嵌入式技术概述_嵌入式系统与SOPC技术概述

2020/6/11,嵌入式技术概述嵌入式系统与SOPC技术简介,刘兰军,2020/6/11,2,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.1嵌入式系统的概念与组成形象定义：嵌入到对象体系中的专用计算机系统嵌入性、专用性、计算机系统业界广泛接受的定义：嵌入式系统是指以应用为中心（适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等的严格要求）、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪的专用计算机系统,2020/6/11,3,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.1嵌入式系统的概念与组成嵌入式计算机系统VS通用计算机系统通用计算机系统：追求高速、海量的数值计算，技术发展方向是总线速度的无限提升、存储容量的无限扩大；嵌入式计算机系统：追求对对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力和控制的可靠性。,2020/6/11,4,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.1嵌入式系统的概念与组成硬件平台：基础，实现载体操作系统：管理硬件资源，实现多任务和实时性，方便系统开发应用软件：针对系统需求的应用程序,2020/6/11,5,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.2嵌入式系统的发展过程与趋势1）嵌入式系统的发展过程早期的嵌入式系统基于通用微型计算机，应用领域受限；嵌入式系统的真正发展得益于微处理器的问世：1971年11月，INTEL公司将算术运算器和控制器电路进行集成，推出了世界上第一片微处理器INTEL4004，从此，嵌入式系统进入了独立发展的单片机时代；单片机时代：嵌入式系统以器件形态迅速进入传统电子技术领域，电子技术应用工程师为主体，嵌入式系统的软、硬件具有底层性和随意性（电子系统应用模式）；嵌入式系统的计算机应用模式：后PC时代，嵌入式系统的软、硬件技术发展迅速，计算机专业人员介入，形成了计算机的工程应用特点：基于嵌入式软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。,2020/6/11,6,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.2嵌入式系统的发展过程与趋势2）嵌入式系统的发展趋势以信息家电为代表的互联网时代的嵌入式产品对嵌入式系统技术提出了新的挑战：支持日益增长的功能密度：片上系统（SOC）成为嵌入式系统硬件的主流趋势灵活的网络连接：联网成为嵌入式系统发展的必然趋势轻便的移动应用：高性能、小尺寸、微功耗、低成本是嵌入式系统发展的趋势多媒体的信息处理：嵌入式系统要提供精巧的多媒体人机界面,2020/6/11,7,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.3嵌入式系统的特点1）嵌入式系统的行业特点嵌入式系统是计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业具体应用紧密结合的产物，决定了其行业特点是：技术密集、资金密集、高度分散、不断创新。通用计算机行业是技术垄断的：占整个行业90%的PC产业，80%采用INTEL的8X86体系结构，芯片基本出自INTEL、AMD等几家公司；操作系统和文字处理，微软占8090%。通用计算机工业的基础是由INTEL和微软垄断的工业；嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件开发。,2020/6/11,8,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.3嵌入式系统的特点2）嵌入式系统的产品特点嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，不会独立于应用而发展；嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等均受应用要求的制约。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率设计，量体裁衣，去除冗余。嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，产品一旦进入市场，具有较长的生命周期；各个行业的嵌入式产品很少发生突然性跳跃，因此，嵌入式系统的软件更强调可继承性和技术衔接性。,2020/6/11,9,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.3嵌入式系统的特点3）嵌入式系统的软硬件特点嵌入式系统硬件的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器的特点：具有较强的实时多任务支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间；具有功能较强的存储区保护功能，支持嵌入式系统软件结构的模块化设计，避免软件模块之间出现错误的交叉作用；可扩展的处理器结构，能迅速扩展出满足应用的高性能嵌入式微处理器。