具有嵌入式处理器的 平台 FPGA 为您提供前所未有的灵活性、集成度和高性能。目前，在单个可编程逻辑设备中开发极其复杂且高度定制化的嵌入式系统已成为可能。

        随着芯片性能的不断增加，如何使设计方法始终高效、多产，成为人们面临的主要挑战。嵌入式系统开发的关键活动之一是开发板支持包 (BSP)。利用 BSP，可以使嵌入式软件应用程序成功地初始化，并与连接到处理器的硬件资源进行通信。典型的 BSP 组件包括引导代码、设备驱动程序代码和初始化代码。

        创建 BSP 是一个冗长而繁复的过程，并且在微处理器复合体（处理器和相关的外设）每次有所变更时都得再次进行。对 FPGA 而言，迅速的设计循环加上平台的灵活性，会使得管理 BSP 的任务更为艰巨（图 1）。这一情况迫使人们寻找更有效地管理 BSP 的方法。

        本文将描述 Xilinx 提供的一种创新解决方案，它可以简化 RTOS BSP 的创建和管理。我们选择了 WindRiver VxWorks 流程来阐明这一概念，但其蕴含的技术是通用的，同样适用于支持 Xilinx® 处理器的所有其他操作系统解决方案。

                                    图 1 – 平台 FPGA 灵活性要求软件 BSP 生成过程具有高效率
Xilinx 设计流程和软件 BSP 生成

        Xilinx 处理器的设计包含硬件平台装配流程和嵌入式软件开发流程。这些流程都通过 Xilinx Platform Studio (XPS) 工具加以管理，该工具属于 Xilinx 嵌入式开发套件 (EDK) 的一部分。

        设计通常始于在 XPS 中装配与配置处理器及与其相连接的配件。定义好硬件平台后，就可以配置系统的软件参数了。

        Platform Studio 的一个主要特点是，它可以根据您对处理器、外设和嵌入式操作系统的选择和配置来定制 BSP。系统通过硬件设计的叠代改变而发展，同时，BSP 随着平台而发展。

        自动生成的 BSP 可赋予嵌入式系统设计者以下能力： 

•  自动创建与硬件设计完全匹配的 BSP
• 使用预认证的组件消除 BSP 设计错误
• 立即启动应用软件开发，增加设计者的产量

创建用于 WindRiver VxWorks 的 BSP

        Platform Studio 可生成用于 Xilinx Virtex™-II Pro 和 Virtex-4 FPGA 中的 PowerPC™ 405 处理器及其外设的定制 Tornado 2.0.x (VxWorks 5.4) 或 Tornado 2.2.x (VxWorks 5.5) BSP。生成的 BSP 包含系统必需的所有支持软件，包括：引导代码、设备驱动程序和 VxWorks 初始化。

        在 Platform Studio 定义完具有 PowerPC 405 处理器的硬件系统后，只需遵循以下三个步骤即可生成用于 VxWorks 的 BSP：

• 使用软件设置对话框（见图 2）选择要为系统使用的操作系统。Platform Studio 用户可选择 vxworks5_4 或 vxworks5_5 作为其目标操作系统。
• 选择了操作系统后，可转到资料库/操作系统参数标签（如图 3 所示），根据定制硬件调整 Tornado BSP。您可以选择系统中的任意 UART 器件作为标准 I/O 器件（标准输入和标准输出）。这将使该设备被用作 VxWorks 控制台器件。
  您还可以选择将哪些外设作为连接外设，将哪些器件紧密集成到 VxWorks 操作系统。例如，Xilinx 10/100 以太网 MAC 可以集成到 VxWorks 增强型网络驱动（Enhanced Network Driver 即 END)接口。或者，不必将以太网器件连接到 END 接口，而从 VxWorks 应用程序直接访问它。
• 选择“工具 > 生成资料库”和 BSP 菜单选项，生成 Tornado BSP。生成的 BSP 与传统的 Tornado BSP 相似，位于 ppc405_0/bsp_ppc405_0 下的 Platform Studio 项目目录中（见图 4）。  
  

  图 2 – 设置选择嵌入式操作系统

  图 3 – 配置具体操作系统的参数

图 4 – 生成的 BSP 目录结构

        通过 Platform Studio 生成的 Tornado BSP 具有一个 Makefile 文件，如果希望使用 Diab 编译器而不是 Gnu 编译器，可在命令行修改此文件。

        Tornado BSP 完全独立，并可以传输到其他目录位置，如 BSP 的标准 Tornado 安装目录：target/config。

定制 BSP 详细信息

        由 XPS 生成的用于 VxWorks 的 BSP 与大多数其他 Tornado BSP 相似，只是 Xilinx 设备驱动程序代码的位置有所不同。与 Tornado 相关的现成的设备驱动程序代码通常位于 Tornado 分布目录的 target/src/drv 目录中，而由 Platform Studio 自动生成的 BSP 的设备驱动器代码位于 BSP 目录本身中。

