《基于FPGA的SOC技术毕业设计(共58页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于FPGA的SOC技术毕业设计(共58页).doc（58页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要随着半导体工艺技术的迅猛发展，可编程逻辑器件的集成度越来越高，FPGA中的逻辑资源也日益丰富，已达到百万门量级，这使得使用FPGA实现片上系统成为可能。基于FPGA的片上系统设计方案具有开发周期短、设计成本低、软硬件在系统可编程、系统设计灵活、可裁减、可扩充、可升级等优点，正在成为电子系统设计的研究热点。随着设计与制造技术的发展，集成电路设计从晶体管的集成发展到逻辑门的集成，现在又发展到IP的集成，即SOC设计技术。SOC可以有效地降低电子信息系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力，是未来工业界将采用的最主要的产品开发方式。FPGA将现代的VLSI逻
2、辑集成的优点和可编程器件设计灵活，制作及上市快速的长处相结合，使设计者在FPGA开发系统软件的支持下，现场直接根据系统要求定义和修改其逻辑功能。使一个包含数千个逻辑门的数字系统设计实现，采用FPGA技术，即可几天内完成。本设计实现一种基于FPGA的SOPC解决方案，实现了系统的灵活性架构，以及参数化配置，便于系统的集成与设计修改，具有良好的可继承性与可移植性。关键词：系统级芯片（片上系统）；现场可编程门阵列；Nios专心-专注-专业AbstractWith the rapid development of semiconductor technology，logic resources in
3、FPGA have reached millions orders of magnitude，which make system-on-chip (SOC) based on FPGA has become possible. The design of SOC based on FPGA has many advantages，such as a short development cycle，low-cost，software and hardware in-system programmable，system design flexibility and can be trimmed，s
4、ealable，upgradeable，etc，Because of these，it has became a hot spot of research of electrical system design. With the design and manufacturing technology, integrated circuit design from transistors to integrated development of integrated logic gates, and now developed to the IP integration, that SOC d
5、esign technology. SOC can effectively reduce the electronic information system product development costs, shorten development cycles, improve products competitiveness, is the next most important industry will use methods of product development. FPAG the modern logic of integration of the advantages
6、of VLSI and programmable device design flexibility, faster production and market strengths combined to enable FPGA designers to develop system software support, on-site directly from system requirements definition and change its logic function. Make a logic gate that contains thousands of digital sy
7、stem design and implementation, using FPGA technology can be completed within a few days.The Design and Implementation of FPGA-based SOPC solutions to achieve the flexibility of the system structure and parameters of configuration, ease of system integration and design changes, has a good inheritabl
