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基于FPGA的片上可編程系統(tǒng)(SOPC)設(shè)計之:基于FPGA的SOPC系統(tǒng)組成原理和典型方案

2013/08/26
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8.1??基于FPGA的SOPC系統(tǒng)組成原理和典型方案

8.1.1??SoC及SOPC簡介

1.SoC

SoC即System?On?Chip,是片上系統(tǒng)簡稱。它是IC設(shè)計與工藝技術(shù)水平不斷提高的結(jié)果。SoC從整個系統(tǒng)的角度出發(fā),把處理機制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)合起來,在單個(或少數(shù)幾個)芯片上完成整個系統(tǒng)的功能。所謂完整的系統(tǒng)一般包括中央處理器、存儲器以及外圍電路等。

SoC通常應(yīng)用于小型的、日益復(fù)雜的客戶電子設(shè)備。例如,聲音檢測設(shè)備的系統(tǒng)芯片是在。單個芯片上為所有用戶提供包括音頻接收端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC)、微處理器、必要的存儲器以及輸入/輸出邏輯控制等設(shè)備。

SoC的設(shè)計以IP核為基礎(chǔ),以分層次的硬件描述語言為系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的主要描述手段,借助于以計算機為平臺的EDA工具進行。

研究表明,與IC組成的系統(tǒng)相比,由于SoC設(shè)計能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況,因而可以在同樣的工藝技術(shù)條件下,實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標。SoC技術(shù)也大大促進了軟硬件協(xié)同設(shè)計以及計算機系統(tǒng)設(shè)計自動化的發(fā)展。

目前,在軟硬件協(xié)同設(shè)計中最為活躍的研究工作包括系統(tǒng)描述、軟硬件劃分、軟硬件協(xié)同綜合以及軟硬件協(xié)同模擬與驗證等。如圖8.1所示為一個較為普遍的面向SoC軟硬件協(xié)同設(shè)計流程。

SoC系統(tǒng)級設(shè)計方法基本采用層次化的設(shè)計思想和正交性的設(shè)計原則來完成系統(tǒng)級設(shè)計。目前,在學術(shù)界和工業(yè)界比較認可的SoC系統(tǒng)級設(shè)計方法學,從性質(zhì)上基本可分為3大陣營:自頂向下,自底向上,上下結(jié)合和中間相遇。

圖8.1??軟硬件協(xié)同設(shè)計流程

2.SOPC

SOPC(System?On?a?Programmable?Chip:可編程芯片系統(tǒng))是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SoC解決方案。它將處理器、存儲器、I/O端口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計需要的部件,集成到一個PLD器件上,構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng)。

它是可編程系統(tǒng),具有靈活的設(shè)計方式,可裁減、可擴充、可升級,并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能??删幊唐骷?nèi),還具有小容量高速RAM資源。由于市場上有豐富的IP?Core資源可供靈活選擇,用戶可以構(gòu)成各種不同的系統(tǒng),如單處理器、多處理器系統(tǒng)。

有些可編程器件內(nèi)還可以包含部分可編程模擬電路。除了系統(tǒng)使用的資源外,可編程器件內(nèi)還具有足夠的可編程邏輯資源,用于實現(xiàn)其他的附加邏輯。

SOPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結(jié)果。集成了硬核或軟核CPUDSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯的SOPC芯片在應(yīng)用的靈活性和價格上有極大的優(yōu)勢。所以,SOPC代表了半導體產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向。

下面介紹一下Xilinx及Altera兩家公司的SOPC的解決方案,其中將重點介紹Altera的解決定案。

8.1.2??Xilinx的SOPC解決方案

Xilinx公司不僅提供高端32位MicroBlaze?CPU軟嵌入式處理器芯核,也提供免費的低端8位PicoBlaze?CPU軟嵌入式處理器芯核。

一般的C交叉匯編程序和用戶定制的VHDL?/Verilog?HDL源代碼,還有大量的應(yīng)用說明和參考設(shè)計,均可從Xilinx公司網(wǎng)站下載獲得,它們均適用于CoolRunner-II?CPLD以及各種Spartan和Virtex?FPGA系列。

Xilinx公司聲稱,該CoolRunner-II版本只占用107個宏單元,而適用于Spartan-IIE的PicoBlaze則需占用76個邏輯片。適用于Virtex-II系列FPGA器件的PicoBlaze,其性能可達55MIPS。

<利用MicroBlaze軟處理器解決方案,Xilinx充分發(fā)揮出了嵌入式FPGA設(shè)計的全部潛能。MicroBlaze核是一個32位哈佛RISC架構(gòu),具有豐富的針對嵌入式應(yīng)用而優(yōu)化的指令集。處理器是軟核,意味著它是通過使用通用邏輯基元而非FPGA中的硬專用模塊來實現(xiàn)的。?

Xilinx的Spartan和Virtex系列FPGA產(chǎn)品支持MicroBlaze軟處理器。MicroBlaze解決方案被設(shè)計得很靈活,能讓用戶控制很多特性,如緩存大小、接口和執(zhí)行單元。為了以盡可能低的成本點達到面向目標應(yīng)用的必要性能,可配置性允許用戶對大小進行折衷來換取性能。?

MicroBlaze軟核被授權(quán)成為Xilinx嵌入式開發(fā)套件(EDK)的一部分。EDK是包括外圍IP核庫、曾榮獲大獎的Xilinx?Platform?Studio工具套裝(可用于生成直觀的硬件系統(tǒng))、基于Eclipse的軟件開發(fā)環(huán)境、GNU編譯器、調(diào)試器以及更多工具在內(nèi)的完整的嵌入式開發(fā)解決方案。MicroBlaze處理器也為第三方開發(fā)工具和實時操作系統(tǒng)(RTOS)所支持。

對于更高的性能要求,Xilinx在Virtex-II系列平臺FPGA中植入了32位PowerPC內(nèi)核來提供DMIPS性能。配合Virtex-II?Pro?FPGA在450?MHz時鐘頻率下的32位PowerPC內(nèi)核可提供超過680?DMIPS的性能。由于處理器簡化了設(shè)計,所用的芯片面積也非常小。例如,一個高效的設(shè)計僅使用了Xilinx?2VP50器件中不到2%的片芯面積。

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華清遠見(www.farsight.com.cn)是國內(nèi)領(lǐng)先嵌入師培訓機構(gòu),2004年注冊于中國北京海淀高科技園區(qū),除北京總部外,上海、深圳、成都、南京、武漢、西安、廣州均有直營分公司。華清遠見除提供嵌入式相關(guān)的長期就業(yè)培訓、短期高端培訓、師資培訓及企業(yè)員工內(nèi)訓等業(yè)務(wù)外,其下屬研發(fā)中心還負責嵌入式、Android及物聯(lián)網(wǎng)方向的教學實驗平臺的研發(fā)及培訓教材的出版,截止目前為止已公開出版70余本嵌入式/移動開發(fā)/物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)圖書。企業(yè)理念:專業(yè)始于專注 卓識源于遠見。企業(yè)價值觀:做良心教育、做專業(yè)教育,更要做受人尊敬的職業(yè)教育。