（通信与信息系统专业论文）基于sopc的epon+olt端的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 作为新一代的接入网技术，e p o n 将光纤通信完整地应用于接入网领域， 从而解决了长期以来困扰业界的接入网瓶颈问题。e p o no l t 系统的m a c 控 制芯片是o l t 的核心，本文根据e f m 工作组对于e p o n 系统的相关建议和 8 0 2 3 a h 协议，结合s o p c 的概念和特点，引出了基于s o p c 的e p o no l t 端 的研究和设计的问题。 本文首先简要介绍了e p o n 的特点及工作原理，以及国内外o l tm a c 控 制芯片和系统的研究进展。然后从集成电路设计方法的演变引出s o p c 的概念 和特点并对s o p c 的平台选择和设计方法做一番介绍。接着提出了基于s o p c 的e p o no l t 控制芯片的逻辑框架，并在此基础上阐述了四个具有创新性的设 计技巧：一、设计了高效的o l t 地址表的操作方案，保证了o l t 芯片对e p o n 中的上下行帧前导码的有效识别和正确处理；二、创新性地将o l t 端的静态带 宽分配和发现过程结合在一起，并用f p g a 来实现，保证了e p o n 中注册、带 宽分配等核心功能的高效执行；三、设计了高效的上行分类和下行复用模块， 保证了o l t 芯片对e p o n 中m p c p 帧、o a m 帧和数据帧的有效识别和正确处 理；四、创新性地使用p o w e r p c 4 0 5 设计了基于s o p c 的o l t 平台，设计了基 于c o r e c o n n e c t 总线的o a m 和动态带宽分配接口。 本文着重于对各功能模块的端口和状态机的描述，并给出详细分析及仿真 结果，验证了设计的正确性。最后，介绍了o l t 硬件系统设计方案，包括对各 单元电路的功能描述与实现方案，并且总结了设计和调试过程中的实践经验， 同时给出整个e p o n 系统的测试结果。 关键词：o l t , 地址表；m p c p ；注册；p o w e r p c ；s o p c ；i p 核；b f m v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h eh o p eo ff n r h e p o nb r i n g so p t i c a lf i b e ri n t ot h er e a l mo fa c o e 鹞 n e t w o r ka n dm e e t st h eb a n d w i d t hr e q u i r e m e n to ft h es u b s c r i b e r s t h em a c c o n t r o l l e ro fo l ti st h ec o t o fe p o ns y s t e m w i t hl e f e r e n c et o8 0 2 3e f m p r o p o s a l sa n d8 0 2 3 a hp r o t o c o la n db yc o m b i n a t i o nw i t ht h e i d e aa n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fs o p c ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h ek e yp r o b l e m so ft h er e s e a r c ho n o l t d e s i g nb a s e do ns o p c t h eb a s i cp r i n c i p l eo fe p o na n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fo l tm a c e o n 仲o l l e rc h i pa r ed e s c r i b e d b yr e v i e w i n gt h ee v o l u t i o no fi cd e s i g nm e t h o d ，t h i s t h e s i sp u t sf o r w a r dt h ei d e aa n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fs o p ca n di n t r o d u c e st h e c h o i c ea n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h es o p cp l a t f o r m b a s e do ns o p cal o g i c f r a m e w o r ko fm a cc o n t r o lc h i pf o ro l ti sp r e s e n t e da n ds o m ei n n o v a t i v ed e s i g n t e c