作者：张开锋，肖山竹，陆静芳
1 MICroBlaze的体系结构
MICroBlaze采用功能强大的32位流水线结构，包含32个32位通用寄存器和1个可选的32位移位器，时钟频率可达150 MHz;在Virrex一4 FPGA上运行速率高达120 DMIPS，仅占用Virtex—II Pro FPGA中的950个逻辑单元。MicroBlaze软核的结构框图如图1所示。具有以下基本特征：
①32个32位通用寄存器和2个专用寄存器(程序计数器和状态标志寄存器)。
②32位指令系统，支持3个操作数和2种寻址方式。
③分离的32位指令和数据总线，符合IBM的OPB总线规范(与外设相连接的低速总线)。
④通过本地存储器总线(LMB，本地高速总线)直接访问片内块存储器(BRAM)。
⑤具有高速的指令和数据缓存(cache)，三级流水线结构(取址、译码、执行)。
⑥具有硬件调试模块(MDM)。
⑦带8个输入和8个输出快速链路接口(FSL)。
图中接口信号说明如下：
①DOPB，器件内部的外围设备数据接口总线，用于处理器与片内的设备进行数据交换。
②DLMB，实现数据交换的本地块存储器总线。该总线为处理器内核与块存储器(BRAM)之间提供专用的高速数据交换通道。
③IOPB，用于实现外部程序存储器的总线接口。当程序较大时，需要外接大容量的存储器。该总线提供读取指令的通道。
④ILMB，用于取指令的本地存储器总线。该总线与器件内部的块存储器(BRAM)相连，实现高速的指令读取。
⑤MFSLO～7，主设备数据接口，提供点对点的通信通道。
⑥SFSLO～7，从设备数据接口，提供点对点的通信通道。
2 MicroBlaze嵌入式开发工具EDK
Xilinx公司提供了完善的嵌入式开发工具EDK(Em—bedded Development Kit)。EDK是Xilinx公司于2003年推出的SOPC(System On Programmable Chip)系统开发套件。该套件集成了丰富的开发工具和大量的IP核资源，其中集成的工具包括硬件平台生成器(PlatGen)、硬件仿真模型生成器(SimGen)、硬件调试工具(XMD)、软件库生成器(LibGen)、应用软件编译工具(GNU Compilers)、软件调试工具(GNU Debuggers)等;IP核资源包括LMB和OPB总线接口、外部存储器控制器(EMC)、SDRAM控制器、UART接口、中断控制器、定时器等。所有这些工具和资源都由EDK中的一个叫平台工作室XPS(XilinxPlatform Studio)的集成开发环境统一管理。XPS提供一个友好的图形用户界面(GUI)，使用非常方便。设计流程如图2所示。
3 液晶显示模块
MPG240128液晶模块为图形点阵式液晶，不仅可以显示数字、字符等内容，还可以显示汉字和任意图形。该模块的控制芯片为T6963C，与外部的连接只有8位数据线和6条控制线及电源。液晶模块引脚说明如表1所列。MCtJ只要通过这些数据线和控制线，按照相应的时序进行读写，即可实现对模块的显示控制。
4 MicrOBlaze与液晶显示模块的接口
由于本文采用的液晶模块已经自带了显示控制芯片T6963C，因此液晶模块的外围电路相对来说就比较简单，只要考虑和MicroBlaze的接口电路即可。本设计采用GPIO模拟液晶模块的时序，实现对液晶模块的显示控制。MicroBlaze和液晶模块的接口电路如图3所示。
在EDK开发套件的XPS集成开发环境下进行系统硬件设计。在其界面环境下，添加所需IP核，进行系统连接和各项参数设置。利用平台产生器，根据硬件描述文件(.MHS文件)，生成嵌入式系统子模块的网表文件(.NGC)，然后调用Xilinx的综合工具XST进行综合，从而构成整个应用系统的硬件模型。
本设计中采用了GPIO对液晶模块进行控制。EDK提供了一系列API函数，通过这些函数可以很方便地对GPIO进行操作。下面先介绍2个函数：
其中，InstancePtr是指针，指向要控制的GPIO的基地址;Channel为通道值，选0或1。这两个函数只对Mask中对应位为1的位有影响，比如，XGpio_DiscreteSet(&LCD240128，1，Ox00000001)将LCl3240128_pin置1，而不影响其位;同理，XGpio_DiscteteClear(&1cd240128，1，0x00000001)将LCD240128_pin<0>置0，而不影响其位。为了增强程序的可读性，增加了8个宏定义：#define wr_high()XGpio_DiscreteSet(&lcd240128，1，Ox00000800)，#define wr_low()XGpio_DiscreteClear(&1cd240128，l，0x00000800)，其6个同理可推知。有了这2个函数，就可以很方便地编写出写命令和写数据函数了。下面对这2个函数作简要介绍：
液晶显示图形和字符都是由点阵组成的，在液晶上显示一个像素点是显示图形和字符的基础。下面将单像素点显示函数介绍如下：
有了单像素点显示函数，就可以很方便地编写出字符显示函数和图形显示函数了。限于篇幅，这里不作介绍。
结 语
本设计已在Xilinx Spatan3 Starter Board上进行了验证，取得了良好的效果。通过本设计的实现可以看出，MicroBlaze是一个功能强大、应用灵活的嵌入式软处理器，特别是其强大的用户自定义逻辑功能，极大地方便了系统设计。可以预见，基于嵌入式软处理器的SOPC开发方法，必将拥有广阔的应用前景。
