（电力电子与电力传动专业论文）基于sopc的dsp系统的设计和实现.pdf

童三些查兰三兰至圭兰堡篁兰 a b s t r a c t t h ep r o g r e s so ft h em i c r o e l e c t r i ct e c h n i q u ea n de v e r ya p p l i c a t i o n d i v e r s i f i e dd e m a n d s ，i n l p e lt h ei n t e g r a t e dc i r c u i tt od e v e l o pi nt h es y s t e m i n t e g r a t i o n d i r e c t i o no ft h e h i g h s p e e d ，h i g hi n t e g r a t e d l e v e l ，l o w c o n s u m p t i o n u t i l i z es y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ( s o p c ) s o l u t i o n ， i n t e g r a t eo n ep r o g r a m m a b l ed e v i c ec p u ，m e m o r y i oi n t e r f a c ea n dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s sp e r s o nw h od e a lw i t hm o d u l et h a ts y s t e m sd e s i g n i n gn e e d ，i t i s s y s t e mo nc h i p t h a tc a nb ep r o g r a m m e dt of o r mo n e i nt h ed a t a c o m m u n i c a t i o na n ds u c ha p p l i c a t i o no fi m a g e r yp r o c e s s ，t h eh a n d l i n g c a p a c i t yo fp o w e r w h e nt h eq u i c k e s td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i ss t i l l u n a b l et om e e tr e q u i r e m e n t sf o rs p e e dr e q u e s t ，t h eo n l yc h o i c ei st h ef i g u r e w h i c hi n c r e a s e st h ep r o c e s s o r ，o ra d o p tc u s t o m e r sc u s t o m i z e dg a t ea r r a y p r o d u c t s n o w ，c a na d o p tf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ( f p g a ) c o m p l e t e t h ed e s i g n i n ge c o n o m i c a l l yf a s t a d o p ts y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i pn o t o n l ys h o r t e nt h ec o m ej n t ot h em a r k e tt i m eo fp r o d u c t ，b u ta l s or e s p o n dt o t h er e q u e s tt h a tn o wa n dt h ef h t u r eg e n e r a t i o nd e s i g n e dr e s p e c t ss u c ha st h e c o s t ，p e r f o r m a n c e ，s i z en e e d e d ，e t c p o r t a b l y ，o f f e rt h es y s t e m1 e v e lt os u p p o r t b e c a u s eo fp e r f b r m a n c ea n df l e x i b i l i t yo ff p g a ，a n dn e wc o n c i s ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d ，i nal o to fn e wd e v e l o p i n gd s p a p p l i c a t i o n ，1 i k e t h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o na n dv i d e op r o c e s s i n g ，f p g ab e c o m ep r e f c r r e d s o l u t i o n t h i