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1、可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术第四部分：第四部分：SoPC技术基础技术基础北京理工大学雷达技术研究所陈禾可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术SoPC技术概述?SoPC是SoC?SoPC是可编程片上系统（System on Programmable Chip）,首先它是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设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计 技术的全部内容，除了以处理器和RTOS为中 心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析
2、 为基础的高速电路设计技术以外，SoPC还涉 及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术SoPC是SoC设计方法的革命?以往的SoC设计依赖于固定的ASIC。其设计方 法通常采用全定制和半定制电路设计方法，开 发周期变长，开发费用。?SoC的设计往往会包含处理器模块，从而使其 更加复杂。如果包含多个处理器构成并行处理 系统的话，复杂程度还会进一步增加。这时， 这些处理器的强大功能和高速运算将使得集成 后的模块验证非常复杂。此外，当SoC采用处 理器后，嵌入式软件的设计也被集成到了SoC 的设计流程中，这就使得SoC的设计需要面临 软件问题
3、。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术SoPC是SoC设计方法的革命?与ASIC比较起来，可编程逻辑器件(PLD)，尤 其是平台级FPGA，设计起来灵活便捷，不仅 性能、速度、连接具有优势，而且可以缩短上 市时间。现代平台级FPGA各自的优点，一般 具备以下基本特征：?可以包含一个以上的嵌入式处理器IP核；?具有片内高速RAM资源和丰富的IP核资源可供灵活 选择；?足够的片上可编程逻辑资源，可能还包含部分可编 程模拟电路；?处理器调试接口和FPGA编程接口共用或并存；?单芯片、低功耗、微封装。?在半导体领域中，FPGA呈现出一枝独秀的增 长态势，越来越多地成为系统级芯片设计
4、的首 选。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术SoPC的IP核资源?SoPC技术中以Nios和MicroBlaze为代表的 RISC处理器软IP核、各种标准外设软硬IP核以 及用户以HDL语言开发的逻辑部件可以最终综 合到一片FPGA芯片中，实现真正的可编程片 上系统。?如Altera公司最新推出的NiosII可以嵌入到Altera 公司的StratixII、Stratix、Cyclone、CycloneII 等系列可编程器件中，也可以订制为HardCopy芯 片。用户可以获得超过200DMIPS的性能，而只需 花费不到35美分的逻辑的资源。用户可以从三种规 模的Nios处
5、理器以及超过60个的IP核中选择所需要 的，设计师可以以此来创建一个最适合他们需求的 嵌入式系统。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术SoPC的IP核资源?SoPC技术的另一个重要分支是嵌入硬核。集 高密度逻辑(FPGA)、存储器(SRAM)及嵌入式 处理器(ARM/PPC)于单片可编程逻辑器件上， 实现了高速度与编程能力的完美结合。如 Altera公司的EPXA10芯片内部集成了工作频 率可达200MHZ的ARM922T 处理器、100万 门可编程逻辑、3MB的内部RAM以及512个可 编程I/O管脚，可以通过嵌入各种IP核实现多 种标准工业接口，如PCI、USB等。可编
6、程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术SoPC的IP核资源?可重用IP大量应用在SoPC的设计之中，基于 应用需求、规范协议和行业标准的不同，IP Core的内容也是千差万别的。除了购买使用现 有的IP资源外，设计者可能还需要自己进行IP 的设计，一般地，为了使IP Core易于访问和 易于集成，并具有良好的复用性，其设计必须 严格按照“设计复用方法学(Reuse Methodology)”的要求，按照一定的规范和准 则进行设计。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术SoPC技术是SoC技术和FPGA技术的发展趋势?SoPC技术是PLD技术优势的一种新延伸，即用
7、 PLD技术，特别是FPGA技术把一个系统集成 在单个硅片上。现代高密度现场可编程逻辑器 件FPGA，其设计性能及性价比已完全能够与 ASIC抗衡。Xilinx公司的高性价比FPGA产品 Virtex-4和Spartan-3使得可编程片上系统 SoPC的设计成为现实。Pataguest公司预测， 在今后5年内，SoPC市场将达30亿美元。 Alltera公司特别看好可编程SoC市场，认为 SoPC是半导体产业的未来。世界顶级PLD制造 商如Xilinx，Altera，Atmel和Quick Logic等 公司都已推出可编程SoC芯片。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术So
8、PC技术是SoC技术和FPGA技术的发展趋势?同系统级芯片SoC设计比较而言，SoPC在缩 短产品上市时间以及节省成本等方面的优势是 非常明显的。与此同时，SoC面向ASIC设计流 程，而SoPC则面向可编程逻辑器件设计流 程，因而SoPC具有最低的风险。SoPC中的存 储器总量可以是变化的，而在ASIC应用场合存 储器总量则是固定不变的，因而修正SoPC设 计错误的成本就要低得多，这种修改避免了 SoC硅片的反复制造。?由上面的叙述可以看出，FPGA以不断增加的 逻辑密度、性能、特性和较低廉的器件成本进 行竞争，必将推动SoC的设计进入片上可编程 系统SoPC的新纪元。可编程逻辑器件与可编程
