Microblaze
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Vous avez de Le Microblaze est un cœur de processeur soft core 32 bits de la société Xilinx. Il est optimisé pour l’implantation dans un FPGA de ce fabricant.
Sommaire |
[modifier] Architecture
[modifier] Architecture générale
Le MicroBlaze est un microprocesseur RISC, d'architecture Harvard, entièrement 32 bits. En effet, il possède :
- 32 registres internes de 32 bits de large,
- un pipeline à 3 niveaux,
- un bus instructions interne (ILMB),
- un bus données interne (DLMB),
- un bus d'instructinos externe (IOPB),
- un bus de données externe (DOPB).
Le processeur est facilement configurable et permet à l’utilisateur de sélectionner ou de paramétrer les composants internes selon ses besoins :
- utilisation des multiplieurs câblés du FPGA (sauf sur Spartan II)
- opérateur de division
- opérateur de décalage (Barrel Shifter)
- FPU (Floating Point Unit)
- mémoires cache instructions et données
- logique de débug (hardware breakpoints)
Il occupe entre 900 et 2600 'logic cells' et atteint une fréquence de 80 à 180 MHz selon la plateforme (Spartan, Virtex ...) et les options souhaitées.
| FPGA | Taille | Fréquence | Dhrystone 2.1 | |
| Virtex-4 (4VLX25-12) | 1,269 LUTs | 180 MHz | 166 DMIPS | 0.92 DMIPS/MHz |
| Virtex-II Pro (2VP20-7) | 1,225 LUTs | 150 MHz | 138 DMIPS | 0.92 DMIPS/MHz |
| Spartan-3 (3S1500-5) | 1,318 LUTs | 100 MHz | 92 DMIPS | 0.92 DMIPS/MHz |
[modifier] On-Chip Peripheral Bus (OPB)
Le bus OPB, conçu par IBM pour ses microcontrôleurs PowerPC, permet de lier plusieurs maîtres à plusieurs esclaves. Il autorise un maximum de 16 maîtres et un nombre d’esclave illimité selon les ressources disponibles. Xilinx conseille néanmoins un maximum de 16 esclaves. Comme ce bus est multi maîtres, il y a donc une politique d’arbitrage paramétrable. Ce bus permet donc d’ajouter des périphériques au MicroBlaze dont les besoins en communications seront faibles.
[modifier] Local Memory Bus (LMB)
Le bus LMB est un bus synchrone utilisé principalement pour accéder aux blocks RAM inclus sur le FPGA. Il utilise un minimum de signaux de contrôle et protocole simple pour s’assurer d’accéder à la mémoire rapidement (un front d’horloge).
[modifier] Fast Simplex Link (FSL)
Le MicroBlaze comporte 8 liens entrées/sorties FSL. Le bus FSL est un moyen rapide de communication entre le processeur et une autre entité. Chaque lien FSL 32 bits est unidirectionnel (simplex) et met en œuvre une FIFO (pour stocker les données) et des signaux de contrôle (FULL, EMPTY, WRITE, READ,…). Les communications sur les liens FSL se font très simplement grâce à des instructions prédéfinies. Elles peuvent atteindre les 300 Mo/s à 150 Mhz.
[modifier] Xilinx Cache Link (XCL)
Le lien XCL est un lien FSL particulier, dédié à la connection d'un contrôleur mémoire externe avec la mémoire cache interne. Ceci permet au contrôleur de cache de ne pas être ralenti par la latence du bus OPB.
[modifier] périphériques
De nombreux périphériques sont fournis avec le MicroBlaze, afin de constituer un microcontrôleur complet et personnalisable. Il y a, entre autres :
- contrôleur mémoire (SRAM, Flash)
- contrôleur mémoire SDRAM
- UART lite
- Timer/compteur avec fonction PWM
- interface SPI
- contrôleur d'interruptions
- GPIO (entrées-sorties génériques)
- convertisseurs A/N et N/A Delta-Sigma
- DMA
De plus, des périphériques payants sont proposés en version d'évaluation, qui ont la particularité de ne fonctionner que quelques heures :
[modifier] Systèmes d'exploitation
[modifier] Xilinx MicroKernel
Ensemble de bibliothèques permettant d'obtenir des fonctions basiques de système d'exploitation :
- pilotes de périphériques
- séquencement de tâches
- système de fichiers FAT
- pile TCP/IP (avec le logiciel libre lwip)
[modifier] uClinux
Portage réalisé par le Dr John Williams de l'université de Brisbane (Australie) et par la communauté d'utilisateurs. La société Petalogix assure le support commercial. L'absence de MMU ne permet pas d'utiliser le noyau Linux standard, mais µCLinux (Linux pour microcontrôleurs) est conçu pour contourner cette limitation.