sa r t i c l em a i nr e s e a r c hd e s i g na n dr e a l i z a t i o nb a s e do nd s ps y s t e m o fs o p c a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fd s pa l g o r i t h mt ob er e a l i z e d ， u t i l i z ea b u n d a n tf u n c “o nm o d u l ea n dv h d ll a n g u a g eo f f e r e di nq u a r t u s t od e s i g n a f t e rt h em o d e l l i n go fc i r c u i tf i n i s h e s ，c a nc a r r yo nt h em o d e l e m u l a t i o no fg r a d eo ft h es y s t e m ，t h e ne l e c t “cc i r c u i tm o d e lf i l ec o n v e r s i o n d o w n l o a dc o d ea n dt o o lc o m m a n dl a n g u a g es c r i p t d e s i g nt h em o d u l eo n c h i pd e n n i t e l yf b rn i o sp r o c e s s o r ，t h e nu t i l i z eq u a r t u s i i t oc o n s t r u c ta n d p r o d u c ea n dc a nf i n i s hn i o se m b e d d e ds y s t e m a t i cp r o c e s s o ro fp a r t i c u l a r d s pf h n c t i o na n dc o r r e s p o n dt ot h ei n t e r f h c es y s t e m a t e rt h es i m u l a t i o nc o n 矗r m a t i o n ，t h i ss y s t e mh a sa c h i e v e dt h ed e s i g n g o a l p r o v et h a ta d o p t sf p g at e c h n o l o g y ，c a ns h o r t e nd e s i g nc y c l eg r e a t l y ， c a na l s oo b t a i n h i g hp e r f o r m a n c e ，m e e t t h ec o s t r e q u i r e m e n t ，e n j o y t o d e s i g n i n gt h ef l e x i b i l i t yo p t i m i z e dn e w l ye f f b c t i v e l yf a s t k e y w o r d ：s o p c ；f p g a ；f f t ；e m b e d d e ds y s t e m ；f i r s t i nn r s t o u t i i i 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 在过去很长一段时间，d s p 处理器几乎是d s p 应用系统核心器件的 唯一选择。尽管d s p 处理器具有通过软件设计能适用于不同功能实现的 灵活性，但面对当今迅速变化的d s p 应用市场，特别是面对现代通信技 术的发展和各种新功能的要求，早已显得力不从心了。例如其硬件结构 的不可变性导致了其总线的不可改变性，而固定的数据总线宽度，已成 为d s p 处理器一个难以突破的瓶颈。d s p 处理器的这种固定的硬件结构 特别不适合于当前许多要求能进行结构特性随时变更的应用场合，即所 谓面向对象型的d s p 系统，或者说是用户可定制型，或可重配置型的d s p 应用系统，如软件无线电、医用设备、导航、工业控制等方面。至于在 满足速度要求方面，尽管新一代的d s p 也增加了部分并行执行结构，但 基本构架仍属顺序执行的c p u 构架，对许多要求高速处理的对象，显得 不堪重负。增强d s p 处理能力的传统方法是采用多个处理器。选择此类 方案的缺点是成本昂贵，需要众多附加部件，并且功耗很大“。 面向d s p 的各类专用a s i c 芯片虽然可以解决并行性和速度的问题， 但是高昂的开发设计费用、耗时的设计周期，及不灵活的纯硬件结构， 使得d s p 的a s i c 解决方案日益失去其实用性。 1 1 1f p g a 的结构特点 现代大容量、高速度的f p g a 以及相应的s o p c 技术的出现，克服了 上述方案的诸多不足。在这些f p g a 中，一般都内嵌有可配置的高速r a m 、 p l l 、l v d s 、l v t t l 以及硬件乘法器等d s p 模块。