h n i q u e sa r eg i v e ns u c ha s t h em a n i p u l a t i o ns c h e m eo fo l ta d d r e s st a b l e s d e v e l o p e dt oe n s u r et h ec o r r e c tr e c o g n i t i o na n dp r o c e s so ft h ep r e a m b l ei ne p o n f r a m e , t h ed i s c o v e r y p r o c e s sc o m b i n i n gw i t ht h es t a t i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n p r o p o s e da n di m p l c m a n t e dw i t hf p g a t oe n a b l et h ee f f e c t i v ei m p l e m e n t a t i o no f s o m ee p o nc , o r ef u n c t i o n sl i k er e g i s t r a t i o na n db a n d w i d t ha l l o c a t i o n , t h ep a r s e r m o d u l ei nu p s t r e a ma n dt h em u l t i p l e x e rm o d u l ei nd o w n s t r e a md e v e l o p e df o rt h e g e n e r a t i o na n dt e r m i n a t i o no fm p c p 、o a ma n dd a t af r a m e sa n dt h ei n n o v a t i v e u t i l i z a t i o no f p o w e r p c 4 0 5t od e v e l o pt h ei n t e r f a c eo f o a ma n dd b a m o d u l e sw i t l l c o t c o n n e c tb u s t h et h e s i sf o c u s e so nt h ed e s c r i p t i o no ft h ep o r ta n ds t a t em a c h i n eo ft h e f u n c t i o nm o d u l e s t h es i m u l a t i o nr 刚ta n di t sd e t a i la n a l y s i sa r ep r e s e n t e dt o v a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h e s ed e s i g n s f i n a l l y , t h ei m p l e m e n t a t i o no fo l t h a r d w a r e s y s t e m i si n t r o d u c e d i n c l u d i n g t h ef u n c t i o n d e s c r i p t i o na n dt h e i m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fe a c hm o d u l e t h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e sg m n e df r o mt h i s p r o j e c ta r ec o n c l u d e da n dt h et e s tr e s u l to fe o p ns y s t e mi sa l s op r o v i d e d k e y w o r d s ：o l t ；a d d r e s st a b l e ；m p c p ；r e g i s t e r ；p o w e r p c ；s o p c ；i pc o r e ；b f m 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：查：蕉盔日期：垄丞! ：l 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：签擂客导师签名：巧辱丝丝燧日期： 1 1 1 皂，7 2 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 以太无源光网络e p o n 的概述 随着信息技术的飞速发展和i n t e m e t 的普及，i p 业务的迅猛发展和各种新 业务的不断涌现使得人们对网络接入带宽的需求大幅度增加。宽带口光传输网 成为主流，骨干网带宽已从先前的1 0 0 m b p s 级上升到1 0 g b p s 甚至是t b 级。