基于AXI4的可编程SOC系统设计

《基于AXI4的可编程SOC系统设计》系统介绍了基于xilinx公司软核处理器microblaze的可编程片上系统(soc)设计的原理及典型应用。全书共分11章，内容包括可编程片上系统设计导论、amba axi4协议、microblaze软核处理器结构、microblaze软核处理器接口、可编程片上系统开发平台结构、可编程片上系统描述规范、基于axi4的可编程片上系统设计流程、xilinx操作系统及库、基于axi4的xilkernel实现、基于axi4的iwip实现和基于axl4的多核处理器系统实现等内容。《基于AXI4的可编程SOC系统设计》所有资料来自xilinx公司的技术手册、相关文献和AX14-Based SoC Programmable Systems Design基于A×4的可编程SOC系统设计AX|4总线是全球最大的可编程逻辑器件厂商Ⅻ Xilinx公司和全球知名的cPU|P核供应商ARM公司共同制定的下一代SC的互联标准,该标准的制定将大大提高未来SOC芯片的整体性能。本书以美国Xnx公司提供的 Microblaze32位软核处理器为基础,以AXl4接口规范为主线,系统介绍了在 Xilinx FPGA芯片内实现基于AX14的可编程SOC的设计流程和设计方法。本书也是国内第一本系统介绍基于AX14的可编程SOC设计技术的书籍。相信这本书的出版会进一步促进基于AX4规范的可编程SOC技术在国内的普及和推广。附赠光盘为了方便读者学习,随书配送光盘,该光盘提供了对Xinx大学计划开发板卡Ays和 Nexys3的相关案例和培训资料,使得读者能够尽快动手实践,掌握基于AX4的可编程SOC设计技术。关于作者何宾从事数字系统EDA方面的本科生和研究生相关课程的教学和科研工作,并在多个省市进行大学生电子设计竞赛FPGA专题方面的教师培训工作,在EDA教学和科研方面积累了丰富的经验。曾出版相关图书《EDA原理及应用》、《EDA原理及应用实验教程》、《片上可编程系统原理及应用》、《FPGA数字信号处理实现原理及方法》、《Xinx可编程逻辑器件设计技术详解》、《数字与片上系统设计教程》、《EDA原理及 Verilog实现》、《EDA原理及WHDL实现》。ISBN 978-7-302-26294-79787302262947定价:39.00元(含光盘)NIVERS Xilinx大学合作计划指定教材poGAX 4-Based socProgrammable Systems Design基于AX4的可编程SOC系统设计何宾编著He bil清华大学出版社北京内容简介本书系统介绍了基于ⅹinx公司软核处理器 MicroBlaze的可编程片上系统(SOC)设计的原理及典型应用。全书共分11章,内容包括可编程片上系统设计导论、 AMBA AXI4协议、 Microblaze软核处理器结构、 Microblaze软核处理器接口、可编程片上系统开发平台结构、可编程片上系统描述规范、基于AXI4的可编程片上系统设计流程、Xinx操作系统及库、基于AXI4的 Xilkernel实现、基于AXl4的lwIP实现和基于AXl4的多核处理器系统实现等内容。本书所有资料来自 Xilinx公司的技术手册、相关文献和典型应用案例,充分反映了 Xilinx公司可编程片上系统的最新技术和应用成果,非常有利于读者尽快掌握这一最新技术。本书将可编程片上系统的基本原理和典型应用相结合,易于读者理解与自学。本书适合作为计算机与电子信息类专业高年级本科生和研究生的教材及学习参考用书,也可作为从事可编程片上系统设计的工程技术人员的参考用书。本书封面贴有清华大学出版社防伪标签,无标签者不得销售。版权所有,侵权必究。侵权举报电话:010-6278298913701121933图书在版编目(CIP)数据基于AXI4的可编程SOC系统设计/何宾编著.-北京:清华大学出版社,2011.9ISBN978-7-302-26294-7I.基…Ⅱ.①何…Ⅲ.①可编程序控制器一系统设计Ⅳ.