（光学工程专业论文）sopc的技术研究——基于sopc的数据采集系统.pdf

摘要 摘要 论文简要论述了嵌入式系统发展趋势，比较分析了采用a s i c ，c p u 实现数字 系统的优缺点，介绍了一种新型的设计方案，即s o p c ( 可编程片上系统) ，并研 究了基于n i o s 处理器的s o p c 设计技术。 论文分析了嵌入式硬核和软核处理器性能和特点，着重介绍了a l t e r a 公司 推出的新一代n i o s 处理器的结构、性能及总线规范。针对通用嵌入式系统开发 特别是数据采集系统的设计需求，提出了一个基于n i o s 处理器的数据采集系统 设计思想，分析了该系统功能和组成，给出了系统整体设计方案，并实现了该系 统。 本文将此设计分为两个部分的工作，第一部分是数据采集系统的硬件设计 和实现。本部分工作借鉴以往的研究经验，详细说明了两个主要模块：一是前端 信号调理电路，二是基于n i o s 软核处理器及其各功能模块的设计。其中，前端 信号调理电路主要包括：信号衰减放大电路、信号滤波电路、信号采样电路等： 第二部分主要包括n i o s 处理器模块、电源模块、调试端口( j t a g ) 模块、片外 r a m ( s r a m ) 模块、片外r o m ( f l a s h ) 模块、时钟( c l 0 c k ) 模块、p 1 0 ( p a r a l l e l i n p ul 0 u t p u t ) 端口模块、f i f 0 接口模块( 数据缓存器) 、p c i 总线接口模块等。 第二部分介绍了基于s o p c 数据采集系统程序方面的设计和实现，包括采集 系统的开发流程、基于v e r i l o gh d i ，设计的自动状态机，由硬件控制a d 转换以 及自动向f i f 0 中存储数据。 最后，作者对数采系统进行了仿真和验证，分析了仿真结果，验证了本系 统方案设计的正确性和基于n i o s 处理器实现可编程片上系统的可行性，为基于 n i o s 处理器的片上数据采集系统的设计奠定了技术基础。 关键词：片上可编程系统；i p 核；数据采集；n i o s 微处理器 摘要 a b s t r a c t 、v i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h ee m b e d d e d s y s t e m ， t h e a d v a i l t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fe m p l o y j n ga s i co rc p u t oi m p l e m e n tt h ed i g i t a ls y s t e mh a sb e e n c o m p a r e d a n d a n a l y z e d p a p e rm a i n l y i n t r o d u c et h e d e s i g nt e c h n o l o g y o f s o p c ( s y s t e m0 nap r o g r a m m a b l ec h i p ) a n dr e s e a r d l 山ed e s i g nt e c h n o l o g yo fs o p c w h i c hi sb a s e do nt h en i o se m b e d d e ds o f tc o f ep r o s s o l t h ep e r f o r m a n c ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 锄b e d d e dh a r dc o r ea n de m b e d d e d s o f tc o r ep m c e s s o fs t y l e sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h es t 兀l c t u r e ，p e r f o m a n c ea n do n c h i p b u sr e g u l a t i o na b o u tn i o sp m c e s s o rw e r ee m p h a t i c a l l ys t u d i e d ，w h i c hi san e wt y p e o fp r o d u c t i o ni na l t e r ac o m p a n ya c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fg e n e r a le m b e d d e d s y s t e md e v e l o p i n e n t ，e s p e d a l l yt h cd e s i 印o fd a t ac o l l e c t i o s y s t e l nb a s e do nn i o s p r o c e s s o ri sp r o v i d e d t h ef u n c t i o na n dc o m p o n e n to fe x p e r