8、e and portability.Key words：SOC；FPGA；Nios 目 录1 绪论1.1 课题背景EDA（Electronic Design Automation）技术是近几年迅速发展起来的计算机软件，硬件和微电子交叉的现代电子学科，涉及计算机操作系统、计算数学、电路理论和微电子学等领域，其内容广泛，综合性强。SOC技术以片上操作系统技术为核心，通过软硬件协同设计，实现设计的高度灵活性与整合性。本设计基于EDA设计的思想和方法，结合FPGA技术高度灵活性与模块化的特点，实现基本的SOC设计功能。通过软件仿真，得到功能的验证，并进行功能逻辑模块的整合，从而验证设计的可行性与可靠性
9、。使用FPGA进行SOC设计，对多数嵌入式设计工程师和FPGA工程师来说还并不熟悉，目前在基于FPGA上的SOC设计和应用的市场比例并不大，但是使用FPGA作为SOC设计开发具有很大的优势。1.2目的及意义FPGA中使用软核处理器比硬核更有优势，其优势在于，硬核实现没有灵活性，通常无法使用最新的技术。随着系统日益先进，基于标准处理器的方案会被淘汰，而基于NiosII处理器的方案是基于HDL源码构建的，能够修改以满足新的系统需求，避免了被淘汰的命运。将处理器实现为HDL的IP核，开发者能够完全定制CPU和外设，获得恰好满足需求的处理器。使用FPGA设计实现SOC的最大的优势在于定制性1，即为量身
10、定做之意。设计嵌入式产品在选片过程中很难做到完全接近需求，且还要为在PCB板上添加CPU没有集成的外设资源而支付额外费用，但FPGA则不存在上述问题。在FPGA内，用户可以通过配置添加任意外设数量，剔除不需要的外设，也可以根据实际需要修改外设的功能，甚至自主设计独特的外设。做到完全的定制性，而不浪费资源。相比传统的嵌入式CPU，FPGA内部的处理器核运算能力有一些不足，但嵌入式产品主要功能是控制，在这点上，FPGA可以使用纯逻辑控制方式，具有天然的优势，尤其是在实时性要求较高的场合，FPGA硬件的反应时间在ns级，这是传统嵌入式CPU所不能企及的。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状19
11、94年摩托罗拉公司发布的Flex CoreTM系统（用于制作基于68000TM和Power PCTM的定制的微处理器）和1995年LSI Logic公司采用SOC微SONY公司进行设计，这可能是基于IP核完成SOC设计的最早报道。由于SOC可以充分利用已有的设计积累，显著地提高了ASIC的设计能力，因此发展非常迅猛，引起了工业界和学术界的广泛关注。2000年，美国著名的半导体器件生产厂商Altera公司最先提出了基于可编程逻辑器件的片上系统解决方案，即SOPC技术，并同时推出了相应的开发软件Quartus II以及相应的IP模块库，2002年2月，Altera公司所推出的新一代可编程逻辑器件S
12、tratix被认为是世界上第一个为50ns设计提供的真正意义上的系统级芯片2。全球可编程逻辑器件市场份额占有最大的半导体器件生产厂商美国的Xilinx公司自1985年推出第一片现场可编程逻辑器件至今，就不断推出新器件和开发工具，面对SOPC技术的发展和需求，也有一套完整的SOPC系统解决方案，包括处理器IP核、外设接口IP核、总线架构以及开发工具等等，SOPC系统级芯片（SOC）解决方案被誉为半导体业最重要的发展之一。目前，国外SOC、SOPC的设计已经进入了主流设计应用阶段，无论是设计技术还是开发平台都比较成熟和完善，基于SOPC技术的产品应用也已开始投放市场。1.3.2国内研究现状在国内虽
13、然设计产业发展很快，但是多设计是低层次的，还没达到系统级水平，在SOC技术与应用方面，我国与国外还存在较大的差距。近年来，国家在这个领域投入了大量的人力、无力和财力，科技部于2000年启动了“十五”国家863计划超大规模集成电路SOC专项工作3。希望通过努力，初步建成具有自主知识产权、品种较为齐全和管理科学的国家级IP核库，并掌握具有国际先进水平的SOC软硬件协同设计、IP核复用和超深亚微米集成电路设计的关键技术。2002年，“龙芯”CPU研制成功，为改变我国信息产业无“芯”的局面迈出了重要的一步。2005年4月18日中国科学院计算技术研究所成功研制出“龙芯二号”，最高工作频率为500MHz，
14、其性能相当于8001000M Pentium III，2006年5月又推出“龙芯2D”，工作频率为600800MHz，性能相当于1.31.5G Pentium4，另外，多内核、多线程机制的“龙芯3号”将计划在“十一五”期间完成。作为最能直接体现SOPC设计思想的Microblaze和Nios软核处理器IP核，在国外已经有了广泛的应用，但在国内，使用这两种软核的嵌入式设计、开发者甚少，还只是局限于高校科研和教学阶段，具体应用很少，批量产品生产更是无从谈起。1.4论文章节安排第一章：绪论，主要介绍课题的背景、目的意义和国内外研究现状。第二章：基于FPGA的SOC技术，包括FPGA、SOC以及SOP