①TP332.3中国版本图书馆CIP数据核字(2011)第141801号责任编辑:盛东亮责任校对:焦丽丽责任印制:何芊出版发行:清华大学出版社地址:北京清华大学学研大厦A座htp:∥www.tup.com.cn邮编:100084社总机:010-62770175邮购:010-62786544投稿与读者服务:010-62795954,jsic@tup. tsinghua,edu.cr质量反馈:010-62772015, zhiliang(tup. tsinghua.edu.cn印装者:三河市春园印刷有限公司经销:全国新华书店开本:185×260印张:20.5字数:463千字附光盘1张版次:2011年9月第1版印次:2011年9月第1次印刷数:1~3000定价:39.00元产品编号:04294901前言本书是作者在《片上可编程系统原理及应用》教材的基础上,专门介绍基于AXI4规范和 Xilinx软核处理器 Microblaze实现嵌入式系统应用的高级教程。当前,FPGA正越来越广泛地应用在各个领域中。 Xilinx公司将专用的嵌入式处理器 PowerPc硬核、 ARM Cortex-A9MP硬核和嵌人式处理器 Microblaze软核嵌入到了FPGA芯片中。这种集成了嵌入式处理器的FPGA芯片被定义成FPGA平台。这种基于FPGA的平台提供了一个灵活的嵌入式解决方案。在这个解决方案中,单个FPGA芯片上提供了大量不同的IP软核和硬核资源。这些固件和硬件可以随时进行升级。这种可编程的结构特点,大大缩短了系统的开发时间,且同一平台能应用在很多领域,提高了平台的资源复用率。基于 Microblaze软核处理器构成的片上系统(SOC)是FPGA在嵌入式系统领域的重要应用,其开放的设计结构和设计平台,有助于设计者更好地理解并掌握可编程片上系统的设计原理、设计方法和设计流程。此外,AXI4规范是世界著名的嵌入式处理器IP核提供商ARM公司和世界著名的可编程逻辑器件提供商 Xilinx公司共同制定的下一代SOC的互联标准,该标准的制定将对未来片上系统的发展产生深远的影响。本书系统介绍了基于 Xilinx公司 Microblaze软核处理器和AI4规范的可编程片上系统的原理及实现。全书共分11章,包括可编程片上系统设计导论、 AMBA AXI4协议、 Microblaze软核处理器结构、 Microblaze软核处理器接口、可编程片上系统开发平台结构、可编程片上系统描述规范、基于AXI4可编程片上系统的设计流程、 Xilinx操作系统及库、基于AXI14的 Xilkernel实现、基于AXl4的lwIP协议栈实现和基于AXI4的多核处理器系统实现等内容。学习这些内容可以为后续使用嵌入 ARM-Cotex a9MP多核处理器硬核进行可编程片上系统的实践开发打下坚实的基础。掌握可编程片上系统设计技术的有效途径是在学习本书基本设计方法的基础上,尽可能多地在硬件平台上进行实际练习和操作,并完成一个完整片上系统的设计。这样读者就能够独立地从事可编程片上系统的设计和开发工作。感谢王纲领、刘一民、何军和彭勃,他们分别参与了第7章、第9章、第10章和第11章的编写工作,对相关的设计案例进行了测试,并帮助完成了书中部分表格和插图的绘制工作。同时,还要感谢 Xilinx大学计划和美国 Digilentinc公司在软件和硬件平台方面给予的大力支持,正是由于他们的大力支持,作者才能及时地将可编程片上系统的最新技术介绍给广大读者。最后,也要感谢清华大学出版社的工作人员,正是由于他们的鼎力支持和帮助,使得作者能在短时间内高质量地完成该书的编写和校对工作。虽然作者为本书的编写尽心竭力,但是由于 Xilinx的可编程SOC技术发展迅速及作者的知识水平所限,书中一定会存在不足之处,恳请广大读者、同仁对本书提出宝贵的修改意见作者2011年6月于北京目录第1章可编程片上系统设计1.1可编程片上系统……日““““““““““““““““··…·44·····:··;·:··1.1.1软核及硬核处理器1.1.2可编程片上系统技术发展………1.1.3可编程片上系统技术特点222341.2可编程片上系统设计与优化技术…1.2.1可编程片上系统设计技术1.2.2通用可编程片上系统优化技术1.2.3专用可编程片上系统优化技术1.3xinx可编程片上系统芯片…1.3.1 Spartan系列FPGA……1.3.2 Virtex系列FPGA………131.3.3zynq7000系列FPGA…………16第2章 