用f p g a 来实现数字信 号处理可以很好地解决并行性和顺序性的矛盾，直至速度问题，而且其 灵活的可配置特性，使得f p g a 构成的d s p 系统非常易于修改，易于测试 广东工业大学工学硕十学位论文 及硬件升级。 f p g a 与传统逻辑电路和门阵列具有不同的结构，f p g a 利用小型查找 表( 1 6 lr a m ) 来实现组合逻辑。每个查找表连接到一个d 触发器的输 入器，触发器再来驱动其它逻辑，或驱动i o 。这些模块间利用金属连 线互相连接或连接到i 0 模块。f p g a 的逻辑是通过向内部静态存储器单 元加载配置数据来实现的。存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的 逻辑功能以及模块间或与i o 问的连接，并最终决定了f p g a 实现的功能。 f p g a 的这种结构允许无限次的重新编程”1 。 1 1 2f p g a 设计方案优点 与传统数据处理方法不同，d s p 采用了高度流水线化的并行操作。 而f p g a 结构则可以做得更好，达到更高的性能。f p g a 具有成千上万的 查找表和触发器，因此f p g a 平台可以更低的成本达到比通用d s p 更快的 速度。例如，目前的两百万门f p g a 可达到每秒1 2 8 0 亿m a c 的性能，比 目前最快的d s p 性能还要高一个量级n 】。 对多d s p 处理器解决方案，需要较大的功率才能驱动连接多个处理 器的板级连接( 具有较大的容抗) 。与此相对比，f p g a 可创建具有定制数 据通道的处理器，数据以最小的负载从一个并行操作传送到下一个操作， 并且没有取指令的额外开销。这种结构使得在较低的时钟频率下可达到 较高的性能。而功耗直接正比于电路的频率，因此运行于较低时钊t 频率 下并行处理的f p g a 方案可大大减小功耗。 1 2 课题意义 1 、有助于更有效地将现代电子与信息技术中最优秀的内容融入高校 的教学实践中 s 0 p c 已被广泛应用于许多领域。一方面，s o p c 在极大地提高了许多 电子系统性能价格比的同时，还开辟了许多新的应用领域，如高端的数字 信号处理、通信系统、软件无线电系统的设计、微处理器及大型计算机 第一章绪论 处理器的设计等等；另一方面，由于s o p c 基于e d a 技术标准的设计语言 与系统测试手段、规范的设计流程与多层次的仿真功能，以及高效率的 软硬件开发与实现技术，使得s 0 p c 及其实现技术无可争议地成为现代电 子技术最具时代特征的典型代表。与基于a s i c 的s o c 相比，s o p c 具有 更多的特点与吸引力：它不仅在实用中具有开发软件成本低、硬件实现 风险低、产品上市效率高、系统结构可重构及硬件可升级等优势，而且 具有设计者易学易用、高附加值产品设计成本低等优势。对于教学与实 验来说，s o p c 更是一个技术与理论的汇聚点。 2 、对可编程片上系统s o p c 以及i pc o r e 的设计和应用进行研究就 有着比较重要的意义 可编程片上系统( s o p c ) 作为一种特殊的嵌入式微处理器系统，是 片上系统( 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，可裁减、可扩充、可升级，并 具备软硬件在系统可编程的功能。s o p c 设计技术包含了以处理器和实时 多任务操作系统( r t o s ) 为中心的嵌入式软件设计技术；以p c b 和信号 完整性分析为基础的高速电路设计技术；软硬件协同设计技术。 3 、本课题主要是进行基于s o p c 系统的计算机体系结构的研究，探 索在s o p c 上实现d s p 系统的方法，并设计一系列的计算机体系结构实验 教学内容。 1 3s 0 p c 技术的发展状况 1 3 1 研究进展 s 0 p c 技术是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的。 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 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 广东工业大学工学硕士学位论文 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 严。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 0 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 o c 的发展。 1 3 2 国外发展现状 在国外s o c 的设计已经进入了主流设计应用阶段，由于亚微米技术 的影响，在s o c 芯片的每个晶体管的设计，都使得s o c 设计变得更加困 难，与此同时，设计中用到的器件数量呈指数级增长；异种元素的结合 一数字信号，模拟信号和混合信号，射频以及软件一更加剧了这种困境； 最后，与这些挑战随之而来的，还有进一步缩减产品上市时间的压力。 基于这些影响，仅仅在设计技术上的不断改进，并不能够让设计者们在 未来处理技术上更经济地利用硅晶片。