FPGA 之 SOPC 系列（一）
今天給大俠帶來(lái)今天帶來(lái)FPGA 之 SOPC 系列第一篇，SOPC概述，希望對(duì)各位大俠的學(xué)習(xí)有參考價(jià)值，話不多說(shuō)，上貨。
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概述
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在開(kāi)始今天第一篇之前，讓我們一起來(lái)看一些相關(guān)名詞的解釋，以方便后續(xù)更好的學(xué)習(xí)。具體如下：
EDA：電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 。EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在EDA軟件平臺(tái)上，用硬件描述語(yǔ)言HDL完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。
IC：是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱(chēng),包括:集成電路、三極管、特殊電子元件。
ASIC：專(zhuān)用IC。是指為特定的用戶(hù)、某種專(zhuān)門(mén)或特別的用途而設(shè)計(jì)的芯片組。
SOC：片上系統(tǒng)。隨IC設(shè)計(jì)與工藝的提高，使原先由許多IC組成的電子系統(tǒng)可集成到一個(gè)芯片上，構(gòu)成SOC。
SOPC：可編程的片上系統(tǒng)。是Altera公司提出來(lái)的一種靈活、高效的SOC解決方案。也可認(rèn)為是基于FPGA解決方案的SOC。
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開(kāi)發(fā)操作軟件：
Quartus II?：?Intel Altera公司的可編程邏輯器件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供從設(shè)計(jì)輸入到器件編程的全部功能。
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SOPC Builder：功能強(qiáng)大的基于圖形界面的片上系統(tǒng)定義和定制工具。SOPC Builder庫(kù)中包括處理器和大量的IP核及外設(shè)。
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Nios II：是Nios II系列嵌入式處理器的基本軟件開(kāi)發(fā)工具。所有軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)都可以Nios II IDE下完成，包括編輯、編譯和調(diào)試程序。?
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上述以簡(jiǎn)短的篇幅介紹了SOPC技術(shù)及Altera可用于SOPC的FPGA，重點(diǎn)介紹了32位NIOS II軟核處理器。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展歷史是一個(gè)不斷創(chuàng)新的過(guò)程，這種創(chuàng)新包括理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新。每一種創(chuàng)新都能開(kāi)拓出一個(gè)新的領(lǐng)域，帶來(lái)新的市場(chǎng)，產(chǎn)生重大的影響。
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集成電路發(fā)展過(guò)程：
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SOPC及其技術(shù)
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sopc
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System On Programmable Chip,可編程的片上系統(tǒng)。是Altera公司提出來(lái)的一種靈活、高效的SOC解決方案。
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SOPC將處理器、存儲(chǔ)器、I/O、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè)可編程器件上，構(gòu)成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。
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現(xiàn)今SOPC可以認(rèn)為是基于FPGA解決方案的SOC。
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與ASIC的SOC解決方案相比，SOPC系統(tǒng)及其開(kāi)發(fā)技術(shù)具有更多的特色，構(gòu)成SOPC的方案也有多種途徑。
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構(gòu)成SOPC的三種方案
1、基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統(tǒng)
2、基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)
3、基于HardCopy技術(shù)的SOPC系統(tǒng)
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1、基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統(tǒng)
該方案是指在FPGA中預(yù)先植入處理器。最常用的是含有ARM32位知識(shí)產(chǎn)權(quán)處理器核的器件。為了到達(dá)通用性，必須為常規(guī)的嵌入式處理器集成諸多通用和專(zhuān)用的接口，但增加了成本和功耗。如果將ARM或其它處理器核以硬核方式植入FPGA中，利用FPGA中的可編程邏輯資源，按照系統(tǒng)功能需求來(lái)添加接口功能模塊，既能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)功能，又能降低系統(tǒng)的成本和功耗。這樣就能使得FPGA靈活的硬件設(shè)計(jì)與處理器的強(qiáng)大軟件功能有機(jī)地結(jié)合在一起，高效地實(shí)現(xiàn)SOPC系統(tǒng)。
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2、基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)
IP硬核直接植入FPGA存在以下不足：
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?IP硬核多來(lái)自第三方公司，FPGA廠商無(wú)法控制費(fèi)用，從而導(dǎo)致FPGA器件價(jià)格相對(duì)偏高。
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?IP硬核預(yù)先植入，使用者無(wú)法根據(jù)實(shí)際需要改變處理器結(jié)構(gòu)。更不能嵌入硬件加速模塊(DSP)。
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?無(wú)法根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要在同一FPGA中集成多個(gè)處理器。
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?無(wú)法根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要裁減處理器硬件資源以降低FPGA成本。
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?只能在特定的FPGA中使用硬核嵌入式處理器。
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IP軟核處理器能有效克服上述不足：
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目前最有代表性的軟核處理器分別是Altera公司的Nios II核，以及Xilinx公司的MicroBlaze核。特別是Nios II核，能很好的解決上述五方面的問(wèn)題。