i m e n t a ls y s t e mw e r e a n a l y z e d t h ed e s i g ns c h e m eo ft h ew h o l es y s t e mi sp r o v i d e d ，a n dt h ek e yp r o b l e m s o nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t j o no ft h ee x p e f i m e t a ls y s t e mw e r er e s e a r c h e d f u r t h e 订n o r e 1 、 ，op a n sa r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e lf j r s t l yid e s c r i b et h eh a r d w a r ed e s i g no f d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ip a r t i c u l a r l yd e s c r i b et w om a i nm o d u l e sc o n s u l tt oa n c i e t e x p e r j e n c e t h eo n ei sf o r e p a ns i g n a la d j u s tc i r c u i ta n dt h eo t h e ri ss o f tc o r e p r o c e s s o rb a s eo nn i o sa do t h e r sm o d u l e sd e s i 印h o w e v e lt h ef o r e p a r ts i g a l a d j u s tc i r c u i ti n c l u d e st h es i g n a la t t e n u a t i o na n d 锄p l i f i c a t i o nc i r c u i t 、 s i g n a lf i l t e r c i r c u i ta n dt h ed a t ac o l l e c t i o nc i r c u i t ；t h es e c o n dp a r ti n d u d ep o w e rm o d u l e 、j 7 i 、a g m o d u l e 、s r a mm o d u l e 、f l a s hm o d u l e 、c l o c km o d u l e 、p i om o d u l e 、f i f o m o d u l e 、p c im o d u l ea n de t c t h es e c o n dp a ni n t r o d u c et h ep r o g r a md e s i g no fd a t ac o l i e c t i o ns y s t e mb a s e do n s o p c ，w h i c hi n d u d e st h ep r o c e s so fd a t ac o l l e c t i o ns y s t e md e s i g n 、a u t os t a t e m a c h i n eb a s e do nv e r j l o gh dl t h eh a r d w a r ec o n t r o la 巾c h a n g i n ga n df i f o s a v i n g f i n a l ly ，t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw a se m u i a t e da n dv a l i d a t e d b ya n a l y z i n gt h e r e s u l t s t h ec o r r e c t i l e s so ft h ed e s i g l ls c h e m eo ft h ee x p e r i m e t a ls y s t e ma n dt h e f b a s i b i l i t yo ft h es o p cb a s e do nt h en i o se m b e d d e ds o f tc o r ep r o c e s s o rh a v eb e e n v a l i d a t e d 7 n l er e s u l t0 ft h er e s e a r c hi nt h i st h e s i ss e t n e dt e c h n o i o g yb a s i si nt h e d e s i g n0 fo n c h i pc h i p p e rp m c e s ss y s t e mw i m t h en i o sp m c e s s o l k e yw o r d s ： s o p c ；i pc o r e d a t ac o l l e c t i o ；n i o sm i c r o p m c e s s o r h 第一章绪论 第一章绪论 自2 0 世纪下半叶以来，微电子技术得到了迅速发展，集成电路设计和工艺 技术水平有了很大的提高，单片集成度中每片已能包含上亿个晶体管，从而使得 将原先由许多i c 组成的电子系统集成在一个单片硅片上成为可能，构成所谓的 片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ，或系统芯片。