因此，越来越多的s o c 设计团体 的经理们开始重新考虑他们的下一代系统方案，不再专注与基于专用集 成电路( a s l c s ) 和片上系统( s o c s ) 的方法，为了降低设计费用和设计 风险，最简单的方法：为用户提供一个可支撑的可编程设计平台，目前 需要解决的问题：提供开发平台的工具，包括定义可开发体系结构设计 空间的约束；确定代表性的性能评估基准，开发出能够从高端描述生成 编译器和仿真器的工具：开发可编程平台编程的工具”。实际上，从a s i c 或s 0 c s 移植到可编程平台的工作已经张开了，诸如专为网络和无线通信 应用的可编程处理器已经开发出来。 1 3 3 国内发展现状 在国内虽然设计产业发展很快，但很多设计是低层次的，没有达到 系统级水平( s o c ) ，作为系统级芯片( s y s t e mo nc h i p ) ，s o c 紧扣应用， 这正是我们的机会。因为我们有巨大的应用市场；是全球最大的彩电生 产国、手机生产国、d v d 生产国、电信设备生产国一一所有这些都强调 “系统”。扣准本国应用，走高端设计之路，并由此提出了“虚拟盟主” 第一章绪论 的概念。就是以芯片制造代工企业f o u n d r y 位核心，组织i p ( 知识产权) 设计与s o c 设计企业的联盟，进行虚拟制造，实现信息共享，降低成本， 大大缩减产品上市的时间。我国目前拥有不少条i c 的f o u n d r y 线，工艺 水平也已达到0 5 朋。并正在积极筹建几条o 3 5 脚的生产线。可以说在整 体制造能力上已经接近国际先进水平，但目前国内总体来说在i p 的开发 和应用方面做的不够。现有的工艺线基本上是“裸”线，除流片加工外， 不能为设计提供任何条件，i c 设计需要从晶体管做起，工艺线失去了这 一主要市场n - 。 近年来国家已经有了很大的动作，科技部于2 0 0 0 年启动了“十五” 国家8 6 3 计划超大规模集成电路s o c 专项工作。希望通过这一努力，初 步建成具有自主知识产权、品种较为齐全和管理科学的国家级i p 核库； 并掌握国际水平的s 0 c 软硬件协同设计、i p 核复用和超深亚微米集成电 路设计的关键技术。 我国在c p u 的研发方面取得了一些喜人的成绩，如2 0 0 2 年“龙芯” c p u 的研制，为改变我国信息产业无“芯”局面迈出了重要的步伐。2 0 0 5 年4 月18 日中国科学院计算技术研究所成功研制出“龙芯”2 号计算机 高性能通用6 4 位处理器，“龙芯”2 号的研制得到了我国科技部门的大 力支持，先后被列入国家“8 6 3 ”计划计算机软硬件技术主题重点课题和 中科院知识创新工程重大项目。“龙芯”2 号最高频率为5 0 0 m h z ，功耗 为3 瓦至5 瓦，远远低于国外同类芯片，其标准测试程序的实测性能是 1 3 g h z 的威盛处理器的2 倍至3 倍，已达到p e n t i u m i i i 的水平nm 。 1 4 研究的目标 a l t e r a 公司开发的n i o s 是基于s o p c 技术的1 6 3 2 位嵌入式处理器 软核。与同类型产品相比，n 1 0 s 更能体现s o p c 技术思想，其作为一种 新技术，在国外已经有了广泛的应用，但是在国内使用n i o s 处理器的嵌 入式设计、开发者是很少的，开发者大多使用已经得到市场验证的稳定 的处理器产品，对于n i o s 仅仅局限于实验阶段，批量生产更无从谈起。 本课题以增加系统集成度，减少成本，同时保证系统性能为主要目标， 广东工业大学工学硕士学位论文 在一个嵌入式3 2 位软核c p u 的基础上，构建了一款具有数字信号处理功 能的可编程片上系统( s o p c ) ，对电网谐波进行测量n “。 1 5 本论文主要研究工作 主要研究工作为： 1 、分析比较了传统d s p 芯片和基于f p g a 的d s p 系统的特性。 2 、介绍了f p g a 元器件的发展历程，现代s 0 p c 的设计方法。 3 、介绍了硬件描述语言的分类和特点。 4 、提出了将软核c p u 和d s p 整合在一起来实现数字信号处理的方法。 5 、在系统软件开发中移植应用了实时操作系统m i c r oc o s i i 。 1 6 本文的结构安排 第一章绪论：对课题的研究背景进行了说明，介绍了一些相关的 s o p c 和计算机体系结构的国内外研究现状，阐述了本课题的研究内容、 目标及研究的意义。 第二章相关技术介绍：f p g a 和c p l d 的特点、s o p c 的相关技术和设 计方法学、硬件描述语言、电路设计方法和傅立叶变换等。 第三章基于s o p c 的d s p 系统的总体设计方案：说明本系统的工作 流程，根据实际占用资源的使用情况选择合适的片上资源。最后说明了 r t o s 的软件流程。 第四章系统的硬件设计：根据所选f p g a 芯片的具体要求设计外围 电源电路和外围配置芯片。 第五章片上系统的设计：进行基于实时操作系统的系统软件设计。 第六章f p g a 的f f t 实现：用硬件方法实现快速傅立叶变换。 第七章系统仿真试验：仿真结果符合设计要求。并且还可以获得高 性能，满足成本要求，并享有快速有效地对新设计进行优化的灵活性。 6 第二章相关技术介绍 第二章相关技术介绍 2 1 f p g a c p l d 概述 2 1 1f p g a 和c p l d 的工作原理 1 、c p l d 的原理 乘积项结构c p l d 的逻辑实现原理。 