,2020/6/11,10,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.3嵌入式系统的特点3）嵌入式系统的软硬件特点嵌入式系统的系统软件和应用软件的特点：软件要求固态化存储：速度、可靠性软件代码要求简洁、高效、高可靠性：存储空间限制、实时性需求嵌入式操作系统要求高实时性：任务执行的合理调度是保证实时性的关键嵌入式系统软件需要实时多任务操作系统开发平台（RTOS）采用C语言进行嵌入式系统开发是最佳和最终的选择,2020/6/11,11,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.3嵌入式系统的特点3）嵌入式系统的软硬件特点嵌入式系统软件的开发机制：前/后台程序模式操作系统模式前/后台程序模式：主程序反复循环执行，中断处理突发事件和定时事件；简单易实现，复杂系统不易管理、不易保证实时性。操作系统模式：支持多任务执行、可保证实时性、可实现任务间通信和同步、软件可移植性好；需要较强的硬件支持。,2020/6/11,12,嵌入式系统与SOPC技术简介,1嵌入式系统简介1.4嵌入式系统的硬件平台1）8位/16位微处理器：80C51内核单片机、AVR单片机、PIC单片机、TI的MSP系列微处理器、DSP芯片等，前/后台程序模式或简单的操作系统模式（uC/OS、TinyOS等），板级嵌入式系统2）32位微处理器：ARM、MIPS架构微处理器（龙芯）等，前/后台程序模式或操作系统模式(uC/OS、Linus、WinCE等），板级嵌入式系统3）SOPC技术：硬核ARM处理器或可配置软核NIOS微处理器+FPGA，前/后台程序模式或操作系统模式（uC/OS、Linus、WinCE等），软件、硬件完全可配置，芯片级嵌入式系统,2020/6/11,13,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.1嵌入式系统设计的两大动力1）微电子技术的飞速发展硅片单位面积上集成的晶体管数目越来越多，集成电路的集成度越来越高，规模越来越大，达到了将整个系统集成在单个芯片的水平2）计算机技术的飞速发展计算机软硬件技术的飞速发展推动了EDA技术的发展，为嵌入式系统开发提供了高效、高质量的EDA工具,2020/6/11,14,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念1）SOC（片上系统）单芯片集成系统级、多元化的功能模块，构成一个能够处理各种信息的集成系统：包括CPU、存储器、硬件加速单元（DSP、浮点协处理器等）、通用I/O（GPIO）、UART接口和模数混合电路（放大器、比较器、A/D、D/A、射频电路、锁相环等），甚至延伸到传感器、微机电和微光电单元。可重用IP（知识产权）核：元件库、宏及特殊的专用IP。SOC系统就是微处理器IP（如ARM公司的RISC架构的ARM核）加上一些外围IP整合而成的。（如果把CPU看成是大脑，则SOC就是包括大脑、心脏、眼睛和四肢的系统。）,2020/6/11,15,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念SOC是嵌入式系统发展的必然PCB板上IC芯片之间连线时延、PCB板的可靠性、PCB板的尺寸等限制了系统的性能基于IC互联的嵌入式系统已经越来越不能满足现代电子系统对整机性能的要求,基于IC互联的嵌入式系统,2020/6/11,16,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念SOC是嵌入式系统发展的必然SOC以IP核为基础，以硬件描述语言作为系统功能和结构的描述手段，借助于以计算机为平台的EDA工具，将一个完整产品的功能集成在一个芯片上或芯片组上SOC综合、全盘考虑整个系统，解决了系统的时延、可靠性、尺寸等因素，可以实现更高的系统性能SOC的出现是电子系统设计领域内的一场革命，其影响将是深远和广泛的,基于SOC的嵌入式系统,2020/6/11,17,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念2）SOPCSOPC技术由美国ALTERA公司于2000年提出。SOC是专用集成电路系统，其设计周期长、成本高，难以被中小企业、研究院所和大专院校采用。SOPC是一种灵活、高效的SOC解决方案：将处理器、存储器、I/O口、硬件加速器等系统需要的功能模块集成到一个FPGA器件上，构成一个可编程的片上系统，是FPGA与SOC技术融合的产物。SOPC是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件可编程的功能，SOPC技术不仅保持了SOC以系统为中心、基于IP模块多层次、高度复用的特点，而且具有设计周期短、风险投资小和设计成本低的优势。,2020/6/11,18,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念2）SOPC,2020/6/11,19,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念3）IP核IP（IntellectualProperty）是知识产权的简称，SOC和SOPC的设计均以集成电路IP核为基础。集成电路IP核是经过预先设计、预先验证、符合产业界的设计规范和设计标准、具有相对独立并可重用的电路模块或子系统，如CPU、运算器、协议控制器、转换器等。集成电路IP核具有知识含量高、工艺容差性大、可重用等特点。,2020/6/11,20,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念3）IP核IP核具有行为、结构、和物理三个不同级别的设计，根据描述功能的不同，IP核分为三类：软核固核硬核,2020/6/11,21,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念3）IP核软核：IP软核通常以HDL文本形式提交给用户，经过RTL级设计优化和功能验证，但不含有任何具体的物理信息。