李云飛，陳 淼，王建強(qiáng)，宋景成，李 鵬

（山西銀河電子設(shè)備廠，山西 太原 030006）

0 引言

在現(xiàn)代的武器系統(tǒng)、空間系統(tǒng)和飛行器領(lǐng)域，對(duì)控制系統(tǒng)的集成度、動(dòng)態(tài)性需求日益增強(qiáng)，主控芯片作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，正逐步由分離的元器件框架向高集成度的片上系統(tǒng)（SOC）發(fā)展，在功能復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，需要使用片上可編程系統(tǒng)（SOPC），來(lái)解決靈活的硬件接口設(shè)計(jì)、復(fù)雜的算法邏輯實(shí)現(xiàn)等功能。BM3109是一款國(guó)產(chǎn)的高動(dòng)態(tài)、高性能、低功耗的SOPC芯片[1]，通過(guò)將SoC硬件與可編程FPGA系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可配置和高集成度。對(duì)于高精尖領(lǐng)域核心模塊的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，提供了芯片級(jí)的保證。本文從BM3109的硬件組成、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境構(gòu)建等方面入手，對(duì)基于BM3109芯片的國(guó)產(chǎn)化硬件平臺(tái)工程解決方案進(jìn)行探索研究。

1 BM3109 硬件組成

BM3109是國(guó)產(chǎn)的高性能SOPC芯片，由CPU處理芯片、可編程邏輯系統(tǒng)、多級(jí)存儲(chǔ)器組成，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。CPU處理芯片采用SPARC-V8架構(gòu)的32位微處理器BM3101，作為主控芯片，通過(guò)LOCAL-BUS總線與片上設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的管理控制功能。BM3101芯片包含整數(shù)處理單元、浮點(diǎn)處理單元、獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)Cache、中斷控制器、DSU硬件調(diào)試單元、計(jì)時(shí)器、定時(shí)器和串口，支持PROM、SRAM、SDRAM和I/O映射空間訪問(wèn)的存儲(chǔ)器控制器。可編程邏輯系統(tǒng)采用BQV300現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，實(shí)現(xiàn)硬件接口設(shè)計(jì)及算法的實(shí)現(xiàn)功能。BQV300擁有30萬(wàn)門系統(tǒng)，工作頻率支持到200MHZ，16-bit RAM、32-bit-RM 和16-bit雙端口RAM，支持 slave-serial、masterserial、SelectMAP Mode、Boundary-Scan Mode 四種配置模式。存儲(chǔ)器系統(tǒng)包括8M Byte FLASH、1 M Byte SRAM和16M Byte SDRAM，用于存放程序代碼、用戶數(shù)據(jù)等。

圖1 BM3109系統(tǒng)構(gòu)架示意圖Fig.1 Architecture of general BM3109

在工程設(shè)計(jì)中，增加復(fù)位電路、時(shí)鐘模塊、電源模塊即可完成最小系統(tǒng)搭建，復(fù)位電路可選用MAX706芯片，時(shí)鐘電路可選用25MHZ的外部晶體振蕩器，電源電路可選用DC-DC芯片TPS54610，實(shí)現(xiàn)外設(shè)電壓3.3V、內(nèi)核電壓1.8V、可編程邏輯器件2.5V的供電設(shè)計(jì)。根據(jù)工程設(shè)計(jì)需求，最小系統(tǒng)可以搭載高容量的可編程邏輯門陣列、CPLD芯片、FLASH 芯片、EEPROM 芯片及 MAX3232、MAX485、74ALVCH16245等電平轉(zhuǎn)換接口芯片等，完成可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)國(guó)產(chǎn)高集成度嵌入式平臺(tái)的搭建，如圖2所示。

圖2 硬件平臺(tái)組成示意圖Fig.2 Composition of whole hardware platform

2 軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)

SOPC平臺(tái)的處理器是基于SPARC體系的CPU芯片BM3101，軟件架構(gòu)包括啟動(dòng)引導(dǎo)段和用戶程序段代碼。啟動(dòng)引導(dǎo)程序類似于PC機(jī)的BIOS，完成系統(tǒng)初始化，使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)[2]；用戶程序存放在特定的存儲(chǔ)空間，由啟動(dòng)引導(dǎo)程序搬移到RAM空間后開(kāi)始運(yùn)行，程序一般使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

啟動(dòng)引導(dǎo)程存放在BM3101處理的0X00000000地址處，系統(tǒng)上電后，程序從該地址開(kāi)始執(zhí)行，依次完成異常向量表的定義、堆棧初始化、系統(tǒng)硬件初始化、C程序運(yùn)行環(huán)境初始化、跳轉(zhuǎn)到用戶C語(yǔ)言主程序。

用戶程序根據(jù)軟件需求進(jìn)行編寫(xiě)，可以采用執(zhí)行效率高的前后臺(tái)程序設(shè)計(jì)模式，也可以基于VxWORKS系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。用戶程序存放在BM3101處理器指定的FLASH地址空間，由bootloader搬移到RAM地址空間后開(kāi)始執(zhí)行。

