嵌入式设计技术的工程方法嵌入式技术的工程法概述

1、嵌 入 式 技 术 的 工 程 方 法,北京工业大学计算机学院,彭建朝,2013年9月,课程内容,第一章 概述,第二章 基于Verilog HDL的电路设计,第三章 基于Nios II处理器的SOPC设计技术,参考资料,4. SOPC嵌入式系统基础教程周立功 北航,2. 基于FPGA的嵌入式开发与应用徐光辉 电子,6. Verilog HDL程序设计教程王金明 邮电,5. EDA技术综合应用实例与分析 谭会生 西电,1. Nios II嵌入式软核SOPC设计原理及应用李兰英 北航,3. Nios II 软件架构解析蔡伟纲 西电,时间安排,总学时： 32学时,理论部分20学时 第19周 18学时

2、授课， 第16周 2学时开卷笔试,实验部分12学时 第1015周 周四 7 / 8节 信北502,考核成绩 = 笔试成绩70% + 实验成绩30%,实验内容,2. 基于Nios处理器的键盘扫描与动态显示,3. 基于Nios处理器的Uart接收与发送,4. 基于Nios处理器的Timer中断,1.SOPC硬件系统的搭建,5. 定制指令和用户IP Core,实 验 室,GX-SOC/SOPC-CIDE实验台,第一章 概述,1. 嵌入式系统,直观： 手机、数码相机、MP3、MP4、机顶盒、高清电视、交换机、路由器、数控设备、汽车电子、医疗仪器、航天航空设备,所谓嵌入式系统（Embedded Syst

3、em）是相对于通用计算机系统而言的。,IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：,嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂的大规模的设备。,国内一般定义为：,以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。,软件和硬件的综合体，软件和硬件设计的完美结合。,嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，其技术指标受到应用要求的制约，例如：功耗、体积、成本、可靠性、速度处理能力、电磁兼容性等等。,硬件方面,软件方面,固化存储，软件代码要求高质量、高可靠性和高实时性。,广义上，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。,但应建立嵌入式设备和嵌

4、入式系统的概念。,嵌入式设备： 以嵌入式处理器为核心的硬件 + 应用软件,嵌入式系统： 以嵌入式处理器为核心的硬件 + 操作系统 + 应用软件,例如：单片机系统、DSP系统,例如：流行的高性能嵌入式RISC处理器ARM系列,流行的嵌入式操作系统Windows CE、Linux、uC/OS、uCLinux,2. SOC系统,20世纪90年代后期，提出SOC（System on a Chip，片上系统）的概念。,SOC是指在单个芯片上集成了诸多系统级多元化的大规模功能模块，能够处理各种信息的集成系统。,主控单元 + 功能模块,微处理器,实现系统功能的各种IP核,特征：利用IP（Intellectu

5、al Property）构建SOC。,在集成电路设计领域，IP （Intellectual Property）即知识产权核或知识产权模块。,著名的美国Dataquest咨询公司将集成电路设计领域的IP定义为：用于ASIC（Application Specific Integrated Circuit）或FPGA（Field Programmable Gate Array）/ CPLD（Complex Programmable Logic Device）中的预先设计好的电路功能模块。,IP核的分类：,软核用Verilog HDL等硬件描述语言描述的功能模块。,固核完成了设计综合的功能块，有较大的

6、设计深度， 以网表的形式提交用户使用。,硬核以掩膜形式提供设计的最终阶段产品。,厂商采用固核、硬核进行SOC设计，向用户提供SOC芯片。,优点：选择合适的SOC芯片，可很快建立系统的硬件架构， 重点放在操作系统的移植和应用软件的开发。,缺点：系统设计仍然受SOC芯片的限制； 不使用的内置IP资源，浪费！ 用户的IP核，无法进入芯片； SOC芯片不断升级换代，对用户产品的影响； ,Processor Architecture S3C44B0X,Up to 66 MHz ARM7TDMI Processor Core,SDRAM,FLASH/SRAM,Interfaces,Real Time Cl

7、ock,Watchdog,JTAG,System Peripherals,Write Buffer,SIO 1,UART 2,Timers 6,GPIO 71,User Peripherals,Dynamic Power Management,10bit A/D 8,Memory,PLL,8K bytes Cache /SRAM,IIS 1,AUDIO CODEC,SPI,PC,PWM,LCD,IIC 1,LCD 1,IO,Keyboard,Analog Signal,DMA 4,3. SOPC技术,用户采用IP复用技术，借助EDA平台，将系统需要的逻辑资源进行集成，下载到FPGA / CPL

8、D芯片中，构成用户独享的SOC设计。,2000年，美国Altera公司率先提出SOPC（System on Programmable Chip）设计技术，该技术的核心是利用IP软核进行系统集成。,逻辑资源：元件库、宏、专用IP库和用户IP库,优势：用户设计的自主性； 系统规模的可裁减性； 系统升级换代的及时性； EDA开发平台的完备性； 在实验室，用户即可完成SOC设计、验证，并及时投放市场； 大规模生产时，很容易转换成ASIC，以降低成本。,缺点：前期，小规模生产成本偏高。,基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC,在FPGA中预先植入嵌入式微处理器，其它功能模块由用户按需配置，利用FPGA中的逻

9、辑宏单元实现。,例如：,Altera公司的Excalibur系列FPGA中，预先植入了ARM922T嵌入式处理器；,Xilinx的Virtex-II Pro系列，预先植入IBM PowerPC405处理器；,不足：硬核多来自第三方公司，FPGA厂商很难直接控制IP费用；系统设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，如总线规模、接口方式乃至指令形式；无法在同一FPGA中使用多个处理器核；无法裁减处理器硬件资源以降低FPGA成本；只能在特定的FPGA中构建SOC。,基于FPGA嵌入IP软核的SOPC,解决了上述不足！,借助EDA平台，选用可裁减的嵌入式处理器软核和各种功能的IP软核，利用FPGA中的

10、逻辑宏单元，构建满足系统需求的SOC。,具有代表性的嵌入式处理器软核Altera公司的Nios II,优势： Nios II软核由该公司直接推出，其规模可裁减；可植入所有的Altera FPGA系列；只要FPGA的资源允许，可在一片FPGA中建立多核系统；可添加用户指令；提供功能完备的EDA开发工具Quartus II，用户能自主、灵活、便捷的创建Nios II系统，甚至可以添加用户IP。,基于HardCopy技术的SOPC,HardCopy就是利用原有的FPGA开发工具，将已成功实现于FPGA器件上的SOPC系统通过特定的技术直接向ASIC转化，从而解决传统ASIC设计中普遍存在的问题。,开发周期长；产品上市慢；一次性成功率低；足够的投片量；设计软件工具繁多且昂贵；开发流程复杂等。,HardCopy技术是一种全新的SOC级ASIC解决方案。本质