基于FPGA的片上可編程系統(tǒng)(SOPC)設(shè)計之：基于FPGA的SOPC系統(tǒng)組成原理和典型方案

8.1基于FPGA的SOPC系統(tǒng)組成原理和典型方案

8.1.1SoC及SOPC簡介

1．SoC

SoC即SystemOnChip，是片上系統(tǒng)簡稱。它是IC設(shè)計與工藝技術(shù)水平不斷提高的結(jié)果。SoC從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)合起來，在單個（或少數(shù)幾個）芯片上完成整個系統(tǒng)的功能。所謂完整的系統(tǒng)一般包括中央處理器、存儲器以及外圍電路等。

SoC通常應(yīng)用于小型的、日益復(fù)雜的客戶電子設(shè)備。例如，聲音檢測設(shè)備的系統(tǒng)芯片是在。單個芯片上為所有用戶提供包括音頻接收端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、微處理器、必要的存儲器以及輸入/輸出邏輯控制等設(shè)備。

SoC的設(shè)計以IP核為基礎(chǔ)，以分層次的硬件描述語言為系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的主要描述手段，借助于以計算機為平臺的EDA工具進行。

研究表明，與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SoC設(shè)計能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況，因而可以在同樣的工藝技術(shù)條件下，實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標。SoC技術(shù)也大大促進了軟硬件協(xié)同設(shè)計以及計算機系統(tǒng)設(shè)計自動化的發(fā)展。

目前，在軟硬件協(xié)同設(shè)計中最為活躍的研究工作包括系統(tǒng)描述、軟硬件劃分、軟硬件協(xié)同綜合以及軟硬件協(xié)同模擬與驗證等。如圖8.1所示為一個較為普遍的面向SoC軟硬件協(xié)同設(shè)計流程。

SoC系統(tǒng)級設(shè)計方法基本采用層次化的設(shè)計思想和正交性的設(shè)計原則來完成系統(tǒng)級設(shè)計。目前，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界比較認可的SoC系統(tǒng)級設(shè)計方法學(xué)，從性質(zhì)上基本可分為3大陣營：自頂向下，自底向上，上下結(jié)合和中間相遇。

圖8.1軟硬件協(xié)同設(shè)計流程

2．SOPC

SOPC（SystemOnaProgrammableChip：可編程芯片系統(tǒng)）是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SoC解決方案。它將處理器、存儲器、I/O端口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計需要的部件，集成到一個PLD器件上，構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng)。

它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)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?？删幊唐骷?nèi)，還具有小容量高速RAM資源。由于市場上有豐富的IPCore資源可供靈活選擇，用戶可以構(gòu)成各種不同的系統(tǒng)，如單處理器、多處理器系統(tǒng)。

有些可編程器件內(nèi)還可以包含部分可編程模擬電路。除了系統(tǒng)使用的資源外，可編程器件內(nèi)還具有足夠的可編程邏輯資源，用于實現(xiàn)其他的附加邏輯。

SOPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結(jié)果。集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯的SOPC芯片在應(yīng)用的靈活性和價格上有極大的優(yōu)勢。所以，SOPC代表了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向。

下面介紹一下Xilinx及Altera兩家公司的SOPC的解決方案，其中將重點介紹Altera的解決定案。

8.1.2Xilinx的SOPC解決方案

Xilinx公司不僅提供高端32位MicroBlazeCPU軟嵌入式處理器芯核，也提供免費的低端8位PicoBlazeCPU軟嵌入式處理器芯核。

一般的C交叉匯編程序和用戶定制的VHDL/VerilogHDL源代碼，還有大量的應(yīng)用說明和參考設(shè)計，均可從Xilinx公司網(wǎng)站下載獲得，它們均適用于CoolRunner-IICPLD以及各種Spartan和VirtexFPGA系列。

Xilinx公司聲稱，該CoolRunner-II版本只占用107個宏單元，而適用于Spartan-IIE的PicoBlaze則需占用76個邏輯片。適用于Virtex-II系列FPGA器件的PicoBlaze，其性能可達55MIPS。

利用MicroBlaze軟處理器解決方案，Xilinx充分發(fā)揮出了嵌入式FPGA設(shè)計的全部潛能。MicroBlaze核是一個32位哈佛RISC架構(gòu)，具有豐富的針對嵌入式應(yīng)用而優(yōu)化的指令集。處理器是軟核，意味著它是通過使用通用邏輯基元而非FPGA中的硬專用模塊來實現(xiàn)的。

Xilinx的Spartan和Virtex系列FPGA產(chǎn)品支持MicroBlaze軟處理器。MicroBlaze解決方案被設(shè)計得很靈活，能讓用戶控制很多特性，如緩存大小、接口和執(zhí)行單元。為了以盡可能低的成本點達到面向目標應(yīng)用的必要性能，可配置性允許用戶對大小進行折衷來換取性能。

MicroBlaze軟核被授權(quán)成為Xilinx嵌入式開發(fā)套件（EDK）的一部分。EDK是包括外圍IP核庫、曾榮獲大獎的XilinxPlatformStudio工具套裝（可用于生成直觀的硬件系統(tǒng)）、基于Eclipse的軟件開發(fā)環(huán)境、GNU編譯器、調(diào)試器以及更多工具在內(nèi)的完整的嵌入式開發(fā)解決方案。MicroBlaze處理器也為第三方開發(fā)工具和實時操作系統(tǒng)（RTOS）所支持。

對于更高的性能要求，Xilinx在Virtex-II系列平臺FPGA中植入了32位PowerPC內(nèi)核來提供DMIPS性能。配合Virtex-IIProFPGA在450MHz時鐘頻率下的32位PowerPC內(nèi)核可提供超過680DMIPS的性能。由于處理器簡化了設(shè)計，所用的芯片面積也非常小。例如，一個高效的設(shè)計僅使用了Xilinx2VP50器件中不到2%的片芯面積。