15、C的简介。第三章：系统硬件设计，介绍了Quartus II、SOPC Builder、NiosII处理器和NiosII CPU的搭建。第四章：NiosII IDE的软件设计，包括新建软件工程、主程序设计、UATR串口和LED控制流程图及其代码。2基于FPGA的SOC技术2.1 FPGA简介2.1.1 FPGA的定义FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在可编程阵列逻辑PAL（Programmable Array Logic）、可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）等可编程器件的基础上进一步发展
16、的产物。它是作为专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数量有限的缺点。FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现4。2.1.2 FPGA的组成FPGA器件在结构上，由逻辑功能模块排列为阵列，它的结构可以分为三个部分：可编程逻辑块CLB（Configurable Logic Blocks）、可编程I/O模块IOB(Input/Output Block)和可编程内部连线PI（Programmabl
17、e Interconnect）。如图2-1所示5，CLB在器件中排列为阵列，周围有环形内部连线，IOB分布在四周的管脚上。CLB能够实现逻辑函数，还可以配置成RAM等复杂的形式。图2-1 FPGA的结构原理FPGA中除了个别几个引脚外，大部分引脚都是与可编程IOB直接相连的，可根据需要，通过配置IOB，将管脚定义成输入端口、输出端口、双向I/O端口或带寄存器的I/O端口。每个CLB中都是由组合逻辑电路和存储电路（触发器）构成，可根据需要将其配置成组合逻辑电路或时序电路，按照CLB模块的大小可将FPGA分为细粒度FPGA和粗粒度FPGA，细粒度FPGA逻辑功能块规模较小，资源可以充分利用，但连线
18、和开关多，速度慢；粗粒度FPGA逻辑功能块规模较大，功能较强，粗粒度结构有利于EDA软件进行布局布线，优化器件的利用，提高器件的性能，但资源不能充分利用。为了能够将这些CLB灵活地连接成各种应用电路，在CLB模块之间的区域内配备了丰富的互联资源这些互联资源包括：不同类型的金属线，可编程的开关矩阵和可编程的连接点。静态存储器的存储单元有很强的抗干扰能力和很高的可靠性，但掉电后存储器中的数据将丢失，因而每次上电以后必须重新给SRAM加载编程数据，加载过程是在FPGA内部的一个时序电路的控制下自动进行的，这些数据通常是存放在片外的EPROM中。随着半导体技术的飞速发展和工艺技术的不断进步，新一代现场
19、可编辑逻辑器件突破了传统FPGA密度和性能的限制，集成了许多满足系统级设计要求的新性能，这样一来使得FPGA就不仅仅是可编程逻辑模块，而且成为了一种系统元件。2.1.3 FPGA的结构特点新一代FPGA为实现系统级设计从软件和硬件两个方面创造了条件，其结构从系统集成、系统存储、系统时序和系统接口四个方面进行了完善以满足SOC的设计要求。系统集成规模效应使得单片FPGA的价格十分低廉，丰富的软硬件IP资源集成，特别是微处理器能以IP硬核或软核的形式植入芯片内部，使得片上系统开发变得相对简单。系统存储系统级设计要求FPGA不仅具有可编程的逻辑功能块、I/O功能块和丰富的互连线资源，还必须提供第四种
20、可编程资源，即片内块RAM。目前各种半导体器件生产厂商所生产的FPGA片内都集成了容量比较大的块RAM和分布式RAM（基于SRAM型的FPGA可以非常简单地实现片内分布式RAM）。这对提高SOPC系统的工作速度是极为有利的，因为片内处理器核访问片内存储器的速度要比访问片外存储器快好几倍。系统时序对于高密度的器件，时钟分配是一个非常棘手的问题。在系统级设计中，时钟脉冲相位差过大就会严重影响系统性能的提高。新一代FPGA器件中集成了独立的，完全由数字方式实现锁相的延时锁相环，它能轻易实现对系统时钟的倍频及分频，以及实现0、90、180和270的时钟相移输出。系统接口在深亚微米、超深亚微米时代进行高
21、性能的系统级设计，设计者期望有不同的I/O标准，允许与各种类型的器件连接实现应用。如CPU、存储器、专用标准总线以及混合信号的接口，能提供工业标准、IEEE/JEDEC I/O标准等。在用FPGA进行SOC设计时，就必须提供这样的系统I/O接口，新型系列器件分别采用不同的技术，使得系统能与不同接口标准的外设实现快速连接。2.1.4 FPGA的优点和缺点1FPGA的优点FPGA现场可编程门阵列器件，顾名思义，是一种可由用户根据所设计的数字系统的要求，在现场由自己配置，定义的高密度专用数字集成电路。FPAG将现代的VLSI逻辑集成的优点和可编程器件设计灵活，制作及上市快速的长处相结合，使设计者在F
22、PGA开发系统软件的支持下，现场直接根据系统要求定义和修改其逻辑功能。使一个包含数千个逻辑门的数字系统设计实现，采用FPAG技术，即可几天内完成。通常归纳，FPGA主要优点如下:(1)FPGA的用户现场可编程的特性大大缩短了设计实现周期，可以在很短的时间由设计工程师现场提供样机，使产品的上市时间大大缩短，适于现代的市场竞争需求。同时FGPA可以反复编程，重复使用，没有前期投资风险，且可以在开发系统中自接进行系统仿真，故也没有工艺实现的损耗，以致在小批量的产品应用场合，成本远低于门阵列和全定制ASCI。而且FPAG芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担风险，设计人员只需在自己的实
