SoC介紹1SoC定義近10年來，無論是消費(fèi)類產(chǎn)品如電視、錄像機(jī)，還是通信類產(chǎn)品如電話、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些產(chǎn)品的核心部分都開始采用芯片作為它們的“功能中樞”，這一切都是以嵌入式系統(tǒng)技術(shù)得到飛速發(fā)展作為基礎(chǔ)的。SoC(SystemonChip，片上系統(tǒng))是ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)設(shè)計(jì)方法學(xué)中的新技術(shù)，是指以嵌入式系統(tǒng)為核心，以IP復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)，集軟、硬件于一體，并追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成芯片。狹意些理解，可以將它翻譯為“系統(tǒng)集成芯片”，指在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲、處理和I/O等功能，包含嵌入軟件及整個(gè)系統(tǒng)的全部內(nèi)容；廣義些理解，可以將它翻譯為“系統(tǒng)芯片集成”，指一種芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。2SoC發(fā)展中的焦點(diǎn)技術(shù)

SoC設(shè)計(jì)的最大門檻是專門技術(shù)、IP庫和SoC總線架構(gòu)支持，需要廣泛的多功能IP和將客戶邏輯與之集成在一起的設(shè)計(jì)藝術(shù)，以滿足客戶產(chǎn)品開發(fā)的需求。SoC的發(fā)展離不開應(yīng)用領(lǐng)域的需求牽引。進(jìn)行片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮的問題是系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。為了提高開發(fā)模塊的重復(fù)利用率，降低開發(fā)成本，用戶采用了SoC(芯片內(nèi)部)總線、芯片間總線(如SPI、I2C、UART、并行總線)、板卡間總線(ISA、PCI、VME)、設(shè)備間總線(USB、1394、RS232)。SoC總線為用戶提供了一個(gè)堪稱“理想”的環(huán)境：片上系統(tǒng)模塊間不會面臨干擾、匹配等傳統(tǒng)問題；但是片上系統(tǒng)的時(shí)序要求卻異常嚴(yán)格。2.1IP復(fù)用技術(shù)SoC

芯片需要集成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，這導(dǎo)致了它具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如果是從頭開始完成芯片設(shè)計(jì)，顯然將花費(fèi)大量的人力物力。另外，現(xiàn)在電子產(chǎn)品的生命期正在不斷縮短，這要求芯片的設(shè)計(jì)可以在更短的周期內(nèi)完成。為了加快SoC

芯片設(shè)計(jì)的速度，人們將已有的IC電路以模塊的形式，在SoC

芯片設(shè)計(jì)中調(diào)用，從而簡化芯片的設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。這些可以被重復(fù)使用的IC模塊就叫做IP模塊（或者系統(tǒng)宏單元、芯核、虛擬器件）。由此許多第三方IP供應(yīng)商得到快速發(fā)展，它們的成功要么具有獨(dú)一無二的且極具價(jià)值的IP，要么具有良好聲譽(yù)的庫。SoC設(shè)計(jì)者通過重用證明了的IP，不僅利用了最新工藝技術(shù)優(yōu)勢，而且減少了開發(fā)周期和風(fēng)險(xiǎn)。SoC

的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是IP（IntellectualProperty）復(fù)用技術(shù)。2.1IP復(fù)用技術(shù)(續(xù))IP模塊是一種預(yù)先設(shè)計(jì)好，已經(jīng)過驗(yàn)證，具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。它有3種不同形式：軟IP核(softIPcore)固IP核(firmIPcore)硬IP核(hardIPcore)2.2SoC

技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)SoC

具有以下幾方面的優(yōu)勢。(1)降低耗電量：隨電子產(chǎn)品向小型化、便攜化發(fā)展，對其省電需求將大幅提升，由于SoC

產(chǎn)品多采用內(nèi)部訊號的傳輸，可以大幅降低功耗。(2)減少體積：數(shù)顆IC整合為一顆SoC

后，可有效縮小電路板上占用的面積，達(dá)到重量輕、體積小的特色。(3)豐富系統(tǒng)功能：隨微電子技術(shù)的發(fā)展，在相同的內(nèi)部空間內(nèi)，SoC