与普通的集成电路相比，系统 芯片不再是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集、处理和输入输出等完整 的系统功能集成在一起，成为一个专用功能的电子系统芯片。而其设计思想也有 别于普通i c 。s o c 把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路及器件 的设计紧密结合，在一片或数片单片上完成整个复杂系统的功能。s o c 的出现， 是电子系统设计领域的一场革命，它对电子信息产业的影响将不亚于集成电路的 诞生所产生的影响。因此，当今电子系统的设计已不再是利用各种通用i c 进行 p c b 板级的设计和调试，而是转向以大规模f p g a 或a s i c 为物理载体的系统芯片 的设计，前者称为s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i n 简称为可编程片上系 统) ，后者为s o c 。另一方面，由于集成电路工艺的成熟和e d a 工具的迅速发展， 使得电子系统的设计者并不需要过多地关注半导体集成工艺，完全可以利用现有 地成熟工艺，在e d a 工具的帮助下完成整个系统从行为算法级( 系统级) 到物理 结构级的全部设计，并最终在f p g a 上实现，或委托i c 制造商进行a s i c 生产。 s o c 和s o p c 的设计是以i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ) 为基础的，以 硬件描述语言为主要设计手段，借助于以计算机为平台的e d a 工具进行的。s o p c 技术主要是指向单片系统级专用集成电路设计的计算机技术，与传统的专用集成 电路设计技术相比，其特点有： 设计全程，包括电路系统描述、硬件设计、仿真测试、综合、调试、系 统软件设计，直至整个系统的完成，都由计算机进行。 设计技术直接面向用户，即专用集成电路的被动使用者同时也可能是专 用集成电路的主动设计者。 系统级专用集成电路的实现有了更多的途径，即除传统的a s i c 器件外， 还能通过大规模f p g a 等可编程器件来实现。 1 1 s o p c 设计技术产生的背景 微电子技术的近期发展成果，为s o c 的实现提供了多种途径。对于经过验证 而又具有批量的系统芯片，可以做成专用集成电路a s i c 而大量生产。而对于一 些仅为小批量应用或处于开发阶段的s 0 c ，若马上投入流片生产，需要投入较多 的资金，承担较大的试制风险。最近发展起来的s o p c 技术则提供了另一种有效 的解决方案，即用大规模可编程器件的f p g a 来实现s o c 的功能。 可编程逻辑器件产生于2 0 世纪7 0 年代。其出现的最初目的是为了用较少的 p l d 品种替代种类繁多的各式中小规模逻辑电路。在3 0 多年的发展过程中，p l d 第一章绪论 的结构、工艺、功耗、逻辑规模和工作速度等都得到了重大的进步。尤其是在 2 0 世纪9 0 年代，出现了大规模集成度的f p g a ，单片的集成度由原来的数千门， 发展到数十万甚至数百万门。芯片的i o 口也由数十个发展至上千个端口。有的 制造商还推出了含有硬核嵌入式系统的i p 。因此，完全可能将一个电子系统集 成到一片f p g a 中。即s o p c ，为s o c 的实现提供了一种简单易行而又成本低廉的 手段，极大地促进了s 0 c 的发展。 s o p c 技术是美国a l t r e a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的 开发软件q u a r t u s i i 。s 0 p c 是一种特殊的嵌入式系统：首先，它是系统芯片( s o c ) ， 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，可裁剪、可升级、可扩充，并具备软硬件在系统可编程的功能。它 结合了s 0 c 和f p g a 的优点，具有以下基本特征：至少包含一个以上的嵌入式处 理器i p 核；具有小容量片内高速r a m 资源；丰富的i p 核资源可供灵活选择：有 足够的片上可编程逻辑资源；处理器调试接口和f p g a 编程接口共用或并存；可 能包含部分可编程模拟电路；单芯片、低功耗：构成s 0 p c 的方案有多种途径。 通过对比许多流行a s i c 产品低的价位点，s o p c 设计提供了成本最低的解决 方案，同时还没有沉没工程成本以及与设计转换相关的工程成本。s o p c 越来越 受到客户青睬的原因主要有以下几点：一是原来仅在实验室中才具有的可重新编 程功能现在延伸到产品现场部署：二是近年来f p g a 器件密度大幅提高，密度在 1 0 0 万门以上的现场可编程逻辑芯片已经面市，芯片规模的扩大和性能的提升为 s o p c 提供了物质基础；三是第四代现场可编程逻辑器件的开发工具己经成形。 