第1章--概述-《SOPC嵌入式系统基础教程》-课件.ppt

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1、第1章 概述-SOPC嵌入式系统基础教程周立功 等编著 名词解释深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。IC?IC?AISC?AISC?SOC?SOC?IC:IC:是半导体元件产品的统称是半导体元件产品的统称,包括包括:集成电路、三极管、特殊集成电路、三极管、特殊电子元件。电子元件。ASICASIC：专用专用ICIC。是指为特定的用户、某种专门或特别的用。是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的芯片组。途而设计的芯片组。SOC:SOC:片上系统。随片上系统。随ICIC设计与工艺的提高，使原先由许多设计与工艺的提高，使原先由许

2、多ICIC组成的电子系统可集成到一个芯片上，构成组成的电子系统可集成到一个芯片上，构成SOCSOC。名词解释深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。EDA?EDA?EDAEDA：电子设计自动化电子设计自动化 。EDAEDA技术就是以计算机为工具，技术就是以计算机为工具，设计者在设计者在EDAEDA软件平台上，用硬件描述语言软件平台上，用硬件描述语言HDLHDL完成设计完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片综合、优

3、化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。SOPC?SOPC?SOPC:SOPC:可编程的可编程的片上系统。是片上系统。是AlteraAltera公司提出来的一种灵活、公司提出来的一种灵活、高效的高效的SOCSOC解决方案。也可认为是基于解决方案。也可认为是基于FPGAFPGA解决方案的解决方案的SOCSOC。名词解释-与SOPC相关的名词Quartus Quartus II:II:是是AlteraAltera公公司司的的第第四四代代可可编编程程逻逻辑辑器器件件集集成成开开发发环环境境，提提供供从从设设计计输输入入到到

4、器器件编程的全部功能。件编程的全部功能。QuartusQuartus II?II?深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。Quartus II 5.0 Quartus II 5.0 软件界面软件界面双击双击双击双击Quartus IIQuartus II图标图标图标图标 名词解释-与SOPC相关的名词Nios Nios II:II:是是Nios Nios IIII系系列列嵌嵌入入式式处处理理器器的的基基本本软软件件开开发发工工具具。所所有有软软件件开开发发任任务务都都可可以以Nios Nios II II IDEIDE下下完完成成

5、，包包括括编编辑辑、编编译译和和调调试试程序。程序。深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。深刻的理解上述名词的意义，在今后的学习中可反复查看。Nios II IDE Nios II IDE 软件界面软件界面 Nios II Nios II IDE?IDE?双击双击双击双击Nios II IDENios II IDE图标图标图标图标第一章以简短的篇幅介绍了SOPC技术及Altera可用于SOPC的FPGA，重点介绍了32位NIOS II软核处理器。微电子技术的发展历史是一个不断创新的过程，这种创新包括理论创新、技术创新和应用创新。每一种创新都能开拓出一个新的领域，带来新的市场，产生

6、重大的影响。主要内容集成电路发展过程:主要内容（系统级）（系统级）（系统级）（系统级）（逻辑级）（逻辑级）（逻辑级）（逻辑级）（器件级）（器件级）（器件级）（器件级）第1章 目录n1.1 SOPC及其技术n1.2 NIOS II软核处理器n1.3 Altera支持SOPC的FPGA简介1.1 SOPC及其技术System On Programmable Chip,System On Programmable Chip,可编程的片上系统。可编程的片上系统。是是AlteraAltera公司提出来的一种灵活、高效的公司提出来的一种灵活、高效的SOCSOC解决方案。解决方案。sopcSOPCSOPC将

7、处理器、存储器、将处理器、存储器、I/OI/O、LVDSLVDS、CDRCDR等系统设计需要的等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。现今现今SOPCSOPC可以认为是基于可以认为是基于FPGAFPGA解决方案的解决方案的SOCSOC与与ASICASIC的的SOCSOC解决方案相比，解决方案相比，SOPCSOPC系统及其开发技术具有更多系统及其开发技术具有更多的特色，构成的特色，构成SOPCSOPC的方案也有多种途径。的方案也有多种途径。1.1 SOPC及其技术n n构成构成SOPCSOPC的三种方案的

