SOPC技术与应用

1、精选优质文档-倾情为你奉上一. 可定制性         采用Nios II处理器，开发者将不会局限于预先制造的处理器技术，而是根据自己的标准定制处理器;         按照需要选择合适的外设、存储器和接口。         用户可以轻松集成自己专有的功能，使设计具有独特的竞争优势。Nios II的可定制性      

2、0;  Nios II具有完全可定制和重新配置特性，所实现的产品可满足现在和今后的需求。Nios II处理器系列包括三种内核快速（Nios II/f）、标准（Nios II/s）和经济型（Nios II/e），每一型号都针对价格和性能范围进行了优化。  所 有这些内核共享32位指令集体系，与二进制代码100兼容。 外设的可定制性          1. Nios II开发包含有一套通用外设和接口库。        &

3、#160; 2. 利用SOPC Builder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Nios II处理器系统中。使用SOPC Builder，用户可以在Altera FPGA中，组合实现现有处理器无法达到的嵌入式处理器配置。 二、系统性能可配置性         用户所需要的处理器，应该能够满足当前和今后的设计性能需求。         Nios II设计人员必须能够更改其设计，如加入多个Nios II CPU、定制指令集、硬件

4、加速器，以达到新的性能目标。采用Nios II处理器，您可以通过Avalon交换架构来调整系统性能，该架构是Altera的专有互联技术，支持多种并行数据通道，实现大吞吐量应用。用户可以在 FPGA内部实现多个处理器内核，通过将多个Nios II/f内核集成到单个器件内，可以获得更高的性能。Nios II 的IDE开发支持这种多处理器在单一FPGA上的开发，或多个FPGA共享一个JTAG链。         Avalon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。SOPC Builder自

5、动生成的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。传统总线结构中，单个总线仲裁器控制总线主机和从机之间的通 信。每个总线主机发起总线控制请求，由总线仲裁器对某个主机授权接入总线。如果多个主机试图同时接入总线，总线仲裁器会根据一套固定的总裁规则，分配总线 资源给某个主机。由于每次只有一个主机能够接入总线、使用总线资源，因此会导致带宽瓶颈。          Avalon交换架构的同时多主机体系结构提高了系统带宽，消除了带宽瓶颈。采用Avalon交换架构，每个总线主机均有自己的专用互联，总线主机只

6、需抢 占共享从机，而不是总线本身。每当系统加入模块或者外设接入优先权改变时，SOPC Builder利用最少的FPGA资源，产生新的最佳Avalon交换架构。         Avalon交换架构支持多种系统体系结构，如单主机/多主机系统，可实现数据在外设与性能最佳数据通道之间的无缝传输。Avalon交换架构同样支持用户所设计的片外处理器和外设。 定制指令         Nios II处理器定制指令扩展了CPU指令集，提高对时间要求严格的软件运行速度，从

7、而使开发人员能够提高系统性能。采用定制指令，您可以实现传统处理器无法达到的最佳系统性能。         Nios II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。例如，在64K字节缓冲中，执行循环冗余编码计算的逻辑模块，其定 制指令速度比软件快27倍。Nios II处理器支持固定和可变周期操作，其向导功能将用户逻辑做为定制指令输入系统，自动生成便于在开发人员代码中使用的软件宏功能。 定制指令       专用硬件加速器，可以做为F

8、PGA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。SOPC Builder含有一个输入向导，帮助开发人员将其加速逻辑和DMA通道引入系统。 硬件加速三、延长产品生存周期         为实现一个成功的产品，需要将其尽快推向市场，增强其功能特性以延长使用时间，避免出现处理器逐渐过时。用户可以在短时间内，将Nios II嵌入式处理器由最初概念设想转为系统实现。这种基于Nios II处理器的系统具有永久免版税设计许可，完全经得起时间考验。此外，由于在FP

9、GA中实现软核处理器，因此可以方便实现现场硬件和软件升级，产品能够符 合最新的规范、具备最新特性。         当今的嵌入式设计工程师面临很棘手的挑战：寻找一款能够实现特性、成本、性能和生命周期完美组合的处理器。而这将影响产品的开发，新品的上市。也可能出现 重新选择开发平台的情况。Altera Nios®II处理器所具有的完全可定制特性和性能、较低的产品和实施成本、易用性、适应性和不会过时等优势使其在每次设计中，都能够实现完美的配合。 完整的开发工具套件加速产品上市的时间    &

10、#160;    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Nios II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Nios II处理器的SOPC产品带来的一个独特优势就是能够对硬件进行升级。即使产品已经交付给客户，仍可以定期升级。 低成本         Cyclone 系列的FPGA是目前ASIC应用的低成本

11、替代方案，用户的大批量应用现在价格与ASIC相比是相当的。而且，一旦一个FPGA的设计被选定，并且打算进 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公司还可以提供Nios II 处理器的ASIC制造许可，用户可以将包括Nios II处理器、外设、Avalon交换式总线的设计移植到结构化的ASIC中。 第1节 SOPC设计流程及支持Nios II的FPGA（1）在采用NIOS II处理器设计嵌入式系统时，一般遵循如下的流程：       

12、  1.分析系统需求说明，包括功能需求和性能要求等；         2. 建立Quartus II工程，建立顶层实体；         3. 调用SOPC Builder生成一个用户定制的系统模块（包括NIOS II及标准外设模块）；         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

13、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；         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；    

14、     8. 软件开发，开发可以使用IDE开发环境，也可以使用SDK Shell；         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。         在上面的过程中，用到的软件有Quartus II、Nio

