PicoBlaze软核的仿真与调试

引言

PicoBlaze是Xilinx公司为Virtex、Spartan系列FPGA和CoolRunnerII系列CPLD设计的8位嵌入式处理器软核。PicoBlaze嵌入式处理器具有高达44～100 MIPS的指令执行速度，并具有效率高、占用资源少等优点，可以方便地嵌入到硬件系统设计中，实现与其他功能模块的无缝连接[1]，在FPGA嵌入式系统中具有广泛的应用。传统的PicoBlaze项目调试方法通常将PicoBlaze的汇编程序编译后，与FPGA相关逻辑综合、实现，然后下载到电路板上进行板级验证，往往要花费大量时间，效率低下。本文介绍了一种基于pBlazIDE的PicoBlaze汇编程序仿真调试方法，并对基于JTAG Loader的PicoBlaze程序快速更新方法进行了详细分析。实践证明，该方法简便可行、效率较高，大大加快了PicoBlaze项目的调试进度。

1　pBlazIDE仿真调试工具

pBlazIDE是一款免费的图形化仿真调试工具，只有1?45 MB，无需安装即可使用[1]，非常适合于PicoBlaze汇编程序的前期仿真验证。pBlazIDE具有以下功能：

◆ 按语法分色高亮显示代码;

◆ 指令集仿真器，可设置断点，并可查看寄存器和存储器内容;

◆ 源代码格式化;

◆ KCPSM3到pBlazIDE导入功能，并自动完成语法转换;

◆ 支持语法分色高亮显示HTML文件输出。

pBlazIDE仿真调试工具窗口布局如图1所示。pBlaz?IDE仿真调试工具窗口布局为标准的Windows界面，主要包括菜单栏、工具栏、代码区、I/O端口栏、PicoBlaze处理器状态栏、暂存RAM栏、输出状态区和系统状态栏。其中，I/O端口栏和暂存RAM栏只有在程序中使用了I/O端口和暂存RAM时才显示，平时默认为不显示状态。PicoBlaze处理器状态栏显示程序运行过程中PicoBlaze的寄存器值和标志位状态，输出状态区显示程序编译和运行信息，系统状态栏显示内容包括程序运行时间、当前PC值、当前堆栈指针和堆栈值等。

图1　pBlazIDE仿真调试工具

pBlazIDE与标准的KCPSM3语法相比，除中断处理和其他少量语句外，大部分均相同。在导入KCPSM3程序时，pBlazIDE会自动完成语法转换，无需人工干预。必须注意的是，pBlazIDE对KCPSM3语法中I/O端口的定义不会自动转换，必须手动修改，否则编译时会报错。例如，KCPSM3语法中输出端口定义LED EQU 1应修改为LED DSOUT 1，输入端口和双向口的定义与此类似。

pBlazIDE仿真调试步骤如下：

① 打开pBlazIDE仿真调试工具，在Settings里选择合适的Picoblaze 类型，对于Spartan3、VirtexII或VirtexII Pro系列FPGA选择Picoblaze 3即可。另外，还需在Settings→Options中设置软核的系统时钟，以便pBlazIDE显示程序精确运行时间。

② 点击File→Import命令，导入KCPSM3语法格式的.psm源文件，pBlazIDE会自动完成语法转换。

③ 手动修改I/O端口定义，以满足pBlazIDE语法要求。

④ 单击Assemble&Simulate按钮，对程序进行汇编，如果程序没有错误，即可开始仿真。仿真既可以全速运行，也可以单步运行，并可设置断点等，大部分功能与常用的单片机开发软件Keil 51类似。在仿真过程中，可以查看或修改寄存器和存储器内容，监测I/O输出是否与预期结果相符，设置输入端口值和模拟端口输入;另外，还可以对外部中断进行模拟仿真，极大地方便了用户程序调试。

2　PicoBlaze程序快速更新方法

PicoBlaze软核编译后的程序存储在FPGA中的BRAM单元中，在调试基于PicoBlaze的项目时，若采用传统的调试方法，那么每次改变PicoBlaze的汇编程序时都要重新综合、布局布线，生成新的比特文件，往往需要几分钟到十几分钟，耗时耗力;而采用JTAG Loader进行调试则无需重新综合、布局布线，可通过JTAG接口直接修改PicoBlaze的程序BRAM，只需几秒即可完成，大大加快了调试进度[2]。JTAG Loader程序更新接口示意图如图2所示。

图2　JTAG Loader程序更新接口示意图

由图2可知，JTAG Loader通过JTAG接口直接修改程序BRAM，达到更新PicoBlaze程序的目的。整个过程简便迅速，并且Xilinx公司提供了相应的JTAG_Loader_ROM_form.vhd模板和批处理文件，用户在初次使用时设置好相关参数后，只需运行批处理文件即可实现PicoBlaze程序的一键更新。JTAG Loader的使用步骤如下：

① 将JTAG_Loader_ROM_form.vhd重命名为ROM_form.vhd，并替换原工程目录下的ROM_form.vhd。

② 用kcpsm3.exe重新编译程序。

③ 将程序ROM的reset端连接到PicoBlaze的复位端。

④ 将JTAG Loader文件夹下的hex2svf.exe、hex2svfsetup.exe、playxsvf.exe、svf2xsvf.exe和jtag_loader.bat复制到工程目录下。

⑤ 编辑jtag_loader.bat文件。

(a) 并口下载电缆方式。打开jtag_loader.bat文件，输入下列内容：

if exist .\hex2svf.cnf goto one

echo Need to set up jtag chain first

hex2svfsetup.exe

echo jtag chain set up

pause

:one

hex2svf %1.hex %1.svf

svf2xsvf ?d ?i %1.svf ?o %1.xsvf

playxsvf %1.xsvf

将jtag_loader.bat中的1%替换为.psm的文件名，例如led.psm，则将1%替换为led。

(b) USB下载电缆方式。打开jtag_loader.bat文件，输入下列内容：

if exist .\hex2svf.cnf goto one

echo Need to set up jtag chain first

hex2svfsetup.exe

echo jtag chain set up

pause

:one

hex2svf %1.hex %1.svf

svf2xsvf ?d ?i %1.svf ?o %1.xsvf

@echo setMode ?bscan﹥﹥impact_batch_commands.cmd

@echo setCable ?port usb21 ?baud ?1﹥﹥impact_batch_commands.cmd

@echo addDevice ?position 1 ?file .\%1.xsvf﹥﹥impact_batch_commands.cmd

@echo play﹥﹥impact_batch_commands.cmd

@echo quit﹥﹥impact_batch_commands.cmd

impact ?batch impact_batch_commands.cmd

将jtag_loader.bat中的1%替换为.psm的文件名，例如led.psm，则将1%替换为led即可。

⑥ 运行jtag_loader.bat，按提示进行即可实现程序更新。值得注意的是，第一次运行jtag_loader.bat时，需输入IR_Length参数，该参数可以在ISE安装目录下查到，如：D:\Xilinx\10.1\ISE\acecf\data\xccace.bsd文件中的attribute INSTRUCTION_LENGTH of XCCACE : entity is 8。其他器件的查阅方法类似。

本方法已在Xilinx XUP VirtexII PRO开发板上进行了验证，取得了良好的效果，整个程序过程仅需几秒，即可实现程序的一键更新。

结语

8位嵌入式处理器PicoBlaze应用灵活方便。本文介绍的基于pBlazIDE的PicoBlaze汇编程序仿真调试方法和基于JTAG Loader的PicoBlaze程序快速更新方法简便可行，可明显提高PicoBlaze项目调试效率，具有较高的应用价值。