可编程片上系统设计技术课件

可编程片上系统系统设计技术

－SystemOnaProgrammableChip

徐欣

博士

国防科大嵌入式系统开放研究中心长沙依元素科技发展有限公司嵌入式系统设计技术最新发展趋势

可编程片上系统系统设计技术

－SystemOnaPr1主要内容FPGA发展趋势与SOPC概述基于XilinxFPGA的SOPC设计

IPCore及其在SOPC中的地位

介绍几个SOPC设计技术应用实例主要内容FPGA发展趋势与SOPC概述2FPGA发展趋势与SOPC概述FPGA发展趋势与SOPC概述3FPGA的发展趋势（1）FPGA向密度更高、速度更快、频带更宽的百万门系统级方向发展XilinxVirtex/-E/IIPro（PPC405、MutiGbit收发器、RoketI/O、部分可重构特性、系统时钟400M以上）AlteraAPEX/StratixFPGA向低成本、低价格的片上系统方向发展Xilinx的SpartanIII系列－－100万门/10美元Altera的Cycolne系列FPGA向低电压、低功耗和绿色化方向发展FPGA的发展趋势（1）FPGA向密度更高、速度更快、频带更4FPGA的发展趋势（2）IPCore设计应用飞速发展，FPGA设计资源复用和开发手段全面升级设计复杂性与知识产权复用OPENCore计划推波助澜软IPCore（如MicroBlaze、Nios）和硬IPCore（如PPC405）齐头并进FPGA已不再是传统设计方法中的处理器外围逻辑，而是整个数字系统的平台FPGA的发展趋势（2）IPCore设计应用飞速发展，FP5FPGA的发展趋势（3）FPGA与ASIC界限日趋模糊，相互融合FPGA嵌入标准单元（如Xilinx的PPC405、MutiGbit收发器等）ASIC嵌入可编程逻辑单元（ATMEL等）FPGA的成本不断下降，产品上市周期压力日趋严重，使得FPGA在很多领域将成为ASIC的替代品FPGA的发展趋势（3）FPGA与ASIC界限日趋模糊，相互6FPGA的发展趋势（4）SOPC时代已经到来SOPC：System-On-a-Programble-ChipIPCore的不断丰富和完善奠定了SOPC的基础先进的百万门级FPGA开发工具是SOPC的主要平台处理器IPCore解决了SOPC的最关键问题嵌入式领域关注问题的差别国外：芯片级嵌入－－SOC、SOPC设计国内：芯片在板级的嵌入－－传统的嵌入式设计方法（*引自“美国嵌入式采访活动纪要”－－王莹）FPGA的发展趋势（4）SOPC时代已经到来7SOPC概述（1）SOPC的双重含义：－可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式微处理器系统首先，它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

SOPC概述（1）SOPC的双重含义：8SOPC概述（2）SOPC的基本特征：嵌入式处理器IPCore为核心（多处理器）具有小容量片内高速RAM资源丰富的IPCore资源可供灵活选择（ASIC）足够的片上可编程逻辑资源处理器调试接口和FPGA编程接口共用或并存可能包含部分可编程模拟电路单芯片、低功耗、微封装SOPC概述（2）SOPC的基本特征：9基于SOPC的嵌入式系统架构Processor(s)AuxiliarySystems(power,cooling,…)MemoryIPCores(Vs.ASIC)ProgrammableLogicSoftwareA/DD/ASensorsActuatorsHumanInterface数字部分为单芯片FPGA基于SOPC的嵌入式系统架构Processor(s)Auxi10WhySOPC？降低成本提高系统整体性能缩短设计迭代周期降低硬件系统设计风险极大程度提高设计灵活性可重构、可升级WhySOPC？降低成本11基于XilinxFPGA的SOPC设计基于XilinxFPGA的SOPC设计12TranslateMapPlace&RouteXilinxDesignFlowPlan&BudgetHDLRTLSimulationSynthesizetocreatenetlistFunctionalSimulationCreateBitFileAttainTimingClosureTimingSimulationImplementCreateCode/SchematicXilinx:newslideTranslateMapPlace&RouteXilin13XilinxSOPC设计调试工具XilinxSOPC设计调试工具14可编程片上系统设计技术ppt课件15可编程片上系统设计技术ppt课件16可编程片上系统设计技术ppt课件17SOPC系统设计包括硬件设计软件设计软硬件协同设计(仿真与调试)XilinxPlatformStudio(XPS)提供了SOPC工程管理接口的集成开发环境包含了硬件平台构架、软件开发、布局布线实现、仿真与调试等SOPC设计各个环节所需的所有工具和接口XPSSoftwareDesignHardwareDesignDebugSimulationXILINXSOPC设计流程HW-SWPartitioningHW-SWCo-VerificationSOPC系统设计包括XPSSoftwareHardware18XILINXSOPC设计流程（1）

