MicroBlaze详细教程

一、概述

MicroBlaze是一种基于软件定义的低成本、高性能、低功耗的32位RISC处理器，适用于FPGA（现场可编程逻辑门阵列）平台。它提供了一个可编程的硬件解决方案，可以应用于嵌入式系统、网络设备、安全系统、数字信号处理等多个领域。

MicroBlaze处理器由Xilinx公司推出，是一种可配置的IP（Intellectual Property）内核，完全免费使用，适用于Xilinx的FPGA器件。本文将围绕MicroBlaze详细阐述其架构、编程模型及相应的开发工具。

二、架构

MicroBlaze架构整体包括处理器核、存储单元、I/O单元、中断控制器和调试模块，如下图所示：

            +-------------------------+            |   |
    +--->   |          I/O            |           |   |
    |       |         Units           |           |IP |
    |       +-------------------------+           |   |
    |       |                         |            |  |  
    |       |                         |            |  |                        
    |       |          AXI            |            |  |
    |       |                         |            |  |
+--------+  |          通信          |  +------------+ 
|  Debug  |  |          Units          |  |    AXI    |
| Module |  |                         |  |  Interconnect |
|        |  +-------------------------+  |          |
+--------+                                |          |
     |                                    |          |
     |                                    |          |
     |                                    +--------> |   |
     |                                    MicroBlaze  |CPU|
     |                                              |   |
     |                                              |   |
     |                                    +--------> |   |
     |                                    |          |   |
     |                                    |          |   |
+--------+                                |          |   |
|Interrupt|                                +------------+ 
|Controller|
+--------+

其中，处理器核是MicroBlaze的核心，负责运算和控制操作；存储单元包括数据存储和程序存储；I/O单元用于与外部设备进行通信；中断控制器负责处理各式各样的中断信息；调试模块提供了工作状态的监视和修改。

三、编程模型

MicroBlaze采用的是Harvard结构，即程序存储（instruction memory）和数据存储（data memory）是分离的。程序存储和数据存储都可以通过AXI总线与其它IP核相连。MicroBlaze是一种基于寄存器的架构，共有32个32位通用寄存器和3个特殊的寄存器，分别是程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）和链接寄存器(LR)。

以下是一个简单的MicroBlaze汇编程序示例：

.global _start
_start:
    addi r3, r0, 0x11    # r3=0x11
    addi r4, r0, 0x22    # r4=0x22
    add r5, r3, r4       # r5=r3+r4=0x33
loop:
    b loop              # 无限循环

代码解释：首先定义一个全局开始标签“_start”，然后分别将立即数0x11和0x22加到了r3和r4寄存器中，接着r3和r4寄存器的值相加，存入r5寄存器中，最后通过无限循环实现了程序的不断运行。

四、开发工具

Xilinx公司为MicroBlaze提供了多种开发工具，包括Vivado Design Suite、EDK（Embedded Development Kit）等。下面将介绍其中的Vivado Design Suite工具。

五、Vivado Design Suite

Vivado Design Suite是Xilinx公司开发的FPGA设计和综合工具，可实现IP集成、逻辑综合、架构拓扑布线、时序分析等多种功能。下面将分别介绍如何创建MicroBlaze处理器系统和如何在软件开发工具中编写汇编程序。

六、创建MicroBlaze处理器系统

1、打开Vivado Design Suite，创建一个新工程，为其选择一个目录。

2、在“Add Sources”对话框中，点击“Add or create design sources”按钮并选择“Create a new AXI4 peripheral”选项创建一个新的AXI总线外设。

3、在“Create and Package IP”对话框中，为新创建的IP核选择名称，并在“Templates”选项中选择“MicroBlaze Processor”选项。

4、在“Edit Customizations”对话框中选择IP核的应用程序和数量级等其它属性，并点击“OK”按钮。

5、在“Design Sources”界面中会自动添加一个文件“system_wrapper.v”，此时需要使用FPGA的“Generate”和“Import”功能将该文件添加到工程中。

6、在“IP Integrator”中进行相应的连线，并在“Run Block Automation”对话框中进行设置。

7、在IP Integrator中点击“File”选项卡，并选择“Export Hardware”选项，将设计导出到SDK软件开发环境中。

七、在软件开发工具中编写汇编程序

1、打开SDK软件开发环境，创建一个新的应用程序工程。

2、在“SDK”中选择“Create New Microblaze Project”选项并添加软件项目文件。

3、在文件列表中右键点击“src”并选择“New File”添加一个新的汇编文件，将以下代码粘贴到该文件中：

    .text
    
    .globl _start
    
_start:
    addi r3, r0, 0x11    # r3=0x11
    addi r4, r0, 0x22    # r4=0x22
    add r5, r3, r4       # r5=r3+r4=0x33
loop:
    b loop              # infinite looping

4、将该文件编译并连接到工程中。

5、将SDK软件开发环境中生成的可执行文件下载到FPGA中，运行应用程序。

八、总结

本文详细介绍了MicroBlaze的架构、编程模型及相应的开发工具，并提供了相关代码示例，希望能够对想要在FPGA平台上使用MicroBlaze的开发者提供一些帮助。