片上可編程系統(tǒng) (System On a Programmable Chip，SOPC)是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SoC解決方案。SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先，它是系統(tǒng)芯片SoC，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、可升級、可擴(kuò)充，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。它結(jié)合了SoC和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，具有以下基本特征：至少包含一個(gè)以上的嵌入式處理器IP(Intellectual Property，知識產(chǎn)權(quán))核，具有小容量片內(nèi)高速RAM資源，豐富的IP核資源可供靈活選擇，有足夠的片上可編程邏輯資源，處理器高速接口和FPGA編程接口共用或并存，可能包含部分可編程模擬電路，單芯片、低功耗[1]。
本文主要研究的是應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)一個(gè)集軟核處理器的嵌入式設(shè)計(jì)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上，如有必要還可集成嵌入式操作系統(tǒng)。
1 基于SOPC軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法
SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部內(nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS為中心的軟件設(shè)計(jì)、以PCB和信號完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)以外，SOPC還涉及目前已經(jīng)引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同技術(shù)[2]。
1.1 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)模型
目前的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是指軟硬件的設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，在系統(tǒng)的初期階段兩者就緊密相連。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)不僅是一種設(shè)計(jì)技術(shù)，同時(shí)也是一種新的設(shè)計(jì)方法和思想，它的核心問題是溝通軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，避免系統(tǒng)中關(guān)系密切的兩部分設(shè)計(jì)過早獨(dú)立。同傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)提高了設(shè)計(jì)抽象的層次，并拓展了設(shè)計(jì)的覆蓋范圍。采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)可以使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)更好和更快。
軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)在其研究和生產(chǎn)實(shí)踐過程中，提出了很多的設(shè)計(jì)模型。這些模型都是把系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換成組織結(jié)構(gòu)，將抽象的功能描述模型轉(zhuǎn)換成組織結(jié)構(gòu)模型。由于針對一個(gè)系統(tǒng)可以建立多種模型，因此應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的仿真和先前的經(jīng)驗(yàn)來選擇模型[3]。
軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程從目標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)思開始。對一個(gè)給定的目標(biāo)系統(tǒng)，經(jīng)過構(gòu)思，完成該系統(tǒng)的規(guī)范描述，然后是模塊的行為描述、對模塊的有效性檢查、軟硬件劃分、性能評估、硬件綜合、軟件編譯、軟硬件集成、軟硬件協(xié)同仿真與驗(yàn)證等各個(gè)階段。其中軟硬件劃分后產(chǎn)生硬件部分、軟件部分和軟硬件接口3個(gè)部分。硬件部分遵循軟件描述、軟件生成和參數(shù)化的步驟，生成軟件模塊，最后把生成的軟硬件模塊和軟硬件接口集成，并進(jìn)行軟硬件協(xié)同仿真，以進(jìn)行系統(tǒng)評估和設(shè)計(jì)驗(yàn)證。圖1給出了一個(gè)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程。
圖1 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程
圖中對軟硬件設(shè)計(jì)流程中每個(gè)子過程進(jìn)行了簡單的描述。確定說明文檔之后，先建立高級算法模型，然后再考慮軟硬件的劃分，這樣可以更好地分析算法的實(shí)現(xiàn)方法，比如是用硬件實(shí)現(xiàn)還是用軟件實(shí)現(xiàn)等。
