第一讲 、基于SoPC的嵌入式系统设计概述

1、基于SOPC的嵌入式系统设计概述张新喜二00九年七月,主要内容,一、嵌入式系统的基本概念,二、SOC及SOPC定义,三、SOPC技术特征,四、SOPC应用实例,基本概念：1.嵌入式系统(EmbeddedSystem)嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础并且软硬件可裁剪（可编程、可重构），适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素：所谓“嵌入性”是指：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境需求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。,一、嵌入式系统的基本概念,

2、所谓“专用性”是指：对软、硬件的可裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件灵活性的配置。所谓“计算机系统”是指：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的硬件电路。,一、嵌入式系统的基本概念,早期由分立器件构成嵌入式系统结构,使用各种独立的集成电路块（如处理器、RAM、ROM、译码逻辑、接口芯片、专用芯片等），通过印刷电路板上的走线相互连接，构成一个系统。下面是一个典型的嵌入式系统构成：,这种早期嵌入式系统的缺点:1、系统体积大，不利于集成；2、分立器件功耗大，不利于手持及移动应用；3、PCB布线存在寄生电容、电感，影响信号传输；

3、4、PCB板面积大易受电磁干扰，影响系统的稳定性。,随着集成电路技术的进一步发展，系统设计正向着系统级芯片(system-on-a-chip，SOC)的方向发展。,一、嵌入式系统的基本概念,2.片上系统(SOCSystemonaChip)SOC的定义：它是电子信息集成系统IS（IntegratedSystem）发展趋势下的必然产物。它是将一个完整产品的各功能集成在一个芯片中，可以包括有CPU、存储器、硬件加速单元（DSP、浮点协处理器等）、通用I/O（GPIO）、UART接口和模数混合电路（放大器、比较器、A/D、D/A、射频电路、锁相环等），甚至延伸到传感器、微机电和微光电单元。（如果把CP

4、U看成是大脑，则SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。）,二、SOC及SOPC定义,由SOC构成嵌入式系统设计:,CPU,Flash,Ram,UART,CoProcessor,Codec,DMA,LCD,IP集成,CPU,Flash,Ram,UART,CoProcessor,Codec,DMA,LCD,ASICSOC,PCB,SoC初衷很好，但现实中却缺乏好的解决方案。由于是基于ASIC实现SoC系统设计周期长、费用高昂、成功率不高而且产品不能修改显得系统的灵活性差，往往使得学术科研机构、中小企业难以承受。但是SoC以系统为中心、基于IP核的多层次、高度复用，可实现软硬件的无缝结合，极高的

5、综合性。,CPU,Flash,Ram,UART,CoProcessor,Codec,DMACon.,LCDCon.,PCB,CPU,Flash,Ram,UART,CoProcessor,Codec,DMACon.,LCDCon.,FPGASOPC,IP集成,此方案适合于系统的预研初期，投资小、风险小，可以快速构建原型系统，加速产品上市，提高市场获益。,二、SOC及SOPC定义,3.片上可编程系统定义：(SoPCSystemonaProgrammableChip)SoPC是一种灵活、高效的SoC解决方案。它将处理器、存储器、I/O口、DSP、各种外设等系统需要的功能模块集成到一个FPGA器件上，

6、构成一个可编程的片上系统。它是PLD与ASIC技术融合的结果。,二、SOC及SOPC定义,NiosCPU,AlteraFPGA,10/100EthernetMAC,VGAController,System-on-a-Programmable-ChipSolution.,UART,AlteraSOPC,UART,UART,UART,UART,UART,UART,UART,UART,UART,CustomLogic,SDRAM,USBController,SDRAMController,AvalonSwitchFabric,JTAG,HostPC,二、SOC及SOPC定义,协处理器,硬件逻辑,SO

7、PC的双重含义：可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式微处理器系统首先，它是片上系统（SOC），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。,二、SOC及SOPC定义,这种灵活的设计方式正在成为一种发展趋势！,SOPC技术方案提供商：,MAXPLUS,NIOSIDE,支持硬核ARM922T,支持软核Nios,Foundation,ISEPlatformStudio,硬核PowerPC405,软核MicroBlaze,ISP(InSystemProgrammability),LatticeMico

8、32,主要针对中小规模的LPD设计,FPSLIC,CoreMP7（ARM7）,Altera于2000年最早提出SOPC解决方案，其软核CPUNIOS应用最为广泛；,二、SOC及SOPC定义,Quartus,1.SOPC设计的灵活性与优势,提高系统集成度，提高了可靠性，减少了面积，降低了功耗；自定义指令，方便加速特定算法设计；自定义相应总线接口的IPCore，自定义功能及寄存器，提高应用的针对性；硬件可重配置，降低了硬件设计风险；灵活应用DSPBuilder/C_H等软件实现硬件加速设计；,三、SOPC技术特征,2.SOPC技术的不足：,软核CPU系统频率相对较低；某些IPCore需付费使用；开

