Microblaze

Le MicroBlaze est un cœur de processeur softcore 32 bits de la société Xilinx. Il est conçu pour être implémenté sur les FPGA de ce fabricant. Le code source de MicroBlaze est fermé^[1].

Architecture

Architecture générale

Le MicroBlaze est un microprocesseur softcore RISC, d'architecture Harvard, entièrement 32 bits. En effet, il possède :

32 registres internes de 32 bits,
un bus instructions interne (ILMB),
un bus données interne (DLMB),
un bus d'instructions externe (IOPB),
un bus de données externe (DOPB).

Le processeur comporte 70 options de configuration^[2] permettant à l’utilisateur de sélectionner ou de paramétrer les composants internes selon ses besoins :

un pipeline à 3 ou 5 niveaux,
utilisation des multiplieurs câblés du FPGA (sauf sur Spartan II)
opérateur de division
opérateur de décalage (Barrel Shifter)
FPU (Floating Point Unit)
mémoires cache instructions et données
logique de débug (hardware breakpoints)

En 2006, il occupait entre 900 et 2600 'logic cells' et atteignait une fréquence maximale de 80 à 180 MHz selon la plateforme FPGA et les options sélectionnées.

FPGA	Taille	Fréquence	Dhrystone 2.1
Virtex-4 (4VLX25-12)	1 269 LUTs	180 MHz	166 DMIPS	0.92 DMIPS/MHz
Virtex-II Pro (2VP20-7)	1 225 LUTs	150 MHz	138 DMIPS	0.92 DMIPS/MHz
Spartan-3 (3S1500-5)	1 318 LUTs	100 MHz	92 DMIPS	0.92 DMIPS/MHz

En 2009, MicroBlaze v7.10 peut atteindre une fréquence de 105 à 235 MHz selon la plateforme FPGA^[3] :

FPGA	Configuration	Taille	Fréquence	Dhrystone 2.1
Spartan-3 (3SD1800A-5)	pipeline à 5 niveaux	1 809 LUTs	105 MHz	125 DMIPS	1.19 DMIPS/MHz
Spartan-3 (3SD1800A-5)	pipeline à 3 niveaux	1 324 LUTs	115 MHz	110 DMIPS	0.95 DMIPS/MHz
Virtex-5 (5VLX50)	pipeline à 5 niveaux, sans MMU	1 027 LUTs	235 MHz	280 DMIPS	1.19 DMIPS/MHz

On-Chip Peripheral Bus (OPB)

Le bus OPB, conçu par IBM pour ses microcontrôleurs PowerPC, permet de lier plusieurs maîtres à plusieurs esclaves. Il autorise un maximum de 16 maîtres et un nombre d’esclaves illimité selon les ressources disponibles. Xilinx conseille néanmoins un maximum de 16 esclaves. Comme ce bus est multi maîtres, il a donc une politique d’arbitrage paramétrable. Ce bus permet donc d’ajouter des périphériques au MicroBlaze dont les besoins en communications seront faibles.

Local Memory Bus (LMB)

Le bus LMB est un bus synchrone utilisé principalement pour accéder aux blocks RAM inclus sur le FPGA. Il utilise un minimum de signaux de contrôle et protocole simple pour s’assurer d’accéder à la mémoire rapidement (un front d’horloge).

Fast Simplex Link (FSL)

Le MicroBlaze comporte 8 liens entrées/sorties FSL. Le bus FSL est un moyen rapide de communication entre le processeur et une autre entité. Chaque lien FSL 32 bits est unidirectionnel (simplex) et met en œuvre une FIFO (pour stocker les données) et des signaux de contrôle (FULL, EMPTY, WRITE, READ, …). Il met aussi à la disposition du développeur plusieurs fonctions intéressantes dont les plus utilisées sont : “microblaze_bwrite_datafsl” et “microblaze_bread_datafsl”. Ces deux fonctions permettent d'échanger des données entre différents microblazes, par exemple, en utilisant la FIFO déjà intégrée dans le bus FSL. Ces deux fonctions sont bloquantes; bwrite se bloque lorsque la FIFO du bus FSL est saturée et bread se bloque lorsque la FIFO est vide. Il doit y avoir un bwrite pour débloquer la lecture. Les communications sur les liens FSL se font très simplement grâce à des instructions prédéfinies. Elles peuvent atteindre les 300 Mo/s à 150 MHz.

Xilinx Cache Link (XCL)

Le lien XCL est un lien FSL particulier, dédié à la connexion d'un contrôleur mémoire externe avec la mémoire cache interne. Ceci permet au contrôleur de cache de ne pas être ralenti par la latence du bus OPB.

