sopc

构成三种方案

　　1 基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统：

　　该方案是指在FPGA中预先植入处理器.最 常用的是含有ARM32位知识产权处理器核的器件。为了到达通用性,必须为常规的嵌入式处理器 集成诸多通用和专用的接口,但增加了成本和 功耗.如果将ARM或其它处理器核以硬核方式植 入FPGA中,利用FPGA中的可编程逻辑资源,按 照系统功能需求来添加接口功能模块,既能实现目标系统功能,又能降低系统的成本和功耗. 这样就能使得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。

　　IP硬核直接植入FPGA存在以下不足: IP硬核多来自第三方公司,FPGA厂商无法控制费用,从而导致FPGA器件价格相对偏高. IP硬核预先植入,使用者无法根据实际需要 改变处理器结构.更不能嵌入硬件加速模块 (DSP). 无法根据实际设计需要在同一FPGA中集成多 个处理器. 无法根据实际设计需要裁减处理器硬件资源 以降低FPGA成本. 只能在特定的FPGA中使用硬核嵌入式处理器

　　2 基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统：

　　IP软核处理器能有效克服上述不足: 目前最有代表性的软核处理器分别是 Altera公司的Nios II核,以及Xilinx公司 的MicroBlaze核.特别是Nios II核,能很好的解决上述五方面的问题. Altera的Nios II核是用户可随意配置核构 建的32位嵌入式处理器IP核,采用Avalon总 线结构通信接口;包含由FS2开发的基于 JTAG的片内设备内核. 在费用方面,由于Nios II是由Alter公司 直接提供而非第三方厂商产品,故用户通常无需支付知识产权费用,Nios II的使用费 用仅仅是其瞻仰的FPGA逻辑资源的费用

　　3 基于HardCopy技术的SOPC系统：

　　HardCopy就是利用原有的FPGA开发工具, 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,从而克服传统ASIC设 计中普遍存在的问题. ASIC(SOC)开发中难于克服的问题包括:开发周期长,产品上市慢,一次性成功率低,有 最少投片量要求,设计软件工具繁多且昂贵, 开发流程复杂等.

　　利用HardCopy技术设计ASIC,开发软件费 用少,SOC级规模的设计周期不超过20周,转化 的ASIC与用户设计习惯的掩模层只有两层,且 一次性投片的成功率近乎100%,即所谓的FPGA 向ASIC的无缝转化用ASIC实现后的系统性能将必原来在 HardCopy FPGA上验证的模型提高近50%,而功 耗则降低40%.

　　HardCopy技术是一种全新的SOC级ASIC设计 解决方案,即将专用的硅片设计和FPGA至 HardCopy自动迁移过程结合在一起的技术,首 先利用Quartus II将系统模型成功实现于 HardCopy FPGA上,然后帮助设计者把可编程解 决方案无缝地迁移到低成本的ASIC上.这样, HardCopy器件就把大容量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上,从而避开了直 接设计ASIC的困难.

三种方案的比较

特点

　　SOPC结合了SOC和PLD、FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征：

　　至少包含一个嵌入式处理器内核；

　　具有小容量片内高速RAM资源；

　　丰富的IP Core资源可供选择；

　　足够的片上可编程逻辑资源；

　　处理器调试接口和FPGA编程接口；

　　可能包含部分可编程模拟电路；

　　单芯片、低功耗、微封装。

开发流程

　　SOPC的开发流程通常包括2个方面:基于Quartus II,SOPC Builder的硬件设计,基于NiosII IDE的软件设计.对于比较简单的 NiosII系统,一个人便可执行所有设计.对于比较复杂的系统,硬 件和软件设计可以分开进行. SOPC的开发过程中要使用到Quartus II,SOPC Builder以及Nios II IDE

　　SOPC Builder: 它是Nios II软核处理器的开 它是Nios II软核处理器的开 发包,用于实现Nios II系统 配置,生成以及与Nios II系统相关的监控和软件调试平台的生成;

　　Nios IDE: 用于完成基于Nios II系统的软件开发和调试, 并可借助其自带的Flash 并可借助其自带的Flash 编程器完成对Flash以及EPCS的编程操作.

