1、嵌入式技術(shù)的工程方法,北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,彭建朝,pengjianchao,2013年9月,課程內(nèi)容,第一章概述,第二章基于VerilogHDL的電路設(shè)計(jì),第三章基于NiosII處理器的SOPC設(shè)計(jì)技術(shù),參考資料,4.SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程周立功北航,2.基于FPGA的嵌入式開發(fā)與應(yīng)用徐光輝電子,6.VerilogHDL程序設(shè)計(jì)教程王金明郵電,5.EDA技術(shù)綜合應(yīng)用實(shí)例與分析譚會(huì)生西電,1.NiosII嵌入式軟核SOPC設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用李蘭英北航,3.NiosII軟件架構(gòu)解析蔡偉綱西電,時(shí)間安排,總學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí),理論部分20學(xué)時(shí)第19周18學(xué)時(shí)授課，第16周2學(xué)時(shí)開卷筆試,實(shí)驗(yàn)部分12

2、學(xué)時(shí)第1015周周四7/8節(jié)信北502,考核成績(jī)=筆試成績(jī)70%+實(shí)驗(yàn)成績(jī)30%,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,2.基于Nios處理器的鍵盤掃描與動(dòng)態(tài)顯示,3.基于Nios處理器的Uart接收與發(fā)送,4.基于Nios處理器的Timer中斷,1.SOPC硬件系統(tǒng)的搭建,5.定制指令和用戶IPCore,實(shí)驗(yàn)室,GX-SOC/SOPC-CIDE實(shí)驗(yàn)臺(tái),第一章概述,1.嵌入式系統(tǒng),直觀：手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3、MP4、機(jī)頂盒、高清電視、交換機(jī)、路由器、數(shù)控設(shè)備、汽車電子、醫(yī)療儀器、航天航空設(shè)備,所謂嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）是相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言的。,IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義：,嵌入

3、式系統(tǒng)是用來控制或監(jiān)視機(jī)器、裝置或工廠的大規(guī)模的設(shè)備。,國內(nèi)一般定義為：,以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,軟件和硬件的綜合體，軟件和硬件設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。,嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式處理器，其技術(shù)指標(biāo)受到應(yīng)用要求的制約，例如：功耗、體積、成本、可靠性、速度處理能力、電磁兼容性等等。,硬件方面,軟件方面,固化存儲(chǔ)，軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性和高實(shí)時(shí)性。,廣義上，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可稱為嵌入式系統(tǒng)。,但應(yīng)建立嵌入式設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)的概念。,嵌入式設(shè)備：以嵌入式處理器為核心的硬件+應(yīng)用軟件,嵌入式系統(tǒng)：以嵌入式

4、處理器為核心的硬件+操作系統(tǒng)+應(yīng)用軟件,例如：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、DSP系統(tǒng),例如：流行的高性能嵌入式RISC處理器ARM系列,流行的嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE、Linux、uC/OS、uCLinux,2.SOC系統(tǒng),20世紀(jì)90年代后期，提出SOC（SystemonaChip，片上系統(tǒng)）的概念。,SOC是指在單個(gè)芯片上集成了諸多系統(tǒng)級(jí)多元化的大規(guī)模功能模塊，能夠處理各種信息的集成系統(tǒng)。,主控單元+功能模塊,微處理器,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的各種IP核,特征：利用IP（IntellectualProperty）構(gòu)建SOC。,在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，IP（IntellectualProperty）即知識(shí)產(chǎn)權(quán)核或

5、知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊。,著名的美國Dataquest咨詢公司將集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的IP定義為：用于ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）或FPGA（FieldProgrammableGateArray）/CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）中的預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路功能模塊。,IP核的分類：,軟核用VerilogHDL等硬件描述語言描述的功能模塊。,固核完成了設(shè)計(jì)綜合的功能塊，有較大的設(shè)計(jì)深度，以網(wǎng)表的形式提交用戶使用。,硬核以掩膜形式提供設(shè)計(jì)的最終階段產(chǎn)品。,廠商采用固核、硬核進(jìn)行SOC設(shè)計(jì)，向用戶提供SOC芯片。,優(yōu)點(diǎn)：選擇