然 而，传统的接入网成为整个网络的“瓶颈”，以新的宽带接入技术取而代之已成 为目前研究的热点。 从本质上说，唯一能够从根本上彻底解决宽带接入瓶颈的技术手段是光接 入网一光纤到楼( f t t b ) 和光纤到家( f t t h ) 。通过光纤到家( f t t h ) 实现全 业务接入网是通信业界人们的理想。光接入网也将是信息高速公路最初一英里 的最终解决方案，是电话、电视、数据业务融合的最后归宿。它的实现对于推 进人类社会信息化将具有划时代的意义。 i e e e 于2 0 0 0 年底成立了e f m 工作小组( e t h e m e ti nt h ef i r s tm i l es t u d y c r o u p ) ，试图引入一种新的接入技术标准以太无源光网络( e t h e r n e to v g r p o n ，简称e p o n ) 。它有着如下的特点： 高带宽：e p o n 在上下行提供千兆的带宽，是传统接入方式无法比拟 的。 费用低廉：e p o n 的一点到多点的拓扑结构，决定了网络所用的光纤 省，光器件少；不需户外设备，节省了供电和维护费用。同时，由于 e p o n 使用的是标准的以太网结构，现有的以太网设备就无需升级。 所以，e p o n 有着显著的价格优势。 可实现综合业务：高带宽的优势和灵活的传输模式，使得e p o n 能够 很好的支持语音、视频和传统数据业务。e p o n 将是“三网合一”的 最佳解决方案。 安全性好：e p o n 协议为用户提供了多重的安全保障。 e p o n 的上下行链路通过波分复用的技术，在同一根光纤中传输。上行 上海大学硕士学位论文 ( o n u 到o l t ) 传输采用t d i v i a 的技术，防止上行信道的数据冲突。下行( o l t 到o n u ) 传输采用广播方式，在o n u 端通过侦测数据帧的逻辑链路标识( l l i d ) 和m a c 地址来决定是否接收该帧。图1 1 1 表示了e p o n 上行信道使用的 t d m a 技术。3 4 1 u s e r 2 图1 1 1f ：p o n 上行信遭的t d m a 技术 e p o n 的上、下行的数据都采用i e e e8 0 2 3 的以太数据帧格式。由于已有 的i e e e8 0 2 3 协议是点到点的数据传输协议，所以在e p o n 协议中加入了一些 新的控制帧来保证在上行的共享媒质信道仍然兼容点到点的数据传输。这些新 的控制帧也采用i e e e 8 0 2 3 的帧格式。 1 2e p o n 芯片的研究进展 国内外的通信设备制造商和研究机构都非常看好e p o n 的前景，纷纷推出 了自己的芯片和设备。 以色列的p a s s a v e 公司率先推出e p o n 的单芯片解决方案p a s 6 0 0 1 ， p a s 5 0 0 1 。这款芯片是首个符合i e e e8 0 2 3 a h e f m 的芯片。3 2 1 美国的t e k n o v u s 公司也推出e p o n 控制芯片t k 3 7 0 1 ，t k 3 7 2 1 。该产品符合 现有的i e e e 8 0 2 3 a he p o n 标准。芯片内集成了e p o n 引擎，内置了a r m 7 处理器， 集线速率的2 3 4 层包过滤和分类功能于一体，管理、统计、可编程能力都很 丰富，支持v l a n 。 另外，不少国外设备商，如，a l l o p t i e ，s a l i r a ，w a v e 7 ，f u j i t s u 等，也纷纷 推出自己的e p o n 设备。 格林威尔公司和北京邮电大学共同承担了国家8 6 3 课题“基于千兆以太网 的宽带无源光纤网络系统”。格林威尔在e p o n 产品开发中提出并实现了具有电 2 上海大学硕士学位论文 信级q o s 保证的e 1o v e re p o n 技术；提出并实现了支持优先级业务保证的弹性 保护倒换技术，保护倒换时间小于5 0 m s ；解决了兼顾系统资源利用率和带宽管 理控制公平性两方面并支持多业务的动态带宽分算法，吞吐量可达9 7 ；提出 并实现了基于连接的下行带宽控制技术。在课题攻关期间完成四项技术兼容 i e e e 8 0 2 3 a h 建议的国家发明专利申请及国际、国内e p o n 网管标准的起草制定。 2 0 0 4 年7 月格林威尔e p o n 系统在江苏徐州开通了试验局，标志着这一系统正 式进入商用应用阶段。 武汉烽火通信承担的国家8 6 3 计划“基于千兆以太网的宽带无源光网络 ( e p o n ) 系统”项目也成功通过了科技部专家组的测试和总体验收。烽火通信 已掌握了e p o n 多项核心技术，并且成功开发了e p o n 系统的b p 5 0 1 2 局端设备和 b p 5 0 0 1 用户端设备。烽火通信拥有3 项e p o n 核心专利技术，涉及动态带宽指 定、以太网无源光网络动态过滤数据库的实现方法、以太网在p o n 上的成帧技 术等多个领域。同时依靠自身力量研制出e p o nf p g a 核心芯片组，使烽火通信 成为国际上极少拥有全部自主知识产权且同时研发e p o n 芯片与系统的设备供 应商之一。 