胡啟罡 曲明成 吳翔虎

摘 要：如果使用Xilinx公司的Vavido軟件直接用于FPGA開發(fā)，則需要進(jìn)行過程繁瑣的圖形化配置，容易出錯(cuò)且不方便新手使用。為了解決這一問題，本文詳細(xì)研究了Vavido軟件中有關(guān)FPGA工程編譯部分的實(shí)現(xiàn)原理，并在Eclipse CDT提供的基礎(chǔ)擴(kuò)展點(diǎn)上針對FPGA工程編寫插件，通過檢索工程目錄，自動(dòng)生成編譯FPGA bit文件的tcl腳本，并以命令行的方式調(diào)用Vavido的相關(guān)功能，完成bit文件的生成。實(shí)現(xiàn)了FPGA工程的建立、編譯和燒寫功能。

關(guān)鍵詞： FPGA;Vavido;Eclipse CDT;tcl腳本生成;bit文件生成

文章編號(hào)： 2095-2163（2019）03-0324-04 中圖分類號(hào)： TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

本文是實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目《通用可配置嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境》中的FPGA部分。該項(xiàng)目涉及到對Xilinx公司ZC706開發(fā)板的調(diào)試工作，其中包含F(xiàn)PGA部分。FPGA，即現(xiàn)場可編程門陣列，過程中，主要使用硬件描述語言（Verilog或VHDL）來完成電路設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目的初期，通過使用Xilinx公司的Vavido軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)的操作。但是在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，使用Vavido圖形化界面進(jìn)行FPGA開發(fā)，需要提供繁瑣的配置，過程復(fù)雜，容易出錯(cuò)且對新手不友好。同時(shí)，如果已有外部硬件描述文件，無法方便快捷地生成bit文件。

目前，尚未有一款良好的開源項(xiàng)目能夠支持FPGA的編譯工作，故本文仍在Vavido的基礎(chǔ)上研究其實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

其實(shí)，Vivado軟件的核心是一個(gè)腳本解釋器，所有操作都附有對應(yīng)的tcl腳本可以調(diào)取執(zhí)行，GUI界面也是將各種腳本命令封裝為圖形化界面。對此，本文研究了Vivado中關(guān)于FPGA部分的tcl腳本，并對其進(jìn)行了抽取集成。

而Eclipse作為一類優(yōu)秀的開源框架，設(shè)計(jì)融入了大量的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)供開發(fā)者集成自定義的功能。本文FPGA部分的功能就是在Eclipse CDT增配的擴(kuò)展點(diǎn)基礎(chǔ)上對Xilinx公司的Vivado設(shè)計(jì)工具進(jìn)行了集成。

在本文中，后臺(tái)采用tcl交互式命令行的模式啟動(dòng)Vivado，調(diào)用Vivado的相關(guān)功能，即調(diào)用Java提供的exe（）函數(shù)，在cmd命令行中執(zhí)行“vivado –mode tcl tcl_path”指令。tcl_path為該指令需要的參數(shù)，即為編譯bit文件所需的tcl腳本的絕對路徑。

1 FPGA工程的建立

在Eclipse CDT的基礎(chǔ)上集成FPGA開發(fā)功能，首先需要能夠建立FPGA工程。FPGA工程是不同于C/Java工程的自定義新工程類型。研究可知，F(xiàn)PGA工程建立的函數(shù)流程則如圖1所示。

由圖1可知，F(xiàn)PGA工程建立的步驟流程可詳述如下。

（1）根據(jù)用戶選擇的產(chǎn)品名，從已集成的硬件配置數(shù)據(jù)中獲取該硬件開發(fā)板的FPGA芯片配置信息。調(diào)用ResourcesPlugin.getWorkspace（）.getRoot（）.getProject（projectName）函數(shù)新建工程對象project。

（2）通過ResourcesPlugin.getWorkspace（）函數(shù)獲取待建工程所在的工作區(qū)間workspace。

（3）通過workspace.newProjectDescription （project Name）函數(shù)新建待創(chuàng)立工程的描述信息description，參數(shù)為工程名。

（4）通過對description的設(shè)置，主要通過description.setLocation（projectLocation）設(shè)置工程路徑，參數(shù)為創(chuàng)建后工程所在的絕對路徑。

（5）通過調(diào)用函數(shù)project.create（description，null）創(chuàng)建工程。判斷該工程對象是否打開，如果沒有打開，則通過函數(shù)project.open（monitor）打開該工程。