23、验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能计，所以它可做全定制或半定制ASIC电路的中的样片。FPGA是设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。(2)FPGA可以提供比PDL和EPLD器件更大的有效逻辑容量密度，不仅大大减少印刷电路板的空间，大大降低系统功耗;同时大大提高了系统设计的上艺可实现性和产品的可取性。它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。(3)FPAG内部有丰富的触发器和I/O引脚，而且FPAG采用高速CHMOS上艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。(4)FPAG开发软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人
24、员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，只至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势。电路设计人员使用FPGA进行电路设计时，不需要具备专门的CI深层次的知识，FPGA软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。正是由于FPGA的各方面相得益彰的优点和长处，使之近年来在通讯、航天、电脑应用、程序控制等多方面获得较好的应用。特别是通信、网络产品和专业图像处理设备，FPAG都发挥着非常重要的作用。2FPGA的缺点当然，FPGA本身也存在着一些明显的缺点。他的信号传输延迟时间不是确定的，在构成复杂的数字系统是一般总要将若干个CLB组合起
25、来才能实现，而由于每个信号的传输途径各异，所以造成了信号传输延迟时间不等，这个不仅会给设计工作带来麻烦，而且也限制了器件的工作速度。由于FPGA中的编程书籍存储器是一个静态随即存储器结构，所以掉电后数据会丢失，因此，每次上电都需要重新加载编程数据，并需要配备保存编程书籍的EPROM或Flash，这些都给使用带来不便。FPGA的编程书籍一般是存放在EPROM或Flash中，而且要读出并送到FPGA的SRAM中，因而不便于保密。由于各半导体器件生产厂商之间技术的保密性，造成FPGA在结构和性能上会因厂商不同而略有差异，他们所开发的IP核包括微处理器及其它功能模块只能在各自的FPGA平台上应用，这对
26、普通的SOPC开发人员来说，会造成很大的不便，因为我们只能选用某个厂商的FPGA开发条件及其相关的设计服务。2.1.5 FPGA的发展与应用前景1FPGA的发展概况FPGA器件起源于美国Xi1inx公司的创造，Xilinx公司于1985年推出世界上第一个FGPA器件。时至今日，FGPA己经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中，以FGPA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展，现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门，发展到90年代的25万个可利用门，乃至到本世纪初，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门至上千万门的单片FGPA
27、芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平6。2FPGA的应用前景随着FPGA性能的高速发展和设计人员自身能力的提高，FPGA将进一步扩大可编程芯片的领地，将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。目前FPAG的发展趋势主要体现在以下几个方面:(1)继续向更高密度、更大容量的千万门系统级方向迈进，大容量FPGA是市场发展的焦点。(2)向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展，采用深亚微米的半导体工艺后，器件在性能提高的同时，价格也在逐步降低。由于便携式应用产品的发展，对现场可编程器件的低压、低功耗的要求日益迫切。(3)IP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式，IP内核得到进一步发展
28、，由于通讯系统越来越复杂，FGPA的设计也更加庞大，这促进了设计人员对IP核的需求。各大厂家继续开发新的IP，并将提供“硬件”IP，即一些功能在出厂时就固化在芯片中。(4)MCU、DSP、MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心，SOPC时代将会到来，用户根据应用选择处理器和I/O，然后就可以编程自己的SOPC。由此，SOCP就进入了DSP/MUC的应用领域，成为普及的产品。随着FPAG规模不断变大，CUP，DSP，更大规模的存储器都已经或即将嵌入FPAG内，SOCP的时代，可能已经离我们不远了7。2.2 SOC概述2.2.1 SOC的定义SOC的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围
