第一讲 、基于SoPC的嵌入式系统设计概述

基于SOPC的嵌入式系统设计概述张新喜二00九年七月主要内容一、嵌入式系统的基本概念二、SOC及SOPC定义三、SOPC技术特征四、SOPC应用实例•基本概念：1.嵌入式系统(EmbeddedSystem)嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础并且软硬件可裁剪（可编程、可重构），适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素：所谓“嵌入性”是指：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境需求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。一、嵌入式系统的基本概念所谓“专用性”是指：对软、硬件的可裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件灵活性的配置。所谓“计算机系统”是指：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的硬件电路。一、嵌入式系统的基本概念早期由分立器件构成嵌入式系统结构使用各种独立的集成电路块（如处理器、RAM、ROM、译码逻辑、接口芯片、专用芯片等），通过印刷电路板上的走线相互连接，构成一个系统。下面是一个典型的嵌入式系统构成：CPUFLASHRAMUARTGPIOFPGACODECDMALCDCoProcessorPCB这种早期嵌入式系统的缺点:1、系统体积大，不利于集成；2、分立器件功耗大，不利于手持及移动应用；3、PCB布线存在寄生电容、电感，影响信号传输；4、PCB板面积大易受电磁干扰，影响系统的稳定性。随着集成电路技术的进一步发展，系统设计正向着系统级芯片(system-on-a-chip，SOC)的方向发展。一、嵌入式系统的基本概念2.片上系统(SOC——SystemonaChip)SOC的定义：它是电子信息集成系统IS（IntegratedSystem）发展趋势下的必然产物。它是将一个完整产品的各功能集成在一个芯片中，可以包括有CPU、存储器、硬件加速单元（DSP、浮点协处理器等）、通用I/O（GPIO）、UART接口和模数混合电路（放大器、比较器、A/D、D/A、射频电路、锁相环等），甚至延伸到传感器、微机电和微光电单元。（如果把CPU看成是大脑，则SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。）二、SOC及SOPC定义由SOC构成嵌入式系统设计:CPUFlashRamUARTCoProcessorCodecDMALCDIP集成CPUFlashRamUARTCoProcessorCodecDMALCDASICSOCPCBSoC初衷很好，但现实中却缺乏好的解决方案。由于是基于ASIC实现SoC系统设计周期长、费用高昂、成功率不高而且产品不能修改显得系统的灵活性差，往往使得学术科研机构、中小企业难以承受。但是SoC以系统为中心、基于IP核的多层次、高度复用，可实现软硬件的无缝结合，极高的综合性。CPUFlashRamUARTCoProcessorCodecDMACon.LCDCon.PCBCPUFlashRamUARTCoProcessorCodecDMACon.LCDCon.FPGASOPCIP集成此方案适合于系统的预研初期，投资小、风险小，可以快速构建原型系统，加速产品上市，提高市场获益。二、SOC及SOPC定义FPGA3.片上可编程系统定义：(SoPC——SystemonaProgrammableChip)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、DSP、各种外设等系统需要的功能模块集成到一个FPGA器件上，构成一个可编程的片上系统。它是PLD与ASIC技术融合的结果。二、SOC及SOPC定义NiosCPUAlteraFPGA10/100EthernetMACVGAControllerSystem-on-a-Programmable-ChipSolution.UARTAlteraSOPCUARTUARTUARTUARTUARTUARTUARTUARTUARTCustomLogicSDRAMUSBControllerSDRAMControllerAvalonSwitchFabricJTAGHostPC二、SOC及SOPC定义协处理器硬件逻辑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。二、SOC及SOPC定义这种灵活的设计方式正在成为一种发展趋势！SOPC技术方案提供商：AlteraXilinxLatticeAtmel…MAX＋PLUSⅡNIOSIDE支持硬核ARM922T支持软核NiosⅡFoundationISEPlatformStudio硬核PowerPC405软核MicroBlazeISP(In—SystemProgrammability)LatticeMico32主要针对中小规模的LPD设计FPSLICCoreMP7（ARM7）Altera于2000年最早提出SOPC解决方案，其软核CPUNIOSⅡ应用最为广泛；二、SOC及SOPC定义QuartusⅡ1.SOPC设计的灵活性与优势提高系统集成度，提高了可靠性，减少了面积，降低了功耗；自定义指令，方便加速特定算法设计；自定义相应总线接口的IPCore，自定义功能及寄存器，提高应用的针对性；硬件可重配置，降低了硬件设计风险；灵活应用DSPBuilder/C_H等软件实现硬件加速设计；三、SOPC技术特征2.SOPC技术的不足：软核CPU系统频率相对较低；某些IPCore需付费使用；开发资源相对较少；硬件设计难度相对较大；三、SOPC技术特征3.SOPC技术基础软硬件协同设计技术；微处理器系统结构设计；IPCore设计技术；HDL硬件逻辑设计技术；嵌入式系统软件技术——嵌入式操作系统、GUI、文件系统三、SOPC技术特征四、SOPC应用实例—电子海报机控制卡主要功能：1、驱动双基色LED屏显示；2、从U盘读取GIF动画文件进行显示；3、具备万年历功能；四、SOPC应用实例—LED屏异步控制卡主要功能：1、驱动双基色LED大屏幕显示；2、滚动显示广告、图表等信息；3、通过485总线远程传递数据；四、SOPC应用实例—智能显控终端四、SOPC应用实例—音频信号分析仪AlteraValueProposition:HighPerformanceforHardwareAccelerationofTransportControlProtocolsNiosIIProvidesGreaterFlexibilityandCustomizationthanOff-the-ShelfProcessorsIndustry:WirelineCommunicationsNetworkAccelerationPlatform网络加速器Application:四、SOPC应用实例—国外商业应用AlteraProductsChosen:Industry:BroadcastProfessionalAudioMixingConsoleApplication:专业音频处理系统AlteraValueProposition:NiosIIProcessorReplacedExistingProcessorsforLowerCost,HigherPerformanceDeviceIntegration夜视摄像头AlteraProductsChosen:AlteraValueProposition:LowerCostSolutionthanDSPProcessorHighIntegration,SmallFormFactorLowPowerIndustry:IndustrialNightVisionCameraApplication:AlteraProductsChosen:AlteraValueProposition:NiosProcessor+LowCostCycloneFPGA=PerfectMicroprocessorSolutionFPGAFlexibilityEnablesAccelerationviaCustomPeripheralsIndustry:IndustrialWirelessEnergyConsumptionMeterApplication:无线抄表系统3.基于AlteraFPGA的SOPC设计流程及设计工具3.可编程器件设计环境可编程器件设计环境是开发SoPC的关键，只有通过软件的综合、分析、剪裁才能重构所需要的集成系统。另外目前的开发环境都已集成了在线仿真和在线测试的模式，而使得利用软件编程手段就能完成对SoPC的设计。因此，合理的选择一个功能强大、界面完整、输入方便的可编程、可重构的SoPC设计环境是走向成功的第一步。AlteraXilinxLatticeAtmel…MAX＋PLUSⅡQuartusⅡ支持硬核ARM922T支持软核NiosⅡFoundationISEPlatformStudio硬核PowerPC405软核MicroBlazeISP(In—SystemProgrammability)IspLever主要针对中小规模的LPD设计FPSLICAT94KAT94SQuartusⅡ软件设计平台SOPC设计工具1.QuartusIIQuartusII是近年来由Altera公司的推出的一套用于FPGA的集成开发环境。完成系统的输入、综合、布局、仿真、编程等。2.SOPCBuilderSOPCBuilde:为设计者提供了一个强大的可以快速开发设计及验证的SOPC系统设计平台，用以搭建基于总线的系统。它包含了一系列的模块，例如NiosII处理器、存储器、总线、DSP等IP核，为了将微处理器核、外围设备、存储器和其它IP核相连接起来，SOPCBuilde能够自动生成片上Avalon总线和总线了仲裁器等所需的逻辑。SOPC设计工具3.NIOSIDENIOSIDE（NIOSIntegratedDevelopEnvironment），是Altera公司提供的专门开发SOPC软件的集成开发环境，它提供了一系列的管理工具，能完成对软件项目的管理，并能够完成对源代码进行编辑、编译、连接、调试、下载等功能。同时，NIOSIDE还集成了许多软件组件，比如RTOS、LWIP、FS等软件组件，并提供了图形化的参数编辑方式。基于这个平台可以方便地进行应用SOPC应用软件的设计。SOPC由于硬件和软件都必须自己设计和定制，它与传统的嵌入式系统设计流程不同；在传统的嵌入式系统开发中，其主控芯片一般是专用的集成电路，其结构是固定的，比如ARM系列的4510、44B0X、2410等等，这种控制器的外设已经设计好，而且地址都已经固定，设计人员只要关心PCB设计和软件开发。对于SOPC的开发，设计人员必须同时关注片内硬件逻辑的设计和应用软件的设计。SOPC设计流程自定义外设、指令定义Nios系统模块生成Nios系统模块锁定引脚、硬件编译、仿真开发自定义IP驱动程序、定义HALOS移植编写应用程序编译\连接\调试生成System.h硬件下载到SOPC板软件下载到SOPC板设计规则、软硬件划分硬件开发软件开发软硬件协同验证SOPC系统实现NIOSIDESOPCBuilderQuartusIIThankyou!CPUFlashRamUARTCoProcessorCodecDMACon.LCDCon.FPGAIP集成传统需要高速数据处理的场合，一般采用MCU+FPGA的方式，应用SOPC技术可在单片FPGA内完成。PCBMCUFPGA+DSP三、SOPC技术特征用户自定义指令CustomInstructions256User-DefinedInstructionsExample:CRCAlgorithm(64Kbytes)05,000,00010,000,00015,00