SOPC嵌入式系统基础教程：第1章 概述

1、第1章 概述-SOPC嵌入式系统基础教程 名词解释深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。IC ?AISC ?SOC ?IC:是半导体元件产品的统称,包括:集成电路、三极管、特殊电子元件。ASIC：专用IC。是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的芯片组。SOC:片上系统。随IC设计与工艺的提高，使原先由许多IC组成的电子系统可集成到一个芯片上，构成SOC。 名词解释深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。EDA ?EDA：电子设计自动化 。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化

2、简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 SOPC ?SOPC:可编程的片上系统。是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SOC解决方案。也可认为是基于FPGA解决方案的SOC。 名词解释- 与SOPC相关的名词Quartus II:是Altera公司的第四代可编程逻辑器件集成开发环境，提供从设计输入到器件编程的全部功能。Quartus II ?深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。Quartus II 5.0 软件界面双击Quartus II图标 名词解释- 与SOPC相关的名词SOPC Builder:是功能强大的基

3、于图形界面的片上系统定义和定制工具。SOPC Builder库中包括处理器和大量的IP核及外设。深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。SOPC Builder包含在Quartus II软件中 SOPCBuiler ?启动: Quartus II Tools SOPC Builder 名词解释- 与SOPC相关的名词Nios II:是Nios II系列嵌入式处理器的基本软件开发工具。所有软件开发任务都可以Nios II IDE下完成，包括编辑、编译和调试程序。 深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。Nios II IDE 软件界面 Nios II IDE ?双击Nio

4、s II IDE图标第一章以简短的篇幅介绍了SOPC技术及Altera可用于SOPC的FPGA，重点介绍了32位NIOS II软核处理器。微电子技术的发展历史是一个不断创新的过程，这种创新包括理论创新、技术创新和应用创新。每一种创新都能开拓出一个新的领域，带来新的市场，产生重大的影响。主要内容集成电路发展过程:主要内容器件的物理版图设计集成电路单元库可编程片上系统（系统级）（逻辑级）（器件级）第1章 目录1.1 SOPC及其技术1.2 NIOS II软核处理器1.3 Altera支持SOPC的FPGA简介第1章 目录1.1 SOPC及其技术1.2 NIOS II软核处理器1.3 Altera支

5、持SOPC的FPGA简介1.1 SOPC及其技术System On Programmable Chip,可编程的片上系统。是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SOC解决方案。sopcSOPC将处理器、存储器、I/O、LVDS、CDR等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。现今SOPC可以认为是基于FPGA解决方案的SOC与ASIC的SOC解决方案相比，SOPC系统及其开发技术具有更多的特色，构成SOPC的方案也有多种途径。1.1 SOPC及其技术构成SOPC的三种方案 基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统1 基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统2 基

6、于HardCopy技术的SOPC系统3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。 1.1 SOPC及其技术构成SOPC的三种方案 基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统1 基于FPGA嵌入IP软核的S

7、OPC系统2 基于HardCopy技术的SOPC系统3IP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。1.1 SOPC及其技术构成SOPC的三种方案 基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统1 基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统2 基于HardCopy技术的SOPC系

8、统3IP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。1.1 SOPC及其技术构成SOPC的三种方案 基于FPG

9、A嵌入IP硬核的SOPC系统1 基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统2 基于HardCopy技术的SOPC系统3HardCopy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。1.1 SOPC及其技术构成SOPC的三种方案 基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统1 基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统2 基于HardCopy技术的SOPC系统3利用Ha

10、rdCopy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%。1.1 SOPC及其技术构成SOPC的三种方案 基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统1 基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统2 基于HardCopy技术的SOPC系统3HardCopy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

11、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SOC方案的比较指标基于ASIC的SOC基于FPGA的SOC(SOPC)基于HardCopy的SOC单片成本低较高较低开发周期长(20周)短(10周)较短(20周)开发成本设计工程成本高掩模成本高软件工具成本高设计工程成本低无掩模成本软件工具成本低设计工程成本低掩模成本低软

12、件工具成本低一次投片情况一次投片成功率低，成本高，耗时长可现场配置一次投片成功率近100%，成本低，耗时短集成技术0.25um90nm0.25um90nm0.25um90nm可重构性不可重构可重构不可重构1.1 SOPC及其技术第1章 目录1.1 SOPC及其技术1.2 Nios II 软核处理器1.3 Altera支持SOPC的FPGA简介1.2 Nios II 软核处理器Nios II软核处理器简介NiosAltera公司在2000年开发了第一代可配置嵌入式软核处理器Nios(16位)。继Nios之后，2004年6月Altera公司又推出了性能更好的Nios II (32位)嵌入式软核处理

