当使用0.18μm和6层金属工艺时,OR1200的主频可达300MHz,此时可以提供300 Dhrystone 2.1 MIPS和300M次/秒的32×32的DSP乘加操作能力。
OR1200在2002年9月被Flextronics公司选中,用于集成在Flextronics的设计中,并提供商业服务。2003年8月,Flextronics公司成功实现了集成OR1200、10Mbps/100Mbps自适应以太网 MAC控制器、32位 33MHz/66MHz PCI接口、16550兼容UART和Memory控制器的SoC芯片,并成功运行了μClinux和Linux操作系统。
2 板级系统组成
板级系统以Altera的Cyclone系列FPGA EP1C12QC240为核心,配以EPCS4配置存储器和配置电路组成核心系统,再配以2片29LV160DB NOR Flash(4MB)、2片IS61LV25616 SRAM(1MB)、2片HY57V561620 SDRAM(64MB)、1个RS232串行口、1个通用JTAG接口和8段LED、按钮、拨码开关组成基本系统。Flash、SRAM和SDRAM组成存储系统,它们共用FPGA的存储器总线,大大减少了存储系统占用的FPGA管脚数,并为系统提供了运行大型软件所需要的存储器空间。通用JTAG接口可以通过专用接口电缆与PC机的并口相连,实现对CPU的在线调试和系统存储空间的访问。串行口可以为系统实现一个基本的控制台,并可以作为向系统下载大量数据的通道。因此,基本系统的组成足以调试和运行基本的μClinux系统。
完整的板级系统的组成框图如图3所示,它除了基本系统以外,还包括1片10Mbps/100Mbps自适应以太网PHY芯片、320×240彩色STN LCD、10位×3通道视频DAC和2个PS2接口。使用以上完整的板级系统可以实现简单的网络和人机界面应用,再配以μClinux操作系统即可实现一个完整的计算机系统。
3 内核的集成、仿真与验证
内核的集成、仿真与验证是建立本平台的难点。要实现上述所有功能,除了OpenRISC1200 CPU外,至少还需要以下IP:
·Wishbone总线互连;
·CPU Debug模块;
·通用I/O控制器;
·片内高速RAM控制器;
·16550兼容UART控制器;
·Memory控制器;
·10Mbps/100Mbps自适应以太网MAC控制器;
·VGA/LCD控制器;
·8042兼容PS/2控制器。
以上多数IP可以从OpenCores获得,像通用I/O控制器和片内高速RAM控制器这类简单的IP,可以自己编写。不过需要注意的是,为了使系统能够正确地运行或者获得更好的综合效果,多数IP在集成时都要进行修改。需要修改的IP及其修改内容如下:
·OR1200:通用寄存器组、缓存、MMU使用的RAM块需要针对Synplify进行修改,以便能够综合到M4K RAM块中,MMU、DSP MAC单元根据需要决定是否在配置中去掉,以提高速度,减少逻辑资源的占用;
·Wishbone总线互连:添加空穴地址空间的访问处理;
·UART控制器:数据接收和发送FIFO需要针对Synplify进行修改,以便能够综合到M4K RAM块中;
·Memory控制器:添加复位后的默认值配置,以便系统可以选择从Flash或者SRAM启动;
·以太网控制器:控制寄存器和FIFO需要针对Synplify进行修改,以便能够综合进M4K RAM块中,并且需要添加对不支持Burst模式的Wishbone总线互连接口的支持;
·VGA/LCD控制器:显示FIFO需要针对Synplify进行修改,以便能够综合进M4K RAM块中,并且需要修改对扫描时钟输出的控制。
使用以上IP构建的系统内核的结构框图如图4所示。中间模块是Wishbone总线互连IP,它有8个主设备、8个从设备接口。OR1200的指令和数据接口各占用了一个主设备接口。Debug模块需要访问存储空间,因此也用了一个主设备接口。以太网控制器使用主存储器来存储、获得数据,VGA/LCD控制器使用主存储器获得显示缓冲数据,因此它们也都占用了一个主设备接口。以太网、VGA/LCD和Memory控制器的控制寄存器空间各占用了一个从设备接口,Memory控制器的存储器空间占用了一个从设备接口,其余的UART、PS/2、I/O和片内RAM控制器各占用了一个从设备接口。
为保持软件的兼容性,在设置Wishbone总线互连IP各个主设备和从设备的地址以及分配中断号时,需要符合ORP标准。ORP(OpenRISC Reference Platform)是一个对基于OpenRISC处理器的系统的定义,它包括存储器空间、外围设备的地址定义和中断向量的分配。其作用是标准化基于OpenRISC的硬件和软件的设计,提高软件可重用性并缩短硬件设计的验证时间。
在进行完各个IP的单独测试后,使用OR1200的软件开发包GCC对系统引导程序和μClinux进行编译,并将得到的二进制文件嵌入到存储器仿真文件中,对系统的初始化、引导和操作系统的启动进行仿真。
在仿真成功后,进行了下载验证。由于使用的EP1C12器件的逻辑容量有限,无法同时实现以上所有功能,因此设计了两个配置方案,分别面向网络和个人终端。前者具备以太网功能,但是没有PS/2和VGA/LCD控制器,后者相反。使用Synplify和QuartusII软件对个人终端配置的系统进行综合、布局布线后,系统速度和各模块所占逻辑单元LEs(Logic Elements)的情况如表1所示。
实际下载验证证明,以上两种配置都可以40MHz的速度运行μClinux系统。目前,已经选定使用该系统作为基于SoPC的数控系统的基础实现平台。