图 5 – Tornado 2.x 项目：VxWorks 标签

        基于 FPGA 的嵌入系统之动态特性是造成此微小差别的原因。因为基于 FPGA 的嵌入系统可以用新的或更改后的 IP 重新编程，设备驱动程序可以改变，因此就需要对设备驱动程序源文件进行更为动态的放置。表 4 为自动生成的 BSP 的目录树。Xilinx 设备驱动程序放置在 BSP 子目录 ppc405_0_drv_csp/xsrc 中。

        Xilinx 设备驱动程序在 C 盘中执行并分布在数个源文件中，这点不同于传统的、通常由单个 C header 和执行文件组成的 VxWorks 驱动程序。此外，对于设备驱动程序，既有独立于操作系统的执行，又有可选的依赖于操作系统的执行。

        驱动程序的操作系统独立部分应同任何操作系统或处理器一起使用。它提供了一种应用程序接口 (API)，能提取基础硬件的功能。驱动程序的操作系统附属部分对驱动程序进行调整，使其得以在 VxWorks 之类的操作系统下使用。例子有串行端口使用的 Serial IO 驱动程序和以太网控制器使用的 END 驱动程序。只有能被紧密集成到标准操作系统接口的驱动程序才要求操作系统附属驱动程序。

        Xilinx 驱动程序源文件加入 VxWorks 映像构件的方式同其他 BSP 文件加入的方式相同。针对每个驱动程序，在 BSP 目录中都有一个名为 ppc405_0_drv_.c 的文件。此文件包括针对给定设备的驱动程序源文件 (*.c)，并自动由 BSP makefile 编译。

        该过程与 VxWorks sysLib.c 针对 Wind River-supplied 驱动程序纳入源文件的过程相似。Xilinx 驱动程序文件不像其余驱动程序一样单纯纳入 sysLib.c 的原因，在于命名空间的冲突和可维护性问题。如果所有的 Xilinx 驱动程序文件都是单个编译单元的一部分，那么静态功能和数据就不再处于保密状态了。这会对设备驱动程序产生限制，也会抵消其操作系统独立性。

与 Tornado IDE 集成

        自动生成的 BSP 被集成到 Tornado IDE（项目设备）。BSP 可从命令行使用 Tornado make 工具编译，或从 Tornado Project 编译。生成 BSP 后，只需在命令行键入 make vxWorks 来编译可启动的 RAM 映像。这是假定此前已设置了 Tornado 环境（此设置可以在 Windows 操作平台上在命令行使用 host/x86-win32/bin/torVars.bat 来完成）。如果您使用的是 Tornado Project 设备，可以在新生成的 BSP 的基础上创建一个项目，然后使用通过 IDE 提供的构件环境编译此 BSP。

        Tornado 2.2.x 不仅支持 gnu 编译器，还支持 diab 编译器。Platform Studio 创建的 Tornado BSP 有一个 makefile，如果您想使用 diab 编译器而不是 gnu 编译器，则可以在命令行修改此 makefile。寻找称为“工具”的生成变量，将值设置到“diab”而不是“gnu”。如果使用 Tornado Project 工具，项目最初创建时，可选择所需的编译器。

        文件 50ppc405_0.cdf 位于 BSP 目录下，并在创建 BSP 的过程中加以更改。此文件将设备驱动程序融入了 Tornado IDE 菜单系统。驱动程序在“硬件 > 外围设备”子文件夹处与 BSP 结合在一起。在其下面是单独的设备驱动程序文件夹。图 5 显示一个带有 Xilinx 设备驱动程序的菜单。

        Tornado Project Facility 的“文件”标签也会显示用来将 Xilinx 设备驱动程序与 Tornado 构建过程结合在一起的文件数量。这些文件由 Platform Studio 自动创建，您只需要知道其存在就行了。图 6 显示一个驱动程序构建文件的示例。

        一些常用设备与操作系统紧密结合，而其他设备可通过直接使用设备驱动程序从应用程序上访问。与 VxWorks 紧密结合的设备驱动程序包括：

• 10/100 以太网 MAC
• 10/100 以太网 Lite MAC
• 1 Gigabit 以太网 MAC 
•  16550/16450 UART 
•  UART Lite
• 中断控制器
• System ACE™ 技术
• PCIe

        所有其他设备及相关的设备驱动程序并未紧密集成到 VxWorks 接口，而只是与其松散集成。对这些设备的访问可通过从用户应用程序直接访问相关设备驱动程序来进行。

结束语

        随着基于嵌入式处理器的 FPGA 日益受人喜爱并得到广泛应用，能将硬件和软件流程有效组织在一起的工具解决方案应运而生，对帮助设计者工作效率跟上芯片的进展起到了关键作用。

        Xilinx 用户一直非常认可 Platform Studio 及其与 VxWorks 5.4 and 5.5. 的集成。Xilinx 将对 Wind River 流程的开发予以不懈支持，此流程不久就会包括对 VxWorks 6.0 和 Workbench IDE 的支持。

        作者： Rick Moleres 软件IP经理 rick.moleres@Xilinx.com

                      Milan Saini 技术行销经理 milan.saini@Xilinx.com 赛灵思公司