SOPC硬件系统设计概要

　　摘要：在系统设计复杂度不断提高及新产品市场周期不断缩短的压力下，把FPGA及微处理器内嵌在同一芯片上，构建成为一个可编程的SOC系统体系框架结构，建成所谓的可编程芯片系统SOPC（System on a Programmable Chip），从而为系统设计者提供了又一灵活快捷的设计方法与途径.

　　1 SOPC系统简介

　　SOPC是一种新的系统设计技术，也是一种新的软硬件综合设计技术.通过它，可以很快地将硬件系统（包括微处理器，存储器，外设以及用户逻辑电路等）和软件设计都放在一个可编程的芯片中，以达到系统的IC设计.这种设计方式，具有开发周期短以及系统可修改等优点.设计完成的SOPC可以转为ASIC芯片，从而可以实现快速量产.一旦定义了处理器之后，设计者就“具备”了体系结构，可以马上开始设计软件原型.CPU周边的专用硬件逻辑可以慢慢地集成进去，在每个阶段软件都能够进行测试，解决遇到的问题.另外，软件组可以对结构方面提出一些建议，改善代码效率和处理器性能，这些软件.硬件权衡可以在硬件设计过程中间完成.

　　2 SOPC硬件系统设计流程

　　在采用Niosli处理器设计SOPC嵌人式系统时，通常会按照以下的步骤：

　　（1）分析系统需求说明，包括功能需求和性能约束等.

　　（2）根据分析结果，选择片外外设和片内IP（知识产权核）.除此以外，还要对选择的IP和外设进行初步性能评估，以保证能够满足系统需求.

　　（3）确定IP和系统参数.

　　（4）确定系统互联逻辑，分配FPGA的引脚等.

　　（5）结合Nios提供的软件开发包进行软件开发.

　　其中硬件系统设计内容可以分成两大部份：

　　（1）用SOPC Builder创建Nios系统模块并存人块设计文件（。bdf）.

　　（2）用Quartus II编程器和ByteBlaster 1I电缆配置Nios开发板上的FPGA.

　　SOPC Builder可看作是一个以IP模块为输人，集成系统为输出的工具.SOPC Builder图形用户界面启动时，会自动搜索已安装的IP模块.SOPCBuilder主窗口中的左侧模块池内显示了所有发现的IP模块列表.SOPC Builder通过在一个搜索路径中的所有目录下搜索名为class.pff的文件来获得IP模块列表.SOPC Builder让IP制作者制定有关IP应该如何连接的细节，这样能够减轻用户为每个设计项目重新再设计（或总线结构）的工作量.而且，通过追踪整个系统的配方，就能够使用SOPCBuilder透明地调整相应的系统软件以反映硬件配置的变化.SOPC Builder设计过程有三个主要步骤.

　　2.1构件开发

　　SOPC Builder的IP模块是由IP开发人员提供的硬件（RTI..原理图或EDIF）和软件（C源代码.头文件等）.IP开发者经常会希望拿一个现成的具有微处理器总线接口的逻辑模块，然后转换成SOPCBuilder的IP模块.这需要如下三个主要步骤：

　　（1）建立一个名为class.ptf的简单文本文件（通常这个过程可以简化，比如通过复制一个类似IP模块的class.pff文件，然后修改其中的某些参数）.

　　（2）实现IP模块的所有文件（HDL文件.软件支持文件（。C和。h），等等），连同class.pff文件，放置在同一个目录下.

　　（3）将上述的目录及文件复制到SOPC Builder的搜索路径下，设定目录名与该IP模块的正式名称相l司.

　　SOPC Builder内包括和安装了一些IP模块，其他一些IP模块可以从Ahera或第三方IP提供商处获得.安装.

　　2.2系统集成

　　用户创建和编辑一个新的系统时，一般要从库中选择一些IP模块，逐个地配置这些IP模块，以及设置整个系统的配置（如，指定地址映射和主/从端口连接等）.在这个过程中，用户的设置都会保存在系统PTF文件中，一般不会有其他文件的产生或修改.

　　用户可以在模块池内双击IP模块名.按下Add按钮或从系统菜单中选择Add Module来添加一个IP模块.每添加一个IP模块，一个新的模块行会出现在模块表格内，并有一个临时的模块名.在添加阶段的开始，SOPC Builder会在系统胛F文件中建立一个新的MODULE节，并将class.ptf文件MOD-ULE-DEFAULTS节中的所有内容复制到这个新的MODULE节中.因此，IP模块即使没有Add-Pro-gram程序，也可以通过MODULE-DEFAULTS节提供添加阶段所需的部分或全部信息.例如一个IP模块的数据宽度总是16位，则不需要编写Add-Pro-gram程序，用来在系统PTF文件中设置数据宽度.

　　直接设置class.pff文件MODULE-DEFAULTS节中的参数更容易些.此后，SOPC Builder会运行IP模块声明的Add-Program程序，并通知Add-Program程序如何找到新建立的MODUI.E节.SOPC Builder以命令行参数的方式把这个信息传递给Add-Pro-gram程序.Add-Program程序可以修改新MODULE节内的任何节或参数，比如WIZARD-SCRWr-ARGUMENTS和SYSTEM-BUILDER-INFO部分，也可能还有其他部分.