如a 1 t e r a 公司的q u a r t u s i i ，以及s o p cb u “d e r 的出现，极大地提高了开发人 员的工作效率；四是知识产权( i p ) 得到重视，越来越多的设计人员以“设计重用” 的方式对现有软件代码加以充分利用，从而提高他们的设计效率并缩短上市时 间；五是由于连接延迟时间的缩短，片上可编程系统能够提供增强的性能，而且 由于封装体积的减小，产品尺寸也随之减小：六是设计成本和风险直线下降。与 a s i c 设计费用和成本不断增加的情况相反，随着f p g a 容量和系统功能的不断增 加，s o p c 必将成为灵活和低风险的a s i c 替代方案。 1 2s o p c 设计技术国内外发展现状 s o p c 是市场和技术共同推动的结果。目前，a l t e r a 、a r m 、a r cc o r e s 等公 司都推出了各种可配置处理器内核。a 1 t e r a 和x i l i n x 公司将自己生产的f p g a 与可配置处理器内核结合在一起，推出了s o p c 解决方案。 从市场角度来看，s 0 p c 系统现在已经广泛应用于从消费类产品( 如数字蜂 窝手机和数字电视机顶盒) 到高端通信l a n w a n 设备的诸多应用中。近年来，通 讯行业的迅猛发展和信息家电的飞速普及，迫使集成电路生产商必须转换观念， 不断发展i c 新品种、扩大i c 规模、增强i c 性能、缩短i c 的上市时间，实现品 种的通用性、系列化和标准化，以利于批量生产，降低成本，提高效益，增强产 2 第一章绪论 品的竞争力。 从技术角度来看，自7 0 年代以来，随着半导体和电子设计自动化技术的不 断发展，单芯片集成度不断提高，单个芯片所能提供的晶体管数量已经超过了大 多数电子系统的要求，如何发挥这一近乎无限的晶体管集成度，就成了电子工程 师的一项重大挑战。一般的电子系统都包括有微处理器、存储器、d s p 和各种接 口，若能将这些部件集成到一块芯片当中，获得的性能将比用传统方法设计出来 的系统提高很多。有的观点认为，采用o 3 帅s o p c 技术设计的电路，其性能将 相当于0 1 8 或0 1 5 帅的采用通常方法设计的电路，并且完成同样的功能所需的 元件数要少很多。目前，i b m 公司发布的一款将逻辑电路和存储器集成在一起的 单系统芯片，集成度为2 4 0 0 万门，其速度相当于p c 处理速度的8 倍，存储容量 提高了2 4 倍，存取速度提高了2 4 倍。 s o p c 设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理 器和实时多任务操作系统( r t o s ) 为中心的软件设计、以p c b 和信号完整性分析 为基础的高速电路设计技术以外，s o p c 还涉及目前已经引起普遍关注的软硬件 协同技术。由于可编程逻辑器件已经得到广泛的应用，并且f p g a 的系统门数己 经发展到百万级，为了简化设计、降低成本和缩短产品开发周期，可编程逻辑器 件供应商以其芯片灵活性和功能完备性的技术优势，掀起了一场设计“可编程片 上系统”的潮流。s o p c 的核心器件f p g a 已经发展成一种实用技术，让系统设计 者把开发新产品的时间和风险降到最小。最重要的是，具有现场可编程性的f p g a 延长了产品在市场的存在时间，从而减小了被新一代同类产品淘汰的威胁。 s o p c 技术在我国已经受到前所未有的重视，嵌入式微处理器i p 核方面有了 长足进展。如北大计算机系的j b c o r e 3 2 、中芯微系统的方舟一号、二号、中科 院计算机所的g o d s o n 等等，这些3 2 位微处理器核可以证明我国的i c 设计人员 已具有了设计较高性能的微处理器核的能力。 s o p c 技术的发展方向是趋同的世界。f p g a 正在成功地挑战a s i c 和a s s p 成 为批量生产的替代方案，这恰恰说明了两个世界正在慢慢地融合。a s i c 厂商正 在他们的器件中嵌入f p g a 类的可编程性，以缩短设计时间。其它厂商亦在开发 半定制器件，它集成了i p 核，衣金属层上具有有限的可编程性。同时，f p g a 正 在嵌入a s i c 内核用于特定的应用，如数字信号处理( d s p ) 。虽然所有这些方式似 乎是等效的，但是试图在a s i c 上加入可编程性是很有限的。到目前为止，在a s i c 上嵌入可编程性并不成功。半定制或门阵列和f p g a 相比也有一些严重的缺陷， 虽然这些器件的开发周期可能比a s i c 或a s s p 短，它既无法及时面市又没使用真 正可编程器件固有的灵活性，还缺少f p g a 的动态可重配置性o 。 1 3 课题的来源、研究目的及意义 本课题来源于企业的一个科研项目，主要内容是研究基于s o p c 的数据采集 系统。 3 第一章绪论 近年来，数字技术的应用已经渗透到了人类生活的各个方面。数字系统的发 展在很大程度上得益于器件和集成技术的发展，著名的摩尔定律( m 0 0 r e sl a w ) 的预言也在集成电路的发展过程中被印证了，数字系统的设计理念和设计方法在 这过程中发生了深刻的变化。