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?Altera的Nios II核是用戶(hù)可隨意配置核構(gòu)建的32位嵌入式處理器IP核，采用Avalon總線結(jié)構(gòu)通信接口；包含由FS2開(kāi)發(fā)的基于JTAG的片內(nèi)設(shè)備內(nèi)核。
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在費(fèi)用方面，由于Nios II是由Alter公司直接提供而非第三方廠商產(chǎn)品，故用戶(hù)通常無(wú)需支付知識(shí)產(chǎn)權(quán)費(fèi)用，Nios II的使用費(fèi)用僅僅是其瞻仰的FPGA邏輯資源的費(fèi)用。
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3、基于HardCopy技術(shù)的SOPC系統(tǒng)
HardCopy就是利用原有的FPGA開(kāi)發(fā)工具，將成功實(shí)現(xiàn)于FPGA器件上的SOPC系統(tǒng)通過(guò)特定的技術(shù)直接向ASIC轉(zhuǎn)化，從而克服傳統(tǒng)ASIC設(shè)計(jì)中普遍存在的問(wèn)題。ASIC(SOC)開(kāi)發(fā)中難于克服的問(wèn)題包括：開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、產(chǎn)品上市慢、一次性成功率低、有最少投片量要求、設(shè)計(jì)軟件工具繁多且昂貴、開(kāi)發(fā)流程復(fù)雜等。
利用HardCopy技術(shù)設(shè)計(jì)ASIC，開(kāi)發(fā)軟件費(fèi)用少，SOC級(jí)規(guī)模的設(shè)計(jì)周期不超過(guò)20周，轉(zhuǎn)化的ASIC與用戶(hù)設(shè)計(jì)習(xí)慣的掩模層只有兩層，且一次性投片的成功率近乎100%，即所謂的FPGA向ASIC的無(wú)縫轉(zhuǎn)化。用ASIC實(shí)現(xiàn)后的系統(tǒng)性能將比原來(lái)在HardCopy FPGA上驗(yàn)證的模型提高近50%，而功耗則降低40%。
HardCopy技術(shù)是一種全新的SOC級(jí)ASIC設(shè)計(jì)解決方案，即將專(zhuān)用的硅片設(shè)計(jì)和FPGA至HardCopy自動(dòng)遷移過(guò)程結(jié)合在一起的技術(shù)，首先利用Quartus II將系統(tǒng)模型成功實(shí)現(xiàn)于HardCopy FPGA上，然后幫助設(shè)計(jì)者把可編程解決方案無(wú)縫地遷移到低成本的ASIC上。這樣，HardCopy器件就把大容量FPGA的靈活性和ASIC的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于有較大批量要求并對(duì)成本敏感的電子產(chǎn)品上，從而避開(kāi)了直接設(shè)計(jì)ASIC的困難。
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NIOS II 軟核處理器
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Nios II軟核處理器簡(jiǎn)介
繼Nios之后，2004年6月Altera公司又推出了性能更好的Nios II (32位)嵌入式軟核處理器。
Nios II 的特點(diǎn)：
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最大處理性能提高了3倍
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CPU內(nèi)核面積最大可縮小1/2
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32位RISC嵌入式處理器具有超過(guò)200DMIP的性能，在低成本FPGA中實(shí)現(xiàn)成本只有35美分。
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由于Nios II是軟核形式，其可在多種系統(tǒng)設(shè)置組合中進(jìn)行選擇，滿足成本和功能要求。
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可延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期，防止出現(xiàn)處理器逐漸過(guò)時(shí)的情況。
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Nios II 開(kāi)發(fā)包有一套通用外設(shè)和接口庫(kù)。
注：表中橙色底色部分的外設(shè)由MegaCore或者Altera Megafunction Partners Program（AMMP）提供，其余的包含在Nios II開(kāi)發(fā)包中。本表并不包含所有可用的IP。
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基于Nios II處理器的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
并且利用SOPC Builder軟件中的用戶(hù)邏輯接口向?qū)?#xff0c;用戶(hù)還可以生成自己的定制外設(shè)，并將其集成在Nios II處理器系統(tǒng)中。
使用Altera的Quartus II 軟件、SOPC Builder工具以及Nios II IDE，用戶(hù)可以輕松地完成基于Nios II處理器的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。
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Nios II 處理器系列包括三種內(nèi)核：
1、Nios II/f (快速)：性能最高，但占用的邏輯資源最多。
2、Nios II/e (經(jīng)濟(jì))：占用的邏輯資源最少，但性能最低。
3、Nios II/s (標(biāo)準(zhǔn))：平衡的性能和尺寸。NiosII/s內(nèi)核比第一代的Nios CPU更快，占用的資源更少。
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Nios II 嵌入式處理器的特點(diǎn)：
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可配置嵌入式軟核處理器的優(yōu)勢(shì)：
降低成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜性和功耗的解決方案，提供合理的性能組合，提升系統(tǒng)的性能，降低系統(tǒng)成本，延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期。
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Altera支持SOPC的FPGA簡(jiǎn)介
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Intel Altera系列產(chǎn)品：
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Cyclone 系列：Cyclone II 系列
具有很高的性能和極低的功耗，而價(jià)格和ASIC相當(dāng)，能夠提供多種功能，為價(jià)格敏感的應(yīng)用提供大批量產(chǎn)品解決方案。
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Stratix 系列：
Stratix FPGA 為滿足高帶寬系統(tǒng)的需求進(jìn)行了優(yōu)化，具有非常高的內(nèi)核性能、存儲(chǔ)能力、架構(gòu)效率，主要用于高端FPGA市場(chǎng)。
Stratix?II 系列：在Stratix基礎(chǔ)上增加了新的特性。
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FPGA 之 SOPC 系列第一篇就到這里結(jié)束，明天繼續(xù)帶來(lái)第二篇，SOPC開(kāi)發(fā)流程及開(kāi)發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介相關(guān)內(nèi)容。各位大俠，明天見(jiàn)！
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的FPGA 之 SOPC 系列（一）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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