1.2 軟硬件任務(wù)劃分和軟硬件接口
系統(tǒng)模型是對系統(tǒng)初步的粗粒度劃分。依據(jù)這個(gè)粗粒度的劃分，有助于第一次軟硬件任務(wù)分配。在進(jìn)行軟硬件劃分時(shí)，需要將系統(tǒng)需求根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)約束，分解出硬件的功能需求和非功能需求，以及軟件的功能需求和非功能需求，并進(jìn)一步細(xì)化硬件需求及軟件需求。
進(jìn)行軟硬件劃分是協(xié)同設(shè)計(jì)的重心，劃分的合理與否，將直接影響到后續(xù)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。設(shè)計(jì)者要從系統(tǒng)的角度，將軟硬件完成的功能作均衡，以想要達(dá)到的目標(biāo)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在系統(tǒng)的復(fù)雜度一定時(shí)，使軟硬件結(jié)合，達(dá)到更高的性能。軟硬件劃分好以后，軟件和硬件的設(shè)計(jì)一直是保持并行的，在設(shè)計(jì)過程中兩者交織在一起，互相支持，互相提供開發(fā)的平臺(tái)。
軟硬件的劃分不是簡單地將功能分解，在進(jìn)行軟硬件任務(wù)分配時(shí)已經(jīng)在進(jìn)行系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，非常重要的部分是軟硬件的接口設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)的軟硬件接口，從基本的寄存器到高級的系統(tǒng)接口都非常重要。在軟硬件任務(wù)分配時(shí)，主要考慮系統(tǒng)的軟件與硬件之間的接口，以及那些影響最終軟硬件集成、調(diào)試的軟硬件接口。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為兩個(gè)部分：第一部分是硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，即可用以運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分，包含了主芯片、外設(shè)芯片以及它們之間的互聯(lián)；第二部分是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求來定制硬件系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)處理器軟核和相關(guān)外設(shè)的控制邏輯，完成系統(tǒng)的定制。第一部分的工作是后面工作的基礎(chǔ)。
圖2 開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本設(shè)計(jì)中的SOPC開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，開發(fā)板的PCB版圖設(shè)計(jì)利用Altium Designer工具完成。軟硬件接口設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是基于基本指令集完成驅(qū)動(dòng)程序的編寫工作。驅(qū)動(dòng)程序是硬件組件與軟件組件之間的橋梁。軟硬件接口的另一個(gè)重要工作是進(jìn)行硬件初始化。初始化代碼是處理器從復(fù)位狀態(tài)進(jìn)入操作系統(tǒng)能夠運(yùn)行的狀態(tài)，也就是在把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序之前硬件和底層軟件（驅(qū)動(dòng)）必須做的一些工作。
下面詳細(xì)說明平臺(tái)中重要的電源電路、Flash接口電路、SDRAM接口電路設(shè)計(jì)，其他部分電路可參考相應(yīng)資料。
2.1 FPGA EP1C6Q
目前大部分Altera公司的FPGA均支持NiosII CPU，而Cyclone系列器件是當(dāng)前世界上成本最低的FPGA芯片之一，因此本設(shè)計(jì)中的核心芯片采用Cyclone EP1C6，具有9800個(gè)邏輯單元，92Kb的RAM資源，提供兩個(gè)全功能的鎖相環(huán)（PLL）。I/O接口185個(gè)，還支持LVDS、DDR等傳輸接口。它的配置使用最新型的AS配置方式，配置芯片是EPCS4(Flash結(jié)構(gòu)，4Mb)。
2.2 電源電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用了可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM1117TADJ，可以將電壓進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，電流為800mA，3引腳的TO200封裝。Cyclone系列FPGA上電的最大電流為300mA，該芯片可以滿足要求。LM1117需要在輸出與地之間接入電容以維持內(nèi)部電路的穩(wěn)定，輸入與地之間也需要接入電容對輸入信號進(jìn)行濾波[4]。具體的連接如圖3所示。
圖3 電源電路圖
2.3 Flash接口電路設(shè)計(jì)
Flash即閃速存儲(chǔ)器，是一種在系統(tǒng)可電擦寫的存儲(chǔ)器。作為一種非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash主要有兩個(gè)功能，一部分用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，另一部分存儲(chǔ)專用程序。