从电子c a d 、电子c a e 到电子设计自动化( e d a ) ， 随着设计复杂程度的不断增加，设计的自动化程度越来越高。目前，e d a 技术作 为电子设计的通用平台，逐渐向支持系统级的设计发展；数字系统的设计也从图 形设计方案向硬件描述语言设计方案发展。可编程器件在数字系统设计领域得到 广泛应用，不仅缩短了系统开发周期，而且利用器件的现场可编程特性，可根据 应用的要求对器件进行动态配置或编程，简单易行地完成功能的添加和修改。 在现代工业的发展中，实时测控系统得到广泛应用，这就对高速数字信号处 理系统提出了更高的要求。因为要涉及大量的设计，为了提高运算速度，应用了 大量d s p 器件。数字采集系统是整个系统的核心部分之一，传统方法是应用m c u 或d s p 通过软件控制数据采集的模数转换，这样必将频繁中断系统的运行从而 减弱系统的数据运算，数据采集的速度也将受到限制。后来，d s p + c p l d 的方案 也被普遍利用，由硬件控制模数转换和数据存储，从而相应的提高了系统的信 号采集和处理能力。 本课题采用了a 1 t e r a 公司提出的灵活、高效、低成本的解决方案s o p c ， 把通用r i s c 处理器n i o s 加上部分逻辑电路集成到f p g a 上，并且通过v e r i l o g h d l 语言设计，由硬件控制a d 转换以及自动向f i f 0 中存储数据。其特点：一 是设计简单，设计中只需要考虑系统的接口电路和对外部设备的控制。二是开发 周期短，产品应市时间快。由于系统不需要进行片内的电路设计，这就大大缩短 了开发时间。三是通用性强，升级方便。修改和升级时，仅需对算法源程序和 n i o s 处理器进行升级就可以达到目的，延长了产品的生命周期。 国际上，s o p c 方案主要集中在对速度的要求不高，但需要用硬件来实现算法 的应用上，如用在通信领域、工业控制、计算机相关产品和消费类电子中。在国 内人才、技术及资金比较缺乏的情况下，发展市场需要的嵌入式微处理器设计技 术及优化的i p 核设计技术研究，是推进我国微处理器应用的当务之急。目前国 内对n i o s 处理器的使用还处在刚刚起步阶段，仅仅有人提出部分设计思想，尚 无成熟的产品面世。 4 第一二章s 0 p c 系统的嵌入式j p 核 第二章s 0 p c 系统的嵌入式lp 核 2 1 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统 即在f p g a 中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为常用的嵌入式系统大多 采用了含有a r m 的3 2 位知识产权处理器核的器件。尽管由这些器件构成的嵌入 式系统有很强的功能，但为了使系统更为灵活完备，功能更为强大，对更多任务 的完成具有更好的适应性，通常必须为此处理器配置许多接口器件才能构成一个 完整的应用系统。如除配置常规的s r a m 、d r a m 、f l a s h 外，还必须配置网络通信 接口、串行通信接口、u s b 接口、v g a 接口、p s 2 接口或其他专用接口等。这样 会增加整个系统的体积、功耗，而降低系统的可靠性。但是如果将a r m 或者其他 知识产权核，以硬核方式植入f p g a 中，利用f p g a 中的可编程逻辑资源核i p 软 核，直接利用f p g a 中的逻辑单元来构成该嵌入式系统处理器的接口功能模块， 就能很好地解决这些问题。对此a 1 t e r a 和x i l i n x 公司都相继推出了这方面的器 件。例如，a l t e r a 的e x c a l i b u r 系列f p g a 中就植入了a r m 9 2 2 t 嵌入式系统处理 器；x i l i n x 的v i r t e x i ip r o 系列中则植入了i b mp o w e r p c 4 0 5 处理器。这样就 能使得f p g a 灵活的硬件设计和硬件实现更与处理器的强大软件功能有机地结 合，高效地实现s o p c 系统”。 2 2 基于f p g a 嵌入ip 软核的s o p c 系统 将i p 硬核直接植入f p g a 的解决方案存在如下几种不够完美之处： 由于此类硬核多来自第3 方公司，f p g a 厂商通常无法直接控制其知识产 权费用，从而导致f p g a 器件价格相对偏高。 由于硬核使预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构， 如总线规模、接口方式，乃至指令形式，更不可能将f p g a 逻辑资源构成的硬件 模块以指令的形式形成内置嵌入式系统的硬件加速模块( 如d s p 模块) ，以适应 更多的电路功能要求。 无法根据实际设计需求在同一f p g a 中使用多个处理器核。 无法裁减处理器硬件资源以降低f p g a 成本。 只能在特定的f p g a 中使用硬核嵌入式系统，如只能使用e x c a l i b u r 系列 f p g a 中的a r m 核，v i r t e x itp r o 系列中的p o w e r p c 核。 如果利用软核嵌入式系统处理器就能有效地克服解决上述不利因素。 嵌入式软核处理器是s o p c 系统的核心。