在工程設(shè)計(jì)中，用戶程序一般包括主控模塊、軟件配置管理服務(wù)模塊、芯片資源配置模塊、業(yè)務(wù)管理服務(wù)模塊、系統(tǒng)運(yùn)維管理模塊組成。在應(yīng)用到FPGA功能的產(chǎn)品中，需設(shè)計(jì)FPGA控制模塊管理模塊，軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Architecture of the standare software

3 開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境介紹

BM3101處理器的開(kāi)發(fā)調(diào)試工具包括SPE-C 2.55和GRMON[3]。SPE-C 2.55是針對(duì)C程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)的一個(gè)完整的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，運(yùn)用GNU的整套集成開(kāi)發(fā)套件作為編譯/調(diào)試的核心，在Win32環(huán)境下使用，完成應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和程序調(diào)試。GRMON是一款調(diào)試SPARC V8處理的匯編級(jí)調(diào)試工具，支持對(duì)系統(tǒng)寄存器和內(nèi)存的讀寫(xiě)訪問(wèn)，下載和執(zhí)行LEON應(yīng)用，斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)管理。在實(shí)際軟件調(diào)試過(guò)程中，往往將兩者結(jié)合使用，使用SPE-C 2.55的用戶界面完成源代碼的編輯、編譯，生成可執(zhí)行代碼，利用GRMON完成代碼的下載與在線調(diào)試。

在工程設(shè)計(jì)中，完整的軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試流程為：第一步，配置SPE-C工程選項(xiàng)，處理器型號(hào)選擇BM3101，鏈接選項(xiàng)TEXT地址設(shè)置為0X40000000，該地址為用戶程序的執(zhí)行地址，其他選項(xiàng)默認(rèn)即可；第二步，編寫(xiě)程序代碼，以系統(tǒng)mould為基礎(chǔ)建立新工程，根據(jù)軟件需求，修改mian.c程序設(shè)計(jì)；第三步，按“編譯”按鈕完成C文件的編譯工作；第四步，生成FLASH映像燒寫(xiě)文件，在Boot參數(shù)設(shè)置頁(yè)，選擇BM3101系列，勾選需要BOOT文件，燒寫(xiě)設(shè)置頁(yè)，F(xiàn)LASH位寬選擇16位，處理器運(yùn)行頻率填寫(xiě)實(shí)際頻率，其他選項(xiàng)默認(rèn)，點(diǎn)擊“確定”按鈕，在工程目錄生成即可生成program_flash_in_ram.bin和program_flash_in_ram.exe兩種二進(jìn)制可執(zhí)行映像文件。第五步，下載程序代碼，可以通過(guò)兩種方法將目標(biāo)代碼固化到SOPC芯片中。第一種，使用SPE-C開(kāi)發(fā)環(huán)境的存儲(chǔ)初始化功能，按圖3完成PC機(jī)和硬件平臺(tái)的連接，在初始化配置頁(yè)，DSU口選擇連接SOPC芯片的串口，文件選program_flash_in_ram.bin，其他選項(xiàng)默認(rèn)，下載完成后，點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)到”即可將程序固化到FLASH芯片中；第二種，使用GRMON工具，在cmd控制臺(tái)中輸入 “grmon–leon2-uart-comx”，即可使用pc機(jī)的X串口連接BM3109的DCL。串口連接成功后，cmd控制臺(tái)會(huì)出現(xiàn)GRMON提示符“grmon>”。在提示符后可鍵入lo../program_flash_in_ram.Exe，將可執(zhí)行代碼下載到0X40000000地址處，下載完成后，再鍵入run命令，將目標(biāo)代碼燒寫(xiě)到FLASH中。將BM3109的DSU芯片拉低，設(shè)置為正常啟動(dòng)模式，重新上電，硬件平臺(tái)即可正常執(zhí)行程序。平臺(tái)的系統(tǒng)調(diào)試構(gòu)架如圖4所示。

圖4 平臺(tái)系統(tǒng)調(diào)試構(gòu)架圖Fig.4 System debugging environment of the platform

4 結(jié)論

SOPC芯片憑借其高集成度、高靈活性的顯著優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)系統(tǒng)體積、功耗、性能要求嚴(yán)格的軍用和宇航領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。在追求高可靠性的網(wǎng)絡(luò)完全領(lǐng)域和移動(dòng)通信領(lǐng)域，SOPC芯片也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文根據(jù)SOPC芯片的特點(diǎn)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了BM3109的硬件組成、軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，對(duì)一套可行的基于國(guó)產(chǎn)SOPC芯片設(shè)計(jì)工程實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行探索研究。

[1]BM3109IB產(chǎn)品使用手冊(cè)[Z].航天第772研究所.

[2]吳景紅.SPARC處理器啟動(dòng)代碼的分析與編程[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2008，6.

[3]張憶.BM3803計(jì)算機(jī)系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)研究[J].電腦知識(shí)，2015，8.