可編程片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、可編程片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容概述本章主要對(duì)片上可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹：在片上可編程系統(tǒng)概述部分介紹了軟核和硬核處理器，以及片上可編程系統(tǒng)的發(fā)展背景和片上可編程系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)；在片上可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法部分介紹了片上可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程、通用片上可編程系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)和專用片上可編程系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)；在片上可編程系統(tǒng)芯片部分介紹了Xilinx公司支持片上可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要芯片的種類和性能?？删幊唐舷到y(tǒng)設(shè)計(jì)基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray,FPGA）的SOPC（System-on-a-chip），包含嵌入式的軟核或硬核處理器、存儲(chǔ)器和硬件

2、加速器。SOPC的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)者提供了設(shè)計(jì)高性能嵌入式系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)的條件?？删幊唐舷到y(tǒng)設(shè)計(jì)-軟核及硬核處理器SOPC嵌入式處理器分為軟核和硬核處理器兩類。Xilinx提供了將物理的處理其核集成到FPGA硅片上的硬核處理器產(chǎn)品。一個(gè)處理器使用專門的硅片實(shí)現(xiàn)稱為硬核處理器，比如：1）Xilinx將PowerPC硬核集成到Virtex-IIPro到Virtex-5系列的FPGA芯片中。2）ARMCortex-A9硬核集成到Zynq系列的FPGA芯片中。軟核處理器是通過使用FPGA的通用邏輯實(shí)現(xiàn)的。軟核處理器通過HDL語言或網(wǎng)表進(jìn)行描述的。軟核處理器必須進(jìn)行綜合才能使用?？删幊唐?/p>

3、上系統(tǒng)設(shè)計(jì)-軟核及硬核處理器在基于軟核和硬核處理器的SOPC系統(tǒng)中，本地存儲(chǔ)器、處理器總線、內(nèi)部外設(shè)、外設(shè)控制器和存儲(chǔ)器控制器必須使用FPGA的通用邏輯實(shí)現(xiàn)。下面給出Xilinx公司的軟核和硬核處理器的性能?？删幊唐舷到y(tǒng)設(shè)計(jì)-可編程片上系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展由于持續(xù)的要求嵌入式系統(tǒng)具有更多的功能、更好的性能和靈活性，因此傳統(tǒng)上的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不適應(yīng)這種要求。當(dāng)設(shè)計(jì)人員試圖通過高性能的嵌入式處理器得到更高的性能時(shí)，遇到了吞吐量和性能方面的限制，而這種限制源于系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的瓶頸，以及存儲(chǔ)器帶寬的限制?，F(xiàn)在解決問題的方法是“專用”，即對(duì)某個(gè)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用使用專門的解決方法。比如，數(shù)字信號(hào)

4、處理器DSP用于解決某一類專門的數(shù)字信號(hào)處理。對(duì)于一些高容量的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可能還需要專門開發(fā)ASIC芯片。可編程片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)-可編程片上系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在FPGA廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。因此，很多FPGA廠商將專用的嵌入式處理器Power、ARM等嵌入到了FPGA芯片中。這種集成了嵌入式處理器的FPGA芯片被定義成FPGA的平臺(tái)。這種基于FPGA的嵌入式平臺(tái)提供了一個(gè)靈活的解決方案。在這個(gè)解決方案中，一個(gè)單FPGA芯片上提供了大量不同的IP軟核和硬核資源。這些固件和硬件可以在任何時(shí)間進(jìn)行升級(jí)。這種可編程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，而同一平臺(tái)能應(yīng)用在很多領(lǐng)域，提高

5、了平臺(tái)的資源復(fù)用率。可編程片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)-可編程片上系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展這種結(jié)構(gòu)同時(shí)還使設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量和開發(fā)周期，提供前所未有的軟件和硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的靈活性，這種靈活性主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員能夠權(quán)衡軟件和硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法。這種協(xié)同性不同于傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)，雖然以前也使用軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，但是在實(shí)現(xiàn)級(jí)別上基本上還是使用大量的分離的設(shè)計(jì)流程。比如，硬件設(shè)計(jì)人員制定硬件設(shè)計(jì)規(guī)范，軟件設(shè)計(jì)人員制定軟件設(shè)計(jì)規(guī)范。這樣就導(dǎo)致對(duì)問題截然不同的理解，而且對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了很高的要求?？删幊唐舷到y(tǒng)設(shè)計(jì)-可編程片上系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展更進(jìn)一步的說，F(xiàn)PGA平臺(tái)，即SOPC集成了傳統(tǒng)的軟

6、核和硬核處理器、片上總線、大量不同的I/O設(shè)備和借口標(biāo)準(zhǔn)、定制的硬件加速處理器，以及混合的定制的總線或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的性能?？删幊唐舷到y(tǒng)設(shè)計(jì)-可編程片上系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展在SOPC的層次上，F(xiàn)PGA的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)大大擴(kuò)寬了，它不再是傳統(tǒng)意義上用于連接不同接口設(shè)備的“連接邏輯”。由于FPGA的容量和性能不斷提高，因此它就逐步地變成嵌入式系統(tǒng)的中心。FPGA容量不斷提高，已經(jīng)將嵌入式處理器和大量I/O集成在FPGA芯片內(nèi)。當(dāng)FPGA發(fā)展到SOPC的階段后，設(shè)計(jì)的復(fù)雜度也不斷的提高，硬件和軟件設(shè)計(jì)在FPGA平臺(tái)上都顯得十分重要。而且由于FPGA集成了片上總線和存儲(chǔ)器，

7、因此也需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的經(jīng)驗(yàn)?？删幊唐舷到y(tǒng)設(shè)計(jì)-可編程片上系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展在SOPC階段，設(shè)計(jì)已經(jīng)從以硬件描述語言HDL為中心的硬件設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換到了以C語言進(jìn)行功能描述為中心。所以就形成了以C語言描述SOPC的功能，而用HDL語言描述硬件的具體實(shí)現(xiàn)方法。這也是和傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大的區(qū)別，即軟件和硬件的真正的協(xié)同設(shè)計(jì)?？删幊唐舷到y(tǒng)設(shè)計(jì)-可編程片上系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)作為新的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)，使用SOPC進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：1、定制基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員可以很