6、合適的SOC芯片，可很快建立系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，重點(diǎn)放在操作系統(tǒng)的移植和應(yīng)用軟件的開發(fā)。,缺點(diǎn)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然受SOC芯片的限制；不使用的內(nèi)置IP資源，浪費(fèi)！用戶的IP核，無法進(jìn)入芯片；SOC芯片不斷升級(jí)換代，對(duì)用戶產(chǎn)品的影響；,ProcessorArchitectureS3C44B0X,Upto66MHzARM7TDMIProcessorCore,SDRAM,FLASH/SRAM,Interfaces,RealTimeClock,Watchdog,JTAG,SystemPeripherals,WriteBuffer,SIO1,UART2,Timers6,GPIO71,UserPeripherals

7、,DynamicPowerManagement,10bitA/D8,Memory,PLL,8KbytesCache/SRAM,IIS1,AUDIOCODEC,SPI,PC,PWM,LCD,IIC1,LCD1,IO,Keyboard,AnalogSignal,DMA4,3.SOPC技術(shù),用戶采用IP復(fù)用技術(shù)，借助EDA平臺(tái)，將系統(tǒng)需要的邏輯資源進(jìn)行集成，下載到FPGA/CPLD芯片中，構(gòu)成用戶獨(dú)享的SOC設(shè)計(jì)。,2000年，美國Altera公司率先提出SOPC（SystemonProgrammableChip）設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)的核心是利用IP軟核進(jìn)行系統(tǒng)集成。,邏輯資源：元件庫、宏、專用IP庫和

8、用戶IP庫,優(yōu)勢(shì)：用戶設(shè)計(jì)的自主性；系統(tǒng)規(guī)模的可裁減性；系統(tǒng)升級(jí)換代的及時(shí)性；EDA開發(fā)平臺(tái)的完備性；在實(shí)驗(yàn)室，用戶即可完成SOC設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，并及時(shí)投放市場(chǎng)；大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，很容易轉(zhuǎn)換成ASIC，以降低成本。,缺點(diǎn)：前期，小規(guī)模生產(chǎn)成本偏高。,基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC,在FPGA中預(yù)先植入嵌入式微處理器，其它功能模塊由用戶按需配置，利用FPGA中的邏輯宏單元實(shí)現(xiàn)。,例如：,Altera公司的Excalibur系列FPGA中，預(yù)先植入了ARM922T嵌入式處理器；,Xilinx的Virtex-IIPro系列，預(yù)先植入IBMPowerPC405處理器；,不足：硬核多來自第三方公司，F(xiàn)PGA

9、廠商很難直接控制IP費(fèi)用；系統(tǒng)設(shè)計(jì)者無法根據(jù)實(shí)際需要改變處理器的結(jié)構(gòu)，如總線規(guī)模、接口方式乃至指令形式；無法在同一FPGA中使用多個(gè)處理器核；無法裁減處理器硬件資源以降低FPGA成本；只能在特定的FPGA中構(gòu)建SOC。,基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC,解決了上述不足！,借助EDA平臺(tái)，選用可裁減的嵌入式處理器軟核和各種功能的IP軟核，利用FPGA中的邏輯宏單元，構(gòu)建滿足系統(tǒng)需求的SOC。,具有代表性的嵌入式處理器軟核Altera公司的NiosII,優(yōu)勢(shì)：NiosII軟核由該公司直接推出，其規(guī)?？刹脺p；可植入所有的AlteraFPGA系列；只要FPGA的資源允許，可在一片F(xiàn)PGA中建立多核系統(tǒng)；可添加用戶指令；提供功能完備的EDA開發(fā)工具QuartusII，用戶能自主、靈活、便捷的創(chuàng)建NiosII系統(tǒng)，甚至可以添加用戶IP。,基于HardCopy技術(shù)的SOPC,HardCopy就是利用原有的FPGA開發(fā)工具，將已成功實(shí)現(xiàn)于FPGA器件上的SOPC系統(tǒng)通過特定的技術(shù)直接向ASIC轉(zhuǎn)化，從而解決傳統(tǒng)ASIC設(shè)計(jì)中普遍存在的問題。,開發(fā)周期長(zhǎng)；產(chǎn)品上市慢；一次性成功率低；足夠的投片量；設(shè)計(jì)軟件工具繁多且昂貴；開發(fā)流程復(fù)雜等。,HardCopy技術(shù)是一種全新的SOC級(jí)ASIC解決