13、器。Nios II16位软核处理器32位软核处理器1.2 Nios II 软核处理器Nios II软核处理器简介Nios II 的特点：最大处理性能提高了3倍CPU内核面积最大可缩小1/232位RISC嵌入式处理器具有超过200DMIP的性能，在低成本FPGA中实现成本只有35美分。由于Nios II是软核形式，其可在多种系统设置组合中进行选择，满足成本和功能要求。可延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时的情况。Nios II32位软核处理器1.2 Nios II 软核处理器Nios II软核处理器简介 Nios II 开发包有一套通用外设和接口库。定时器/计数器外部SRAM接口CFI接口F

14、lashSDRAM接口片内RAM/ROM用户逻辑接口CS8900 10M以太网接口并行I/O（GPIO）JTAG UART系统IDEPCS 控制器DMAUARTSPI接口LCD接口外部三态桥LAN91C111 10/100M 以太网接口Avalon转AHB桥AHB转Avalon桥PCIDDR SDRAMCANRNGUSBDDR2 SDRAMDES16550 UARTRSASHA-1I2C10/100/1000M Ethnet MAC浮点单元注：表中橙色底色部分的外设由MegaCore或者Altera Megafunction Partners Program（AMMP）提供，其余的包含在Nio

15、s II开发包中。本表并不包含所有可用的IP。1.2 Nios II 软核处理器Nios II软核处理器简介 基于Nios II处理器的嵌入式系统开发SOPC BuilderNios II IDEQuartus II 5.0使用Altera的Quartus II 软件、SOPC Builder工具以及Nios II IDE，用户可以轻松地完成基于Nios II处理器的嵌入式系统开发。Altera并且利用SOPC Builder软件中的用户逻辑接口向导，用户还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。注：SOPC Builder包含在Quartus II软件中 1.2 Ni

16、os II 软核处理器Nios II软核处理器简介 Nios II 处理器系列包括三种内核Nios II32位软核处理器Nios II/f (快速)Nios II/e (经济)Nios II/s (标准)性能最高，但占用的逻辑资源最多。占用的逻辑资源最少，但性能最低。平衡的性能和尺寸。NiosII/s内核比第一代的Nios CPU更快，占用的资源更少。1.2 Nios II 软核处理器Nios II 嵌入式处理器的特点种类特性CPU结构32位指令集32位数据宽度32个通用寄存器32个外部中断源2G Byte寻址空间片内调试基于边界扫描测试（JTAG）的调试逻辑、支持硬件断点、数据触发以及片内和

17、片外的调试跟踪定制指令最多可达256个用户定义的CPU指令软件开发工具Nios II的集成开发环境(IDE)基于GNU的编译器硬件辅助的调试模块1.2 Nios II 软核处理器支持Nios II 嵌入式处理器的FPGA器件说明设计软件Stratix II最高的性能，最高的密度，特性丰富，并带有大量存储器的平台Quartus IIStratix高性能，高密度，特性丰富并带有大量存储器的平台Stratix GX高性能的结构，内置高速串行收发器Stratix II GXAltera第三代带有嵌入式收发器的FPGACyclone II低成本，带DSP模块，超过68,000个LE和1.1Mbit的嵌入

18、式存储器Cyclone低成本的ASIC替代方案，适合价格敏感的应用HardCopy Stratix业界第一个结构化的ASIC，是广泛使用的传统ASIC的替代方案FPGA1.2 Nios II 软核处理器可配置嵌入式软核处理器的优势FlashSDRAMCPUDSPI/OI/OI/OFPGAI/OI/OI/OCPUDSP降低成本、设计复杂性和功耗的解决方案CPUCPU1.2 Nios II 软核处理器可配置嵌入式软核处理器的优势可配置嵌入式软核处理器优势1. 提供合理的性能组合2. 提升系统的性能3. 降低系统成本4. 延长产品的生命周期第1章 目录1.1 SOPC及其技术1.2 Nios II 软核处理器1.3 Altera支持SOPC的FPGA简介1.3 Altera支持SOPC的FPGA简介Cyclone 系列Cyclone II 系列Stratix 系列Stratix II 系列AlteraCyclone系列：第一