8、三种方案 基于基于FPGAFPGA嵌入嵌入IPIP硬核的硬核的SOPCSOPC系统系统1 1 基于基于FPGAFPGA嵌入嵌入IPIP软软核的核的SOPCSOPC系统系统2 2 基于基于HardCopyHardCopy技术的技术的SOPCSOPC系统系统3 3IPIP硬核直接植入硬核直接植入FPGAFPGA存在以下不足：存在以下不足：n n IPIP硬硬核核多多来来自自第第三三方方公公司司，FPGAFPGA厂厂商商无无法法控控制制费费用用，从从而而导导致致FPGAFPGA器件价格相对偏高。器件价格相对偏高。n n IPIP硬硬核核预预先先植植入入，使使用用者者无无法法根根据据实实际际需需要要改

9、改变变处处理理器器结结构构。更更不能嵌入硬件加速模块不能嵌入硬件加速模块(DSP)(DSP)。n n 无法根据实际设计需要在同一无法根据实际设计需要在同一FPGAFPGA中集成多个处理器。中集成多个处理器。n n 无法根据实际设计需要裁减处理器硬件资源以降低无法根据实际设计需要裁减处理器硬件资源以降低FPGAFPGA成本。成本。n n 只能在特定的只能在特定的FPGAFPGA中使用硬核嵌入式处理器。中使用硬核嵌入式处理器。1.1 SOPC及其技术n n构成构成SOPCSOPC的三种方案的三种方案 基于基于FPGAFPGA嵌入嵌入IPIP硬核的硬核的SOPCSOPC系统系统1 1 基于基于FPG

10、AFPGA嵌入嵌入IPIP软软核的核的SOPCSOPC系统系统2 2 基于基于HardCopyHardCopy技术的技术的SOPCSOPC系统系统3 3HardCopyHardCopy就就是是利利用用原原有有的的FPGAFPGA开开发发工工具具，将将成成功功实实现现于于FPGAFPGA器器件件上上的的SOPCSOPC系系统统通通过过特特定定的的技技术术直直接接向向ASICASIC转转化化，从从而而克克服服传传统统ASICASIC设计中普遍存在的问题。设计中普遍存在的问题。ASIC(SOC)ASIC(SOC)开开发发中中难难于于克克服服的的问问题题包包括括：开开发发周周期期长长、产产品品上上市市

11、慢慢、一一次次性性成成功功率率低低、有有最最少少投投片片量量要要求求、设设计计软软件件工工具具繁繁多多且且昂昂贵贵、开开发流程复杂等。发流程复杂等。1.1 SOPC及其技术n n构成构成SOPCSOPC的三种方案的三种方案 基于基于FPGAFPGA嵌入嵌入IPIP硬核的硬核的SOPCSOPC系统系统1 1 基于基于FPGAFPGA嵌入嵌入IPIP软软核的核的SOPCSOPC系统系统2 2 基于基于HardCopyHardCopy技术的技术的SOPCSOPC系统系统3 3利利用用HardCopyHardCopy技技术术设设计计ASICASIC，开开发发软软件件费费用用少少，SOCSOC级级规规模

12、模的的设设计计周周期期不不超超过过2020周周，转转化化的的ASICASIC与与用用户户设设计计习习惯惯的的掩掩模模层层只只有有两两层层，且且一一次次性性投投片片的的成成功功率率近近乎乎100%100%，即即所所谓谓的的FPGAFPGA向向ASICASIC的无缝转化。的无缝转化。用用 ASICASIC实实 现现 后后 的的 系系 统统 性性 能能 将将 必必 原原 来来 在在HardCopy HardCopy FPGAFPGA上上验验证证的的模模型型提提高高近近50%50%，而功耗则降低而功耗则降低40%40%。三种三种SOCSOC方案的比较方案的比较指标指标基于基于ASICASIC的的SOC

13、SOC基于基于FPGAFPGA的的SOC(SOPC)SOC(SOPC)基于基于HardCopyHardCopy的的SOCSOC单片成本单片成本低低较高较高较低较低开发周期开发周期长长(20(20周周)短短(10(10周周)较短较短(20(20周周)开发成本开发成本设计工程成本高设计工程成本高掩模成本高掩模成本高软件工具成本高软件工具成本高设计工程成本低设计工程成本低无掩模成本无掩模成本软件工具成本低软件工具成本低设计工程成本低设计工程成本低掩模成本低掩模成本低软件工具成本低软件工具成本低一次投片情况一次投片情况一次投片成功率低，一次投片成功率低，成本高，耗时长成本高，耗时长可现场配置可现场配置

