基于LEON3的SoC平台搭建与流水灯控制验证

陈荣军，刘松劲，谭洪舟，丁颜玉

（1.中山大学 南方学院，广东 广州 510197；2.中山大学 信息科学与技术学院，广东 广州 510006；3.广州市加信电子技术有限公司，广东 广州 510663）

当前芯片设计业正面临着一系列的挑战，系统芯片SoC已经成为IC设计业界的焦点，SoC性能越来越强，规模越来越大。LEON是Gaisler Research公司研发的基于SPARC V8（IEEE-1754）架构的开源处理器IP核。它的源码为可综合的VHDL代码，并且是开源的，符合SPARC标准。LEON系列处理器主要包括 3 款：LEON1，LEON2，LEON3。 目前，LEON3 凭着其诸多优势在FPGA和ASIC上有着巨大的应用场景[1]。相比传统的处理器IP核，LEON3配置灵活，成本低，性能高，更适宜SoC平台开发，文中为基于LEON3的SoC平台设计提供一个良好的参考方案。

1 主流免费处理器IP核

目前开放性源码已经从软件 （Linux、GCC等）扩展到硬件，对于嵌入式软核处理器来说，出现了像OpenCores这样专门发布免费的IP核源代码的组织。目前，免费的32位嵌入式软核处理器有：Gaisler Research公司的 LEON2/LEON3、OpenCores组织公布的OR1200和Altera公司的Nios II。这3种开放性处理器凭借其高性能，低成本，良好的可配置型和完善的开发环境，受到了学术界和工业界的普遍重视[2]，表1对这3种软核进行比较[3]。

表1 主流32位免费处理器比较Tab.1 Comparison of mainstream 32 free processor

由表1可以看到，对比OR1200和Nios II，LEON3拥有7级流水线，指令周期短，内存管理单元（MMU）和浮点运算单元（FPU）等，性能优越。此外它还是开源代码，配置、移植灵活，占用资源比较少，综合考虑，可以看出LEON3相比其他处理器IP核，有着明显优势。

2 基于LEON3的SoC平台的搭建

2.1 系统设计框架

LEON3内部包含7级整数流水线。支持硬件乘/除法器以及分立的指令与数据缓存（Harvard结构）。LEON3通过高速的AMBA AHB总线连接内存控制器、USB接口、JTAG接口等高速外部接口，低速的AMBA APB总线实现片上外设的接口，如定时器、串口、VGA等[4]。其系统框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

2.2 系统设计方法

2.2.1 系统开发环境

确定LEON3平台系统框架后，接下来配置硬件平台搭建环境，其开发环境如下：

1）硬件条件 使用开发板：DE2-115，FPGA芯片为：Cyclone II， EP2C70， Altera Inc.

2）软件条件 在 win 7系统安装虚拟机：VMware 7.0，然后再虚拟机上安装Linux系统：Red Hat Enterprise Linux 5。在linux环境下进行硬件配置。安装grmon2-eval，用其下载硬件sof文件，查看硬件信息。

2.2.2 硬件平台搭建步骤

在配置好硬件平台开发环境后，接下来按照步骤进行平台搭建，其流程图如图2所示。

图2 硬件平台搭建步骤Fig.2 Procedure of designing hardware platform

在Gaisler Research官网上下载LEON3源代码，然后解压，在Linux环境下，找到目标板的文件目录，使用命令make xconfig进行各个硬件模块的配置，界面如图3所示，配置信息会写入config.vhd文件中[5]。

图3 LEON3配置界面Fig.3 Configuration interface of LEON3

然后使用命令make quartus建立工程（PC机上需要预先安装quartus ii这个软件），使用软件quartus ii编译整个工程生成sof文件，最后把sof文件下载到FPGA开发板。

安装软件GRMON并打开，使用命令info sys，可以看到LEON3内核的硬件地址信息，如图4所示，说明LEON 3硬件平台搭建完成。

图4 LEON3硬件地址信息Fig.4 Hardware address information of LEON3

3 基于LEON3的SOC平台流水灯控制验证

在搭建好LEON3硬件平台后，我们在windows平台，编写流水灯程序，使用sparc-elf-3.4.4-mingw进行编译[6]，再用grmon2-eval下载到FPGA目标板，使用命令go，运行程序，可以看到LED灯依次闪烁，说明验证成功。

3.1 硬件平台验证环境

1）硬件条件

① 开发板：DE2-115

② FPGA：Cyclone II，EP2C70，Altera Inc.

2）软件条件

①Cygwin

②sparc-elf-3.4.4-mingw

③grmon2-eval

3.2 编写流水灯程序

使用grmon2-eval得到的LEON3各个模块以及PIO的地址信息，编写流水灯程序。LEON3的PIO偏移地址信息如表2所示。

表2 PIO偏移地址信息Tab.2 Offset address information of PIO

硬件地址信息映射PIO部分代码：

3.3 编译并下载流水灯程序

安装sparc-elf-gcc，使用命令：sparc-elf-gcc-g-O2 LED.co LED-msoft-float编译代码LED.c生成可执行程序LED。

打开软件GRMON，使用命令：load LED把可执行程序LED下载到目标系统。最后使用命令：go，运行程序，如图5所示。

图5 下载并运行程序Fig.5 Download and run the program

运行程序后，如图6所示，可以观察到测试平台上8盏LED灯依次闪烁，SOC平台验证成功。

4 结束语

LEON3处理器以其高性能，低成本和配置灵活等优势在SoC应用上有着广泛的应用。本文使用开源的硬件代码，提出了一个比较详细的基于LEON3平台的精简的，灵活的SoC平台开发流程，并编写流水灯程序，验证平台搭建成功，为LEON3开发提供了很好的参考[7]。

图6 LED灯Fig.6 LED lights

[1]LUO Pei，ZHANG Jian.A high reliable SOC on-board computer based on Leon3[C]//IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering （CSAE），2012.

[2]徐敏，孙恺.开源软核处理器OpenRisc的SOPC设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3]1-CODE TECHNOLOGIES.Soft CPU Cores for FPGA.1-CODE TECHNOLOGIES.[EB/OL].（2012）.http://www.1-core.com/library/digital/soft-cpu-cores/

[4]LI Xue-mei，HOU Li-gang.The FPGA prototyping implementation of LEON3 SoC[C]//IEEE Conference Publications on Industrial Control and Electronics Engineering （ICICEE），2012.

[5]ZHOU Zhong-hua，WU Wu-chen.A SoPC design based on LEON3 SoC platform [C]//1st Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronics and Electronics，2009.

[6]李林，张晓林，杨希.基于LEON开源软核的SoC平台构建与测试[J].单片机与嵌入系统用，2007（1）：32-35.

LI Lin，ZHANG Xiao-lin，YANG Xi.Construction and testing of SoC platform based on the LEON open source soft-core[J].Microcontroller and Embedded Systems Applications，2007.

[7]熊来红，高健，汪皓钰.COM技术和遗传算法在无功优化软件开发中的应用[J].陕西电力,2011(12):22-26，75.

XIONG Lai-hong，GAO Jian，WANG Hao-yu.Application of com technology and genetic algorithms in power reactive optimization software design[J].Shaanxi Electric Power，2011（12）:22-26，75.