[modifier] Systèmes commerciaux
- Accelerated Technology Nucleus
- Express Logic ThreadX®
- Micriµm µC/OS-II RTOS
- eSOL µITRON4.0
- RealFast AB Sierra RTOS
[modifier] Outils de développement
Afin de créer des applications embarquées, Xilinx a développé un outil de développement appelé EDK (Embedded Developpement Kit). Il s'agit en fait d'une collection de scripts TCL/Tk liant divers outils en ligne de commande, et d'une interface graphique couvrant l'ensemble.
[modifier] Méthode de développement
Un processeur soft-core présente la particularité d'une programmation à deux niveaux :
- configuration matérielle du FPGA pour associer un (ou des) processeur(s) et des périphériques,
- programmation logicielle sur ce(s) processeur(s).
Cette spécificité nécessite des outils de développement adaptés, et présente plusieurs avantages :
- démarche de CoDesign,
- homogénéité entre matériel et logiciel (interfaces et mapping logiciels générés par les outils hardware),
- possibilité de faire une simulation HDL du processeur et de ses périphériques (bien que ce soit une opération longue),
- possibilité de pré-chargement du code résidant en RAM interne lors de la configuration du FPGA : lorsque le système se "réveille" à la mise sous tension, une partie du code est déjà présente en mémoire.
- synchronisation entre le module de débug (MDM) et l'"analyseur logique virtuel" ChipScope, afin de mener un débug combiné matériel/logiciel.
Bien que la chaîne de développement logiciel (outils GNU), et les outils de synthèse, placement-routage FPGA soient soit tout à fait standard, des outils spécifiques en amont et en aval sont proposés :
- Assistant de configuration pour cartes existantes (choix de périphériques et placement des entrées-sorties selon le routage de la carte)
- sélection et assemblage des périphériques
- choix du processeur
- connexion des périphériques sur les différents bus, choix des adresses
- configuration des périphériques
- déclaration des routines d'interruptions, directement associées aux périphériques
- compilation des bibliothèques C en fonction des périphériques et options du processeur (FPU, division) choisis
- initialisation des mémoires internes dans le fichier binaire de configuration du FPGA
- téléchargement matériel et logiciel, ainsi que débug logiciel, avec le même lien JTAG
[modifier] EDK
Cet environnement permet de développer une application complète à processeur embarqué et de l’intégrer à un FPGA. EDK donne accès à tous les réglages nécessaires pour l’application embarquée que l’on souhaite créer. Il permet la programmation d’un ou plusieurs MicroBlazes et de leurs périphériques. Il va s’occuper de placer les programmes des MicroBlazes en mémoire lors de la programmation du FPGA. Pour plus d’information sur EDK, reportez-vous à la documentation de Xilinx Embedded SystemTools Reference Manual.
EDK est compatible Linux depuis la version 6.2.
[modifier] GNU
Les outils de programmation du MicroBlaze sont les outils libres et standard du GNU, personnalisés par Xilinx pour le MicroBlaze. On retrouve ainsi gcc, gdb, et les binutils (ld, as, ar, objdump ...). On peut les utiliser en ligne de commande ou à partir de l'interface graphique. Comme ces outils sont conçus pour un environnement UNIX, en cas d'utilisation sous Windows EDK installe l'environnement Cygwin.
[modifier] Modelsim
Modelsim est outil de simulation HDL de Mentor Graphics. Une version bridée, ModelSim XE Starter, est disponible gratuitement.
[modifier] Chronologie des outils de développement
- MDK 1.9 (fin 2001) Version bêta
- MDK 2.1 (2002) Première version utilisable, totalement en ligne de commande.
- MDK 2.2
- EDK 3.1 (2003) Première version avec interface graphique, commune avec outils PowerPC 405.
- EDK 3.2
- EDK 6.1 (2004) Apparition de la mémoire cache et des liens FSL
- EDK 6.2 Apparition de la FPU
- EDK 6.3 Apparition des exceptions, développement logiciel avec Eclipse (logiciel)
- EDK 7.1 (2005) Amélioration de la logique de débug, des périphériques et mise à jour du compilateur. Pile TCP/IP.
- EDK 8.1 (2006) Nouvelle interface graphique basée sur Qt
- EDK 8.2 (a paraître en 2006) Support du Virtex5