　　大部分SOPC Builder的IP模块都提供一个编辑工具，用来在模块添加到系统之后重新改变它的参数.用户双击代表系统中某一模块的那一行，就可以对其编辑了.但如果模块class.pff文件中只有一个空的Edit-Program程序参数，则什么也不会发生.Edit-Program程序也可以通过命令行方式调用，命令行参数与Add-Program程序相同，以便它能找到相应的系统阴F文件和新建立的MODULE节.

　　通常，Edit-Program程序和Add-Program程序提供了相同的图形用户界面来配置模块，它们往往就是同一个程序.

　　至少一个IP模块添加到系统中后，用户就可以通过SOPC Builder图形用户界面来配置系统了.地址映射表，主/从端口连接，甚至System Generation标签页的选项等等，都会影响系统的布局布线.

　　绑定阶段用来提供Add/Edit-Program程序之外的参数设定.绑定阶段在系统配置阶段之后，所以可以重新设定与整个系统模块相关的选项.除非用户返回到前面的阶段，否则模块和它们的互连关系不会改变.绑定阶段所做的选择可能包括：从列表中选择特定类型的模块；选择中断映射；还有一些其他的操作，等等.这些操作不要通过模块的向导来执行，因为用户添加不同模块的顺序可能是不确定的.

　　2.3 系统生成

　　当用户完成了SOPC Builder中的设计活动之后，按下Generate按钮，或从命令行执行系统生成程序时，系统生成就开始了.系统生成的结果是一系列设计文件。如HDL文件，SDK（software-sup-port）目录和模拟工程文件等等.

　　SOPC Builder生成Nios CPU的同时，会生成一个SDK目录.SOPC Builder为每一个CPU生成SDK目录之后，SOPC Builder接下来会逐个地为系统列表中的每一个模块执行相应的生成程序.

　　SOPC Builder的IP模块会在class.pff文件中指定自己的生成程序，如果class.pff文件中Generator-Pro-gram参数值为空值（.‘），则SOPC Builder包含的缺省生成程序会执行.缺省生成程序执行一些为创建一个新模块所需的简单合理的操作，使得模块在系统中可以看得到.这些操作在模块class.ptc文件的DEFAULT_GENERATOH节中被参数化.如果某一个IP模块显式地指定Gcnmator-Program参数值为none,则在它的模块生成阶段什么也不会发生（这不影响其他模块的生成）.

　　模块的生成程序可能会非常简单（如缺省生成程序，仅仅拷贝一些文件），也可能非常复杂.许多SOPC Builder的IP模块的HDL代码实现直接由生成程序来产生，而不是简单从库里拷贝.每一个模块的生成程序以命令行执行时，带有一系列的参数，用来指定系统名称和生成的MODULE节的名称.

　　class.ptf文件中有一个特殊的部分名为DE.FAULT-GENERATOR,用来给缺省生成程序设置相应的参数.这个部分仅对缺省生成程序有用.如果Generator_Program参数没有指定缺省生成程序，很显然，这一部分的内容就被忽略掉了.缺省生成程序产生HDL和完成系统综合和布局布线的准备工作等，缺省生成程序主要完成以下三个操作：模块重新命名并封装；拷贝实现文件到工程目录；整理用于综合的某些文件.

　　SOPC Builder为系统生成所有实现总线互连逻辑的ttDL代码（VHDL或Veritog）.一个完整的系统PTF文件包含有足够的信息，为每一个系统主设备和从设备生成地址解码器.数据选择器.共享从端口的仲裁器.中断逻辑和总线时序逻辑等.

　　SOPC Builder把系统顶层模块的定义写入系统HDL文件中.顶层模块的定义包括：系统所有L/O端口的声明.系统中每个模块的实例.包含总线逻辑的仲裁模块的实例.以及各个模块间的互连逻辑.

　　SOPC Builder还在系统HDL文件中定义了一个测试模块（一般命名为test-bench）.测试模块包含一个系统模块的实例（命名为DUT），还有系统时钟和复位输入的激励源.SOPC Builder还产生一个原理图文件（。bsf），使得系统模块可以在Quaaus的图形编辑方式下使用.

　　除了在前面阶段生成的硬件（HDL）文件和软件（SDK）文件，SOPC Builder还会生成一些文件和目录以支持第三方的工具.

　　SOPC Builder为快速模拟系统，会生成一个ModelSim工程目录：<system-name>一sim/,并在该目录下生成功能仿真需要的所有文件.

　　在工程文件生成阶段，SOPC Builder生成一个<system name>一generation-script文件.这是一个shell脚本。可以从命令行执行，也可以从其他脚本或程序中执行.这个脚本可以在不进入图形用户界面的情况下，重新生成系统.

　　2.4 Quartus II软件综合

　　SOPC Builder仅仅生成系统模块的HDL描述.

　　如果要综合和编译系统，则需要使用Quartus II软件工具.有时IP开发者仅提供综合好的硬件描述，在这种情况下，需要对该IP封装以避免Quartus对其再次综合.IP开发者可以使用缺省生成程序，并通过设置DEFAULT-GENERATOR/black-box参数来实现封装.设置了black-box参数之后，缺省生成程序会自动生成一个封装文件，以黑盒的方式封装这个IP.3结束语

　　SOPC Buffder根据用户选择的IP生成相应的HDL描述文件（系统模块文件），这些文件与用户逻辑区域内的设计描述文件一起由Quartus软件综合，然后到FPGA内，这样就构成了系统的硬件基础.