流行的固定指令集架构( f i x e d i s a ) 嵌入式微处理器的架构设计起始于上世纪八十年代，例如a r m 、m i p s 和p o w e r p c 处理器，它们均被设计为独立的芯片。这些架构对许多算法的执行是令人满意的， 但设计人员经常要提高硬件设计中的关键部分的运行速度。即使是d s p 架构也无 法满足客户定制解决方案的速度。而软核处理器具有可配置性的典型形式是它可 第二章s o p c 系统的嵌入式i p 核 以对内存、外部总线宽度、握手协议以及常用处理器外部设备随意进行增加、删 除和修改。它也为系统设计人员提供了向处理器中增加指令的能力，而原来处理 器架构的设计者可能根本没有考虑过这些指令。目前，已有众多厂商推出了基于 软核处理器的s o p c 解决方案，其中较为典型的要数x 订i n x 公司和a l t e r a 公司 的产品了”1 。市面上常见的嵌入式软核处理器主要有以下几种； 2 2 1x i iin x 公司的m i c r ob i a z e 褪i c r ob l a z e 是一个专门为x 订i n xf p g a 优化的r i s c 嵌入式软处理器，运行 在1 5 0 瑚z 时钟下，可提供1 2 5 m i p s 的性能。m i c r ob 1 a z e 处理器采用r i s c 架构 和哈佛结构的独立3 2 位指令和数据总线，可以全速度执行存储在片上存储器和 外部存储器中的程序并访问其中的数据。支持c o r e c o n n e c t l 。总线的标准外设， 为 f i c r ob 1 a z e 设计人员提供了兼容性和重利用能力。仅占用4 0 0 个s l i c e 资源， 相当于1 0 万门f p g a 容量的三分之一，m i c r ob l a z e 软处理器内核的结构如图2 1 所示，它具备以下基本特征：3 2 个3 2 位通用寄存器：硬件乘法器( 仅限v i r t e x i i 系列) ；3 2 位地址总线和3 2 位数据总线；三操作数3 2 位指令字，两种寻址模式： 独立的片内程序3 2 位总线和数据总线；片内总线遵循o p b ( 0 n c h i pp e r i p h e r a l b u s ) 标准：通过l 船( l o c a lm e m o r yb u s ) 访问片内b l o c kr a m 。 i n s t 舶札i * 一s l 血妇u s f 如 h s t 盯pb i j jt n 征r f 8 e 图2 一lm i c r ob 1 a z ei pc o r e 结构框图 2 2 2a t m e i 公司的f p sl i c 系列产品 a t m e l 公司推出的以r i s c 为基础的a t 9 4 k 和a t 9 4 s 系列现场可编程系统级芯 片( f p s l i c ) ，是将组成基本系统所需的逻辑、外设、存储器和微控制器等嵌入式 系统模块集成在一片基于s r a m 的现场可编辑器件上，实现单芯片s o p c 。 f p s l i c 可在f p g a 内对附加的外围设备和定制逻辑电路进行编程，与使用分 立元件的和其他类型方案相比，可以加快产品面市时问。a t 9 4 k 是a t m e l 的微控 制器和f p g a 系列中的成员，以该公司的a v r 微控制器内核为基础，带有3 2 个8 位数据寄存器和1 2 7 个1 6 位固定长度指令，其较高的代码密度使得代码长度比 其他8 位微控制器结构的代码短5 0 。它有二级流水线，再加上单独的读和写地 第二章s o p c 系统的嵌入式i p 核 以对内存、外部总线宽度、握手协议咀及常用处理器外部设备随意进行增加、删 除和修改。它也为系统设计人员提供了向处理器中增加指令的能力，而原来处理 器架构的设计者可能根本投有考虑过这些指令。目前，已有众多厂商推出了基于 软核处理器的s 0 p c 解决方案，其中较为典型的要数x i l i n x 公司和a l t e r a 公司 的产品了“。市面上常见的嵌入式软核处理器主要有以下几种： 2 ，2 1 x ；j j n x 公司的m j c r o8j a z e m i c r ob 1 a z e 是一个专门为x i l l n xf p g a 优化的r i s c 嵌入式软处理器，运行 在1 5 0 m h z 时钟下，可提供1 2 5 m i p s 的性能。m i c r ob l a z e 处理器采用r i s c 架构 和哈佛结构的独立3 2 位指令和数据总线，可以全速度执行存储在片上存储器和 外部存储器中的程序并访问其中的数据。支持c o r o c o n n e c t “总线的标准外设， 为m i c r ob l a z e 设计人员提供了兼容性和重利用能力。仅占用4 0 0 个s l i c e 资源， 相当于i o 万门f p g a 容量的三分之一，m c r ob l a z e 软处理器内核的结构如图2 1 所示，它具备以下基本特征：3 2 个3 2 位通用寄存器：硬件乘法器( 仅限v i r t e x i i 系列) ：3 2 位地址总线和3 2 位数据总线；三操作数3 2 位指令字，两种寻址模式： 独立的片内程序3 2 位总线和数据总线；片内总线遵循0 p b ( o n _ c h i pp e r i p h e r a l b u s ) 标准：通过l 皿( l o c a lm e m o r yb u s ) 访问片内b l o c kr a m ”。 ! s t r k t i 恤- 蛐 h l a s l 醇 h s f e m ph l m # 8 c e 倒2lm i c r ob l a z ei pc o r e 结构框图 2 ，2 2a t m e l 公司的f p s l l c 系列产品 a t m e l 公司推出的以r i s c 为基础的a t 9 4 k 和a t 9 4 s 系列现场可编程系统级芯 片( f p s l i c ) ，是将组成基本系统所需的逻辑、外设、存储嚣和微控制器等嵌入式 系统模块集成在一片基于s r a m 的现场可编辑器件上，实现单芯片s o p c 。 f p s l i c 可在f p g a 内对附加的外围设备和定制逻辑电路进行编程，与使用分 立元件的和其他类型方案相比，可以加快产品面市时间。a t 9 “是a t m e l 的微控 制器和f p c a 系列中的成员，以该公司的a v r 微控制器内核为基础，带有3 2 个8 位数据寄存器和1 2 7 个1 6 位固定长度指令，其较高的代码密度使得代码长度比 其他8 位微控制器结构的代码短5 0 。它有二级流水线，再加上单独的读和写地 其他8 位微控制器结构的代码短5 0 。它有二级流水线，再加上单独的读和写地 第二章s o p c 系统的嵌入式i p 核 以对内存、外部总线宽度、握手协议以及常用处理器外部设备随意进行增加、删 除和修改。它也为系统设计人员提供了向处理器中增加指令的能力，而原来处理 器架构的设计者可能根本没有考虑过这些指令。目前，已有众多厂商推出了基于 软核处理器的s o p c 解决方案，其中较为典型的要数x 订i n x 公司和a l t e r a 公司 的产品了”1 。市面上常见的嵌入式软核处理器主要有以下几种； 2 2 1x i iin x 公司的m i c r ob i a z e 褪i c r ob l a z e 是一个专门为x 订i n xf p g a 优化的r i s c 嵌入式软处理器，运行 在1 5 0 瑚z 时钟下，可提供1 2 5 m i p s 的性能。m i c r ob 1 a z e 处理器采用r i s c 架构 和哈佛结构的独立3 2 位指令和数据总线，可以全速度执行存储在片上存储器和 外部存储器中的程序并访问其中的数据。支持c o r e c o n n e c t l 。总线的标准外设， 为 f i c r ob 1 a z e 设计人员提供了兼容性和重利用能力。仅占用4 0 0 个s l i c e 资源， 相当于1 0 万门f p g a 容量的三分之一，m i c r ob l a z e 软处理器内核的结构如图2 1 所示，它具备以下基本特征：3 2 个3 2 位通用寄存器：硬件乘法器( 仅限v i r t e x i i 系列) ；3 2 位地址总线和3 2 位数据总线；三操作数3 2 位指令字，两种寻址模式： 独立的片内程序3 2 位总线和数据总线；片内总线遵循o p b ( 0 n c h i pp e r i p h e r a l b u s ) 标准：通过l 船( l o c a lm e m o r yb u s ) 访问片内b l o c kr a m 。 i n s t 舶札i * 一s l 血妇u s f 如 h s t 盯pb i j jt n 征r f 8 e 图2 一lm i c r ob 1 a z ei pc o r e 结构框图 2 2 2a t m e i 公司的f p sl i c 系列产品 a t m e l 公司推出的以r i s c 为基础的a t 9 4 k 和a t 9 4 s 系列现场可编程系统级芯 片( f p s l i c ) ，是将组成基本系统所需的逻辑、外设、存储器和微控制器等嵌入式 系统模块集成在一片基于s r a m 的现场可编辑器件上，实现单芯片s o p c 。 f p s l i c 可在f p g a 内对附加的外围设备和定制逻辑电路进行编程，与使用分 立元件的和其他类型方案相比，可以加快产品面市时问。a t 9 4 k 是a t m e l 的微控 制器和f p g a 系列中的成员，以该公司的a v r 微控制器内核为基础，带有3 2 个8 位数据寄存器和1 2 7 个1 6 位固定长度指令，其较高的代码密度使得代码长度比 其他8 位微控制器结构的代码短5 0 。它有二级流水线，再加上单独的读和写地 第二章s o p c 系统的嵌入式i p 核 址功能，使得微控制内核在每个时钟周期执行一条指令。1 。图2 2 是a t 9 4 k 系列 f p s l i c 的体系结构图。 2 2 30 u ic k l o g i c 公司的0 u i c k m i p s p r 临p ，料l “；“ 图2 2a t 9 4 k 系列f p s l i c 体系结构图 q u i c k l o g i c 的优势是连接逻辑门的方法，该公司使用一种称作v i a l i n k 的无 晶体管连接方法，可以放入更多的信号绕线开关。该公司早在1 9 9 9 年就推出了 在f p g a 中集成了类似微处理器和高速串行接口功能的嵌入标准产品( e s p ) 。 