由于不同廠家的Flash的擦寫時(shí)序往往不同，NiosII只支持部分常用的Flash，對于不支持的Flash類型，需要NiosII系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員自己完成相關(guān)Flash擦寫子程序的編寫。本平臺(tái)采用的AM29LV065 Flash存儲(chǔ)器。采用48腳TSOP封裝，8位數(shù)據(jù)寬度，工作電壓為2.7～3.6V，讀寫操作都較一般Flash省電，僅需要單3V電壓即可完成在系統(tǒng)編程與擦除操作。
Flash選用的是22×8，即地址總線為22位，數(shù)據(jù)總線為8位，其連接關(guān)系如圖4所示。
圖4 Flash與總線接口電路圖
2.4 SDRAM接口電路設(shè)計(jì)
與Flash存儲(chǔ)器不同，SDRAM不具有掉電保護(hù)數(shù)據(jù)的特性，但其操作都是由時(shí)鐘作為同步�？梢詫⑵淅斫鉃橐粋�(gè)電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時(shí)刷新（充電）。因此，要在系統(tǒng)中使用SDRAM，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統(tǒng)中加入刷新控制邏輯電路。
在NiosII系統(tǒng)中，SDRAM主要用于存放運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)，并且其運(yùn)行速度比Flash快很多。所以在SOPC系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，NiosII CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動(dòng)代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。平臺(tái)使用的是hynix57V641620HGT，其存儲(chǔ)容量為4Bank×1M×16位（64 Mb）。SDRAM與總線的連接關(guān)系如圖5所示，其刷新頻率是靠FPGA內(nèi)的PLL經(jīng)過相移來提供。
圖5 SDRAM與總線連接電路圖
3 SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
SOPC Builder是一個(gè)能夠生成復(fù)雜硬件系統(tǒng)的工具，將軟硬件的設(shè)計(jì)結(jié)合起來，提供給客戶一個(gè)很好的開發(fā)環(huán)境。利用SOPC Builder可以將Nios CPU和其他應(yīng)用模塊嵌入到FPGA內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可重構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)，其中Nios CPU是整個(gè)系統(tǒng)的核心。圖6是典型Nios系統(tǒng)的框圖，其中片內(nèi)邏輯是指實(shí)現(xiàn)在FPGA內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)模塊指的是由SOPC Builder自動(dòng)生成的設(shè)計(jì)。SOPC Builder會(huì)根據(jù)用戶選擇的IP生成相應(yīng)的HDL描述文件（系統(tǒng)模塊文件），這些文件與用戶邏輯區(qū)域內(nèi)的設(shè)計(jì)描述文件一起由QuartusII軟件綜合，然后下載到FPGA內(nèi)，這樣就構(gòu)成了系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。
圖6 Nios CPU系統(tǒng)框圖
如圖7所示，采用NiosII單處理器，多個(gè)特定功能專用IP核的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，軟件部分由處理器進(jìn)行，而硬件部分功能由下載到FPGA上的IP核實(shí)現(xiàn)。硬件之間的通信以及與處理器的通信由Altera公司定義的Avalon片內(nèi)總線實(shí)現(xiàn)，而硬件和軟件之間的通信則是通過由IDE根據(jù)硬件系統(tǒng)生成的硬件抽象層HAL來實(shí)現(xiàn)的。
圖7 SOPC系統(tǒng)架構(gòu)
4 總結(jié)
嵌入式技術(shù)發(fā)展之迅速，嵌入式市場前景之廣闊，使嵌入式教學(xué)和研發(fā)成為當(dāng)今熱點(diǎn)。近年來FPGA技術(shù)的飛速發(fā)展，各大FPGA廠商也相繼推出針對SOPC開發(fā)的各種功能強(qiáng)大的開發(fā)套件，這使得FPGA在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中相對于傳統(tǒng)的ASIC器件具有設(shè)計(jì)靈活、功能強(qiáng)大、一次性投入低、設(shè)計(jì)周期短等優(yōu)勢，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。無論是嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)還是企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)，嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)都具有很高的使用價(jià)值，其開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
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