可整合更多的功能元件和組件，豐富系統(tǒng)功能。(4)提高速度：隨著芯片內(nèi)部信號傳遞距離的縮短，信號的傳輸效率將提升，而使產(chǎn)品性能有所提高。(5)節(jié)省成本：理論上，IP模塊的出現(xiàn)可以減少研發(fā)成本，降低研發(fā)時(shí)間，可適度節(jié)省成本。不過，在實(shí)際應(yīng)用中，由于芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增強(qiáng)，也有可能導(dǎo)致測試成本增加，及生產(chǎn)成品率下降。2.4SoC

技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)(續(xù))雖然，使用基于IP模塊的設(shè)計(jì)方法可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，但隨著SoC

復(fù)雜性的提高和設(shè)計(jì)周期的進(jìn)一步縮短，也為IP模塊的重用帶來了許多問題：(1)要將IP模塊集成到SoC

中，要求設(shè)計(jì)者完全理解復(fù)雜IP模塊的功能、接口和電氣特性，如微處理器、存儲器控制器、總線仲裁器等。(2)隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性的提高，要得到完全吻合的時(shí)序也越來越困難。即使每個(gè)IP模塊的布局是預(yù)先定義的，但把它們集成在一起仍會產(chǎn)生一些不可預(yù)見的問題，如噪聲，這些對系統(tǒng)的性能有很大的影響。3SoPC以往的SoC

設(shè)計(jì)依賴于固定的ASIC。其設(shè)計(jì)方法通常采用全定制和半定制電路設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)完成后如果不能滿足要求，經(jīng)常需要重新設(shè)計(jì)再進(jìn)行驗(yàn)證，這將導(dǎo)致開發(fā)周期變長，開發(fā)成本增加。另外，如果要對固定ASIC的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改、升級，也將花費(fèi)昂貴的代價(jià)進(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)。與ASIC比較，可編程邏輯器件(PLD)的設(shè)計(jì)要靈活得多，它不僅開發(fā)周期較短，而且規(guī)模效應(yīng)具有成本優(yōu)勢。SOPC(Systemonaprogrammablechip：片上可編程系統(tǒng))是Altera公司提出來的一種靈活、高效的解決方案，它將處理器、存儲器、I/O口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的東西集成到一個(gè)PLD器件上，構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)，它所具有的靈活性、低成本可讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者獲益非淺。

SoPC

是SoC

技術(shù)和可編程邏輯技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。首先它是SoC，即可以由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它還是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級，并具備一定的系統(tǒng)可編程功能。3.1SoPC的特點(diǎn)SoPC

設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部內(nèi)容，包括：以處理器實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以PCB和信號分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。SoPC

結(jié)合了SoC、PLD和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，具備以下特點(diǎn)：至少包含一個(gè)嵌入式處理器內(nèi)核具有小容量片內(nèi)高速RAM資源豐富的IPCore資源可供選擇足夠的片上可編程邏輯資源處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口可能包含部分可編程模擬電路單芯片、低功耗、微封裝3.2SoPC

解決方案近年來PLD器件密度的提高，芯片規(guī)模的擴(kuò)大和性能的提升為SoPC

提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。下面以Altera

公司的SoPC

解決方案為例，介紹一下SoPC

技術(shù)的應(yīng)用。Altera

公司起初是生產(chǎn)可編程邏輯器件及其開發(fā)工具，并擁有一些IP核的公司。隨著技術(shù)的發(fā)展，尤其是通信技術(shù)的發(fā)展，對帶寬和速度的要求越來越高，Altera

率先推出自己的SoPC

解決方案，將處理器、存儲器、I/O口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的東西集成到一個(gè)PLD器件上，構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。在2000年，Altera

發(fā)布了Nios

處理器，推出了一個(gè)基于APEX系列FPGA的嵌入式處理器解決方案，主要面向?qū)λ俣鹊囊蟛桓叩牡投藨?yīng)用在速度要求較高的高端應(yīng)用，如通信領(lǐng)域，軟核的處理速度不夠，Altera就推出了基于ARM硬核的SoPC