（6）創(chuàng)建FPGA所需的文件夾，包括verilog、xdc、bit、buildTcl、edif、xci等文件夾，并在指定的文件夾下添入相應(yīng)的源代碼文件。

（7） 保存工程配置信息。

研究中，經(jīng)由上述的操作，即可新建出FPGA工程。

2 tcl腳本及bit文件的自動(dòng)生成

2.1 tcl腳本及bit文件的自動(dòng)生成分析

tcl腳本的自動(dòng)生成首先需要添加一個(gè)功能按鈕來提供相關(guān)操作。

在org.eclipse.ui.actionSets擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)生成FPGA bit文件的操作功能按鈕。該按鈕能夠?qū)PGA工程進(jìn)行編譯，包括生成tcl腳本以及根據(jù)該腳本自動(dòng)生成bit文件。需要在plugin.xml中進(jìn)行配置。

研究可得，在擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建新按鈕的配置測試代碼可表述如下。

- -

point="org.eclipse.ui.actionSets">

id="Embedded.actionSet1"

label="build"

visible="true">

class="test.function.FpgaBuildAction"

disabledIcon="icons/fpgaBuild.png">

分析可知，在該xml中，action class屬性指向了該按鈕的功能Java文件，在該文件中，編寫了該按鈕的點(diǎn)擊事件。重寫run函數(shù)，定制形成了自己的業(yè)務(wù)操作。

在該按鈕的點(diǎn)擊事件中，設(shè)計(jì)了如下處理內(nèi)容：

（1）檢索工程目錄，如果已有bit文件，提示用戶是否重新生成，重新生成，則執(zhí)行第（2）步操作。

（2）檢索工程目錄，如果已有生成bit文件的tcl腳本，則執(zhí)行“vivado -mode batch -source build.tcl”，根據(jù)此腳本生成bit文件。如果沒有tcl腳本，則遞歸遍歷整個(gè)工程，根據(jù)工程所包含的文件，采用模板填充技術(shù)自動(dòng)生成tcl腳本并執(zhí)行。

首先需要規(guī)定出tcl腳本的標(biāo)準(zhǔn)模板，在此基礎(chǔ)上根據(jù)工程包含的文件以及用戶選擇的產(chǎn)品類型做出相應(yīng)修改，自動(dòng)生成tcl腳本文件，tcl腳本文件模板如圖2所示。

（3）執(zhí)行tcl腳本出現(xiàn)錯(cuò)誤，則將報(bào)錯(cuò)信息展示給用戶，用戶可以根據(jù)報(bào)錯(cuò)信息，修改自己的工程文件，也可直接修改tcl腳本，該部分的函數(shù)流程可如圖3所示。在此過程中，工程目錄檢索采用深度優(yōu)先搜索算法。

2.2 tcl腳本的自動(dòng)生成設(shè)計(jì)

本次研究中，相對重要的是tcl腳本的自動(dòng)生成。圖2已經(jīng)給出了tcl腳本的模板。在此基礎(chǔ)上，關(guān)于tcl腳本的自動(dòng)生成算法流程可推演論述如下。

（1）采用深度優(yōu)先搜索算法遍歷工程的工程目錄。

（2）遍歷到文件時(shí)，根據(jù)文件的后綴名，判斷文件的類型，填充至模板的相應(yīng)位置。read_vhdl –library是添加vhdl庫文件;read_vhdl是添加vhdl文件;read_verilog是添加verilog文件;read_xdc是添加xdc文件;read_edif是添加網(wǎng)表文件;read_ip是添加xci IP文件。這些指令后面續(xù)接的參數(shù)都是文件所在的絕對路徑。而還有一種glob指令是添加指定目錄下的所有指定后綴名的文件。

（3）文件遍歷完成后，根據(jù)該FPGA工程創(chuàng)建時(shí)所選擇的芯片種類，設(shè)置綜合設(shè)計(jì)中的有關(guān)指標(biāo)參數(shù)。之后就是填充優(yōu)化設(shè)計(jì)、布局、布線等指令。在tcl腳本的末尾再加上bit文件的指令。

至此，研究進(jìn)一步給出tcl腳本自動(dòng)生成的函數(shù)運(yùn)行流程可如圖4所示。

該部分設(shè)計(jì)的按鈕只對FPGA工程有用，點(diǎn)擊該按鈕時(shí)，需要判斷當(dāng)前選中工程的類型。但是綜觀本次集成開發(fā)環(huán)境中，除了FPGA的工程類型是自定義的新的工程類型，其它工程類型都是基于C/C++工程或者Java工程的，因此只是根據(jù)工程類型即可判斷是否為FPGA工程。