1 3 本课题研究的主要内容和意义 1 3 1 研究内容和本人所做的研究工作 本课题是上海市科委集成电路专项课题“以太无源光网媒质访问控制器芯 片设计”( 0 5 7 0 6 2 0 1 9 ) 中为设计一种具有自主知识产权的o n u 芯片配套制作 一个o l t ，完成整个e p o n 系统的搭建。 本论文作者负责的工作是设计以太无源光网络的o l t 设备，主要包括o l t 光模块和电模块的设计与制作，以及o l t 控制芯片的f p g a 实现和s o p c 方面 的研究。已作的主要工作如下： 1 收集并阅读了大量关于m e e 8 0 2 3 a h 标准的公开建议和相关论文，仔细阅 读和理解了i e e e 8 0 2 3 a h 的正式版协议，对p c s 、r s 、m a c 等子层的功能 用控制芯片来实现。这是本课题的重点研究内容。 2 收集并阅读了大量的s o p c 相关技术文档和论文，总结了s o p c 的设计方 3 上海大学硕士学位论文 法和设计要点，并结合o l t 的控制逻辑，设计了一个切实可用的s o p c 控 制接口，并进行了相关的编码和仿真工作。这也是本文的重点和创新点。 3 制作了o l t 端的光模块部分，并对o l t 端的电模块进行了改进。 4 对最终完成的o l t - - o n u 系统进行了测试。验证了设计的正确性。 1 3 2 课题研究的意义 1 研制具有自主知识产权的e p o n 芯片及系统，促进了我国通信产业和相关 光产业的发展。 2 通过s o p c 的研究，为设计小型化、高性能的o l t 系统提供了切实可行的 方案。 3 利用现有的无源光网络器件自主研制符合i e e e 8 0 2 3 a h 协议的o t l 模块， 建立了o l t - - o n u 的测试系统，为开发具有自主知识产权的o n ua s i c 芯片提供了完整的测试平台。 1 4 论文的结构安排 本论文以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，主要分为以下几 个章节： 第一章：介绍e p o n 系统的特点、国内外e p o n 芯片发展的现状，并且引出本 课题的研究内容和意义。 第二章：叙述集成电路设计方法的演变、s o p c 的关键技术、s o p c 的平台选择 和基于v i r t e x i i 的p r of p g a 的特点及其s o p c 设计策略和设计流 程。 第三章：论述一个基于s o p c 的o l t 芯片内部逻辑功能的设计，这是本文的重 点部分。主要介绍几个关键性模块的端口设计、逻辑实现方法以及系 统仿真结果，并设计o p b 总线和o l t 逻辑互联的总线接口及其仿真 测试方法。 第四章：介绍o l t 系统的硬件设计及其布线概要，以及基于s o p c 的o l t 硬 件系统的相关设计。 第五章：讨论o l t 硬件调试步骤和内部逻辑调试时遇到的问题及其解决办法。 4 上海大学硕士学位论文 然后给出整个e p o n 系统的测试结果，并针对结果分析可能出现的问 题。最后给出论文的总结和对未来工作的展望。 上海大学硕士学位论文 第二章基于s o p c 的大规模数字电路设计 2 1 集成电路设计方法的演变 最近3 0 年来，数字电路设计技术获得了飞速的发展。最早的数字电路是 用电子管和晶体管构成的，直到逻辑门能做在单芯片上才出现了集成电路。最 初的集成电路是只有很少门数的小规模电路，随着技术的不断发展，出现了几 百门的中规模集成电路和几千门的大规模集成电路。从这时起，设计过程开始 变得非常复杂，设计者已经感觉到自动化设计的必要性。计算机辅助设计( c a d ) 的出现，使设计人员能够开始用电路和逻辑仿真技术来验证大约1 0 0 万个左右 晶体管的功能模块。当然，这种电路也可以在面包板上进行测试。随着超大规 模集成电路技术的出现，可以在单芯片上集成上万个晶体管，由于电路的复杂 程度越来越高，在面包板上验证电路已经不大可能，计算机辅助技术就成为设 计和验证超大规模集成电路的关键。2 1 随着集成电路的深亚微米制造技术、设计技术的迅速发展，集成电路己进 入片上系统时代。所谓的片上系统，又称为系统级芯片，就是系统级集成电路， 其英文缩写为s o c ( s y s t c mo ni tc h i p ) 或者s l i ( s y s t e r nl e v e li c ) 。系统级集成电 路( s o c ) 在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和i o 等功能，或者 说在单一硅芯片上集成了数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、 m p u 、m c u 、d s p 等，实现了一个系统的功能。s o c 是在a s i c 的基础上发 展起来的电路，它与a s i c 完全不同，具有很多独特的优点： s o c 增加了功能。从单一功能增加到多个功能，实现了一个系统的功 能，达到了高速、高集成度和低功耗。 s o c 大大降低了整机的成本。过去构成一个系统需用多块芯片，现在 只要一块s o c 就够了。 s o c 大大降低了整机的体积。