利用IP软核，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集成，根据各种不同半导体工艺，设计成具有不同性能的器件。IP软核也称为虚拟组件（VC，VirtualComponent）。,2020/6/11,22,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念3）IP核硬核IP硬核是基于半导体工艺的物理设计，已有固定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。IP硬核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。,2020/6/11,23,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念3）IP核固核：IP固核的设计程度介于软核和硬核之间，除了完成软核所有的设计外，还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节。IP固核一般以门级电路网表的形式提供给用户。,2020/6/11,24,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念3）IP核基于SOPC技术的嵌入式系统，嵌入式微处理器的IP核包括软核和硬核两种。基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统：是在FPGA中以硬核的方式预先植入嵌入式系统处理器（ARM或其他的微处理器知识产权核），然后利用FPGA中的可编程逻辑资源和IP核来实现其他的外围器件和接口。这样使得FPGA的灵活的硬件设计与处理器的强大运算功能很好地结合。,2020/6/11,25,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念3）IP核基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统具有以下缺点：硬核多来自第三方公司，FPGA厂商需要支付知识产权费用，导致FPGA器件价格相对偏高。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，如总线宽度、接口方式等，不能将FPGA逻辑资源构成的硬件模块以指令的形式形成内置嵌入式系统的硬件加速模块。无法根据实际需要在同一FPGA中使用多个处理器核。无法裁剪处理器的硬件资源以降低FPGA成本。只能在特定的FPGA中使用硬核。,2020/6/11,26,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念3）IP核基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统可以解决基于硬核的SOPC的缺点。基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统的典型代表是：Altera公司的NIOS和NIOS核Xilinx公司的MicroBlaze核,2020/6/11,27,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介1）概述Nios是Altera公司2004年6月推出的第二代软核处理器。相对于Nios，Nios性能更高，占用FPGA的资源更少，有更多的资源可供用户使用。Nios处理器是软核形式，具有很大的灵活性，用户可以在多种系统设置组合中进行选择，达到性能和成本目标。,2020/6/11,28,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性可定制特性系统性能可配置性延长产品生存周期,2020/6/11,29,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性可定制特性NiosII处理器的可定制性NiosII处理器包括三种内核快速（NiosII/f）、标准（NiosII/s）和经济型（NiosII/e）三种内核均针对价格和性能范围进行了优化，各内核共享32位指令集体系，二进制代码100兼容。,2020/6/11,30,嵌入式系统与SOPC技术简介,2020/6/11,31,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性可定制特性外设的可定制性NiosII开发包中含有一套通用外设和接口库。利用SOPCBuilder软件中的用户逻辑接口向导，用户可以生成自己的定制外设，并将其集成在NiosII处理器系统中。利用SOPCBuilder，用户可以在AlteraFPGA中实现现有处理器无法达到的嵌入式处理器配置。,2020/6/11,32,嵌入式系统与SOPC技术简介,2020/6/11,33,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性系统性能的可配置性多CPU内核Avalon总线交换架构用户定制指令用户定制硬件加速逻辑,2020/6/11,34,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性系统性能的可配置性Avalon总线交换架构Avalon交换架构能够进行多路数据同时处理，实现无与伦比的系统吞吐量。SOPCBuilder自动生成Avalon交换架构，针对系统处理器和外设的专用互联需求进行优化。,2020/6/11,35,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性系统性能的可配置性Avalon总线交换架构,2020/6/11,36,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性系统性能的可配置性用户定制指令NiosII处理器的用户定制指令扩展了CPU指令集，提高对时间要求严格的软件运行速度，从而使开发人员能够提高系统性能。