PicoBlaze

Als PicoBlaze wird eine ausschließlich in FPGAs und CPLDs der Firma Xilinx verwendbare Prozessorfamilie bezeichnet. Die Prozessoren existieren nicht als physische Hardware, sondern sind in den Hardwarebeschreibungssprachen VHDL und Verilog als sogenannte Softcores verfügbar, was ihre Erweiterung durch Hinzufügen von Peripherie zu kleinen Mikrocontrollern sehr einfach macht.

Durch die spezielle Optimierung auf die Besonderheiten bestimmter FPGA/CPLD-Bausteine der Firma Xilinx ist der Logikbedarf der Prozessoren sehr gering. Nachteilig ist, dass durch die Optimierung und durch rechtliche Beschränkungen PicoBlaze-Prozessoren nur auf FPGAs und CPLDs der Firma Xilinx verwendet werden können und dürfen.

Die Stärke der PicoBlaze-Prozessoren liegt im Einsatz als Finite State Machine, wobei diese aber nicht besonders zeitkritisch sein sollte. Implementierung von Finite State Machines direkt in der Hardwarebeschreibungssprache sind je nach Umfang der Zustände stark größenabhängig, was durch den Einsatz eines PicoBlaze-Prozessors vermieden werden kann. Dadurch vereinfacht sich die Entwicklung der restlichen Hardware. Aufgrund eines vergleichsweise eher geringen Leistungsumfangs von PicoBlaze-Prozessoren sollten bei komplexeren Aufgaben andere, leistungsfähigere Prozessoren bzw. Mikrocontroller wie der ebenfalls von Xilinx für FPGAs als Softcore verfügbare MicroBlaze verwendet werden.

PicoBlaze-Prozessoren hießen ursprünglich KCPSM, was eine Abkürzung für Constant(k) Coded Programmable State Machine ist. Oft wird angenommen, KCPSM sei eine Abkürzung für Ken Chapman’s Programmable State Machine. Ken Chapman, der Entwickler der PicoBlaze-Prozessoren bei Xilinx, dementiert dies allerdings mit Augenzwinkern.

PicoBlaze-Familie

PicoBlaze 3

Die PicoBlaze-Prozessorfamilie umfasst die folgenden Derivate:

PicoBlaze CPLD (optimiert für Xilinx CoolRunner-II CPLDs)
PicoBlaze (optimiert für Xilinx Virtex-E and Spartan-II/IIE FPGAs)
PicoBlaze II (optimiert für Xilinx Virtex-II FPGAs)
PicoBlaze 3 (optimiert für Xilinx Spartan-3 und neuere Spartan, Virtex-II, Virtex-II Pro, Virtex 4 und neuere Virtex FPGAs)
PicoBlaze 6 (optimiert für Xilinx Spartan-6 und neuere Spartan, Virtex-6 und neuere Virtex FPGAs)

Hardware-Merkmale

PicoBlaze-Prozessoren basieren auf einer 8-Bit RISC-Architektur. Die Geschwindigkeit variiert stark mit der eingesetzten Hardware, kann jedoch weit über 100 MIPS erreichen. Für die Ausführung einer Instruktion werden jeweils zwei Taktzyklen benötigt.

Merkmal	PicoBlaze	PicoBlaze II	PicoBlaze 3	PicoBlaze 6	PicoBlaze CPLD
Anzahl IO-Portadressen	256	256	256	256	256
Anzahl Register	16	32	16	2 × 16	8
Scratchpad-Größe [in Byte]	–	–	64	64 / 128 / 256	–
Callstack-Größe	15	31	31	30	4
Max. Programmgröße [in Befehlen]	256	1024	1024	1024 / 2048 / 4096	256

IO-Ports: PicoBlaze-Prozessoren besitzen je einen 8 Bit breiten Ein- und Ausgabeport, die über 8-Bit-Port-IDs adressiert werden können, woraus sich theoretisch 256 Ein- und Ausgabeports ergeben. Praktisch wird die tatsächlich mögliche Anzahl von Portadressen jedoch von der durch die Beschaltung entstehenden Signallaufzeit sowie die verwendete Taktfrequenz eingeschränkt.
Register: Die PicoBlaze-Prozessoren verfügen über eine unterschiedliche Anzahl von 8-Bit-Registern. Die Register sind funktional identisch und können mit allen Register-Befehlen gleichermaßen verwendet werden. Der PicoBlaze 6 verfügt über zwei Registerbänke, welche jeweils 16 Register enthalten.
Scratchpad: Das Scratchpad ist ein RAM-Speicher, in welchen mit den Befehlen STORE und FETCH Registerwerte gespeichert oder zurückgelesen werden können. Zum Teil kann die Scratchpad-Größe über Parameter festgelegt werden.
Callstack: Der Callstack sämtlicher PicoBlaze-Prozessoren wird sowohl für CALL-Aufrufe als auch für Interrupts gemeinsam verwendet.

Befehlssatz

Der PicoBlaze besitzt einen kleinen Befehlssatz, der auf die wichtigsten Befehle begrenzt ist.