下面以一个简单的电路为例，具体说明c p l d 是如何利用以上结构实 现逻辑的，电路如下： 假设组合逻辑的输出( a n d 3的输出) 为 f ， 则 = ( 爿+ b ) 4 c + ( d ) = 一4 c + d = 彳c + d + 口+ c 。d c p l d 将以下面的方式来实现组合逻辑f ，见图2 一l ： abcd 、，一 、，一、，一、厂 - ab b c c dd f l 洫)、 、 ， 图2 lc p l d 工作原理 f i g 2 一lc p l d r u np r i n c i p i u m a ，b ，c ，d 由c p l d 晶片的管脚输入后进入可编程连线阵列( p 1 a ) ，在 内部会产生a ，a 反，b ，b 反，c ，c 反，d ，d 反8 个输出。图中每一个叉表示 相连( 可编程熔丝导通) ，所以得到：，= ，1 + 厂2 = + c + d ) + ( 曰+ c + d ) 。 这样组合逻辑就实现了。电路中d 触发器的实现比较简单，直接利用巨 集单元中的可编程d 触发器来实现。时钟信号c l k 由i 0 脚输入后进入 广东工业大学工学硕士学位论文 晶片内部的全局时钟专用通道，直接联接到可编程触发器的时钟端。可 编程触发器的输出与i 0 脚相连，把结果输出到晶片管脚。这样c p l d 就完成了所示电路的功能。 这个电路是一个很简单的例子，只需要一个巨集单元就可以完成。 但对于一个复杂的电路，一个巨集单元是不能实现的，这时就需要通过 并联扩展项和共用扩展项将多个巨集单元相连，巨集单元的输出也可以 连接到可编程连线阵列，再做为另一个巨集单元的输入。这样c p l d 就可 以实现更复杂逻辑。 这种基于乘积项的c p l d 基本都是由e e p r o m 和f 1 a s h 工艺制造的， 一上电就可以工作，无需其他晶片配合。 2 、f p g a 的结构和原理 采用查找表( l o o k u p t a b l e ) 这种结构的芯片我们也可以称之为 f p g a ：如a l t e r a 的a c i ! x ，a p e x 系列，x i l i n x 的s p a r t a n ，v ir t e x 系列等。 查找表( l o o k u p t a b le ) 简称为l u t ，l u t 本质上就是个r a m 。 目 前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成一个有4 位地 址线的1 6 x l 的r a m 。当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电 路以后，p l d f p g a 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并 把结果事先写入r a m ，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一 个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。 查找表结构的f p g a 逻辑实现原理。 还是以，= ( 4 + b ) + c + ( d ) = 爿幸c 。d = 爿4 c + d + 曰4 c + d 为侈0 ： a ，b ，c ，d 由f p g a 芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址 线连到到l u t ，l u t 中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查 找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。该电路中d 触发器 是直接利用l u t 后面d 触发器来实现。时钟信号c l k 由i o 脚输入后进 入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输 出与i o 脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样就完成了所示电路的功 能。 第二章相关技术介绍 表2 1 f p g a 实现原理 t a b 2 1f p g a r u np r i n c i p i u m a 、b 、c 、d 输入逻辑输出 地址r a m 中存储内容 o o o oo0 0 0 00 o 0 0 10o 0 0 10 oo l l l lo1 1 1 10 这个电路是一个很简单的例子，只需要一个l u t 加上一个触发器就 可以完成。对于一个l u t 无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多 个单元相连，这样f p g a 就可以实现复杂的逻辑w 。 f p g a ( 现场可编程门阵列) 与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是可编 程逻辑器件，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同 以往的p al ，g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十 甚至几千块通用i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件。 