这是系统制造进一步发展的方向，尤其 对于便携式的电脑、通信及多媒体产品的生产厂家更具有吸引力。 s o c 促进了整机系统更新换代的速度。它缩短了供需双方之间的差距， 6 上海大学硕士学位论文 使整机更受用户的欢迎，便于占领市场。 s o c 的这些优点正好顺应了通信、电脑、消费类电子产品向轻、薄、 短和耗电少的发展方向，因此市场对s o c 产品有强烈的需求。 嵌入式系统s o c 可基于现场可编程门阵列复杂的可编程逻辑控制器件 f p g a e p l d 或专用集成电路a s i c 。开发新的s o c 器件需要许多关键因素， 包括新的开发工具、领先的制造技术和半导体m 核。考虑到技术发展，基于 a s i c 的s o c 行业仍面临许多挑战，因此其发展受到了阻碍。采用e p l d 可使 s o c 设计具有显著的灵活性，但由于处理器内核通常是硬核，所以其伸缩性极 小。目前，a r m 等一些公司推出的各种可配置处理器内核正在改变着s o c 的 设计。a l t e r a 和x i l i n x 公司将自己生产的可配置e p l d 与可配置处理器内核结 合在一起，推出了s o p c ( s y s t e m o n p r o g r a m m a b l e c h i p 片上可编程系统) 解决 方案。s o p c 是一个崭新的、富有生机的技术研究方向。它将处理器、存储器、 i o 口等系统设计需要的模块集成到一个可编程器件上，构建成一个可编程的 片上系统。首先它是片上系统，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。”1 随着现场可编程逻辑器件越来越高的集成度，加上对不断出现的f o 标准、 嵌入功能、高级时钟管理的支持，使得设计人员开始利用现场可编程逻辑器件 来进行系统级的片上设计。s o p c 系统得到迅速发展，主要有以下几个原因：( 1 ) 密度在1 0 0 万门以上的现场可编程逻辑芯片已经面市；( 2 ) 第四代现场可编程 逻辑器件的开发工具已经成形，可对数量更多的门电路进行更快速的分析和编 译，并可使多名设计人员以项目组的方式同步工作；( 3 ) 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；( 4 ) 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，产品尺寸也减小 了。7 2 2 s o p c 的关键技术 s o p c 是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统( s o c ) ，即由单个芯 7 上海大学硕士学位论文 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，并具备软件硬件在系统可编程的功能。s o p c 结合了s o c 和f p g a 各自的优点，一般具备以下的基本特征：至少包含一个嵌 入式处理器内核；具有小容量片内高速r a m 资源；丰富的口c o r e 资源可供选 择；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；可能包 含部分可编程模拟电路。1 因此，s o p c 技术兼具了f p g a 和s o c 的特点，包 含以下两项关键技术1 7 | 1 i p 核及其复用技术 口即知识产权，在集成电路设计中，m 特指可以通过知识产权贸易在各设 计公司间流通并完成特定功能的电路模块。i p 核是满足特定规范，经过验证的 集成电路设计，并能在设计中复用的功能模块。对于百万门可编程逻辑设计要 求最短的面市周期( t i m et om a r k e t ) ，i p 设计复用显得越来越重要。m 是未来 s o p c 设计的核心。4 1s o p c 平台上的i p 技术主要分为软核和硬核两部分： l 、软核( s o f ti p ) 软核通常采用硬件设计高级语言( r t l 门级、v e r i l o gh d l 或者v h d u 的形 式描述功能块的行为，但是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。大 多数应用于f p g a 的i p 内核均为软核，软核有助于用户调节参数并增强可复用 性。软核通常以加密形式提供，这样实际的r t l 对用户是不可见的，但布局和 布线灵活。在这些加密的软核中，如果对内核进行了参数化，那么用户就可通 过头文件或图形用户接n ( o u 0 方便地对参数进行操作。 软核的复用性( r e u s e ) 为s o p c 设计作出了巨大贡献。在s o p c 设计中，这 类i p 核的规模一般都比较大，如c p u 核、p c i 核、s d r a m 以及d d r a m 控 制器等。 2 ) 硬核( h a r di p ) 硬m 是m 模块的最深层次，涉及广泛的内容，它也是最主要的形式。硬 核以集成电路版图( l a y o l i t ) 的形式提交，并经过实际工艺流片验证，虽然硬核难 以修改，但这种硬核既具有可预见性，同时还可以针对特定工艺或购买商进行 功耗和尺寸上的优化。