14、一次投片成功率近一次投片成功率近100%100%，成本低，耗时短成本低，耗时短集成技术集成技术0.25um90nm0.25um90nm0.25um90nm0.25um90nm0.25um90nm0.25um90nm可重构性可重构性不可重构不可重构可重构可重构不可重构不可重构1.1 SOPC及其技术第1章 目录n1.1 SOPC及其技术n n1.2 Nios II 1.2 Nios II 软核处理器软核处理器n n1.3 Altera1.3 Altera支持支持SOPCSOPC的的FPGAFPGA简介简介1.2 Nios II 软核处理器n nNios IINios II软核处理器简介软核处理器

15、简介NiosNiosAlteraAltera公司在公司在20002000年开发了第一代可配置嵌年开发了第一代可配置嵌入式软核处理器入式软核处理器Nios(16Nios(16位位)。继继NiosNios之后，之后，20042004年年6 6月月AlteraAltera公司又推出公司又推出了性能更好的了性能更好的Nios II Nios II(32(32位位)嵌入式软核处理嵌入式软核处理器。器。Nios IINios II1616位软核处理器位软核处理器3232位软核处理器位软核处理器1.2 Nios II 软核处理器n nNios IINios II软核处理器简介软核处理器简介Nios II N

16、ios II 的特点：的特点：的特点：的特点：最大处理性能提高了最大处理性能提高了最大处理性能提高了最大处理性能提高了3 3倍倍倍倍CPUCPU内核面积最大可缩小内核面积最大可缩小内核面积最大可缩小内核面积最大可缩小1/21/23232位位位位RISCRISC嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式处处处处理理理理器器器器具具具具有有有有超超超超过过过过200DMIP200DMIP的的的的性性性性能能能能，在低成本在低成本在低成本在低成本FPGAFPGA中实现成本只有中实现成本只有中实现成本只有中实现成本只有3535美分。美分。美分。美分。由于由于由于由于Nios IINios II是软核形式，其可在多种系统

17、设置组是软核形式，其可在多种系统设置组是软核形式，其可在多种系统设置组是软核形式，其可在多种系统设置组合中进行选择，满足成本和功能要求。合中进行选择，满足成本和功能要求。合中进行选择，满足成本和功能要求。合中进行选择，满足成本和功能要求。可延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时可延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时可延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时可延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时的情况。的情况。的情况。的情况。Nios IINios II3232位软核处理器位软核处理器1.2 Nios II 软核处理器n nNios IINios II软核处理器简介软核处理器简介 Ni

18、os II Nios II 开发包有一套通用外设和接口库。开发包有一套通用外设和接口库。定时器定时器/计数器计数器外部外部SRAMSRAM接口接口CFICFI接口接口FlashFlashSDRAMSDRAM接口接口片内片内RAM/ROMRAM/ROM用户逻辑接口用户逻辑接口CS8900 10MCS8900 10M以太网接口以太网接口并行并行I/OI/O（GPIOGPIO）JTAG UARTJTAG UART系统系统IDIDEPCS EPCS 控制器控制器DMADMAUARTUARTSPISPI接口接口LCDLCD接口接口外部三态桥外部三态桥LAN91C111 10/100M LAN91C111

19、 10/100M 以太网接口以太网接口AvalonAvalon转转AHBAHB桥桥AHBAHB转转AvalonAvalon桥桥PCIPCIDDR SDRAMDDR SDRAMCANCANRNGRNGUSBUSBDDR2 SDRAMDDR2 SDRAMDESDES16550 UART16550 UARTRSARSASHA-1SHA-1I2CI2C10/100/1000M Ethnet MAC10/100/1000M Ethnet MAC浮点单元浮点单元注：表中橙色底色部分的外设由注：表中橙色底色部分的外设由MegaCoreMegaCore或者或者Altera Megafunction Partn

20、ers ProgramAltera Megafunction Partners Program（AMMPAMMP）提供，其余的包含在）提供，其余的包含在Nios IINios II开发包开发包中。本表并不包含所有可用的中。本表并不包含所有可用的IPIP。1.2 Nios II 软核处理器n nNios IINios II软核处理器简介软核处理器简介 Nios II Nios II 处理器系列包括三种内核处理器系列包括三种内核Nios IINios II3232位软核处理器位软核处理器Nios II/f(Nios II/f(快速快速)Nios II/e(Nios II/e(经济经济)Nios I