29、广，很难给出准确定义。一般说来，SOC（System on a Chip）称为系统级芯片,也有称为片上系统,意指它是一个产品,是一个有专用目标的集成电路,其中包含完整系统，并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程。从狭义角度讲，SOC是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上。从广义角度讲，SOC是一个微小型系统，若把中央处理器(CPU)比作大脑，那么SOC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SOC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上，通常是
30、客户定制或是面向特定用途的标准产品8。20世纪90年代中期，因使用ASIC实现芯片受到启发，萌生应该将完整计算机所有不同的功能块一次直接集成于一颗硅片上的想法。SOC应由可设计重用的IP核组成，IP核是具有复杂系统功能的能够独立出售的VLSI块；IP核应采用深亚微米以上工艺技术；SOC中可以有多个MPU、DSP、MCU或其复合的IP核。SOC中包含了微处理器/微控制器、存储器以及其他专用功能逻辑，但并不是包含了微处理器、存储器以及其他专用功能逻辑的芯片就是SOC。SOC技术被广泛认同的根本原因，并不在于SOC可以集成多少个晶体管，而在于SOC可以用较短时间被设计出来。这是SOC的主要价值所在缩
31、短产品的上市周期，因此，SOC更合理的定义为：SOC是在一个芯片上由于广泛使用预定制模IP而得以快速开发的集成电路。从设计上来说，SOC就是一个通过设计复用达到高生产率的硬件软件协同设计的过程。从方法学的角度来看，SOC是一套极大规模集成电路的设计方法学，包括IP核可复用设计/测试方法及接口规范、系统芯片总线式集成设计方法学、系统芯片验证和测试方法学。SOC 是一种设计理念，就是将各个可以集成在一起的模块集成到一个芯片上，他借鉴了软件的复用概念，也有了继承的概念。也可以说是包含了设计和测试等更多技术的一项新的设计技术。2.2.2 SOC的一般构成从一般来分，SOC含有：1.逻辑核包括CPU、时
32、钟电路、定时器、中断控制器、串并行接口、其它外围设备、I/O端口以及用于各种IP核之间的粘合逻辑等等；2.存储器核包括各种易失、非易失以及Cacha等存储器；3.模拟核包括ADC、DAC、PLL以及一些高速电路中所用的模拟电路。2.2.3 SOC的特征随着设计与制造技术的发展，集成电路设计从晶体管的集成发展到逻辑门的集成，现在又发展到IP的集成，即SOC设计技术。SOC可以有效地降低电子信息系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力，是未来工业界将采用的最主要的产品开发方式。_6L5y0K QX半导体,微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,MEMSP:FJ1O8|_45
33、 y)o半导体,微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,M虽然SOC一词多年前就已出现，但到底什么是SOC则有各种不同的说法。在经过了多年的争论后，专家们就SOC的定义达成了一致意见。这个定义虽然不是非常严格，但明确地表明了SOC的特征：P6GepLeK7T q2Q半导体,微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,M实现复杂系统功能的VLSI； yW|Yy1S=半导体,微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,MEMSxH8yo0y U1z半导体,微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,MEMS采用超深亚微米工艺技术； 使用一个以上嵌入式CP
34、U/数字信号处理器（DSP）；外部可以对芯片进行编程；2.2.4 SOC的实现方式SOC的实现方式有两种，一种是以掩模ASIC为物理载体的实现方式，片上系统传统上一直都是用掩模ASIC去实现，但是掩模ASIC的最低定购量大，流片费用高，设计完成后如果不能满足要求，需要重新设计再进行验证，其结果是导致设计开发周期变长，产品上市时间难于保证，因此，这种方式只有在单片能分担流片费用的时候才适合采用，否则，开发成本让人无法容忍；另一种是以大规模现场可编辑门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）为物理载体的实现方式，使用FPGA作为物理载体进行芯片设计的技术称为可编程