显然，硬核强烈地依赖于某一个特定的实现工艺，而且 8 上海大学硕士学位论文 在具体的物理尺寸、物理形态及性能上具有不可更改性。 尽管硬核由于缺乏灵活性且可移植性差，但由于无须提供寄存器转移级 ( r t l ) 文件，因而更易于实现口保护。这些特点对使用者来说有喜有忧。喜的 是硬核是已经过验证并具有最优的面积代价和性能的设计，使用者不需考虑与 此相关的优化问题。忧的是硬核与工艺的强相关性迫使使用者也只能使用该工 艺完成电路其它部分的设计，而且在布局布线时要注意硬核的物理限制。 2 基于单片集成系统的软、硬件并行开发与协同设计及验证技术硌 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以外，s o p c 还涉及目前引起普遍关注的软硬件 协同设计技术。 随着e d a 技术的发展和大规模可编程器件性能不断提高，s o p c 技术已经 被广泛应用于许多领域。硬件和软件更加紧密结合不仅是s o p c 的重要特点， 也是2 1 世纪信息产业发展必然趋势。s o p c 设计已不再是硬件工程师的工作范 围，同时涉及到软件工程师和系统结构工程师，这是电子设计的一场巨大变革。 2 3 主流的s o p c 平台的选择 目前全球最大的两家可编程逻辑器件生产厂商分别是x i l i n x 和a l t c r a ，它 们占据了全球6 0 的可编程逻辑市场。面对s o p c 技术的发展和需求，x i l i n x 和a l t c r a 都推出了自己的s o p c 系统解决方案。一套完整的s o p c 系统解决方 案包括f p g a 器件、处理器m 核、系统m 核、外设口核、总线架构和开发工 具等等。其中处理器口核的速度直接决定了整个s o p c 系统的结构和性能，因 而尤为关键。两大厂商的s o p c 系统解决方案，及其处理器m 核的类型、速度、 适用的器件，如表格2 3 1 主流c p u 核的比较所示。 表格2 3 1 主流c p u 核的比较 生产厂商处理嚣舻核m 核类型速度适瑚器件 m i c r o b l a z e 3 2 位软核 1 5 0 m h z s p a r t a n i i 以上 x i l i n x p o w e r p c 4 0 5 3 2 位硬核 4 0 0 m h z v i r t e x i i p r o 以上 n i o s i i3 2 位软核2 0 0 m h z c y c l o n e 以上 a l t e r a a r m 9 2 2 t 3 2 位硬核 2 0 0 m h ze x c a l i b u rd e v i c e 8 面对广大的嵌入式应用，c p u 往往是系统最终性能表现优劣的关键。因此 9 上海大学硕士学位论文 f p g a 厂商往往会选择在f p g a 中集成硬核c p u 以及其他外围模块的方式，刨 造出一种满足高性能应用的器件类型。 在硬核c p u 的选用上，x i l i n x 公司采用的是p o w e r p c4 0 5 ，这是一个3 2 位r i s c 核，将其集成在x i l i n x 的v i r t e x i ip r o 器件中后，工作频率可以达到 4 0 0 m h z ，性能超过了6 0 0 d m l p s ，这一出众的性能使v i r t e x - i ip r o 受到网络 电信、音视频处理等高端应用的青睐。与x i l i n x 不同，a l t e r a 公司在设计基于 硬核的可配置平台时，选用了公开授权的a r m 9 2 2 架构，这是一个主频可以达 到2 0 0 m h z 的3 2 位r i s c 内核，它与a l t e r a 的a p e xf p g a 架构集成后形成了 被称为e x c a l i b u r 的系列器件。 另一方面，a l t e r a 公司推出了3 2 位嵌入式r i s c 软核处理器n i o s i i ，它具 有2 0 0 d m i p s 的性能。x i l i n x 公司所提供的软核c p um i c r o b l a z e 是一款3 2 位 r i c s 处理器，为了实现高性能它采用了h a r v a r d 独立3 2 位指令和数据总线。 在v i r t e x i ip r o 中可以实现1 2 3 d m i p s 的性能，工作频率可以达到1 5 0m h z 。 相对于硬核来说，软核平台具有使用灵活性的优势，然而性能相对硬核来说要 低很多，对于一些高端应用将显得无法应用自如。 综合以上来看，x i l i n x 公司的p o w e r p c 4 0 5 处理器硬核是目前业晁嵌入于 f p g a 中，速度最快、性能最好的处理器口核。对于o l t 应用中复杂的d b a 算法和o a m 管理将会有更好的支持。无疑成为首选的s o p c 平台。本课题将 采用、( n t e x i ip r of p g a ( x c 2 v p 3 0 f f 8 9 6 6 ) 来实现s o p c 的应用。 2 4v i r t e x i ip r of p g a 及其开发 要使用v i r t e x i ip r of p g a 来建立满足o l t 实际应用的s o p c 系统，必须 先要清楚地了解其内部的基本结构和特点。