硬件设计流程HWDevelopmentFlow1.SpecifyProcessor,Bus&Peripherals2.AutomaticHardwarePlatformGeneration3.XilinxImplementationFlowHWConfigurationBitstreamDownloadtoFPGAPPC405PLB/ArbiterPLBEMCOPBGPIOOPBUARTPLB2OPBBridgeOPB2PLBBridgeBRAMBlockOPB/ArbiterJTAGCNTLPLBBRAMI/FMHSPlatGenMHSMicroprocessorHardwareSpecificationAtemplatethatdescribeshardwarestructurePlatGenUsesMHSfiletocreatethehardwareplatformXflow/ProjNavXILINXSOPC设计流程（1）

硬件设计流程HWDe191.SpecifySoftwareArchitectureExecutableinon-chipmemoryDownloadtoBoardSWDevelopmentFlowExecutableinoff-chipmemory?2.AutomaticSoftwareBSP/LibraryGeneration3.SoftwareCompilationSWConfigurationExecutableData2BRAMPPC405PLB/ArbiterPLBEMCOPBGPIOOPBUARTPLB2OPBBridgeOPB2PLBBridgeBRAMBlockOPB/ArbiterJTAGCNTLPLBBRAMI/FDownloadtoFPGAMSSMicroprocessorSoftwareSpecificationLibGenCustomizeslibraries,driversetc.Data2BRAMUpdateBitstreamwithprogram/datainformationMSSLibGenGNU(MB&PPC)Diab(PPC)Compilers

GDB/XMDHardwareFlowBitstreamMicroBlazeOnlyXILINXSOPC设计流程（2）

软件设计流程1.SpecifySoftwareExecutable201.SpecifySimulationPlatformSimulationFlow2.AutomaticSimulationPlatformGeneration3.SimulatorSimConfigurationMVSSimGenModelsim/VerilogXLMVSMicroprocessorVerificationSpecificationSimGenSimulationModelGeneratorGeneratesandconfiguressimulationmodelsforaspecifiedhardware.

MVSExamplePARAMETERHW_SPEC_FILE=system.mhsPARAMETERSW_SPEC_FILE=system.mssPARAMETERLANGUAGE=VHDLPARAMETERSIMULATOR=mtiPARAMETERSIM_MODEL=BEHAVIORAL..XILINXSOPC设计流程（3）

软硬件协同设计之仿真（A）1.SpecifySimulationSimulati21ExecutableNGCHDLWrapper(s)MHSFileHardwareFlowMVSFileSimGenSoftwareFlowBMMProcessorIPSimModel(s)*_Init.vhd(InitBRAM),HDLWrappersDOFileCompilelistMaplibrariesSimGen－仿真模型生成器Generatesandconfiguressimulationmodels,do-filesUsedinconjunctionwithPlatGenandMHSTakesELF+BMMtogeneratemodelstoinitializeBRAMsPowerPCSWIFTModelSimulatorXILINXSOPC设计流程（4）