35、片上技术，即SOPC(System on a Programmable Chip)。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的片上系统，顾名思义，首先它是片上系统（SOC）,即由单块芯片完成这个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统。具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。想对于掩模ASIC的SOC，它还具有价格优势，因此，对于小批量、多品种的产品需求，SOPC往往是设计者的首选。2.3 SOPC概述2.3.1 SOPC的定义SOPC：System-on-a-Programmable-Chip，即可编程片上系统用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SO
36、PC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。2.3.2 SOPC的特点SOC的主要价值不在于它能集成多少个晶体管，而在于它能利用现有成熟的设计，在较短的时间内被设计出来，它只有在大批量应用时才采用，具有速度高、性能高的优点，但是它的缺点也很明显：首先，使用ASIC的试制和流片风险大、成本高、成功率不高，一旦制片后就不能再进行修改。其次，使用ASIC设计芯片系统时，由于微控制器、功能模块等IP式根据目标系统性能进行选择的
37、，一旦选定，所选择的IP的性能就不能再修改，也就基本上决定了目标系统的性能，使得目标系统的性能优化空间相当狭窄，同时也使得设计完成后的目标系统硬件升级变得不可能。再有，就是这种方式的硬件设计只能是流于拼装和链接选定的硬件系统结构，指令不可更改，只能根据指令系统来进行编程。设计人员的创造发挥自由度狭小，限制了人的能动性在设计中应有的作用：FPGA相对于ASIC具有成本优势，而且已经发展成为系统元件，其特点是设计风险和设计成本低，灵活可编程，FPGA的可编程特性很好地弥补了SOC设计的不足。SOPC结合了SOC和FPGA各自的优点9，基本特征是：a) 以具有系统性能的FPGA为平台，至少包含一个以
38、上的嵌入式处理器核（软核或硬核）；b) 具有小容量的片内高速RAM资源；c) 丰富的IP Core资源可供灵活选择；d) 具有足够多的片上可编程逻辑资源；e) 具有处理器调试接口和FPGA编程接口共用或并存f) 可能还包含部分可编程模拟电路；g) 单芯片、低功耗、微封装；2.3.3 SOPC主要设计技术片上系统的主要设计技术可以简单地归纳为三点：软硬件协同设计技术，IP核资源复用技术和超深亚微米集成电路设计技术。超深亚微米集成电路设计技术是片上个系统的物理设计技术，在硬核的开发中，物理设计师硬核设计成败的关键。由于本文是在FPGA上进行SOC的研究和开发，主要是基于软核的开发和设计，所以以下重
39、点对软硬件系统设计技术进行讨论。开发一个电子系统，传统的做法是有项目的总工程师根据自己的知识和经验，对系统进行软硬件划分，然后交由软件和硬件两个独立的设计组，各自进行软件和硬件的开发，开发完成后才进行联合调试，在调试时如果发现有错，则要对硬件获软件进行修改或重新设计，这个过程要不断反复和迭代，直到调试成功为止，其结果是开发周期变长，设计成不剧增，而在软硬件协同设计中，并行性是软硬件协同设计思想的核心，软件和硬件设计设计组不再是两个独立的设计单元，而是在设计之初便交织在一起，相互提供设计平台，相互作用，我中有你，你中有我，并行开发，并行的设计思想始终贯穿于整个设计之中。采用软硬件协同设计的好处是
40、可以使软件设计者在硬件开发之初就接触到硬件，从而能更好地设计硬件驱动、应用程序、操作系统等软件，同时也可以使硬件设计者尽早接触软件、了解软件结构，从而为软件设计者提供高性能的硬件平台，减少了设计中的盲目性，缩短设计迭代周期。2.3.4 SOPC技术主要应用方向SOPC技术主要应用以下三个方向：基于FPGA嵌入IP硬核的应用。这种SOPC系统是指在FPGA中预先植入处理器。这使得FPGA灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起，高效地实现SOPC系统。 基于FPGA嵌入IP软核的应用。这种SOPC系统是指在FPGA中植入软核处理器，如：NIOS II核等。用户可以根据设计的要求，利用
41、相应的EDA工具，对NIOS II及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。 基于HardCopy技术的应用。这种SOPC系统是指将成功实现于FPGA器件上的SOPC系统通过特定的技术直接向ASIC转化。把大容量FPGA的灵活性和ASIC的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成本敏感的电子产品，避开了直接设计ASIC的困难。2.3.5 SOPC的是实现方法SOPC是基于FPGA解决方案的SOC，它的实现方法一般有两种：一种是基于硬核的实现；另一种是基于软核的实现。基于硬核的实现就是在FPGA中预先植入嵌入式微处理器核。为了减小整