　　QuartusII: 用于完成Nios II系统的分析综合,硬件优化,适配,配置文件编程下载以及硬件系统测试等;

　　硬件开发

　　用 SOPC Builder 软 件 从 NiosII 处 理 器 内 核 和 NiosII 开发套件提供的外设列表中 选 取 合 适 的 CPU , 存 储 器 以及各外围器件,并定制和 配置它们的功能; 分配外设地址及中断号; 设定复位地址; 生成系统. 用户也可以添加用户自 身定制指令逻辑到NiosII 内核以加速CPU性能; 添加用户自己设计的IP模块. 硬件开发使用Quartus II和SOPC Builder GUI 处理器库选择并配置外设.

解决方案

　　近年来PLD 器件密度的提高，芯片规模的扩大和性能的提升为SoPC 提供了物质基础。下面以Altera 公司的SoPC 解决方案为例，介绍一下SoPC 技术的应用。Altera 公司起初是生产可编程逻辑器件及其开发工具，并拥有一些IP 核的公司。随着技术的发展，尤其是通信技术的发展，对带宽和速度的要求越来越高，Altera 率先推出自己的SoPC 解决方案，将处理器、存储器、I/O 口、LVDS、CDR 等系统设计需要的东西集成到一个PLD 器件上，构建成一个可编程的片上系统。

　　1．Nios 软核在2000 年，Altera 发布了Nios 处理器，推出了一个基于APEX 系列FPGA的嵌入式处理器解决方案，这是Altera Excalibur 嵌入处理器计划中的个产品，它将可编程逻辑器件和处理器的能力结合到了一起，成为业界款为可编程逻辑优化的可配置处理器。这种Nios 处理器是1 种参数化的软核，设计人员可以通过编写一些新的HDL 模块或改写已有HDL 模块中的参数来对软核进行优化，及增加外围电路的功能。使用Nios 软核的SoPC 解决方案具有如下特点：

　　(1) 可配置为32 位或16 位的CPU，使设计人员能够在速度与占用资源上做出选择。

　　(2) 带有大量的外设和接口库，如UART、时钟、DMA、SDRAM、并行I/O 等。这些特性使得SoC 的设计变得简单化，提高了设计可靠性，降低了设计成本。Nios 软核主要面向对速度的要求不高的低端应用，因为Nios 软核只占用芯片内部很少的一部分逻辑单元，所以成本较低。同ASIC 相比较，如果将处理器放到ASIC 中，不但需要付给处理器厂商专利费，而且ASIC 的投资大，风险也大。Nios 则没有这个问题，由于它是可配置的，所以还可以应用于Altera公司其他的FPGA 芯片上，如Stratix、APEX II 等。值得一提的是Stratix

　　系列带有DSP 功能块，将Nios 核嵌入其中，可以提供比一般的DSP 更高的性能，加上本身具有的可编程功能，它将提供更高性能的DSP 应用。

　　2．ARM922T 硬核在速度要求较高的高端应用，如通信领域，软核的处理速度不够，Altera就推出了基于ARM 硬核的SoPC 解决方案。例如，Excalibur EPXA1 中就使用了嵌入的ARM922T 硬核做为处理器，它具有如下特点：

　　(1) 芯片内嵌入了200MHz (210MIPS)的ARM922T RISC(精简指令集计算机) CPU，并带有容量各为8K 字节的指令和数据缓冲区。

　　(2) 芯片内包含存储器管理单元(MMU)，可以给RTOS (实时操作系统)提供多线程的支持。

　　(3) 片上集成了存储器和多种外部设备接口，包括：SRAM/DPRAM、UART、32 位时钟、存储器控制器等。Excalibur 系列将ARM 处理器的高速计算能力和可编程功能结合到一起， 使设计人员从繁重的处理器设计工作中解脱出来，从而将大部分精力用在系统功能的实现上。当应用要求更高的性能时，Altera 还推出了更高速的硬核和更先进的PLD结构，提供给客户一个更快速的解决方案。

　　3．EDA 开发工具为了支持SoPC 的开发，Altera 公司还推出了一系列EDA 设计工具，如Quartus II，以及SoPC Builder。Quartus II 是一个集成开发环境，设计人员可在里面完成SoPC 的全部设计，包括系统的生成、编译、仿真，并可以下载到开发器件中，进行实时评估和验证。尤其，该软件还可以集成SoPC Builder 开发工具，令SoPC 的开发更为便捷。SoPC Builder 是一个自动化的系统开发工具，可以简化SoPC 的设计工作。它提供了一个强大的设计平台以搭建基于总线的系统，其内部包含了一系列的模块，如处理器、存储器、总线、DSP 等IP 核。使用SoPC Buider，设计人员能够快速地调用和集成内建的IP 核库，定义一个从硬件到软件的完整系统。