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1、第20卷增刊Vol20Suppl.全國高等學(xué)校電子技術(shù)研究會論文集2010年7月Jul2010基于FPGA的SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)白英良雷飛徐萍萍(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院,北京100022)摘要:簡單介紹了SOC發(fā)展?fàn)顩r,并針對altera公司FPGA的解決方案SOPC進(jìn)行重點(diǎn)分析,重點(diǎn)介紹和分析了基于Nios處理器的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)流程以及相關(guān)軟件。關(guān)鍵詞:片上可編程系統(tǒng);SOPC;Nios;軟核;FPGA中圖分類號:TP11文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1673-7938(2010)增刊-0
2、001-030引言口)集成在單一芯片上面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。目前,在信息化技術(shù)在高速發(fā)展中,嵌入式系統(tǒng)可編程片上系統(tǒng)(SOPC)是一種相對來說比較特殊扮演的角色越來越重要。嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技的嵌入式系統(tǒng):首先它是片上系統(tǒng)(SOC),即由單個術(shù)為基礎(chǔ)、以應(yīng)用為中心、軟硬件可裁剪同時可以對芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能;其次,它是可編成本、體積、功耗、可靠性等性能專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),是程系統(tǒng)。同時具有靈活的設(shè)計(jì)方式,可裁減、可擴(kuò)將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各充、可升級,并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著集成電路工SOPC的特點(diǎn)是它結(jié)
3、合了SOC和PLD、FPGA各自藝技術(shù)的發(fā)展和集成度的大幅度提高,嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)?；贔PGA的SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件開開始由板級向芯片級發(fā)展。稱之為片上系統(tǒng)SOC發(fā)和軟件開發(fā)兩部分,圖1所示是其開發(fā)流程圖。(SystemOnaChip),并進(jìn)一步發(fā)展為片上可編程系統(tǒng)SOPC(SystemOnaProgrammableChip)。SOPC是Altera公司提出并成功實(shí)現(xiàn)的一種靈活、高效的SOC解決方案,該方案代表了SOC未來的發(fā)展方向。SOPC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要分為三種:基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統(tǒng)、基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)以及基于HardCopy技
4、術(shù)的SOPC系統(tǒng)。其中IP軟核以其低成本、高靈活性、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)獲得了諸多設(shè)計(jì)者的青睞。Nios就是A1tera公司推出的最具代表性的嵌入IP軟核處理器。圖1基于FPGA的SOPC系統(tǒng)開發(fā)流程框圖1SOPC系統(tǒng)特點(diǎn)及開發(fā)流程硬件開發(fā)主要是創(chuàng)建Nios軟核的系統(tǒng),用來SOC稱為系統(tǒng)級芯片,它是一個產(chǎn)品,是一個作為應(yīng)用程序運(yùn)行的平臺。具體來說,就是利用有專用目標(biāo)的集成電路,其中包含完整系統(tǒng)并有嵌SOPCBuilder工具從Nios開發(fā)套件的設(shè)備列表中入軟件的全部內(nèi)容。同時它又是一種技術(shù),用以實(shí)選擇合適的CPU、存儲器以及各種外圍器件,并定現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始,到軟/硬件劃
5、分,并完成設(shè)制和配置相應(yīng)的功能,最后生成整個系統(tǒng)。軟件開計(jì)的整個過程。一般將SOC定義為將微處理器、模發(fā)主要是根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的需求,利用C/C++語言擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器(或片外存儲控制接和系統(tǒng)自帶的API函數(shù)來編寫實(shí)現(xiàn)特定功能的程12010年7月北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報第20卷序。這種設(shè)計(jì)中要用到的軟件有Altera公司的基礎(chǔ)平臺。利用相關(guān)的軟件,可以很快地將硬件系Quartus8.0和NiosIDE8.0等。統(tǒng)與常規(guī)軟件集成在單一可編程芯片中。2Nios軟核處理器及系統(tǒng)Nios嵌入式軟核處理器是Altera公司推出的采用哈佛結(jié)構(gòu)、具有32位指令集的第二代片上可
6、編程的軟核處理器,其內(nèi)核的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2Nios處理器結(jié)構(gòu)框圖圖3Nios標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核設(shè)計(jì)框圖Nios系列32位RISC嵌入式軟核處理器具有3Nios外圍設(shè)備相當(dāng)大的靈活性,可以在多種系統(tǒng)設(shè)置組合中進(jìn)行在SOPCBuilder可以添加可以在FPGA中實(shí)選擇,達(dá)到性能、特性和成本目標(biāo)。Nios系列嵌入現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備庫。同時可以利用SOPC配置映式處理器是一款采用流水線技術(shù)、單指令流的RISC像地址、主/從關(guān)系和中斷優(yōu)先順序等。Nios外圍的CPU,廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)。Nios包括設(shè)備庫包含的常用外設(shè)及其功能如表1所列。表1Nios常用外圍設(shè)備三種
7、可以選擇的內(nèi)核,分別為:快速的Nios/f(最外圍設(shè)備功能說明高性能的優(yōu)化)內(nèi)核、經(jīng)濟(jì)的Nios/e(最小邏輯占1~32位并行I/O接口(輸入、輸并行輸入輸出(PIO)出和邊沿捕捉)用的優(yōu)化)內(nèi)核以及標(biāo)準(zhǔn)的Nios/s(平衡于性能和通用串行接口,波特率、數(shù)據(jù)位等尺寸)內(nèi)核,每種內(nèi)核根據(jù)不同的性能而優(yōu)化。考慮通用異步收發(fā)器(UART)可調(diào),流量控制信號可選到性能和成本,一般情況下采用Nios標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核設(shè)32位定時器,能被用作周期性脈定時器(timer)沖發(fā)生器或系統(tǒng)監(jiān)視定時器