9、发资源相对较少；硬件设计难度相对较大；,三、SOPC技术特征,3.SOPC技术基础,软硬件协同设计技术；微处理器系统结构设计；IPCore设计技术；HDL硬件逻辑设计技术；嵌入式系统软件技术嵌入式操作系统、GUI、文件系统,三、SOPC技术特征,四、SOPC应用实例电子海报机控制卡,主要功能：,1、驱动双基色LED屏显示；2、从U盘读取GIF动画文件进行显示；3、具备万年历功能；,四、SOPC应用实例LED屏异步控制卡,主要功能：,1、驱动双基色LED大屏幕显示；2、滚动显示广告、图表等信息；3、通过485总线远程传递数据；,四、SOPC应用实例智能显控终端,四、SOPC应用实例音频信号分析仪

10、,AlteraValueProposition:,HighPerformanceforHardwareAccelerationofTransportControlProtocolsNiosIIProvidesGreaterFlexibilityandCustomizationthanOff-the-ShelfProcessors,Industry:WirelineCommunications,NetworkAccelerationPlatform,网络加速器,Application:,四、SOPC应用实例国外商业应用,AlteraProductsChosen:,Industry:Broadca

11、st,ProfessionalAudioMixingConsole,Application:,专业音频处理系统,AlteraValueProposition:,NiosIIProcessorReplacedExistingProcessorsforLowerCost,HigherPerformanceDeviceIntegration,夜视摄像头,AlteraProductsChosen:,AlteraValueProposition:,LowerCostSolutionthanDSPProcessorHighIntegration,SmallFormFactorLowPower,Indust

12、ry:Industrial,NightVisionCamera,Application:,AlteraProductsChosen:,AlteraValueProposition:,NiosProcessor+LowCostCycloneFPGA=PerfectMicroprocessorSolutionFPGAFlexibilityEnablesAccelerationviaCustomPeripherals,Industry:Industrial,WirelessEnergyConsumptionMeter,Application:,无线抄表系统,3.基于AlteraFPGA的SOPC设计

13、流程及设计工具,3.可编程器件设计环境,可编程器件设计环境是开发SoPC的关键，只有通过软件的综合、分析、剪裁才能重构所需要的集成系统。另外目前的开发环境都已集成了在线仿真和在线测试的模式，而使得利用软件编程手段就能完成对SoPC的设计。因此，合理的选择一个功能强大、界面完整、输入方便的可编程、可重构的SoPC设计环境是走向成功的第一步。,MAXPLUS,Quartus,支持硬核ARM922T,支持软核Nios,Foundation,ISEPlatformStudio,硬核PowerPC405,软核MicroBlaze,ISP(InSystemProgrammability),IspLever

14、,主要针对中小规模的LPD设计,FPSLIC,AT94K,AT94S,Quartus软件设计平台,SOPC设计工具,1.QuartusIIQuartusII是近年来由Altera公司的推出的一套用于FPGA的集成开发环境。完成系统的输入、综合、布局、仿真、编程等。2.SOPCBuilderSOPCBuilde:为设计者提供了一个强大的可以快速开发设计及验证的SOPC系统设计平台，用以搭建基于总线的系统。它包含了一系列的模块，例如NiosII处理器、存储器、总线、DSP等IP核，为了将微处理器核、外围设备、存储器和其它IP核相连接起来，SOPCBuilde能够自动生成片上Avalon总线和总线了

15、仲裁器等所需的逻辑。,SOPC设计工具,3.NIOSIDENIOSIDE（NIOSIntegratedDevelopEnvironment），是Altera公司提供的专门开发SOPC软件的集成开发环境，它提供了一系列的管理工具，能完成对软件项目的管理，并能够完成对源代码进行编辑、编译、连接、调试、下载等功能。同时，NIOSIDE还集成了许多软件组件，比如RTOS、LWIP、FS等软件组件，并提供了图形化的参数编辑方式。基于这个平台可以方便地进行应用SOPC应用软件的设计。,SOPC由于硬件和软件都必须自己设计和定制，它与传统的嵌入式系统设计流程不同；在传统的嵌入式系统开发中，其主控芯片一般是专用的集成电路，其结构是固定的，比如ARM系列的4510、44B0X、2410等等，这种控制器的外设已经设计好，而且地址都已经固定，设计人员只要关心PCB设计和软件开发。对于SOPC的开发，设计人员必须同时关注片内硬件逻辑的设计和应用软件的设计。,SOPC设计流程,NIOSIDE,SOPCBuilder,QuartusII,Thankyou!,传统需要高速数据处理的场合，一般采用MCU+FPGA的方式，应用SOPC技术可在单片FPGA内完成。,PCB,MCU,FPGA,+,DSP,三、SOPC技术