15、s II SDK shell或Nios II IDE、ModelSim等，如果进行DSP的开发，还会用到Matlab和DSPBuilder。 Quartus II用来建立硬件的系统，其中包括SOPC Builder工具，SOPC Builder用来建立SOPC系统模块，Quartus II支持多种设计方式，如原理图，硬件描述语言等，硬件描述语言的方式支持VHDL和Verilog。 软件开发使用Nios II SDK shell或Nios II IDE，IDE开发环境采用图形化的开发环境，使用方便直观。而SDK shell采用命令窗口的方式进行程序的调试。   &#

16、160;     ModelSim是HDL编译仿真软件，用于对设计的硬件系统进行RTL级的仿真。         DSP Builder是Altera公司推出的数字信号处理开发软件，用来实现算法和硬件实现的无缝过渡，用户可以在Matlab的Simulink中完成算法 模型的仿真、验证，然后通过SignalCompiler将模型文件转换成硬件描述语言的文件 （2）支持Nios II的FPGA        Cyclon

17、e和Cyclone II系列         Stratix和Stratix II系列         HardCopy器件         HardCopy II         HardCopy Stratix         HardCopy

18、APEX三代 Cyclone和Cyclone II系列        Cyclone m及全铜SRAM工艺，Cyclone系列FPGA容量为m于2002年12月份推出。Cyclone系列器件基于1.5V、0.13 20060个逻辑单元（LE），拥有288K位的RAM。Cyclone系列FPGA的最大特点是低成本，Cyclone系列FPGA是成本敏2910 感大批量应用的最佳方案。 如果需要进一步进行系统集成，可以考虑密度更高的Cyclone II FPGA和Cyclone III FPGA。这些Cyclone新系列巩固了Al

19、tera在大批量、低成本应用方案中上的领先优势。Cyclone FPGA是目前ASIC应用的低成本替代方案。利用其系统级集成功能，Cyclone FPGA系列避免了ASIC昂贵的NRE负担，降低了订购量和产品推迟带来的风险。采用Cyclone FPGA系列的可编程解决方案，用户的大批量应用现在价格与ASIC相比是相当的。         Cyclone系列FPGA的价格和功能满足了市场对创新的需求，通过产品迅速面市来确定领先优势。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Cyclone FPGA。

20、        Cyclone II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绝缘工艺，1.2V SRAM工艺设计。 Cyclone II具有很高的性能和极低的功耗，而价格和ASIC相当。它的应用领域和Cyclone系列相似，是对成本敏感的应用的大批量的产品解决方案，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。         Cyclone II为在FPG

21、A上实现低成本的数字信号处理（DSP）系统提供了一个理想的平台，用户可以单独使用Cyclone II或者作为数字信号处理（DSP）协处理器使用。Cyclone II器件含有经过优化的多种DSP特性，由Altera全面的DSP流程提供支持。         Cyclone II DSP支持包括：         多达150个的18×18乘法器；         1.1M位的片内嵌

22、入式存储器；         外部存储器高速接口；         DSP IP内核。 68416个逻辑单元（LE），提供了嵌入式18×18位乘法器、专用外部存储器接口电路（最高速率可达668Mb/s）、4K位嵌入式存储器块、最多为4个的增强型锁相环等等。        Cyclone II器件的容量为4608  Stratix和Stratix II系列  

23、        Stratix FPGA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 79040个逻辑单元（LE）、具有多达7M位的RAM。Stratix器件具有多达22个m的工艺，1.5V内核供电，容量为10570m0.13 DSP块和多达176个9×9位嵌入式乘法器，同时器件还具有多种高性能的I/O接口、层次时钟结构和多达12个锁相环。第一代Stratix FPGA依然是军用和航空航天领域所选用的FPGA，在这些应用中需要较宽

24、的工作温度范围。         Stratix II和Stratix III器件由于采用了创新性的逻辑结构， 不但具有前代Stratix器件的所有特性，而且功耗更低、性能更好 。Stratix II与Stratix相比，运行速度提高50%，逻辑容量提高了一倍，而成本更低。Stratix III器件是功耗最低、性能最好的 FPGA 。        Stratix II器件于2005年推出，在Stratix架构的基础上，做了一些适合与90nm工艺的改进，采

25、用1.2V、90nm、9层金属走线、全铜SRAM工艺 制造。在Stratix基础上增加了新的特性：采用了全新的逻辑结构自适应逻辑模块（ALM）；增加了源同步通道的动态相位校准（PDA）电路和对新 的外设存储器接口的支持；采用了128位AES密钥对配置文件进行加密。         Stratix IIFPGA采用等效逻辑单元（LE）高达个，嵌入式存储器达到9M位，最大可用管脚数达到1173个，高度优化的数字信号处理模块中18×18位嵌入式乘法器数量达到384个。 HardCopy器件  

26、0;     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如：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。HardCopy II体系结构建立在被称为Hcell的精细粒度晶体管阵列上。Hcell支持从FPGA的无缝移植，具有ASIC技术那样的密度、成本、性能和功耗优势。         HardCopy II结构化A

27、SIC具有独特的FPGA前端设计方法，实现了业界风险最低、产品面市最快的解决方案。采用Stratix® II FPGA对设计进行测试，然后，Altera的HardCopy设计中心将设计无缝移植为低成本、功能等价、引脚兼容的HardCopy II器件。 最新进展        Altera率先推出40nm工艺的FPGA，Straitix IV和HardCopy IV超越了ASIC的平均密度。         性能和功耗都有很大改善，高密度，具有 6