AMBA AX|4协议2.1AX协议……………192.2AX14功能………2.2.1AXI4全局信号4暮1辜n日自:a日量量t里t…212.2.2低功耗接口信号鲁····型212.2.3AXI4通道及信号…………………………………212.2.4AXI4交易通道的握手信号关系……………………252.2.5AXI4猝发类型及地址计算…262.2.6 AWCACHE和 ARCACHE属性鲁面量最……………272.2.7AXI互联结构模型…282.2.8用户信号………………302.3AX4-Lite功能…………………312.4AX|4 Stream功能:·:····:+·“·““““,吾.,,.··32第3章 Microblaze软核处理器结构3.1 MicroBlaze处理器结构框架a申·「自虚虚「「「····363.1.1 Microblaze存储器结构…面面鲁,,非·自申·,··373.1.2 Microblaze浮点单元38目录画3.1.3 Microblaze流连接接口3.1.4 Microblaze流水线结构403.1.5 Microblaze特权指令……423.1.6 Microblaze指令类型…………………………………………………423.2 MicroBlaze寄存器……………433.2.1通用寄存器a44““*“““““““““+“::·:·::::“a433.2.2特殊寄存器………………………………………433.3 MicroBlaze虚拟存储器管理………………………………………513.3.1实模式…………………………………523.3.2虚拟模式t量世523.4 MicroBlaze事件及处理……………593.4.1复位…………∴603.4.2硬件异常…+··+“+···,········…………603.4.3断点633.4.4中断………………ttt重633.4.5用户向量(异常)…∴…………63.5 MicroBlaze指令和数据缓存…643.5.1 Microblaze指令缓存………………………………643.5.2 Microblaze数据缓存……………………………………663.6 MicroBlaze调试和跟踪………………68第4章 MicroBlaze软核处理器接口4.1 MicroBlaze接口·a画和新画…………704.2Ax|4接口4.2.1存储器映射接口+·?.中±中中·+中和·中··.+中中和和;品…704.2.2流接口……………………………4.3PLB接口4.4LMB接口……由和面画量由量面量由当音量744.5FSL接口……………………………………………754.6XCL接口764.6.1XCL接口原理……………………………………………………764.6.2XCL交易………目录4.7调试接口………………804.8跟踪接口814.9编程接口…………………824.9.1堆栈规则………………………………………………………………824.9.2存储器模型…4.9.3中断和异常句柄84第5章可编程片上系统开发平台……………………865.1设计流程及EDK工具…875.1.1设计流程…875.1.2EDK工具…885.2平台产生器…………………………………945.2.1加载路径…………·…::::·:::::=·:·::·:···:···“·““……945.2.2输出文件………………………………………………945.2.3BMM流程…5.3仿真模型产生器……5.3.1仿真库965.3.2仿真模型………………975.3.3输出文件….::::a.:..4·::·:···"·········”·5.3.4存储器初始化985.4库产生器…nmnttnti"?·"+和“....1015.4.1加载路径……………1015.4.2输出文件=;;a;;4a;;aaa““a自普雪鲁鲁「鲁·「………1035.4.3生成库和驱动1035.5平台规范工具1055.6 flash存储器编程……1055.6.1 flash编程1055,6.2支持的fash硬件…………………………1065.6.3编程先决条件…1075,6.4编程对话框.,,,,……………………1075.6.5定制 flash编程…1085.6.6可操作的特点和方法…………………2110