解決方案。3.3Nios

軟核在2000年，Altera

發(fā)布了Nios

處理器，推出了一個(gè)基于APEX系列FPGA的嵌入式處理器解決方案，這是AlteraExcalibur嵌入處理器計(jì)劃中的第一個(gè)產(chǎn)品，它將可編程邏輯器件和處理器的能力結(jié)合到了一起，成為業(yè)界第一款為可編程邏輯優(yōu)化的可配置處理器。這種Nios

處理器是1種參數(shù)化的軟核，設(shè)計(jì)人員可以通過編寫一些新的HDL模塊或改寫已有HDL模塊中的參數(shù)來對軟核進(jìn)行優(yōu)化，及增加外圍電路的功能。使用Nios

軟核的SoPC

解決方案具有如下特點(diǎn)：(1)可配置為32位或16位的CPU，使設(shè)計(jì)人員能夠在速度與占用資源上做出最優(yōu)選擇。(2)帶有大量的外設(shè)和接口庫，如UART、時(shí)鐘、DMA、SDRAM、并行I/O等。這些特性使得SoC

的設(shè)計(jì)變得簡單化，提高了設(shè)計(jì)可靠性，降低了設(shè)計(jì)成本。Nios不足速度慢，150MIPS。Sram工藝和連線特性使NIOSII無法提供一個(gè)高性能的可配置的片上總線靈活性不是神話，實(shí)現(xiàn)高度的靈活性仍然有大的技術(shù)難度功耗大，電源管理難于實(shí)現(xiàn)3.3.1NIOS結(jié)構(gòu)3.3.2NIOSII的開發(fā)方法硬件開發(fā)環(huán)境：QuartusII4.0，SOPCbuilder，原理圖設(shè)計(jì)，Cyclonewww.opencore.orgIPcore下載軟件開發(fā)環(huán)境：IDE軟件開發(fā)工具SoPCbuilder為了支持SoPC

的開發(fā)，Altera

公司還推出了一系列EDA設(shè)計(jì)工具，如QuartusII，以及SoPCBuilder。QuartusII是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)人員可在里面完成SoPC

的全部設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的生成、編譯、仿真，并可以下載到開發(fā)器件中，進(jìn)行實(shí)時(shí)評估和驗(yàn)證。尤其，該軟件還可以集成SoPCBuilder開發(fā)工具，令SoPC

的開發(fā)更為便捷。SoPCBuilder是一個(gè)自動(dòng)化的系統(tǒng)開發(fā)工具，可以簡化SoPC

的設(shè)計(jì)工作。它提供了一個(gè)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)平臺以搭建基于總線的系統(tǒng)，其內(nèi)部包含了一系列的模塊，如處理器、存儲器、總線、DSP等IP核。使用SoPC

Buider，設(shè)計(jì)人員能夠快速地調(diào)用和集成內(nèi)建的IP核庫，定義一個(gè)從硬件到軟件的完整系統(tǒng)。使用中的Sopcbuilder

3.3.3Nios軟件設(shè)計(jì)主要有以下流程獲得軟件開發(fā)包。Sopcbuilder會在工程文件夾中自動(dòng)生成你的工程的軟件開發(fā)包。通過使用軟件開發(fā)包中的頭文件和庫文件，會大大節(jié)省時(shí)間。編寫與編譯應(yīng)用程序?？梢允褂梦谋揪庉嬈鲿鴮慍語言代碼和匯編程序，然后使用nios-build工具編譯程序。編譯后的代碼存為Srec格式。下載可執(zhí)行文件到開發(fā)板中。調(diào)試程序代碼。轉(zhuǎn)變成自啟動(dòng)代碼。轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)從Nios開發(fā)板到目標(biāo)硬件。3.3.4Nios軟件開發(fā)工具Nios

軟件開發(fā)包中有許多軟件開發(fā)工具，大都包含在

NiosSDKShell中。NiosSDKShell提供了一個(gè)與UNIX相似的PC機(jī)平臺，有許多UNIX系統(tǒng)經(jīng)常用到的命令和工具，同時(shí)，NiosSDKShell提供了許多用于調(diào)試和產(chǎn)生Nios程序的工具。幾個(gè)常用的命令：Nios-build(NB)Nios-build可以對Nios源程序進(jìn)行編譯、匯編、和連接。Nios-build產(chǎn)生的文件以.srec結(jié)尾，這種文件可以直接下載到Nios開發(fā)板中。Nio