NiosII系列处理器支持多达256条的定制指令，加速通常由软件实现的逻辑和复杂数学算法。,2020/6/11,37,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性系统性能的可配置性用户定制指令在64K字节缓冲中，执行循环冗余编码计算的逻辑模块，定制指令速度比软件快27倍。,2020/6/11,38,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性系统性能的可配置性用户定制硬件加速逻辑专用硬件加速逻辑，可以做为FPGA中的定制协处理器，协助CPU同时处理多个数据块。循环冗余编码实例，采用硬件加速器处理64K字节缓冲比软件速度快530倍。,2020/6/11,39,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性延长产品生存周期完整的开发工具套件加速产品上市的时间Altera完整的硬件和软件开发工具帮助用户在极短的时间内，生成功能强大的NiosII处理器系统。从概念产生到设计调试，Altera提供用户所需的全部工具，帮助用户的产品尽快面市。可升级性使用NiosII处理器的SOPC产品的一个独特优势就是能够对硬件进行升级。,2020/6/11,40,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.3NIOS软核处理器简介2）NIOS软核处理器的特性延长产品生存周期低成本Cyclone系列的FPGA是目前ASIC应用的低成本替代方案，用户的大批量应用现在价格与ASIC相比是相当的。FPGA的设计打算进行大批量的生产，可以选择将它移植到Altera的HardCopy（一种结构化的ASIC）器件中，从而更加降低了成本并提高了功能。Altera公司还提供NiosII处理器的ASIC制造许可，用户可以将包括NiosII处理器、外设、Avalon交换式总线的设计移植到结构化的ASIC中。,2020/6/11,41,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.4SOPC设计流程基于NIOS处理器进行嵌入式系统开发的设计流程：1）分析系统需求：功能需求、性能要求；2）建立QuartusII工程，建立顶层实体；3）调用SOPCBuilder生成一个用户定制的系统模块（包括NIOSII、标准外设模块、用户自定义外设模块）；4）将SOPC系统模块集成到硬件工程中，并添加一些模块，可以是Altera公司提供的LPM模块、第三方提供的或用户自己定制的模块；5）在顶层实体中，将SOPC系统模块、Altera的LPM或用户自定义的模块连接起来；,2020/6/11,42,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.4SOPC设计流程基于NIOS处理器进行嵌入式系统开发的设计流程：6）分配引脚和编译工程，编译生成系统的硬件配置文件.sof和.pof文件；7）下载工程，验证，将配置文件下载到开发板上进行验证；8）软件开发，开发可以使用IDE开发环境，也可以使用SDKShell；9）编译软件工程，生成可执行文件.elf;10）调试程序，将硬件配置文件下载到开发板，将可执行文件下载到RAM，直到软硬件协同工作。,2020/6/11,43,嵌入式系统与SOPC技术简介,2SOPC技术简介2.5支持NIOS软核处理器的FPGACyclone、CycloneII、CycloneIII、系列Stratix、StratixII、StratixIII、系列相关网站：、,2020/6/11,44,2020/6/11,45,Cyclone和CycloneII系列,Cyclone于2002年12月份推出。Cyclone系列器件基于1.5V、0.13m及全铜SRAM工艺，Cyclone系列FPGA容量为291020060个逻辑单元（LE），拥有288Kb的RAM。Cyclone系列FPGA的最大特点是低成本，Cyclone系列FPGA是成本敏感大批量应用的最佳方案。用户大批量应用的价格与ASIC相比是相当的。消费类、通信、计算机外设、工业和汽车等低成本大批量应用市场都可以使用CycloneFPGA。,2020/6/11,46,Cyclone和CycloneII系列,2020/6/11,47,Cyclone和CycloneII系列,CycloneII是Altera公司在第一代Cyclone系列的基础上开发的第二代FPGA系列器件。采用了全铜层90nm低k绝缘1.2VSRAM工艺设计。CycloneIIDSP支持包括：多达150个的1818乘法器1.1M位的片内嵌入式存储器外部存储器高速接口（最高速率可达668Mbps）DSPIP内核CycloneII器件的容量为460868416个逻辑单元（LE），最多为4个的增强型锁相环。CycloneII的应用领域和Cyclone系列相似，是消费类、通信、计算机外设、工业和汽车、视频处理等终端市场解决方案的理想选择。,2020/6/11,48,Cyclone和CycloneII系列,2020/6/11,49,Stratix和StratixII系列,StratixFPGA是Altera的第一代Stratix系列器件。Stratix系列器件是Altera公司的大规模高端FPGA，于2002年推出，采用0.13m的工艺，1.5V内核供电，容量为1057079040个逻辑单元（LE）、具有多达7M位的RAM。Stratix器件具有多达22个DSP块和多达176个1818位嵌入式乘法器，具有多种高性能的I/O接口、层次