这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经 过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典 型的就是x i l i n x 公司的f p g a 器件系列和a 】t e r a 公司的c p l d 器件系列， 它们开发较早，占用了较大的p l d 市场。通常来说，在欧洲用x i l i n x 的人多，在日本和亚太地区用a l t e r a 的人多，在美国则是平分秋色。全 球p l d f p g a 产品6 0 以上是由a l t e r a 和x i1 i n x 提供的。可以讲a l t e r a 和x i l in x 共同决定了p l d 技术的发展方向。当然还有许多其它类型器件， 如：l a t t i c e ，v a n t is ，a c t e l ，qu jc k l o g i c ，l u c e n t 等。尽管f p g a ，c p l d 和其它类型p l d 的结构各有其特点和长处，但对用户而言，用法一样， 所以多数情况下，不加以区分n 1 w 。 2 1 ，2f p g a 并c p l d 的特点 f p g a c p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，尽管f p g a 和c p l d 都是可编 程a s i c 器件，有很多共同特点，但由于c p l d 和f p g a 结构上的差异，具有 各自的特点： 9 广东工业大学工学硕：卜学位论文 1 、c p l d 更适合完成各种算法和组合逻辑，f p g a 更适合于完成时序逻 辑。换句话说，f p g a 更适合于触发器丰富的结构，而c p l d 更适合于触发 器有限而乘积项丰富的结构。 2 、c p l d 的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测 的，而f p g a 的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。 3 、在编程上f p g a 比c p l d 具有更大的灵活性。c p l d 通过修改具有 固定内连电路的逻辑功能来编程，f p g a 主要通过改变内部连线的布线来 编程；f p g a 可在逻辑门下编程，而c p l d 是在逻辑块下编程。 4 、f p g a 的集成度比c p l d 高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 5 、c p l d 比f p g a 使用起来更方便。c p l d 的编程采用e 2 p r o m 或 f a s t f l a s h 技术，无需外部存储器芯片，使用简单。而f p g a 的编程信息需 存放在外部存储器上，使用方法复杂。 6 、c p l d 的速度比f p g a 快，并且具有较大的时间可预测性。这是由 于f p ( ；a 是门级编程，并且c l b 之削采用分布式互联，而c p l d 是逻辑块级 编程，并且其逻辑块之间的互联是集总式的。 7 、在编程方式上，c p l d 主要是基于e 2 p r o m 或f l a s h 存储器编程，编 程次数可达1 万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。c p l d 又可分 为在编程器上编程和在系统编程两类。f p g a 大部分是基于s r a m 编程，编 程信息在系统断电时丢失，每次上电时，需从器件外部将编程数据重新写 入s r a m 中。其优点是可以编程任意次，可在工作中快速编程，从而实现板 级和系统级的动态配置。 8 、c p l d 保密性好，f p g a 保密性差。 9 、一般情况下，c p l d 的功耗要比f p g a 大，且集成度越高越明显“”。 2 2 片上系统技术发展 2 1 1s o c 技术 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 1 0 第二章相关技术介绍 生产。而对于一些仅为小批量应用或处于开发阶段的s o 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与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 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 0 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 o c 的发展。 2 2 2s o p c 技术 s o p c 技术是美国a 1 t e r 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 si l 。