SOPC技術現(xiàn)狀前景及理解

1、精品好資料學習推薦寧波工程學院實 驗題目 SOPC技術現(xiàn)狀前景及理解 學院名稱：電子與信息工程學院專業(yè)：電信102 嵌入式方向 學生姓名：石子良 10401180227指 導 教 師：鄭德春 SOPC(System On Programmable Chip)即可編程的片上系統(tǒng)，或者說是基于大規(guī)模FPGA的單片系統(tǒng)。SOPC的設計技術是現(xiàn)代計算機輔助設計技術、EDA技術和大規(guī)模集成電路技術高度發(fā)展的產物。SOPC技術是將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)，包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、存儲電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)等，在單一FPGA中嵌入實現(xiàn)。大量采用IP復用

2、、軟硬件協(xié)同設計、自頂向下和自底向上混合設計的方法，邊設計、邊調試、邊驗證原本需要寫上幾千行的VHDL代碼的功能模塊，通過嵌入IP核后，只需幾十行C代碼即可實現(xiàn)。因此，可以使得整個設計在規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標、上市周期、開發(fā)成本、產品維護及其硬件升級等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化。傳統(tǒng)的設計技術已經很難滿足系統(tǒng)化、網絡化、高速度、低功耗、多媒體等實際需求，SOPC（片上可編程系統(tǒng)）可將處理器、存儲器、外設接口和多層次用戶電路等系統(tǒng)設計需要的功能模塊集成到一塊芯片上，因其靈活、高效、設計可重用特性，已經成為集成電路未來的發(fā)展方向，廣泛應用到汽車、軍事、航空航天、廣播、測試和測量、消費類電子

3、、無線通信、醫(yī)療、有線通信等領域。SOPC技術是一門全新的綜合性電子設計技術，涉及面廣。因此在知識構成上對于新時代嵌入式創(chuàng)新人才有更高的要求，除了必須了解基本的EDA軟件、硬件描述語言和FPGA器件相關知識外，還必須熟悉計算機組成與接口、匯編語言或C語言、DSP算法、數(shù)字通信、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、片上系統(tǒng)構建與測試等知識。顯然，知識面的拓寬必然推動電子信息及工程類各學科分支與相應的課程類別間的融合，而這種融合必將有助于學生的設計理念的培養(yǎng)和創(chuàng)新思維的升華。SOPC 是一種靈活、高效的SoC解決方案。它將處理器、存儲器、I/O口、LVDS等系統(tǒng)需要的功能模塊集成到一個PLD器件上，構成一個可編程的片

4、上系統(tǒng)。它 是PLD與SOC技術融合的結果。由于它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件可編程的功能。這種基于PLD可重構 SoC的設計技術不僅保持了SoC以系統(tǒng)為中心、基于IP模塊多層次、高度復用的特點,而且具有設計周期短、風險投資小和設計成本低的優(yōu)勢。相對ASIC 定制技術來說 , FPGA是一種通用器件, 通過設計軟件的綜合、分析、裁減，可靈活地重構所需要的嵌入式系統(tǒng)。 SOPC設計技術涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設計技術的全部內容，除了以處理器和實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設計技術、以PCB和信號完整性分析為基礎的高速電路設計技術以外，SOPC還涉及目

5、前以引起普遍關注的軟硬件協(xié)同設計技術。由于SOPC的主要邏輯設計是在可編程邏輯器件內部進行，而BGA封裝已被廣泛應用在微封裝領域中，傳統(tǒng)的調試設備已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術為基礎的軟硬件協(xié)同設計技術提出更高的要求。同時，新的調試技術也已不斷涌現(xiàn)出來，如Xilinx公司的片內邏輯分析ChipScopeILA就是一種價廉物美的片內實時調試工具。SOPC技術主要應用以下三個方向：（1）基于FPGA嵌入IP硬核的應用。這種SOPC系統(tǒng)是指在FPGA中預先植入處理器。這使得FPGA靈活的硬件設計與處理器的強大軟件功能有機地結合在一起，高效地實現(xiàn)SOPC系統(tǒng)。（2）基于FPGA嵌入IP

6、軟核的應用。這種SOPC系統(tǒng)是指在FPGA中植入軟核處理器，如：NIOSII核等。用戶可以根據(jù)設計的要求，利用相應的EDA工具，對NIOSII及其外圍設備進行構建，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結構、功能特點、資源占用等方面全面滿足用戶系統(tǒng)設計的要求。（3）基于HardCopy技術的應用。這種SOPC系統(tǒng)是指將成功實現(xiàn)于FPGA器件上的SOPC系統(tǒng)通過特定的技術直接向ASIC轉化。把大容量FPGA的靈活性和ASIC的市場優(yōu)勢結合起來，實現(xiàn)對于有較大批量要求并對成本敏感的電子產品，避開了直接設計ASIC的困難。SOPC的發(fā)展現(xiàn)狀SOPC是一個融合體：融合了SOC和FPGA的技術，同時也在ASIC和可編程器