Périphériques

De nombreux périphériques sont fournis avec le MicroBlaze, afin de constituer un microcontrôleur complet et personnalisable. Il y a, entre autres :

contrôleur mémoire (SRAM, Flash)
contrôleur mémoire SDRAM
UART lite
Timer/compteur avec fonction PWM
interface SPI
contrôleur d'interruptions
GPIO (entrées-sorties génériques)
convertisseurs A/N et N/A Delta-Sigma
DMA

De plus, des périphériques payants sont proposés en version d'évaluation, qui ont la particularité de ne fonctionner que quelques heures :

UART 16550
interface Ethernet
interface I²C
interface PCI

Systèmes d'exploitation

Xilinx MicroKernel

Ensemble de bibliothèques permettant d'obtenir des fonctions basiques de système d'exploitation :

pilotes de périphériques
séquencement de tâches
système de fichiers FAT
pile TCP/IP (avec le logiciel libre lwip)

uClinux

Portage réalisé par le Dr John Williams de l'université de Brisbane (Australie) et par la communauté d'utilisateurs. La société Petalogix assure le support commercial. L'absence de MMU ne permet pas d'utiliser le noyau Linux standard, mais µCLinux (Linux pour microcontrôleurs) est conçu pour contourner cette limitation.

FreeRTOS

Il existe un port du système temps réel FreeRTOS pour Microblaze (cf. liens externes), disponible comme FreeRTOS sous licence GPL modifiée. FreeRTOS est nettement plus léger que linux/uclinux mais a moins d'applications et de pilotes.

Systèmes commerciaux

Accelerated Technology Nucleus
Express Logic ThreadX
Micriµm µC/OS-II RTOS
eSOL µITRON4.0
RealFast AB Sierra RTOS

Outils de développement

Afin de créer des applications embarquées, Xilinx a développé un outil de développement appelé EDK (Embedded Development Kit). Il s'agit en fait d'une collection de scripts Tcl/Tk liant divers outils en ligne de commande, et d'une interface graphique couvrant l'ensemble.

Méthode de développement

Un processeur soft-core présente la particularité d'une programmation à deux niveaux :

configuration matérielle du FPGA pour associer un (ou des) processeur(s) et des périphériques,
programmation logicielle sur ce(s) processeur(s).

Cette spécificité nécessite des outils de développement adaptés, et présente plusieurs avantages :

démarche de codesign,
homogénéité entre matériel et logiciel (interfaces et mapping logiciels générés par les outils hardware),
possibilité de faire une simulation HDL du processeur et de ses périphériques (bien que ce soit une opération longue),
possibilité de pré-chargement du code résidant en RAM interne lors de la configuration du FPGA : lorsque le système se "réveille" à la mise sous tension, une partie du code est déjà présente en mémoire.
synchronisation entre le module de débug (MDM) et l'"analyseur logique virtuel" ChipScope, afin de mener un débug combiné matériel/logiciel.

Bien que la chaîne de développement logiciel (outils GNU), et les outils de synthèse, placement-routage FPGA soient soit tout à fait standard, des outils spécifiques en amont et en aval sont proposés :

Assistant de configuration pour cartes existantes (choix de périphériques et placement des entrées-sorties selon le routage de la carte)
sélection et assemblage des périphériques
- choix du processeur
- connexion des périphériques sur les différents bus, choix des adresses
- configuration des périphériques
- déclaration des routines d'interruptions, directement associées aux périphériques
compilation des bibliothèques C en fonction des périphériques et options du processeur (FPU, division) choisis
initialisation des mémoires internes dans le fichier binaire de configuration du FPGA
téléchargement matériel et logiciel, ainsi que débug logiciel, avec le même lien JTAG

EDK

Cet environnement permet de développer une application complète à processeur embarqué et de l’intégrer à un FPGA. EDK donne accès à tous les réglages nécessaires pour l’application embarquée que l’on souhaite créer. Il permet la programmation d’un ou plusieurs MicroBlazes et de leurs périphériques. Il va s’occuper de placer les programmes des MicroBlazes en mémoire lors de la programmation du FPGA. Pour plus d’information sur EDK, reportez-vous à la documentation de Xilinx Embedded SystemTools Reference Manual.

EDK est compatible Linux depuis la version 6.2.

GNU

Les outils de programmation du MicroBlaze sont les outils libres et standard du GNU, personnalisés par Xilinx pour le MicroBlaze. On retrouve ainsi GCC, GDB, et les Binutils (ld, as, ar, objdump ...). On peut les utiliser en ligne de commande ou à partir de l'interface graphique. Comme ces outils sont conçus pour un environnement UNIX, en cas d'utilisation sous Windows EDK installe l'environnement Cygwin.

ModelSim

ModelSim est outil de simulation HDL de Mentor Graphics. Une version bridée, ModelSim XE Starter, est disponible gratuitement.

Chronologie des outils de développement

MDK 1.9 (fin 2001) Version bêta
MDK 2.1 (2002) Première version utilisable, totalement en ligne de commande.
MDK 2.2
EDK 3.1 (2003) Première version avec interface graphique, commune avec outils PowerPC 405.
EDK 3.2
EDK 6.1 (2004) Apparition de la mémoire cache et des liens FSL
EDK 6.2 Apparition de la FPU
EDK 6.3 Apparition des exceptions, développement logiciel avec Eclipse (logiciel)
EDK 7.1 (2005) Amélioration de la logique de débug, des périphériques et mise à jour du compilateur. Pile TCP/IP.
EDK 8.1 (2006) Nouvelle interface graphique basée sur Qt
EDK 8.2 (a paraître en 2006) Support du Virtex5