Xilinx FPGA中使用PicoBlaze处理器软核

PicoBlaze是8位微处理器，在Xilinx公司的Virtex、Spartan-II系列以上FPGA与CoolRunner-II系列以上的CPLD器件设计中以IP核的方式提供，使用是免费的 （百度百科）。

常见的版本有KCPSM3和KCPSM6。其中KCPSM支持7系列的Xilinx FPGA。

PicoBlaze非常小，只有一个VHDL/Verilog文件，KCPSM6在FPGA中只需要26块逻辑单元Slice，每个指令都可以再2个时钟周期内完成，在Spartan-6中可以达到105MHz时钟频率（-2速度等级），在Kintex-7（-3速度等级）中能到达238MHz。它能提供两个寄存器Bank，每个Bank有16个寄存器。

 

另外

 

很多时候我们用FPGA的HDL语言很难实现某些功能，但是用软件方式就比较容易，但是我们又不希望花很多硬件资源去搭建一个嵌入式系统，比如基于MicroBlaze的系统。这样，我们就可以使用轻量级的PicoBlaze实现。

通常使用汇编语言写PicoBlaze程序，以KCPSM6为例，我们基于它的指令集可以很方便实现一些简单的程序，指令集如下：

 

Xilinx提供了相应的汇编器，可以生成带指令数据的ROM的VHDL/Verilog代码，也可以生成HEX文件供动态加载到RAM。

下面介绍开发流程，我们以一个简单的开关输入LED输出为例，之后我们会介绍简单的流水灯以及中断。

 

首先，我们去Xilinx官网下载所需的KCPSM6的相关文件以及辅助程序。下载地址：http://www.xilinx.com/ipcenter/processor_central/picoblaze/member/

本文基于ZedBoard进行试验，所以只需要下载PicoBlaze for UltraScale, 7-series, 6-series FPGAs 即可。下载后解压出来，会有很多实例，JTAG_Loader以及kcpsm6.exe汇编器等。

以下是汇编器的功能图：

 

一般情况下，我们的处理器系统如下所示：

 

Kcpsm6处理器核与rom相连，rom中装载我们的编译后的代码数据。这两个模块都是通过工具生成，不过我们的程序还是需要写汇编代码实现。

Kcpsm6外部信号很少，常用的就是in_port和out_port，地址线和bram_enable以及instruction信号与rom相连，在不使用中断和休眠信号的情况下将interrupt和sleep拉低即可。Clk连接在FPGA外部输入的时钟引脚上，我们这里是Y9（100MHz）。

本文使用Verilog语言实现硬件逻辑。

 

创建一个基于ZedBoard的xc7z020-2clg484的工程。

建立一个顶层文件top.v，参照下载的文件夹中的Verilog目录中的kcpsm6_design_template.v，添加处理器核的例化

 

添加内部信号

 

另外，由于我们暂时没用到中断和休眠，将kcpsm6_sleep和interrupt拉低

 

我们再加入ROM的例化

 

将其中的<your program>改成后面汇编主程序文件名一样的名称。由于我们使用的Zedboard是7系列的FPGA，故将上面的C_FAMILY的V6改成7S。

之后我们定义DIP开关作为输入管脚，并将内部In_port信号与其相连，定义输入管脚为LED，并将out_port信号与其相连。

 

 

现在，我们可以编写汇编程序了。这里先写一个最简单的程序，只是将输入端口01与输出端口01直接相连。

;8个LEDconstant led_port,01;8个DIP开关constant dip_port,01 start:    input s0,dip_portoutput s0,led_portjump start

 使用对其进行编译，输入文件名回车，我们看到产生了4个文件

 

 

其中生成的.v是我们现在需要的，也就是含指令的ROM的Verilog代码，.hex文件是后面我们通过JTAG_LOADER动态修改程序时候需要的。

将产生的.v文件连同kcpsm6.v一起拷贝到ISE项目下，并编写UCF文件进行管脚和电平约束。

 

综合，生成比特流之后，将top.bit用IMPACT下载到FPGA，就可以运行了。

 

下面我们换成流水灯的汇编程序。

;8个LEDconstant led_port,01load s0,01output s0,led_portstart:  call delay1sSLA s0;output s0,led_portjump startdelay1s: load s1,FFcall delay1sub s1,01output s1,led_portjump c,delay1sreturndelay1:  load s2,FFcall delay2sub s2,01jump c,delay1return;delay2:  load s3,FFcall delay3sub s3,01jump c,delay2return;delay3:  load s4,04sub s4,01jump c,delay3return;

 

这次我们编译后，使用JTAG_LOADER下载，不需要改变硬件配置。为了让JTAG_LOADER正常加载运行所需的dll，我们使用ISE Design Suite 64 Bit Command Prompt启动命令行，cd到JTAG_LOADER路径

 

因为本文PC为win7 x64，故使用JTAG_Loader_Win7_64.exe，过程如下

 

 

对于中断的测试，我们首先需要开启硬件中的中断连接，我们添加一个input输入，UCF中连接到按键上，并将处理器核的interrupt信号连接到int，interrupt_ack信号是在进入中断服务程序前的响应信号，这里没有使用。由于picoblaze只提供一个中断输入，要实现多级中断，需要自己在FPGA中实现对应逻辑。

        

然后我们修改汇编程序，首先开启中断ENABLE INTERRUPT，然后在结尾加上中断服务程序，中断服务程序会自动关闭中断，跳出时候再恢复。

 

 

以下参考http://xilinx.eetrend.com/blog/2328

 

中断时序图

 

完整的中断程序，中断修改了s7寄存器的值，使得流水灯由两个灯变成一个灯：

;8个LEDconstant led_port,01 ENABLE INTERRUPTload s7,03main:load s0,s7load sA,00output s0,led_portstart:  load s1,0Fcall delay1sSLA s0compare s0,00jump z,mainoutput s0,led_portjump startdelay1s: load s2,FFcall delay1sub s1,01COMPARE sA,s1jump c,delay1sreturndelay1:  load s3,FFcall delay2sub s2,01COMPARE sA,s2jump c,delay1returndelay2:  load s4,04call delay3sub s3,01COMPARE sA,s3jump c,delay2returndelay3:sub s4,01;COMPARE sA,s4jump nc,delay3return ;interrupt service routineisr:load s7,01returni ENABLEaddress 3FFJUMP isr