9、逻辑器件与VHDL设计技术设计技术SoPC开发环境介绍?在SoC设计中，一般都含有微处理器，必须有应 用程序完成数字计算、信号处理变换、控制决策 等功能。因此，在设计的前期，需要进行软、硬 件协同设计，以便确定哪些功能是由硬件完成 的，哪些功能是由软件完成的，并且进行适当划 分。在设计的中后期，要进行软硬件协同验证， 即把软硬件设计放到一个虚拟的集成环境中进行 仿真验证，以便验证硬件的性能是否达到设计目 标，软件功能是否实现设计要求。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术SoPC开发环境介绍?根据SoC设计流程、SoPC自身的特点以 及硬件协同设计的一般流程，可以把基于 So
10、PC的系统芯片的集成设计环境归纳为 三个层次。这个集成环境是一种典型的软 硬协同设计集成环境(或平台)，是由三个 不同层次、不同功能的EDA集成设计环境 组成。下面结合Xilinx和Altera两大SoPC 厂商的开发工具对这三个层次进行说明可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术系统级设计环境?第一层次是系统级设计环境，主要用于完成 SoPC的系统级设计。?首先，需要根据客户的要求，进行系统的功能定义和 性能评估，以便确定系统规约。?其次，根据已经确定的系统规约，应用系统级描述语 言(C+或System C等)进行系统设
11、计描述与设计验 证，以便确定所定义的系统规格在功能上是否可以实 现。?再次，在证明了系统规约上可以实现后，进行系统软 硬件功能划分，以便确定系统的哪些功能是由软件系 统完成的、哪些功能是由硬件系统完成的、哪些功能 需要软硬件协同完成，对于既可以通过软件系统完成 也可以通过硬件系统完成的功能，需要进行性能与成 本的评估。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术系统级设计环境可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术系统级设计环境?进行系统设计与验证可以使用各种权威的工具软 件，如Cadence公司的viatual Component Co-Design（VCC）、S
12、ynopsys公司的 CoCentric、Cadence公司的Processing Worksystem、Synopsys公司的COSSAP等。?System-Generator和DSP-Builder分别是 Xilinx和Altera公司的DSP系统生成工具，可以 用来进行DSP算法的硬件设计实现。DSP系统生 成器提供了高性能的运行环境，可看成是 Simulink的一个程序包，能自动把在Matlab和 Simulink上生成的系统设计翻译成可靠的、可综 合的和有效的硬件网表。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术软硬件系统设计环境?第二层次的EDA集成设计环境是SoPC硬
13、 件系统和软件系统设计环境，主要用于 完成SoPC的软硬件系统设计。根据系统 级设计中的功能划分，分别进行SoPC的 硬件系统设计和软件系统设计，硬件系 统设计和软件系统设计是并行进行的。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术软硬件系统设计环境?硬件系统通常包括：?DSP系统生成器生成的硬件模块。指由DSP Generator 或DSP Builde生成的硬件模块，一般是算法映射出来的 纯粹的硬件模块，不运行软件。在复杂设计方面，DSP Generator和DSP Builder是利用可编程硬件逻辑实现数 字信号处理算法的强大工具。?处理器(CPU/DSP)硬件模块。处理器硬
14、件模块件指软件 运行的硬件平台，用于运行系统软件或应用软件。通常由 厂家提供的嵌入式系统开发工具生成，如Xilinx的EDK和 Altera的SOPC Builer。?用户自定义硬件模块和其它IP模块。前两种途径不能提供 的功能，由用户自行使用HDL语言进行开发相应的硬件模 块，或使用厂商提供的IP核实现。?在软件系统设计中，通常使用SoPC厂商提供的软件集 成开发工具，如Xilinx的EDK环境，Altera的NiosII环 境和ARM的ADS或Realview环境，也会使用标准的 GNU工具。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术软硬件系统开发环境.可编程逻辑器件与可编程
15、逻辑器件与VHDL设计技术设计技术系统调试与测试环境?第三层次是SoPC系统的调试与测试环境。由于 SoPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部 进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域 中，传统的调试设备已很难进行直接测试分析。 因此，也必将对以仿真技术为基础的软硬件协同 设计技术提出更高的要求，使新的调试技术不断 涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪Chip Scope Pro和Altera公司的SignalTapII。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术调试测试环境可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术SoPC开发环境介绍?综上所述，基于可
16、编程片上系统(SoPC) 的嵌人式系统集成设计环境是一个相当复 杂的集成EDA开发环境。常见的SoPC集 成化EDA开发套件，如Alterra公司和 Xilinx公司的工具套件，它们的集成化程 度虽然较高，但也难以达到图 所示的集成 化程度。因此，需要系统设计设计者根据 现有的商用化EDA工具构建这样的集成设 计环境。相信在不久的将来，将会推出类 似的集成EDA工具环境。可编程逻辑器件与可编程逻辑器件与VHDL设计技术设计技术基于FPGA的IP设计技术概述?IP的含义与分类?IP（Intellectual Property）即知识产权。在集成电路 设计中，IP指可以重复使用的具有自主知识产权功能的集 成电路设计模块。基于IP的SoC设计具有易于增加新功能 和缩短上市时间的显著特点，是IC设计当前乃至今后若干 年的主流设计方式。?按照设计层次的不同，IP核可以分为三种：软核（Soft Core）、固核（Firm Core）和硬核（Hard Core）。?IP技术是针对可复用的设计而言的，其本质特征是 功能模块的可复用性。IP通常满足以下基本特征： 一是通用性好，二是正确性
