PicoBlaze (PicoBlaze)

PicoBlaze — общее название серии свободно распространяемых Soft-процессорных ядер, созданных фирмой Xilinx для своих ПЛИС (FPGA и CPLD). В основе PicoBlaze лежит архитектура 8-битного RISC-процессора; скорость работы на ПЛИС семейства Virtex 4 может достигать 100 MIPS. Для обращений к периферии процессор имеет 8-битную шину, используя которую можно раздельно читать и записывать до 256 портов.

PicoBlaze распространяется в виде исходного кода на языках VHDL и Verilog для свободного использования на продуктах фирмы Xilinx. Особенности архитектуры гарантируют наилучшие характеристики для ПЛИС семейства Spartan и Virtex. Фирмой Xilinx предлагается к использованию специальное программное обеспечения для трансляции исходного кода на языке Ассемблера. Синтаксис исходного языка нарочито упрощен в угоду простоты и скорости. Также имеется специальное инструментальное программное обеспечение, созданное сторонними организациями (Mediatronix и др.). Альтернативно существует PacoBlaze — модифицированное ядро PicoBlaze, распространяемое под лицензией BSD.

Изначально проект «PicoBlaze» носил имя KCPSM, что означает «Constant(K) Coded Programmable State Machine» — программируемый конечный автомат с постоянной программой. Создатель проекта — Кен Чапман (Ken Chapman) — инженер Xilinx, разработавший и реализовавший PicoBlaze (альтернативная расшифровка аббревиатуры KCPSM — «Ken Chapman’s PSM»).

При вставке PicoBlaze в проект на VHDL должно быть использовано соответствующее имя компонента KCPSM. Например, для PicoBlaze3:

component kcpsm3 is
  port (
    address       : out std_logic_vector(9 downto 0);
    instruction   : in std_logic_vector(17 downto 0);
    port_id       : out std_logic_vector(7 downto 0);
    write_strobe  : out std_logic;
    out_port      : out std_logic_vector(7 downto 0);
    read_strobe   : out std_logic;
    in_port       : in std_logic_vector(7 downto 0);
    interrupt     : in std_logic;
    interrupt_ack : out std_logic;
    reset         : in std_logic;
    clk           : in std_logic
    );
end component;

Основные характеристики

Ядро KCPSM3 для PicoBlaze поддерживает:

• обращение к 18-битным микрокомандам;
• выполнение микрокоманды за один цикл, два такта;
• 10 битный программный счетчик микрокоманд PC;
• одноадресные и двухадресные байтовые операции;
• 16 встроенных регистров;
• АЛУ арифметических и логических операций, однобитовый сдвиг;
• два флага операций: CARRY и ZERRO;
• встроенное ОЗУ strachpad на 64 байта в пространстве 256 байт;
• обращение к 256-ти независимым портам на чтение и запись;
• встроенный стек вызовов на 31 ячейку (CALL/RETURN stack);
• одноуровневое прерывание.

Ядро KCPSM6 для PicoBlaze поддерживает:

• обращение к 18-битным микрокомандам;
• выполнение микрокоманды за один цикл, два такта (имеются исключения);
• 12 битный программный счетчик микрокоманд PC;
• дополнительная возможность ветвления программы по содержимому регистра;
• дополнительная возможность возврата из подпрограмм и одновременная идентификация точки возврата;
• одноадресные и двухадресные байтовые операции, расширенная по отношению к KCPSM3 система команд;
• два, программно переключаемых, банка встроенных регистров по 16 регистров каждый;
• АЛУ арифметических и логических операций, однобитовый сдвиг;
• два флага операций: CARRY и ZERRO;
• встроенное ОЗУ strachpad в пространстве 256 байт конфигурируемого размера;
• обращение к 256-ти независимым портам на чтение и запись;
• дополнительное пространство 256 портов для специальной константной записи;
• встроенный стек вызовов на 30 ячеек (CALL/RETURN stack);
• одноуровневое настраиваемое прерывание;
• доступный из программы ID аппаратуры.

Кроме того, ядро PicoBlaze:

• выполняет команды преимущественно за два такта (в KCPSM6 некоторые команды за 4 такта), при этом тактовая частота может доходить до нескольких сотен МГц;
• быстро реагирует на прерывания (в худшем случае — за 5 тактов);
• в версии KCPSM-3 оптимизировано для архитектуры Xilinx Spartan-3: занимает всего 96 ячеек (slices) и 1 блок RAM;
• в версии KCPSM-6 оптимизировано для архитектуры Xilinx Spartan-6, Virtex®-6, и FPGA седьмой серии: занимает всего 26 ячеек;

Программы для PicoBlaze необходимо писать на ассемблере. Программы, написанные для KCPSM3, требуют перетрансляции, когда необходимо их исполнение на KCPSM6, но и в этом случае по ряду общих команд нет полной совместимости. Для отладки имеется программный симулятор.

Специальные возможности

С помощью специальных программных средств программа для PicoBlaze может быть заменена непосредственно в файле прошивки ПЛИС (с расширением bit). С помощью специальных программных средств можно загружать программу для PicoBlaze непосредственно в ПЛИС через интерфейс JTAG.

Ссылки

• Xilinx PicoBlaze Архивная копия от 8 марта 2018 на Wayback Machine
• PicoBlaze — краткое описание
• PicoBlaze — руководство пользователя
• TechXclusives: Creating Embedded Microcontrollers (Programmable State Machines) (недоступная ссылка) PDF Архивная копия от 6 октября 2007 на Wayback Machine
• PicoBlaze user resources
• Professional IDE for Linux and Windows Архивная копия от 12 октября 2014 на Wayback Machine
• бесплатные инструменты для работы с FPGA от Mediatronix
• Open source Picoblaze assembler Архивная копия от 10 декабря 2010 на Wayback Machine
• Free Linux IDE
• PacoBlaze: a synthesizable and behavioral Verilog clone of PicoBlaze Архивная копия от 17 июля 2011 на Wayback Machine
• Implementation of picoblaze in LabVIEW FPGA on the Xilinx Spartan 3E Starter board Архивная копия от 1 августа 2009 на Wayback Machine