SOPC技术现状前景及理解

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1、宁 波 工 程 学 院实验题目SOPC 技术现状前景及理解学院名称：电子与信息工程学院专业：电信 102 嵌入式方向学生姓名：石子良10401180227 指导教师：郑德春SOPC(System On Programmable Chip)即可编程的片上系统，或者说是基于 大规模 FPGA 的单片系统。 SOPC 的设计技术是现代计算机辅助设计技术、EDA技 术和大规模集成电路技术高度发展的产物。SOPC技术是将尽可能大而完整的电 子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速系统、DSP系 统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一FPGA 中嵌入实现。 大量采用 IP

2、复用、软硬件协同设计、自顶向下和自底向上混合设计的方法，边 设计、边调试、边验证 , 原本需要写上几千行的VHDL 代码的功能模块，通过 嵌入 IP 核后，只需几十行C代码即可实现。因此，可以使得整个设计在规模、 可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬 件升级等多方面实现最优化。 传统的设计技术已经很难满足系统化、网络化、高速度、低功耗、多媒体等 实际需求， SOPC （片上可编程系统）可将处理器、存储器、外设接口和多层次用 户电路等系统设计需要的功能模块集成到一块芯片上，因其灵活、 高效、设计可 重用特性，已经成为集成电路未来的发展方向，广泛应用到汽车、军事、

3、航空航 天、广播、测试和测量、消费类电子、无线通信、医疗、有线通信等领域。 SOPC技术是一门全新的综合性电子设计技术，涉及面广。因此在知识构成 上对于新时代嵌入式创新人才有更高的要求，除了必须了解基本的EDA软件、硬 件描述语言和 FPGA 器件相关知识外，还必须熟悉计算机组成与接口、汇编语言 或 C语言、DSP 算法、数字通信、嵌入式系统开发、 片上系统构建与测试等知识。 显然，知识面的拓宽必然推动电子信息及工程类各学科分支与相应的课程类别间 的融合，而这种融合必将有助于学生的设计理念的培养和创新思维的升华。SOPC 是一种灵活、高效的SoC解决方案。它将处理器、存储器、I/O 口、 LV

4、DS等系统需要的功能模块集成到一个PLD器件上，构成一个可编程的片上系 统。它 是 PLD与 SOC 技术融合的结果。由于它是可编程系统，具有灵活的设计 方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件可编程的功能。这种基于PLD 可重构 SoC的设计技术不仅保持了SoC以系统为中心、基于IP 模块多层次、高 度复用的特点 , 而且具有设计周期短、风险投资小和设计成本低的优势。相对 ASIC 定制技术来说 , FPGA 是一种通用器件 , 通过设计软件的综合、分析、裁 减，可灵活地重构所需要的嵌入式系统。 SOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计 技术的全部内容， 除了以处理器和实时多任务操作系统（RT

5、OS ）为中心的软件设 计技术、以 PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SOPC 还涉 及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。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，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。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx 公司的片内逻辑分析ChipScopeILA 就是一种价廉物美的片内实时调试工具。SOPC 技术主要应用以下三个方向： （1）基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的应用。这种SOPC 系统是指在 FP

6、GA 中预先植入处 理器。这使得 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。 （2）基于 FPGA 嵌入 IP 软核的应用。这种SOPC 系统是指在 FPGA 中植入软核处 理器，如： NIOSII 核等。用户可以根据设计的要求，利用相应的EDA工具，对NIOSII 及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源 占用等方面全面满足用户系统设计的要求。 （3）基于 HardCopy技术的应用。这种 SOPC 系统是指将成功实现于FPGA 器件上 的 SOPC 系统通过特定的技术直接向ASIC转化。把大容量 FPGA 的灵活性和

7、 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，避开 了直接设计 ASIC的困难。SOPC 的发展现状 SOPC 是一个融合体：融合了SOC和 FPGA的技术，同时也在ASIC和可编程 器件之间找到一个折衷点, 未来很难预测。几家主要的可编程器件厂商都相继推 出了自己的 SOPC 产品，它们各有特点。 SOPC 中一个重要的部件是CPU ，因为没有这个大脑，也就谈不上SOPC 了。 围绕着这个 CPU ，各个厂家各出其招 . 首先是软核的方案， Altera成功推出 Nios 和 Nios II ，在 Cyclone 等系列上得到了广泛的应用；Xilinx也不甘

8、落后，推出 了 MicroBlaze ，新的系列产品都支持这个CPU 。在 SOPC 中使用软核的好处不言 而喻，和普通 SOC 中使用软核有异曲同工之处。 一方面给使用者带给了设计上的 灵活性，同时升级到其他系列产品也很方便；几款软核还可以嵌入RTOS 。Nios 还给用户提供了自定义命令的功能。 可以说软核的使用加快了FPGA 市场的普及。 正是因为看到这个市场， CPU 的风云人物 ARM 也不甘落后，也和 Actel 一起推出 了 Cortex-M1，也准备在 FPGA 软核这个市场上大显身手。 接下来看一看硬核的方案。Altera推出的带有硬核的SOPC 是 Excalibur ，

