基于FPGA的SOPC嵌入式系統的設計

康凱

摘 要：當前FPGA在嵌入式系統的設計中占有重要地位，本文闡述了FPGA、SOPC的特點及其發展趨勢以及使用，Quartus II、SOPC Builder和Nios II IDE工具在FPGA器件上實現SOPC嵌入式系統的設計。

關鍵詞：FPGA；SOPC；嵌入式；系統

1 前言

微電子技術的發展歷史是一個不斷創新的過程，這種創新包括理論創新、技術創新和應用創新。每一種創新都能開拓出一個新的領域，帶來新的市場，產生重大的影響。嵌入式系統有三十多年的發展歷史，其由硬件、軟件交替發展試發展而來，嵌入式實時內核出現，其包括中斷和任務管理、任務間通訊、同步和排斥、內存管理等。根據IEEE定義“devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants”（中文翻譯為：用于控制、監視、者輔助操作機器和設備的一種裝置）。

2 FPGA特點及優勢

現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，簡稱FPGA）其是一種新型的可編程邏輯器（Programmable Logic Device簡稱PLD）。其能夠完成74系列芯片至高性能CPU數字器件的功能。現場可編程門陣列器件是一九八五年Xilinx公司第一次推出，其是一種高密度的可編程邏輯器，由 CMOS-SRAM工藝完成制造。FPGA的由可編程邏輯塊、可編程I/O模塊和可編程內部連線3部分組成。編譯數據存放在片內的即靜態隨機存儲器（Static RAM，簡稱SRAM），基于靜態隨機存儲器的FPGA器件從芯片外部加載配置數據進行工作。

3 SOPC基本結構

Altera公司秉承了創新的傳統，作為可編程芯片系統（System-on-a-Programmable-Chip，SOPC）解決方案的倡導者，其是基于大規模FPGA的一種單片系統。SOPC的設計技術集成計算機輔助設計技術CAD（Computer Aided Design）、電子設計自動化EDA（Electronic Design Automation）技術和大規模集成電路技術，LSI（Large Scale Integration）技術。其包括嵌入式處理器系統、接口系統、硬件協處理器、數字信號處理系統、數字信號通信系統、存儲電路以統等。

4 SOPC應用的3個方向

（1）基于FPGA嵌入IP硬核的應用

在FPGA中預先植入處理器，硬件設計和軟件組合。常見是ARM32位知識產權處理器核的器件，為實現高通用性，將常規的嵌入式處理器集成諸多通用及專用接口。將ARM或其他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，按系統功能需求設計接口功能模塊，實現設計功能，可降低系統的成本和功耗。FPGA靈活的硬件設計同軟件有機地融為一體，實現了高效能SOPC系統。

（2）基于FPGA嵌入IP軟核的應用

在FPGA中植入NIOSII軟核處理器，客戶根據要求，利用EDA工具，對NIOSII和外圍設備進行構建，其中IP硬核使用第三方公司。FPGA生產者無法有效控制成本，導致FPGA器件的價格相交高。IP硬核預先植入，導致使用者無法根據實際改變處理器的結構，不能嵌入DSP。無法在FPGA中集成多個處理器，不能裁減處理器硬件資源以求降低FPGA生產成本。

（3）基于HardCopy技術的應用

這種SOPC系統是將FPGA器件上SOPC系統向ASIC轉化。將大容量FPGA的靈活性和ASIC的市場特點結合，實現了對于大批量要求同時對成本敏感的產品，其避開了設計ASIC時的麻煩。HardCopy技術是全新的SOC級ASIC設計解決方案，將專用的硅片設計和FPGA至HardCopy遷移過的程組合技術，使用Quartus II將系統模型成功實現于HardCopy FPGA上，HardCopy器件就將大容量FPGA的靈活性同ASIC的優勢結合起來。

5 SOPC系統開發過程

SOPC設計包活以Nios II軟核處理器、硬件設計和仿真、軟件設計和調試等。其開發流程通是基于Quartus II、SOPC Builder的硬件設計和NiosII IDE軟件設計。

5.1 硬件設計

SOPC Builder軟件從NiosII處理器內核、NiosII開發套件提供的外設列表中選取合適的處理器、存儲器以、各外圍器件，同時定制和配置功能，分配外設地址，中斷號，設定復位地址，最終生成系統。客戶可自行設計指令邏輯到NiosII內核以便加速CPU性能。將生成的Nios II系統集成到之前建立的Quartus II工程，Quartus II工程中可加入Nios II系統以外的邏輯，可以是自身定制的硬件模塊，也可以是從Altera或第三方IP生產商中得到的其他現成的設計模塊。Quartus II軟件用來選取具體的Altera FPGA器件型號，為Nios II系統上的各I/O口分配管腳。編譯Quartus II工程，對HDL文件進行布局布線，從HDL源文件綜合生成適合目標的器件網表，生成FPGA配置文件，用下載電纜，將配置文件下載到目標板上。硬件校驗完成后，將新的硬件配置文件下載到目標板上的非易失存儲器中。

5.2 軟件開發

Nios II是Altera公司2004年6月推出的第2代軟核處理器。用Nios II IDE完成軟件開發，其是基于Eclipse IDE架構的開發環境。GNU開發工具如標準GCC編譯器，匯編器和makefile工具等。基于GDB的調試器，包括軟件仿真和硬件調試。嵌入式操作系統MicroC/OS-II和LwTCP/IP協議棧的支持。幫助客戶快速入門的軟件模板。Flash下載支持使用SOPC Builder生成系統后，直接使用Nios II IDE開始設計C/C++應用程序代碼。Altera提供外設驅動程序和硬件抽象層，使客戶能夠快速編寫與低級硬件細節無關的Nios II程序。除了應用代碼，客戶還可以在Nios II IDE 工程中設計和重新使用定制庫。

6 小結

隨著嵌入式系統技術的不斷進步，其是一個技術密集型，資金密集型和知識密集型的集成系統，基于FPGA的SOPC設計技術走在了當前電子系統設計領域最前沿，是嵌入式技術發展的重要方向其向著更高密度，更大容量，低成本，低電壓，微功耗，微封裝和綠色化方向發展。

參考文獻

[1]王剛，張瀲.基于FPGA的SOPC嵌入式系統設計與典型實例[M].電子工業出版社，2009.

（作者單位：中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所）