Befehl	PicoBlaze	PicoBlaze II	PicoBlaze 3	PicoBlaze 6	PicoBlaze CPLD
Programmfluss
JUMP	ja	ja	ja	ja	ja
CALL	ja	ja	ja	ja	ja
RET	ja	ja	ja	ja	ja
Interrupt
RETI	ja	ja	ja	ja	ja
EINT	ja	ja	ja	ja	ja
DINT	ja	ja	ja	ja	ja
Logik
AND	ja	ja	ja	ja	ja
OR	ja	ja	ja	ja	ja
XOR	ja	ja	ja	ja	ja
COMP	nein	nein	ja	ja	nein
COMPC	nein	nein	nein	ja	nein
TEST	nein	nein	ja	ja	nein
TESTC	nein	nein	nein	ja	nein
Arithmetik
ADD	ja	ja	ja	ja	ja
ADDC	ja	ja	ja	ja¹	ja
SUB	ja	ja	ja	ja	ja
SUBC	ja	ja	ja	ja¹	ja

Befehl	PicoBlaze	PicoBlaze II	PicoBlaze 3	PicoBlaze 6	PicoBlaze CPLD
Schiebe- und Rotationsbefehle
SR0	ja	ja	ja	ja	ja
SR1	ja	ja	ja	ja	ja
SRX	ja	ja	ja	ja	ja
SRA	ja	ja	ja	ja	ja
RR	ja	ja	ja	ja	ja
SL0	ja	ja	ja	ja	ja
SL1	ja	ja	ja	ja	ja
SLX	ja	ja	ja	ja	ja
SLA	ja	ja	ja	ja	ja
RL	ja	ja	ja	ja	ja
Ein-/Ausgabe, Daten bewegen
REGBANK	nein	nein	nein	ja	nein
LOAD	ja	ja	ja	ja	ja
LOADRET	nein	nein	nein	ja	nein
IN	ja	ja	ja	ja	ja
OUT	ja	ja	ja	ja	ja
FETCH	nein	nein	ja	ja	nein
STORE	nein	nein	ja	ja	nein
STAR	nein	nein	nein	ja	nein
NOP	ja	ja	ja	ja	ja

¹ Die Implementierung des Befehls weicht hinsichtlich des Zero-Flags von den vorhergehenden Prozessoren ab.

Für weitere Details zu den Befehlen können die Application Notes zu Rate gezogen werden (siehe Weblinks).

Programmierung

Die PicoBlaze-Prozessoren werden ihrer Einfachheit wegen praktisch ausschließlich in Assembler programmiert. Da es von Xilinx lediglich DOS-Compiler gibt, wurden von der Community verschiedene Integrierte Entwicklungsumgebungen hervorgebracht, welche sowohl Editoren als auch Compiler und Simulatoren zur Verfügung stellen.

PicoBlaze-Prozessoren werden üblicherweise nicht wie herkömmliche Prozessoren oder Mikrocontroller direkt programmiert, da der Zugriff auf den Programmspeicher von außerhalb des FPGAs/CPLDs nur bedingt möglich ist. Stattdessen wird mit einem der zahlreichen Compiler eine vorinitialisierte VHDL/Verilog-Programmspeicherinstanz erzeugt, welche mit der Prozessorinstanz zusammen in die eigene Schaltung eingebunden werden kann. Die Compiler verwenden hierzu eine VHDL/Verilog-Vorlage, welche eingelesen und ergänzt wird. So ist es möglich, auf den Programmspeichertyp Einfluss zu nehmen, was die Verwendung von Dual-Port-Speicherblöcken als Programmspeicher ermöglicht.

Bei Verwendung von Dual-Port-Speicherblöcken als Programmspeicher können optional zwei PicoBlaze-Prozessoren mit demselben Speicher/Programm arbeiten oder der Programmspeicher unter Verwendung zusätzlicher Logik zur Laufzeit verändert werden.

Fehlersuche

Da der Zugriff auf die interne Prozessorhardware im FPGA/CPLD nicht möglich ist, können PicoBlaze-Prozessoren nicht wie herkömmliche Prozessoren oder Mikrocontroller direkt zur Laufzeit diagnostiziert werden. PicoBlaze-Prozessoren sind in der Regel nahtlos in den eigenen VHDL/Verilog-Code integriert, weshalb dieser Umstand keinen Verlust bedeutet, da generell der gesamte Code (VHDL/Verilog, PicoBlaze-Programm) mit einem VHDL/Verilog-Simulator diagnostiziert werden sollte, denn eine Fehlfunktion des FPGAs/CPLDs kann sowohl durch den VHDL/Verilog- als auch durch den Prozessorcode hervorgerufen werden.

Für die abstrakte Betrachtung des Prozessorcodes stehen verschiedene PicoBlaze-Simulatoren zur Verfügung.

Weblinks

Xilinx-Links

PicoBlaze for Extended Spartan-3A Family, Virtex-4, Virtex-II, and Virtex-II Pro FPGAs (Memento vom 1. September 2010 im Internet Archive). Download PicoBlaze von der Xilinx Website.
Dokumentation PicoBlaze auf der Xilinx Webseite

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