软硬件协同设计之仿真（B）ExecutableNGCHDLMHSFileHardw22XMDforMicroBlazeandPowerPCConnectsto:ISSforcycleaccurateSWdebugUART,orJTAG_UARTforHWtargetdebugGDBRemote(TCP/IP)CycleAccurateISSforMBXMDProtocolGDBRemote(TCP/IP)

XMD

XMDDebugwithactualhardwareforMB&PowerPCXILINXSOPC设计流程（5）

软硬件协同设计之调试（A）XMDforMicroBlazeandPowerPC23MicroBlazeMicroBlazeMicroBlazeNodedicatedebuginterface(futureplan)UseUART(SerialCable)orJTAG(ParallelCable)toconnectSmalldebugprogram“XMDStub”residesinthememoryMicroBlazeOPBJTAGUARTMicroBlazeOPBORUARTLiteXILINXSOPC设计流程（6）

软硬件协同设计之调试（B）MicroBlazeMicroBlazeMicroBlaze24PowerPCDedicatedebugportinthehardmacro(BDM)BDMcansharedwithFPGA’sJTAGPinsButthereisaruleinFPGA:ALLorNONE!!!PPCPPCPPCPPCjtagppc_cntlr.vhd:U0_JTAGPPC:JTAGPPCPortMap(TCK=>JTGC405TCK,--oTDIPPC=>JTGC405TDI,--oTMS=>JTGC405TMS,--oTDOPPC=>C405JTGTDO,--iTDOTSPPC=>C405JTGTDOEN--i*FindoutmoreinformationregardingtoWindRiver’srequirement!XILINXSOPC设计流程（7）

软硬件协同设计之调试（C）PowerPCPPCPPCPPCPPCjtagppc_cnt25IPCore及其在SOPC中的地位IPCore及其在SOPC中的地位26IP资源复用理念IP资源复用(IPReuse)是指在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买所需的部分或全部智力产权内核(IPCore)，进行设计、综合和验证，从而加速流片设计过程的设计方法IPCore是一种商品，SOPC的技术核心：是可编程逻辑器件设计工程师价值体现的主要途径IP资源复用理念IP资源复用(IPReuse)是指在集成电27WhyFPGA？WhyIPCore？FPGA设计灵活，设计迭代周期短FPGA密度提高，适于IPCore开发FPGA成本降低，相应的EDA工具性价比较高WhyFPGA？WhyIPCore？FPGA设计灵活28IPCore的表现形式HDL语言（VHDL或VerilogHDL）原理图（可移植性差）网表符合某种EDA工具的特定格式如：Xilinx的IPCapture和CoreGenerator等IPCore的表现形式HDL语言（VHDL或Veril29IPCore的分类－－SOPC的要素Vs.ASIC微处理器IPCore8/16/32/64位，如MicroBlaze、Nois、8051处理器外设IPCoreSDRAM控制器、LCD控制器、总线控制器等DSP算法IPCoreFIR滤波器、DES加密、音视频编码和解码等通信控制器IPCoreMAC、Gbit收发器、CAM、协议转换等其它类型IPCoreIPCore的分类－－SOPC的要素Vs.ASIC微处理器30IPCore设计：编码风格编码风格（CodingStyle）是基于HDL的IPCore源码编写的指导性文档，关系到IPCore的可读性、易于集成性及其质量编码风格一般包含几个方面的约定：文件头和版本说明、联机注释、命名规则、可综合编码（UCF）等

http://www.IP

IPCore设计：编码风格编码风格（CodingStyl31IPCore和SOPC验证开发工具EDK&ISEModelSimIPCore和SOPC验证开发工具EDK&ISE32介绍几个SOPC应用实例介绍几个SOPC应用实例33（1）单芯片动态可重构雷达信号处理器

（1）单芯片动态可重构雷达信号处理器34（2）基于SOPC的IRL设计实现

MicroBlaze

Or

PPC405

UART

Or

Ethernet

JTAG

Default

PROM

XC18V

Upgrade

PROM

XC18V

配置异常处理

CoolRunner

CPLD

FPGA

面向各种应用的IP