一種基于Microblaze的用戶接口電路設計

高璽璟 張志國

摘要：針對電路交換和軟交換中廣泛應用的SLIC接口電路，提出了一種基于Xilinx軟核Microblaze為主控CPU的設計方案，給出了系統(tǒng)設計的全過程，包括基于EDK軟件環(huán)境搭建硬件平臺、IP核的制作和加載，以及軟件平臺的開發(fā)。通過SPI接口實現(xiàn)對SLIC芯片的控制，SLIC接口芯片采用SI公司的SI32260，實現(xiàn)完整的BORSCH功能。設計最大限度地利用FPGA的內(nèi)部資源，釋放了大量IO并簡化了PCB設計，提高了系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；Microblaze；軟核；用戶接口

中圖分類號：TP331文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）06-67-2

0引言

近年來，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)取得了突飛猛進的發(fā)展，F(xiàn)PGA不再僅僅只是一個邏輯器件，而是集成了CPU核與豐富外設的可編程片上系統(tǒng)SOPC[1]。用戶線接口電路SLIC是電路交換、軟交換系統(tǒng)中不可或缺的用于提供模擬電話的接口[2]。SLIC接口有2種實現(xiàn)方式，一種是采用集成SLIC芯片及外圍電路，另外一種是采用分立模擬器件搭建電路。采用SLIC芯片，具有開發(fā)周期短、集成度高和易于維護等優(yōu)點，成為SLIC接口開發(fā)的主要方式。SI公司主流的SLIC接口芯片支持SPI控制接口和PCM數(shù)字音頻接口，提供SLIC接口。Microblaze是XILINX SPANTAN系列FPGA內(nèi)部的32位微處理器軟核，作為CPU完成多路SLIC芯片的控制[3-4]。

1硬件系統(tǒng)

1.1硬件總體設計

硬件主要包括硬件平臺的搭建和FPGA邏輯設計[5]。使用 XILINX集成開發(fā)環(huán)境XPS完成基于Microblaze的系統(tǒng)平臺搭建[6]，配置所需的各種外設；設計時序邏輯，并作為定制IP核加載到Microblaze外設總線[7]；使用EDK完成系統(tǒng)軟件的編譯，與硬件可執(zhí)行文件合并，實現(xiàn)對SLIC芯片的控制，完成用戶接口電路完整的BORSCHT功能。

1.2搭建硬件平臺

基于Microblaze的硬件平臺如圖1所示[8-9]。

以FPGA軟核Microblaze為核心，搭建一個具有SPI接口、外設接口EPC、外部存儲器接口EMC、串口、外部中斷接口和GPIO接口的系統(tǒng)。一組SPI總線完成對SLIC芯片的控制，另一組SPI總線連接FPGA的配置芯片F(xiàn)lash，系統(tǒng)上電首先運行Boot Loader程序，將主程序從Flash加載到外部RAM，加載完成時程序跳轉(zhuǎn)至RAM執(zhí)行。EPC接口連接至邏輯IP核的雙口RAM，用于控制字的讀取和狀態(tài)字的寫入；邏輯IP核使用VHDL語言編寫邏輯代碼，完成交換機總線到SLIC芯片的PCM總線時隙調(diào)整，每路控制字、狀態(tài)字寫入對應的雙口RAM，定時給CPU發(fā)送中斷等邏輯功能，做成一個IP核加載到Microblaze上[10]。

1.3 FPGA邏輯設計

FPGA邏輯設計主要完成交換機總線接口、CPU接口、雙口RAM的時序調(diào)整和邏輯控制。頂層文件完成外部接口描述和各個模塊之間的連接關(guān)系。交換機總線是程控交換機主控板與外圍板之間通過時分復用收發(fā)信令、PCM的一組總線。交換機總線接口通過串并轉(zhuǎn)換將收到的每一路控制字存入雙口RAM對應位置，CPU只讀。CPU接口完成Microblaze對雙口RAM的讀寫。CPU將每路SLIC的狀態(tài)字寫入雙口RAM，交換機總線接口通過并串轉(zhuǎn)換在對應時隙將狀態(tài)字發(fā)給交換機。為了使雙口RAM兩側(cè)的讀寫不沖突，CPU對雙口RAM的讀寫與狀態(tài)字、控制字的收發(fā)不在同一幀。

2軟件系統(tǒng)

2.1軟件開發(fā)流程

SDK提供了豐富的函數(shù)庫和實例，方便開發(fā)。system.mss包含系統(tǒng)所有接口的定義及函數(shù)的實例，用戶可以利用這些實例快速地編寫軟件。