9、它的设计思想是把Apex20KE与一个 ARM922 的 200MHz 集成起来，这个主意看起 来很不错， 但是实际效果并不好。 在 Altera的官方网站上， 已经明确告诉用户， 新的设计不推荐使用这个器件。主要原因应该是产品定位和成本的问题。 Excalibur并不适合做终端产品，因为它太贵了；如果作验证系统的话，他又太 弱了，很多厂家推出专门的FPGA 验证系统。所以看来是市场决定了产品生存。 所以看来 Altera现在的 SOPC 主打产品还是使用NIOS-II 作为 CPU 。 再来看看 Xilinx的硬核方案， Xilinx使用 IBM 的 power PC作为硬核，而且有 的系列

10、还集成了 DSP slice可以说，性能很高，毫无疑问他的产品定位应该主要 是高端的通信，军事，多媒体等领域。Xilinx推出这些产品的一个重要原因， 就是他解决了价格的问题。 因为它使用的是 65nm和 90nm的工艺， 而且采用 ASMBL 技术，所以可以低成本提供高性能的芯片。针对这一趋势，其他的FPGA 大厂， 也会很快推出带有硬核的高性能的SOPC 器件。SOPC 的发展趋势 一直以来 , 在开发一个典型的系统时, 设计人员仍不得不采用各种昂贵的, 分 立的模拟器件配合可编程逻辑器件或者混合信号的ASIC 作为解决方案 . 而 SOPC 是具有所有这些属性的现成部件, 利用它可以方便

11、的选择器件来构成一个系统, 而且可以根据系统的需要对处理器的资源进行裁剪. 此外 , 由于各个器件之间通 过总线的链接是自动生成的, 这就大大缩减了系统的开发周期, 也因此 , 针对于特 定器件 IP 核的设计以及 IP 核的重用成为 SOPC 技术的发展的关键 . 与传统方法相 比,SOPC的设计方法必须有根本的改变, 即从以功能设计为基础的传统流程, 转 变到以功能组装为基础的全新流程. 总之,SOPC技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统, 包括嵌入式处理器系统 , 接口系统 , 硬件协处理器或加速器,DSP 系统, 数字通信系统 , 存储电 路以及普通数字系统等, 在单一可编程片

12、上系统中实现, 使得所设计的系统在规 模, 可靠性 , 体积, 功耗 , 功能, 性能指标 , 上市周期 , 开发成本 , 产品维护及其硬件 升级等多方面实现最优化, 而这也是 SOPC 技术发展的根本方向 . 目前 SOPC 的发展 趋势主要体现在以下四个方面: 一是向更高密度 , 更大容量的千万门系统级方向 迈进; 二是向低成本 , 低电压 , 微功耗 , 微封装和绿色化方向发展; 三是 IP 资源复 用理念将得到普遍认同并成为主要的设计方式; 四是嵌入式处理器IP 将成为 SOPC 的核心 . 对 SOPC 的理解与感想： SOPC是用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上, 来用于嵌入

13、式系统 的研究和电子信息处理 .SOPC是一种特殊的嵌入式系统, 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但它不是简单的SOC, 它也是可编程 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 前提是 SOC 系统, 所以 SOPC 继承着了 SOC 的各种特点 , 而且 SOPC 兼具 这 PLD和 FPGA 的优点，一般概括其特点为: 1. 至少包含一个嵌入式处理器内核 2. 具有小容量片内高速RAM 资源； 3. 丰富的 IPCore 资源可供选择； 4. 足够的片上可编程逻辑资源； 5. 处理器调试接口和FPGA

14、 编程接口； 6. 可能包含部分可编程模拟电路； 7. 单芯片、低功耗、微封装。SOPC 应该是 nios 系统+硬实时部分 +逻辑电路的一个组合体，其中nios 负 责数据管理，通讯，人机交互等实时性相对较低的任务，硬实时部分则是独立 于 nios 系统，充分利用现有IP，用 hdl 语言实现的某些实时性可靠性要求较高 的关键部分， 它可以和 nios 系统通过自定义的接口通讯。至于逻辑电路，这本 就是 fpga 的强项，没啥可说的，做一些接口以及逻辑处理吧。SOPC 技术是新兴 技术，有许多新的概念、设计理念和设计方法，但同时SOPC 技术又有很强的应 用性，而且通过实践可以更好地掌握SOPC 技术。 现如今， SOPC 被称为“半导体产业的未来” 。以 SOPC 为核心的电子产品 , 是 近几年集成电路中发展最快的产品.SOPC将进一步扩大适用领域 , 将复杂专用芯 片挤向高端和超复杂应用. 未来 SOPC 是嵌入式应用的主要形态, 是各相关学科的 交汇点 , 因此只有实现这些学科的相互交融才能实现SOPC 技术的飞跃。