MicroBlaze詳細教程

一、概述

MicroBlaze是一種基於軟件定義的低成本、高性能、低功耗的32位RISC處理器，適用於FPGA（現場可編程邏輯門陣列）平台。它提供了一個可編程的硬件解決方案，可以應用於嵌入式系統、網絡設備、安全系統、數字信號處理等多個領域。

MicroBlaze處理器由Xilinx公司推出，是一種可配置的IP（Intellectual Property）內核，完全免費使用，適用於Xilinx的FPGA器件。本文將圍繞MicroBlaze詳細闡述其架構、編程模型及相應的開發工具。

二、架構

MicroBlaze架構整體包括處理器核、存儲單元、I/O單元、中斷控制器和調試模塊，如下圖所示：

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

其中，處理器核是MicroBlaze的核心，負責運算和控制操作；存儲單元包括數據存儲和程序存儲；I/O單元用於與外部設備進行通信；中斷控制器負責處理各式各樣的中斷信息；調試模塊提供了工作狀態的監視和修改。

三、編程模型

MicroBlaze採用的是Harvard結構，即程序存儲（instruction memory）和數據存儲（data memory）是分離的。程序存儲和數據存儲都可以通過AXI總線與其它IP核相連。MicroBlaze是一種基於寄存器的架構，共有32個32位通用寄存器和3個特殊的寄存器，分別是程序計數器（PC）、堆棧指針（SP）和鏈接寄存器(LR)。

以下是一個簡單的MicroBlaze彙編程序示例：

.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              # 無限循環

代碼解釋：首先定義一個全局開始標籤“_start”，然後分別將立即數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，最後通過無限循環實現了程序的不斷運行。

四、開發工具

Xilinx公司為MicroBlaze提供了多種開發工具，包括Vivado Design Suite、EDK（Embedded Development Kit）等。下面將介紹其中的Vivado Design Suite工具。

五、Vivado Design Suite

Vivado Design Suite是Xilinx公司開發的FPGA設計和綜合工具，可實現IP集成、邏輯綜合、架構拓撲布線、時序分析等多種功能。下面將分別介紹如何創建MicroBlaze處理器系統和如何在軟件開發工具中編寫彙編程序。

六、創建MicroBlaze處理器系統

1、打開Vivado Design Suite，創建一個新工程，為其選擇一個目錄。

2、在“Add Sources”對話框中，點擊“Add or create design sources”按鈕並選擇“Create a new AXI4 peripheral”選項創建一個新的AXI總線外設。

3、在“Create and Package IP”對話框中，為新創建的IP核選擇名稱，並在“Templates”選項中選擇“MicroBlaze Processor”選項。

4、在“Edit Customizations”對話框中選擇IP核的應用程序和數量級等其它屬性，並點擊“OK”按鈕。

5、在“Design Sources”界面中會自動添加一個文件“system_wrapper.v”，此時需要使用FPGA的“Generate”和“Import”功能將該文件添加到工程中。

6、在“IP Integrator”中進行相應的連線，並在“Run Block Automation”對話框中進行設置。

7、在IP Integrator中點擊“File”選項卡，並選擇“Export Hardware”選項，將設計導出到SDK軟件開發環境中。

七、在軟件開發工具中編寫彙編程序

1、打開SDK軟件開發環境，創建一個新的應用程序工程。

2、在“SDK”中選擇“Create New Microblaze Project”選項並添加軟件項目文件。

3、在文件列表中右鍵點擊“src”並選擇“New File”添加一個新的彙編文件，將以下代碼粘貼到該文件中：

    .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、將該文件編譯並連接到工程中。

5、將SDK軟件開發環境中生成的可執行文件下載到FPGA中，運行應用程序。

八、總結

本文詳細介紹了MicroBlaze的架構、編程模型及相應的開發工具，並提供了相關代碼示例，希望能夠對想要在FPGA平台上使用MicroBlaze的開發者提供一些幫助。