而作为一个完整的s o p c 解决方案， 处理器m 核、总线构架，以及一套灵活、易用地开发工具都是必不可少的。 2 4 1v i r t e x i ip r of p g a 的结构特点 作为一个完整的s o p c 解决方案，一片x c 2 v p 3 0 f p 8 9 6 6 中嵌入了两个m m p o w e r p c4 0 5 高性能处理器硬核；具有3 0 8 1 6 个逻辑单元( 1 0 9 i ce e l l ) ；提供片 上2 4 4 8 k br a m 用于构建存储单元；内嵌了1 3 6 个分布式的1 8 x 1 8 位乘法器； 1 0 上海大学硕士学位论文 8 个数字时钟管理单元( d c m ) 可以方便地产生不同频率、不同相位的时钟信 号。另外，还嵌入了高速串行收发器，最高可获得3 1 2 5 g b i f f s 的串行速率。并 且辅以相应的总线构架以及丰富的口核，成为s o p c 开发的理想平台。具体结 构如图2 4 1 。1 数字时钟管理器 r o c k e t i o s c l e c t l o 模块 图2 4 1v i r t e x 一p r o 基本结构 p o w e r p c 4 0 5 是3 2 - b i t 哈佛结构的r i s c 嵌入式结构的核。它通过球植入 技术被整合进v i r t e x i ip r o 器件。它使用c o r e c o n n e c t 总线作为基础结构，并且 具有种类繁多的作为外围设备的m 核。最高可以工作在4 0 0 m h z 的频率下，具 有6 0 0 多d m i p s 的运行速度。吼2 2 1 p o w e r p c4 0 5 处理器包含以下几个单元：( 如图2 4 2 所示) 一个5 级流水线，包括拿取( f e t c h ) 、译码( d e c o d e ) 、写回( w r i t e b a c k ) 和装入写回( w r i t e b a c k ) ； 一个虚拟内存管理单元( m m u ) ，它支持可变页面大小和写保护、控 制访问选项； 分开的指令缓存和数据缓存； 调试和跟踪接口，包括一个j t a g 接口； 3 个可编程的时钟。 上海大学硕士学位论文 p l bm , l s t e t 指令 读接口o c m i 内存管理单元 c p u ( m m u ) 指令缓存指令缓存 阵列控制器 厂再甄田 取指令和3 个单元取 i ( 4 输入) 1 1 译码逻辑指令队列 计数器 指令缓存单元 窜者田 计数器 缓存单元 和 d e b u g 数据缓存单元执行单元 d e b u gi 数据快表l 逻辑 数据缓存数据缓存 i ( 4 输入) 1 1 3 2 * 3 2 a l u m a c a 阵列控制器 g p r ff p l bm a s c 玎p l bn m s t c l r 数据 读接口写接口o c m i t a g t 指r a 令c e 图2 4 2p o w e r p c4 0 5 结构 此外，p o w e r p c a 0 5 具有3 2 个3 2 位通用寄存器和专用片上m e m o r y ( o c m ) 接口，并支持c o r e c o r m e c t 技术。 2 4 2s o p c 设计策略及设计思路 与传统芯片设计方法不同，s o p c 需要对i c 设计和实现方法进行重新评价。 新的s o p c 实现要求一种着眼于快速投放市场，具有可重构性和高效自动化的 设计方法。随着设计规模的不断增大，对物理和逻辑设计领域的管理变得越来 越困难，采用分层、基于模块的设计流程有助于设计管理，并可使定级和模块 级的协同设计成为可能。 本人对s o p c 的看法如下： s o p c 应该是c p u 系统+ 硬实时部分+ 逻辑电路的一个组合体，其中c p u 负责数据管理、通讯、人机交互等实时性相对较低的任务，硬实时部分则是独 立于c p u 系统，充分利用现有口，用h d l 语言实现的某些实时性可靠性要求 较高的关键部分，它可以和c p u 系统通过自定义的接口通讯。至于逻辑电路， 上海大学硕士学位论文 这本来就是f p g a 的强项。对于c p u 系统，x i l i n x 推出了相对比较完整的方案， 在c p u 功能上来讲，已经非常全面了，并且也有多种o s 可供选择，对于l i n u x 、 v x w o r k s 都有良好的支持。 对于最关键的硬实时信号处理部分，这才是s o p c 系统的精华所在，但由 于纯粹要用h d l 语言实现，最多是结合一些现有的m ，因此难度较高。对此， x i l i n x 公司推出了s y s t e mg e n e r a t o r ，这纯粹是为了克服系统硬实时信号处理部 分编码过于困难的一个工具，它基于m a t l a b 的直接代码生成，并且支持浮点运 算，降低了开发难度，以此配合c p u 来实现s o p c 系统，可以在s o p c 系统上 代替传统的d s p 处理器。 图2 4 3 是一个s o p c 简要的系统框图_ c p u + 硬实时部分+ 逻辑电路。 