7、件之間找到一個折衷點,未來很難預測。幾家主要的可編程器件廠商都相繼推出了自己的SOPC產品，它們各有特點。SOPC中一個重要的部件是CPU，因為沒有這個大腦，也就談不上SOPC了。圍繞著這個CPU，各個廠家各出其招.首先是軟核的方案，Altera成功推出Nios和Nios II，在Cyclone等系列上得到了廣泛的應用；Xilinx也不甘落后，推出了MicroBlaze，新的系列產品都支持這個CPU。在SOPC中使用軟核的好處不言而喻，和普通SOC中使用軟核有異曲同工之處。一方面給使用者帶給了設計上的靈活性，同時升級到其他系列產品也很方便；幾款軟核還可以嵌入RTOS。Nios還給用戶提供了自定

8、義命令的功能。可以說軟核的使用加快了FPGA市場的普及。正是因為看到這個市場，CPU的風云人物ARM也不甘落后，也和Actel一起推出了Cortex-M1，也準備在FPGA軟核這個市場上大顯身手。接下來看一看硬核的方案。Altera推出的帶有硬核的SOPC是Excalibur，它的設計思想是把Apex20KE與一個ARM922的200MHz集成起來，這個主意看起來很不錯，但是實際效果并不好。在Altera的官方網站上，已經明確告訴用戶，新的設計不推薦使用這個器件。主要原因應該是產品定位和成本的問題。Excalibur并不適合做終端產品，因為它太貴了；如果作驗證系統(tǒng)的話，他又太弱了，很多廠家推出

9、專門的FPGA驗證系統(tǒng)。所以看來是市場決定了產品生存。所以看來Altera現(xiàn)在的SOPC主打產品還是使用NIOS-II作為CPU。再來看看Xilinx的硬核方案，Xilinx使用IBM的power PC作為硬核，而且有的系列還集成了DSP slice可以說，性能很高，毫無疑問他的產品定位應該主要是高端的通信，軍事，多媒體等領域。Xilinx推出這些產品的一個重要原因，就是他解決了價格的問題。因為它使用的是65nm和90nm的工藝，而且采用ASMBL技術，所以可以低成本提供高性能的芯片。針對這一趨勢，其他的FPGA大廠，也會很快推出帶有硬核的高性能的SOPC器件。SOPC的發(fā)展趨勢一直以來,在開

10、發(fā)一個典型的系統(tǒng)時,設計人員仍不得不采用各種昂貴的,分立的模擬器件配合可編程邏輯器件或者混合信號的ASIC作為解決方案.而SOPC是具有所有這些屬性的現(xiàn)成部件,利用它可以方便的選擇器件來構成一個系統(tǒng),而且可以根據(jù)系統(tǒng)的需要對處理器的資源進行裁剪.此外,由于各個器件之間通過總線的鏈接是自動生成的,這就大大縮減了系統(tǒng)的開發(fā)周期,也因此,針對于特定器件IP核的設計以及IP核的重用成為SOPC技術的發(fā)展的關鍵.與傳統(tǒng)方法相比,SOPC的設計方法必須有根本的改變,即從以功能設計為基礎的傳統(tǒng)流程,轉變到以功能組裝為基礎的全新流程.總之,SOPC技術的目標就是試圖將盡可能大而完整的電子系統(tǒng),包括嵌入式處理器

11、系統(tǒng),接口系統(tǒng),硬件協(xié)處理器或加速器,DSP系統(tǒng),數(shù)字通信系統(tǒng),存儲電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)等,在單一可編程片上系統(tǒng)中實現(xiàn),使得所設計的系統(tǒng)在規(guī)模,可靠性,體積,功耗,功能,性能指標,上市周期,開發(fā)成本,產品維護及其硬件升級等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化,而這也是SOPC技術發(fā)展的根本方向.目前SOPC的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下四個方面:一是向更高密度,更大容量的千萬門系統(tǒng)級方向邁進;二是向低成本,低電壓,微功耗,微封裝和綠色化方向發(fā)展;三是IP資源復用理念將得到普遍認同并成為主要的設計方式;四是嵌入式處理器IP將成為SOPC的核心.對SOPC的理解與感想：SOPC是用可編程邏輯技術把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上,來

12、用于嵌入式系統(tǒng)的研究和電子信息處理.SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng),它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能但它不是簡單的SOC,它也是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，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。 SOPC前提是SOC系統(tǒng),所以SOPC繼承著了SOC的各種特點,而且SOPC兼具這PLD和FPGA的優(yōu)點，一般概括其特點為:1. 至少包含一個嵌入式處理器內核2. 具有小容量片內高速RAM資源；3. 豐富的IPCore資源可供選擇；4. 足夠的片上可編程邏輯資源；5. 處理器調試接口和FPGA編程接口；6. 可能包含部分可編程模擬電路；7. 單芯片、低功耗、微封裝。SOPC應該是nios系統(tǒng)+硬實時部分+邏輯電路的一個組合體，其中nios負責數(shù)據(jù)管理，通訊，人機交互等實時性相對較低的任務，硬實時部分則是 獨立于nios系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)有IP，用hdl語言實現(xiàn)的某些實時性可靠性要求較高的關鍵部分，它可以和nios系統(tǒng)通過自定義的接口通訊。至于邏輯電 路，這本就是fpga的強項，沒啥可說的，做一些接口以及邏輯處理吧。SOPC技術是新興技術，有許多新的概