21、I/s(Nios II/s(标准标准)性能最高，但占用的逻辑资源最多。性能最高，但占用的逻辑资源最多。性能最高，但占用的逻辑资源最多。性能最高，但占用的逻辑资源最多。占用的逻辑资源最少，但性能最低。占用的逻辑资源最少，但性能最低。占用的逻辑资源最少，但性能最低。占用的逻辑资源最少，但性能最低。平衡的性能和尺寸。平衡的性能和尺寸。平衡的性能和尺寸。平衡的性能和尺寸。NiosII/sNiosII/s内核比内核比内核比内核比第一代的第一代的第一代的第一代的Nios CPUNios CPU更快，占用的资更快，占用的资更快，占用的资更快，占用的资源更少。源更少。源更少。源更少。1.2 Nios II 软

22、核处理器Nios II Nios II 嵌入式处理器的特点嵌入式处理器的特点种类种类特性特性CPUCPU结构结构3232位指令集位指令集3232位数据宽度位数据宽度3232个通用寄存器个通用寄存器3232个外部中断源个外部中断源2G Byte2G Byte寻址空间寻址空间片内调试片内调试基于边界扫描测试（基于边界扫描测试（JTAGJTAG）的调试逻辑、支持硬件断点、）的调试逻辑、支持硬件断点、数据触发以及片内和片外的调试跟踪数据触发以及片内和片外的调试跟踪定制指令定制指令最多可达最多可达256256个用户定义的个用户定义的CPUCPU指令指令软件开发软件开发工具工具Nios IINios II

23、的集成开发环境的集成开发环境(IDE)(IDE)基于基于GNUGNU的编译器的编译器硬件辅助的调试模块硬件辅助的调试模块1.2 Nios II 软核处理器支持支持Nios II Nios II 嵌入式处理器的嵌入式处理器的FPGAFPGA器件器件说明说明设计软件设计软件Stratix IIStratix II最高的性能，最高的密度，特性丰富，并带有大量存储器的平台最高的性能，最高的密度，特性丰富，并带有大量存储器的平台Quartus IIQuartus IIStratixStratix高性能，高密度，特性丰富并带有大量存储器的平台高性能，高密度，特性丰富并带有大量存储器的平台Stratix G

24、XStratix GX高性能的结构，内置高速串行收发器高性能的结构，内置高速串行收发器Stratix II GXStratix II GXAlteraAltera第三代带有嵌入式收发器的第三代带有嵌入式收发器的FPGAFPGACyclone IICyclone II低成本，带低成本，带DSPDSP模块，超过模块，超过68,00068,000个个LELE和和1.1Mbit1.1Mbit的嵌入式存储器的嵌入式存储器CycloneCyclone低成本的低成本的ASICASIC替代方案，适合价格敏感的应用替代方案，适合价格敏感的应用HardCopy StratixHardCopy Stratix业界第

25、一个结构化的业界第一个结构化的ASICASIC，是广泛使用的传统，是广泛使用的传统ASICASIC的替代方案的替代方案1.2 Nios II 软核处理器n n可配置嵌入式软核处理器的优势可配置嵌入式软核处理器的优势可配置可配置可配置可配置嵌入式软核处理器嵌入式软核处理器嵌入式软核处理器嵌入式软核处理器优势优势优势优势1.1.提供合理的性能组合提供合理的性能组合2.2.提升系统的性能提升系统的性能3.3.降低系统成本降低系统成本4.4.延长产品的生命周期延长产品的生命周期第1章 目录n1.1 SOPC及其技术n n1.2 Nios II 1.2 Nios II 软核处理器软核处理器n n1.3

26、Altera1.3 Altera支持支持SOPCSOPC的的FPGAFPGA简介简介1.3 Altera支持SOPC的FPGA简介Cyclone Cyclone 系列系列Cyclone II Cyclone II 系列系列Stratix Stratix 系列系列Stratix II Stratix II 系列系列AlteraStratixStratix系列：系列：StratixFPGAStratixFPGA为满足高带宽系统的需求进行了优化，具有非常高的为满足高带宽系统的需求进行了优化，具有非常高的 内核性能、存储能力、架构效率，主要用于高端内核性能、存储能力、架构效率，主要用于高端FPGAFPGA市场。市场。Stratix IIStratix II系列：在系列：在StratixStratix基础上增加了新的特性。基础上增加了新的特性。