0 l 9 0 x m 内部嵌入了基于m i p s 科技公司的m i p s 3 2 的“c 内核，采用o 2 5 p m 工艺时运行速度可达1 3 3 m i z ，而采用0 1 5 汕n 工艺则可达到1 7 5 至2 3 3 m h z ，图 2 3 是4 k c 处理器的内部结构块简图。该芯片集成了4 5 7 万个系统门、两个 1 0 l o o 以太网控制器、一个3 2 位6 6 3 3 洲zp c i 接口、多功能存储控制器和一 个中断控制器。一个3 2 位的高级外设总线可连接4 个3 2 位定时器和两个u a r p 。 幽由由圈 图2 34 k cc p u 核结构块图 7 第二二章s o p c 系统的嵌入式i p 核 2 3n i o s 处理器简介 随着f p g a 的进一步发展，a l t e r a 很清楚地意识到，如果把可编程逻辑的固 有的优势集成到嵌入式处理器的开发流程中，就会拥有非常成功的产品。基于 f p g a 的处理器恰恰具有所需的特性。 2 3 1n i o s 处理器的基本特征 a l t e r a 的设计目标是，一旦定义了处理器，设计人员就“具备”了体系结构， 可放心使用。因为f p g a 和嵌入处理器随即就生效了，可以马上开始设计软件原 型。c p u 周边的专用硬件逻辑可以慢慢地集成进去，在每个阶段软件都能够进行 测试，解决遇到的问题。另外，软件组可以对结构方面提出一些建议，改善代码 效率或处理器性能，这些软件硬件权衡可以在硬件设计过程中间完成。在2 0 0 0 年，a l t e r a 发布了n i o s 处理器，这是a l t e r a 的e x c a l i b u r 嵌入处理器计划中 第一个产品，它成为业界第一款为可编程逻辑优化的可配置处理器。n i o s 可以 嵌入在f p g a 芯片中，完成部分信息的预处理工作。它将c p u 与f p g a 的功能集于 一身，既简化了电路板设计，又不存在接口速率的瓶颈问题，使整个系统在块 芯片上就可以完成。 a 1 t e r a 公司的n i o s 是基于r i s c 架构的嵌入式处理器软内核，它专门为可编 程逻辑进行了优化设计，也为s o p c 设计了一整套综合解决方案。主要包括一个 c p u ，i 0 中断申请、计时器、d a r t 口及大量的通用寄存器。n i o s 的数据总线和 地址总线宽度由用户定义( 最大为3 2 位) ，也可以根据具体需求增加并行输入输 出端、连接外设的接口逻辑等。n i o s 只占用f p g a 芯片很少的资源，可以嵌入在 任何一个f p g a 系列中与p l d 模块同步运行。 2 3 2 n l o s 处理器的内部结构 n i 6 s 处理器的内部结构如图2 4 所示，其主要特点是 鼗撵辘 薄侍偿碍 中姘请求 中新请求教 复位 孵锌 图2 4n i o s 内部结构图 ； 号 兰 a 目 耥址 嚣燃 薹； 鹇鞴郫 一菩蓐一 一墅 墨穗一；聋一 一蠢；差；|一 第二章s o p e 系统的嵌入式i p 核 一、大容量寄存器堆。最大可以实现5 1 2 个内部通用寄存器，编译程序运用 这些内部寄存器可以加快子程序的调用和局部变量的存取。 二、简单完备的指令集。3 2 位和1 6 位的n i o s 系统都运用1 6 位宽的指令集， 1 6 3 2 位数据通道，5 级流水线技术。1 6 位宽的指令减少了代码长度和指令存储 区的宽度，使n i o s 在平均一个时钟周期内能够处理一条指令，性能高达5 0m i p s 。 三、强大的寻址模式。n i o s 指令集包括装载和存储指令，这样，编译程序可 以加快结构体和局部变量( 存储栈) 的存取。 四、较强的可扩展性。用户可以直接把定制逻辑集成入n i o s 算术逻辑单元 ( a l u ) 内，并且自动生成包含c 语言和汇编语言下访问定制指令硬件的宏指令 的软件开发工具包( s d k ) 。 五、硬件辅助功能。用户可以利用硬件的优点去另外创建一些指令，从而提 高指令执行速度( p e r f o r i a n c e ) 。它可以有5 条用户定制指令，用户可以把复杂 的工作简化成一个单一的指令来做。 n i o s 处理器采用的主要端口包括全局输入时钟、访问外设的片选信号、读写 使能信号、数据总线和地址总线以及与计算机通信的u r t 口。n j o s 外接多少个 单元就会有多少个相应的片选信号和读写使能信号o ”3 。 1 啦o s 中的寄存器和普通单片机的寄存器相同，能够进行数据的缓存、逻辑运 算和算术运算。n i o s 内部有3 2 个基本通用寄存器，分别是r o 一r 3 l ，容量为3 2 位。其中。4 个用于u a r t 口收发数据和保存中断状态字及返回地址，其余的用来 缓存3 2 位的数据或地址。使用丙部寄存器可以灵活地处理f p g a 的内部数据，给 系统设计带来很大的灵活性，比如说利用寄存器实现数据运算。在f p g a 中，要 对两个输入数据进行比较判断，然后根据结果作相应的处理。通常需要多个逻辑 单元和时钟信号，利用n i o s 的寄存器可以简便地解决这一问题。使用n i o s 专用 的汇编语言编写程序段如下： m o v i r 4 ，a 将a ，b 两个立即数放