ILA教程)。

...

五、自定义逻辑

Vivado的IP管理器允许用户和第三方IP核开发者将自定义的IP核添加到Vivado的IP核目录中。这样用户就能在Vivado中实例化第三方IP核了。

当IP开发者使用Vivado的IP管理器打包IP核时，IP的使用者对xilinx提供的IP核，还是第三方IP，亦或用户定义的IP，都有一样的使用体验。

IP开发者可以使用IP管理器打包IP文件，并把数据放入ZIP文件。IP使用者接收这个ZIP文件，安装到Vivado的IP目录中，然后用户就可以使用这个IP核了。

推荐：为了保证IP核的质量，建议IP开发者在用用户的使用工作流中运行每一个IP核，确保每个IP核都是可用的。

六、完成连接（Completing Connections）

当你配置完了MicroBlaze处理器，就可以开始实例化其他IP核，继续你的设计。

在Canvas(放置Block的面板)上，右击，选择Add IP。

你可以使用两个内置的特性来完成子系统剩余部分的IP核设计：Block Automation和Conncetions Automation，帮助你放置一个基本的微处理器系统，并且/或者连接端口到外部I/O口。

Block Automation

当block design中实例化了一个ZYNQ7处理系统或者MicroBlaze处理器时，Block Automation功能就可以使用。

1、点击Run Block Automation，帮助你完成一个简单的MicroBlaze系统。

Run Block Automation对话框提供了一个微处理器系统必需的基本特性。

2、单击OK。

Using Connection Automation

当IP集成工具发现canvas上的IP实例化之间，存在可能的连接时，它会打开Connection Automation功能。

例如，我另外添加了两个IP核，GPIO和Uartlite。IP集成工具会决定一下连接：

---处理器的ext_reset_in引脚必须连接到一个复位源，复位源可以是内部的复位源，或者是外部输入引脚。

---时钟模块的CLK_IN_1_D引脚必须连接到一个内部时钟源，或者外部输入引脚。

---AXI GPIO的s_axi必须接到一个主机的AXI接口上。

---AXI GPIO的核心gpio必须接到外部的IO引脚。

---Uartlite的s_axi必须接到一个主机的AXI接口上。

---Uartlite的uart必须接到外部引脚上。

Using Board Automation

当使用像KC705这种刁刁的板子的时候，Vivado提供了Board Automation（像我这种撑死只有Nexys4的屌丝，只能......怒略一记）

Manual Connections in an IP Integrator Design

（译者注：一般连线方式，可以手动连接，类似于AD画板子软件里的那种）

Manual Creating and Connecting to I/O Ports

你可以在IP工具中创建外部IO端口。你可以选择信号或者接口到外部的IO端口，通过选择一个引脚，总线或者接口连接。

具体办法是，在模块的引脚接口处，右击。在弹出的菜单中，选择：

---Make External.可以用多选操作（Ctrl+Click）选择多个端口。这个命令的作用是连接模块上的引脚到外部引脚。

startgroup
create_bd_intf_port -mode Master -vlnv xilinx.com:interface:gpio_rtl:1.0 GPIO
connect_bd_intf_net [get_bd_intf_pins axi_gpio_0/GPIO] [get_bd_intf_ports GPIO]
endgroup

（这是该操作的tcl命令，第一句话是创建端口，第二句话是连接）

---Create Port.对非信号接口使用该命令，如clock,reset,或者uart_txd.创建的时候，可以设定很多参数，比如输出/输出，位宽，类型等等。如果是时钟，需要指定它的频率。

startgroup
create_bd_port -dir I -type clk aa
set_property CONFIG.FREQ_HZ 100000000 [get_bd_ports aa]
endgroup

（这是该操作的tcl命令，第一句话是创建端口，第二句话是设置参数）

---Create Interface Port。对同一个功能的一组信号接口创建此类端口。例如，S_AXI是一些Xilinx IP的接口端口。这个接口还可以指定接口的类型和模式（主机还是从机）。

Memory Mapping in Address Editor

产生地址映射的方法如下：

1、单击Address Editor。

2、单击左边的Auto Assign Address按钮。（按钮在左侧）

如果你从IP框图产生RTL代码时没有第一次生成地址，会弹出一个提示框，提供一个自动分配地址的工具。

你也可以在Offset Address和Range两类输入值，来设置地址。只有当IP框图中包含一个总线主机的IP核（例如ZYNQ7）时，Address Editor才会打开。

Running Design Rule Checks

Vivado实时进行设计规则检查。然而，错误总是会发生。例如，时钟引脚上的频率也许没有设置正确。

如果要运行一个全面的检查，可以单击Validate Design。

Integrating a Block Design in the Top-Level Design

完成了上面的步骤后，还有两个步骤需要做：

---产生输出文件

---创建HDL封装

在项目的源文件窗口创建文件。文件类型取决于项目新建时是verilog还是vhdl。具体方法如下：

1、在Block Design面板下，展开Design Source，选择Generate Output Products。

2、在左侧的工作流面板中的IP工具下，单击Generate Block Design.

你可以在一个高层次设计中集成一个IP block。这样做的方法是，在高层次的HDL文件中，实例化这个Block设计。

为了实例化一个更高的层次，在Block Design面板中的Design Sources中，右键design，选择创建HDL封装。

Vivado提供了两种创建HDL封装的方法：

---Vivado新建并自动更新封装，这是默认选项。

---创建一个用户可修改的脚本，这个脚本可以修改和保存。如果你选择了这个，那你每次如果修改了block design中的端口，都需要修改手动更新封装。

到这里，你已经为你的IP设计做好了HDL封装，可以进行后面的步骤了。

MicroBlaze处理器约束

IP工具已经在产生输出文件时，为IP核创建了约束文件；然而，你必须为自定义的IP或者更高层次的代码设置约束。

一组约束，是XDC文件中的包含了设计约束的集合。有两种约束：

---物理约束。定义了引脚放置，以及元胞（BRAM, LUT, Flip Flop）的绝对或者相对位置，还有器件的配置。

---时序约束。遵循SDC业界标准，定义了设计的频率要求。如果没有时序约束，Vivado仅仅会优化线宽和布线拥堵。（如果没有时序约束，Vivado的implementation就无法提高设计的性能。Vivado不支持UCF格式的约束）

关于时序约束，下面多说两句：

你有几种使用约束集合的方法：

---一个约束集合中有多个约束文件

---多个约束集合，然而在分开的文件夹中。

---一个主约束文件，设计中的改变存于一个新的约束文件夹中。

---...

按功能，分开约束文件，有利于你从宏观更清楚地把握约束策略，有利于应对时序和实现过程中的变化。

约束水太深，又太重要，详情查看官方文档。Vivado Design Suite User Guide: Using Constraints

当你完成了设计，也约束完了，现在可以进行合成、实现、生成bit流了。

然后，就可以导入硬件到SDK了。具体方法是：

File->Export->Export Hardware for SDK，弹出对话框，提供一些选择选项。你可以导出硬件定义和比特流，并打开SDK。然后，就可以开始编写软件了。

或者，你也可以从SDK把elf文件导入到Vivado。