硬件平臺導出至SDK后，SDK新建Boot Loader和主程序2個工程。Boot Loader工程為FPGA加載完成后的啟動程序，完成主程序從Flash到外部RAM的搬運，主程序完全搬運到RAM中后，程序跳轉(zhuǎn)至RAM中運行，軟件流程圖如圖2所示。

2.2主程序設計

主程序完成SLIC芯片的初始化和軟件流程控制，主程序流程圖如圖3所示。

Microblaze初始化包括SPI控制器初始化、中斷向量初始化和通用引腳（GPIO）初始化。Microblaze系統(tǒng)平臺搭建完畢以后會自動為每種設備分配基地址和設備類型字，Xilinx公司提供了各種IP核的API函數(shù)，通過這些函數(shù)用戶可以很容易地實現(xiàn)對IP核的控制。MAIN程序中主要包括SPI控制器初始化函數(shù)、中斷初始化函數(shù)、GPIO初始化函數(shù)和SPI讀寫函數(shù)。

SLIC芯片初始化包括直流饋電設置、鈴流設置、時隙分配設置和中斷使能設置，初始化完成后SLIC接口就產(chǎn)生饋電電壓。通過SPI接口和GPIO接口配合使用實現(xiàn)對多路SLIC芯片的控制。CPU的SPI接口的CS信號連接至數(shù)據(jù)緩沖器的使能端，每一路SLIC芯片的CS通過數(shù)據(jù)緩沖器用一個GPIO來控制。

2.3雙口RAM地址映射

CPU通過外部設備控制器（EPC）讀寫存于雙口RAM的控制字和狀態(tài)字，F(xiàn)PGA完成串并轉(zhuǎn)換和交換機總線信令的收發(fā)。FPGA的邏輯IP核對，定時給CPU發(fā)送一個外部中斷，CPU對狀態(tài)字、控制字進行一次更新。IP核對背板來的信令進行串并轉(zhuǎn)換，并順序存入雙口RAM。交換機總線控制字、狀態(tài)字的讀寫，通過數(shù)組來完成雙口RAM地址映射。

2.4中斷程序設計

對控制字和狀態(tài)字的處理是在中斷程序內(nèi)完成的。控制字用于控制用戶端口的各種功能；Microblaze根據(jù)收到的控制字，通過SPI接口對SLIC芯片對應寄存器進行更新，從而控制話機振鈴及停鈴等。狀態(tài)字用于描述用戶端口的各種工作狀態(tài)，SLIC芯片檢測到話機摘機后通過SPI接口上報給Microblaze，Microblaze更新雙口RAM上報狀態(tài)字。外部中斷定時觸發(fā)一次中斷程序，完成控制字和狀態(tài)字的更新，并控制SLIC芯片完成BORSCHT功能。

3關(guān)鍵技術(shù)問題分析

3.1定制IP核的制作

IP核的制作過程是將用戶自己用VHDL或者Verilog HDL語言編寫的邏輯源程序做成一個外設加載到XPS工程。源文件主要由源程序和網(wǎng)表文件2種文件組成。需要注意的是，XPS不支持VHDL和Verilog HDL混合編程。在實際應用中，尤其是FPGA邏輯是由幾個研發(fā)人員共同編寫的，有時會出現(xiàn)幾個源文件是用不同的語言編寫的情況。在這種情況下，需要先用ISE進行混合編程，生成網(wǎng)表文件，再加入到XPS中。

把IP核用到的所有源程序文件和網(wǎng)表文件放于指定目錄下，編寫mpd文件、pao文件和bbd文件，按照外設導入向?qū)У牟襟E加入到XPS工程中。

3.2軟硬件平臺的融合

Xilinx硬件平臺的搭建和軟件的編譯是分開進行的。XPS搭建好硬件平臺以后，需要生成硬件可執(zhí)行文件，導出至SDK，SDK完成軟硬件的融合。

3.3 Flash加載

系統(tǒng)上電以后，F(xiàn)PGA加載啟動程序，啟動程序加載完成后完成主程序從Flash到外部RAM的搬運，當主程序完全搬運到RAM中后，程序跳轉(zhuǎn)至RAM中運行。

啟動程序和系統(tǒng)硬件通過EDK編譯為一個可執(zhí)行文件，主程序工程編譯為另一個可執(zhí)行文件，二者是通過批處理腳本文件合并生成一個mcs固件燒寫到Flash。腳本文件定義了主程序的起始地址。

4結(jié)束語

通過XPS搭建基于Microblaze的硬件平臺，外圍邏輯制作成IP核加載到CPU，基于SDK編譯控制軟件，實現(xiàn)對SLIC接口芯片的控制，提高系統(tǒng)可靠性，降低了成本。

參考文獻

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