c p u 在其中主要从事通讯、人机交互等功能：控制回路则由硬实时部分配合相 应的a d 和d a 实现，其他可作为逻辑电路。 另外，s o p c 设计需要注意的关键要素有1 7 1 更深入的系统级设计与分析，必须合理选择i p 模块并仔细安排各个设 计阶段的接口； 以s o p c 为中心的嵌入式软件设计，软件开发必须与硬件同步进行； 图2 4 3s o p c 系统框图 使用一致的工具来进行软硬件的协同设计与验证，采用一个完整的验 证环境，可以完成逻辑仿真工具与其它高效工具( 软硬件协同工具) 上海大学硕士学位论文 连接； 由于口模块、e d a 工具和模型技术还处于不断改进的阶段，利用外界 设计咨询服务来弥补现阶段s o p c 设计体系的不足。 现在，s o p c 设计通常采用硬件描述语言h d l 设计方法。其中v h d l ， v e r i l o gh d l 和s y s t e mc 是目前非常流行的进行硬件设计的高级描述语言。 2 4 3 基于e d a 工具的s o p c 设计流程 1 几个基本的软件及其组件的功能 图2 4 4x p s 基本图形界面 针对嵌入式p o w c r p c 的v i r t e x i ip r o 的开发，x i l i n x 专门推出了一套嵌入 式开发工具包( e d k ) 。在这个工具包里面集成了硬件平台产生器( p l a t g e n ) 、硬 件仿真模型产生器( s i m g e n ) 、软件平台产生器( 1 i b g e n ) 、应用软件编译工具 ( g n uc o m p i l e ) 、软件调试工具( g n ud e b u g g e r ) 等等。用户可以通过集成 在e d k 中的x i l i n x 平台工作室( s ) 在w m d o w s 的图形界面下，方便地调 用各种工具，完成整个s o p c 系统的开发，并且软硬件开发同时进行。同时， e d k 也提供了丰富的可供使用的口核。图2 4 4 是x p s 的基本图形界面。 1 4 上海大学硕士学位论文 i s e 是x i l i n x 针对传统的f p g a 逻辑设计而开发的专门工具。在i s e 里面 同样提供了丰富的口核，来满足普通的应用需求。 另外一些第三方的软件，比如，m o d e l s i m 将会用来进行功能和时序的仿真； s y n p l i f y 用作第三方的综合工具。 2 基于以上工具的设计流程 在设计和开发基于x i l i n x 的s o p c 系统的时候，有两种开发模式可供选择： s u b m o d u l e 和t o p 1 e v e l 。可以在如图2 4 5 的对话框罩进行选择。 图2 4 5s o p c 开发模式选项 t o p 1 e v e l 模式是把p o w e r p c 4 0 5 看作是s o p c 系统的主体，把其它一些逻 辑块看作是p o w e r p c 4 0 5 的外围设备。它的设计流程为：在x p s 环境下，设计 者通过创建或导入m h s 文件来建立包括p o w e r p c 4 0 5 处理器硬核在内的整个 s o p c 的硬件系统，最终产生当前f p g a 硬件系统的网表文件和约束文件。 s u b m o d u l e 把p o w e r p c 4 0 5 仅仅当作s o p c 系统的一小部分。在e d k 环境 下完成部分s o p c 硬件系统的开发后，将产生的网表文件导入到i s e 环境下， 添加其他的f p g a 资源和约束文件，然后再回到e d k 环境下完成s o p c 的软 件系统开发。 在s o p c 硬件系统的设计过程中，现有的m 资源肯定不可能满足所有应用 的需求，因此，必须建立自己的c p u 外围用户逻辑。x i l i n x 在x p s 集成开发 环境中，提供了一个c r e a t ea n di m p o r tp e r i p h e r a lw i z a r d ，如图2 4 6 c r e a t ea n d i m p o r tp e r i p h e r a lw i z a r d 可以方便地建立自己的外围设备以供p o w e r p c 4 0 5 调 用。2 5 “2 8 1 1 5 上海大学硕士学位论文 圉2 4 6c r e a t ea n di m p o r tp e r i p h e r a lw i z a r d 在硬件开发完成后，可以根据需要使用硬件仿真模型产生器( s i m g e n ) 产 生仿真模型。使用仿真软件，如m o d e l s i m ，进行硬件仿真。对于用户自定义逻 辑的仿真，可以通过x i l i n x 的b f m ( b u sf u n c t i o n a lm o d e ) 模型来进行，b f m 模型封装了c o n n e c t 总线的读写操作。基于b f m 的c o n n e c t 总线的读写操作仿 真，可以通过编写b f l ( b u sf u n c t i o n a ll a n g u a g e ) 来实现。这一过程不是必需 的。 对于e d k 环境下提供的口核，x i