s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c ，与a s i c 的s 0 c 解决方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色，构成s 0 p c 的方案也有如下多种途径： 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。为了减少整个系统的体 积、功耗，提高系统的可靠性，可以将a r m 或其他知识产权核，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 中的逻辑宏单元来构成该嵌入式系统处理器的接口功能模块。 2 、基于f p g a 嵌入i p 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： ( 1 ) 由于此类硬核多来自第三方公司，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。 ( 2 ) 由于硬核是预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器 广东工业大学工学硕士学位论文 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 无法裁减处理器硬件资源以降低f p g a 成本。 ( 5 ) 只能在特定的f p g a 中使用硬核嵌入式系统。 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。 目前最有代表性的软核嵌入式系统处理器分别是a l t e r a 的n i o s 和 n i o s i i 核，及x i l i n x 的m i c r o b l a z e 核。特别是前者，即n i o sc p u 系 统，使上述5 方面的问题得到很好地解决。 另外，在开发工具的完备性方面、对常用的嵌入式操作系统支持方 丽，n i o s 都优于m ic r o b l a z e 。 特别值得一提的是，通过m a t l a h 和d s pf i 】j 】d e r ，或直接使用v h d l 等硬件描述语言设计，用户可以为n i o s 嵌入式处理器设计各类加速器， 并以指令的形式加入n i o s 的指令系统，从而成为n i o s 系统的一个接口 设备，与整个片内嵌入式系统融为一体。 3 、基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统 h a r d c o p y 技术是一种全新的s o c 级a s i c 设计解决方案，即将专用 的硅片设计和f 、p g a 至l a r d c o p y 自动迁移过程结合在一起的技术，首先 利用q u a r t u si i 将系统模型成功实现于h a r d c o p yf p g a 上，然后帮助设 计者把可编程解决方案无缝地迁移到低成本的a s i c 上的实现方案。这 样，h a r d c o p y 器件就把大容量f p g a 的灵活性和a s i c 的市场优势结合起 来，实现对于有较大批量要求并对成本敏感的电子系统产品l 。从而避 开了直接设计a s i c 的困难，而从原型设计提升至产品制造，通过f p g a 的设计十分容易地移植到h a r d c o p y 器件上，达到降低成本，加快面市周 期的目的。 第二章相关技术介绍 2 3 电路设计方法 2 3 1 硬件描述语言的分类 随着大规模专用集成电路( a s i c ) 的开发和研制，开发效率不断提 高，同时还增加了己有开发成果的可重用性以及缩短开发时间，其中各 个a s i c 研制和生产厂家相继开发出适用于自己的硬件描述语言。其中最 具代表性的是美国国防部开发的v h d l 语言，v e r i l o g 公司开发的v e r i l o g h d l ，使利用硬件描述语言的电路设计方法成为主流。 1 、v h d l 语言 v h d l 是美国国防部于2 0 世纪8 0 年代初推出的v h s i c ，其全称为v e r y h i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i td e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，即超高速集 成电路硬件拙述语言，v h s i c 计划的目标是使工业界可以开发相对于以 前更为复杂的i c ，加速美国微电子业的发展。这个计划使i c 设计与制 造的每个阶段都达到了工艺极限，并且有关工艺的各项标准也得以很好 的实现。但设计者却发现当时的设计工具很难完成这样大型的设计任务； 当时普遍采用的基于门级基础的工具很难处理超过十万门电路的设计， 因此需要制定一种新方法来完成日益复杂的电路设计任务。 1 9 8 6 年，v h d l 被建议作为i e e e 标准，i e e e 一( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de 1 e c t r o n i ce n g i n e e r s ) 电气和电子工程师协会。经过 了多次更改后，直到1 9 8 7 年1 2 月，它才被接纳为i e e e l 0 7 6 标准。该标 准经过不断的完善和更新，目前的标准为i e e e l l 6 4 。