42、个系统的体积、功耗，提高系统的可靠性，可将Powerpc405、ARM或其它知识产权核，以硬核的方式植入到FPGA中，利用FPGA的可编程逻辑资源来构造嵌入式处理器的接口功能模块，进而构成片内系统。硬核在FPGA中的位置是固定的，也即是意味着在FPGA开发时，核的布局是不能改变的，这种实现方法最大有点事速度快，性能优，硬核本身不会占用FPGA的逻辑资源，但是基于硬核的FPGA解决方案也存在以下几方面的不足：由于此类硬核多是来自第三方公司，FPGA厂商通常无法直接控制其知识产权费用，从而会倒是FPGA器件的价格相对偏高。由于硬核是预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，如总线规模、接
43、口方式，乃至指令形式，更不可能将由FPGA逻辑资源构成的功能模块以指令的形式加入指令系统，以可执行指令的形式实现某种功能的硬件加速，以适应更多的电路设计要求。无法在资源允许的情况下，根据实际设计需求在同一FPGA中使用任意多个处理器核。无法裁减处理器硬件资源以降低FPGA成本。只能在特定的FPGA芯片系列中使用，因为不管是哪家半导体其极爱你厂商并不是所有的芯片系列都植入了硬核。采用软核的实现方式则能很好弥补硬核的不足，因为软核一般都是由FPGA厂商自己开发的，灵活可编程是软核的最大特点，但软核性能没硬核高，速度也没硬核快。目前，最具代表性的基于软核的FPGA解决方案是Xilinx公司的Micr
44、oblaze软核和Altera公司的Nios软核。2.3.6 SOPC的前景SOPC是PLD和ASIC技术融合的结果，目前0.13微米的ASIC产品制造价格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑的SOPC芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。SOPC被称为“半导体产业的未来”。现在市场上Altera公司支持SOPC的FPGA芯片有：1）Cyclone系列 2）Cyclone II系列 3）Cyclone III系列 4）Stratix系列 5）Stratix II系列 6）Stratix III系列 2.4软核与硬核IP核(Intellectual
45、 Property core)是一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序，该程序与集成电路工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片。2.4.1软核的定义IP软核通常是用HDL文本形式提交给用户，它经过RTL级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息。据此，用户可以综合出正确的门电路级设计网表，并可以进行后续的结构设计，具有很大的灵活性，借助于EDA综合工具可以很容易地与其他外部逻辑电路合成一体，根据各种不同半导体工艺，设计成具有不同性能的器件。软IP内核也称为虚拟组件（VC-Virtual Component）。2.4.2硬核的定义IP硬核是基于半导体工艺的物理设计，已
46、有固定的拓扑布局和具体工艺，并已经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术10。2.4.3软核与硬核的对比1性能由于软核没有实现，因此它天生在功能和实现方面比硬核更加灵活。另一方面，硬核开发者可能要花更多的时间来优化他们的硬核，因为它们要在很多设计中使用。因此，这使人们觉得硬核会提供更高的性能。 事实上，为那些最先进工艺设计的高端、全定制硬核确实能够提供比软核更好的性能。通过使用锁存、动态逻辑、三态信号、定制存储器等，全定制设计团队能实现比完全静态综合的设计更好的结果。对于需要达到现有工艺和设计技术极限性能的SOC来说，全定
47、制硬核能够更好地满足这些要求。 然而，如果性能目标在一个软核范围内，那么硬核的优势就无关紧要了。SOC设计团队能够使用软核来满足性能要求，并利用其固有的灵活性优势。而随着工艺技术的进步，软核的最高频率限制也在提高，使它们成为更多SOC设计师的一种选择。在较低时钟频率下，硬核或许具有硅片面积方面的优势。但是情况往往并不是这样。硬核经常简单地使用ASIC的方法进行固化，使之不能提供速度上的优势。在其他情况下，全定制内核不能根据每一代工艺进行重新优化，所以削弱了频率和尺寸上的优势。 2技术独立和可移植性软核的优势之一是技术独立的，也就是说，Verilog或VHDL不需要使用一种特定的工艺技术或标准的
48、单元库。这意味着同一个IP核能够应用到多种设计中，或现有设计的下一代中。一些软核提供商采用使其内核技术上非独立的设计风格，但是这种方式看不到什么优势。 另一方面，硬核在技术上是非常特定的。事实上，如果代工厂改变其工艺参数或库，硬核可能就无法正常工作。这就产生了一个风险，因为在工艺参数改变时，IP提供商需要重新对硬核进行验证。 硬核能够移植到新的工艺技术，但是重新优化全定制内核的工作既费事又昂贵。对于一些先进的微处理器内核，这可能要花两年或更长的时间。因此，硬核经常根据新的工艺进行光学调整。虽然这一方法既简单又快速，但是它减少了由设计团队针对现有工艺进行全定制优化的许多优势。 不仅如此，光学调整同时带来了另一个风险，因为它只能保证新的设计满足设计规则，而不能保证准确的时序或功能，而且重新全面验证经过光学调整的IP核是非常困难的。