2.3 tcl腳本的執(zhí)行設(shè)計(jì)

在執(zhí)行tcl腳本時(shí)，通過Java的Process類實(shí)現(xiàn)。具體執(zhí)行步驟如下。

（1）通過ProcessBuilder（）函數(shù)新建一個(gè)builder對象，參數(shù)為要執(zhí)行的第三方可執(zhí)行程序的絕對路徑。

（2）通過builder.start（）執(zhí)行該第三方程序，獲得一個(gè)Process進(jìn)程對象process，process即為打開該第三方程序后的進(jìn)程。

（3）通過process.getOutputStream（）獲得該進(jìn)程的輸入流，通過該輸入流執(zhí)行相應(yīng)的指令。指令代碼可參見如下。

new BufferedWriter（new OutputStreamWriter （process.getOutputStream（）））;

//初始化一個(gè)BufferedWriter對象br

之后通過執(zhí)行函數(shù)br.write（cmd），參數(shù)為要執(zhí)行的程序指令，即可通過該輸入流向第三方可執(zhí)行程序發(fā)送指令。

（4）使用WorkspaceJob創(chuàng)建一個(gè)新的線程，用來監(jiān)聽process進(jìn)程的輸出流。

（5）當(dāng)監(jiān)聽線程開始執(zhí)行之后，會(huì)監(jiān)聽第三方可執(zhí)行程序的輸出流。這里使用了一個(gè)while循環(huán)，循環(huán)的終止條件就是標(biāo)準(zhǔn)輸出流和錯(cuò)誤輸出流均為空。

（6）當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)輸出流和錯(cuò)誤輸出流都為空時(shí)，關(guān)閉這2個(gè)輸出流，同時(shí)刷新工程所在的工作區(qū)間。

刷新工程所在的工作區(qū)間的原因在于，在調(diào)用第三方可執(zhí)行程序時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)文件結(jié)果，例如FPGA工程編譯結(jié)束后會(huì)形成一個(gè)bit文件。如果不執(zhí)行刷新操作，則bit文件不會(huì)直接顯示在Eclipse工程目錄下，需要用戶手動(dòng)刷新。因此為了用戶友好性的研究需要，這里就在每次調(diào)用了第三方可執(zhí)行程序后都會(huì)針對工程工作區(qū)間采取自動(dòng)刷新的解決辦法。

Process類調(diào)用第三方程序執(zhí)行，獲得執(zhí)行結(jié)果的通用函數(shù)設(shè)計(jì)流程則如圖5所示。

3 結(jié)果測試

綜合前述的研究設(shè)計(jì)可得，最終的測試效果將如圖6所示。

從控制臺(tái)的輸出可以看出bit文件已被成功生成。

4 結(jié)束語

本文在Eclipse的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)上，研究建立了FPGA工程，同時(shí)提供了一個(gè)功能按鈕，通過深度優(yōu)先搜索算法對工程目錄進(jìn)行遍歷，按照模板填充生成tcl腳本文件，最終通過命令行方式調(diào)用Vivado軟件中的相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)了FPGA bit文件的生成工作。

參考文獻(xiàn)

[1]田丹， 林卓， 衛(wèi)進(jìn). 基于Eclipse的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境工程管理[J]. 微處理機(jī)， 2015（2）：29-31，34.

[2] 朱娜. 基于Eclipse的嵌入式軟件開發(fā)管理平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：電子科技大學(xué)， 2011.

[3] 南方. 基于Eclipse的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境分析與設(shè)計(jì)[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)， 2009.

[4] YANG Penghao， WANG Rongliang， FAN Ziguo. Study on debugging method based on embedded system development platform[J]. Advanced Materials Research，2013，2385（694）：2646-2650.

[5] HE Huiqin. Application research of JTAG standard based on ARM debugging system[J]. Applied Mechanics and Materials，2015，3749（719）：522-526.

[6] STOLLON N. Multicore Debug[M]// MOYER B. Real world multicore embedded systems. USA： Elsevier Inc，2013：561-602.

[7] DAN U C. Software development tools for embedded systems[M]//OSHANA R， KRAELING M. Software engineering for embedded systems-Methods， practical techniques， and applications. USA：Elsevier Inc，2013：511-562.