它已被绝大多数i c 生产厂家和e d a 工具供应商所接受。当前几乎所有的e d a 软件，像 s y n o p s y s 、m e n t o rg r a p h i c s 、i n o v a e d a 、c a d e n c e 等，均支持该标准。 2 、v e r 订o gh d l 语言 v e r i l o gh d l 是在最广泛使用的c 语言的基础上发展起来的一种硬 件描述语言，它是由g d a ( g a t e w a yd e s i g na u t o m a t i o n ) 公司的 p h i l m o o r b y 在1 9 8 3 年末首创的，最初只设计了一个仿真与验证工具， 之后又陆续开发了相关的故障模拟与时序分析工具。1 9 8 5 年m o o r b y 推 广东工业大学工学硕士学位论文 出它的第三个商用仿真器v e r 儿o g x l ，获得了巨大的成功，从而使得 v e r i l o gh d l 迅速得到推广应用。1 9 8 9 年c a d e n c e 公司收购了g d a 公司， 使得v e r i l o gh d l 成为了该公司的独家专利。1 9 9 0 年c a d e n c e 公司公开 发表了v e r i l o gh d l ，并成立l v i 组织以促进v e r j l o gh d l 成为i e e e 标 准，即i e e es t a n d a r d1 3 6 4 一1 9 9 5 。 2 3 2 数字系统设计方法 1 、由底向上的设计 由底向上的设计方法是传统的i c 和p c b 的设计方法。采用由底向上 的设计方法需要设计者首先定义和设计每个基本模块，然后对这些模块 进行连线以完成整体设计。在i c 设计的复杂程度低于1 0 0 0 0 门时，由底 向上的设计方法是相当有效的；但随着设计复杂程度的增加，设计者就 很难处理其层次化的各个细节了。如果对较大规模的电路采用这种设计 方法，就会导致产品生产周期长、可靠性低、开发费用高等问题。 2 、由顶向下的设计 所谓由顶向下的设计方法，单从字面上解释，就是在抽象的高层次 上形成一个设计思想，然后实现这个思想，也就是从系统整体要求出发， 自上而下的逐步将系统实际内容细化。 从电子工程的角度来讲，这就意味着首先应该在高层次上定义一个 系统，然后对该系统进行逻辑划分，最后才去实现划分后的低层次的逻 辑。整个系统实现后必须进行功能模拟，最后才能进行版图设计和验证， 得到具体的实际电路。 由顶向下的设计方法相对于传统的由底向上的设计方法来说，具有 很多的优点，因为设计师可以将更多的精力和时间花费在高层次上对系 统进行功能定义和设计。由顶向下设计方法是面向系统的设计技术。设 计者不需要再用逻辑图的形式来设计系统；而是采用硬件描述语言对系 统进行描述，其关键技术在于系统的仿真、综合和测试都由技术上相对 成熟的电子设计自动化软件来完成，大大减少了设计者参与具体电路细 节的工作量，可以使其将更多精力投入到系统设计上，极大地提高了工 4 第二章相关技术介绍 作效率。 2 4ip 资源复用理念与lpc o r e 设计 2 4 1ip 资源复用理念 由于芯片设计的复杂性和产品面市时间对于保证终端市场的成功率 至关重要，设计师不断寻求缩短设计周期的方法，以及更有效的设计方 式。随着我们步入系统级芯片时代，利用i p 内核和可编程逻辑进行设计 复用显得日趋重要。 i p 资源复用( i pr e u s e ) 是指在集成电路设计过程中，通过继承、 共享或购买所需的智力产权内核，然后再利用e d a 工具进行设计、综合 和验证，从而加速流片设计过程，降低开发风险。i pr e u s e 已逐渐成为 现代集成电路设计的重要手段，在日新月异的各种应用需求面前，超大 规模集成电路设计时代正步入一个i p 整合的时代。 i pr e u s e 不仅仅应用于专用集成电路设计，对基于f p g a 的嵌入式 系统设计领域而言，更是具有举足轻重的地位。f p g a 在采用i p 内核方 面走在了市场的前面，其原因有以下几个方面： l 、f p g a 具有极高的灵活性和面市时间短的特点，这使得多项设计 迭代可以在数小时而不是数周内完成 2 、由于f p g a 密度达到了百万门甚至是千万门，越来越多的设计师 倾向于使用i p 内核保持和提高产品的产量 3 、可编程逻辑价格低廉，可以作为切实可行的生产工具以及最佳原 型设计，而且不许要昂贵的e d a 设计工具，大大降低了设计门槛。 2 4 2ipc o r e 设计方法 i pc o r e 是i pr e u s e 的载体和核心内容，基于应用需求、规范协议 和行业标准的不同，i pc o r e 的内容也是干差万别的。但是，为了使i p c o r e 易于访问和易于集成，其设计必须遵循一定的规范和准则。 广东工业大学工学硕士学位论文 在i pc o r e 的开发方面，许多开放性的团体都付出了巨大的努力来 推动各种i pc o r e 的开发和i pr e u s e 理念的推广，其中比较著名的是 o p e nc o r e s 开发组织。他们不仅开发了许多开放源代码的i pc o r e ，涵 盖了处理器i p 、处理器外设控制器i p 、算术运算单元i p 、d s p 算法i p 等方面，而且编写了详细的i pc o r e 编码风格和项目模板，并倡导了一 种