基于FPGA和SOPC技术的DSP.DOC

第1章 概 述 自20世纪下半叶以来，微电子技术得到了迅速发展，集成电路设计和工艺技术水平有了很大的提高，单片集成度中每片已能包含上亿个晶体管，从而使得将原先由许多IC组成的电子系统集成在一个单片硅片上成为可能，构成所谓的片上系统（System On Chip，SOC），或系统芯片。与普通的集成电路相比，系统芯片不再是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集、处理和输入输出等完整的系统功能集成在一起，成为一个专用功能的电子系统芯片。而其设计思想也有别于普通IC。SOC把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路及器件的设计紧密结合，在一片或数片单片上完成整个复杂系统的功能。SOC的出现，是电子系统设计领域的一场革命，它对电子信息产业的影响将不亚于集成电路的诞生所产生的影响。因此，当今电子系统的设计已不再是利用各种通用IC进行PCB板级的设计和调试，而是转向以大规模FPGA或ASIC为物理载体的系统芯片的设计，前者称为SOPC（System On Programmable Chip，简称为可编程片上系统），后者为SOC。另一方面，由于集成电路工艺的成熟和EDA工具的迅速发展，使得电子系统的设计者并不需要过多地关注半导体集成工艺，完全可以利用现有的成熟工艺，在EDA工具的帮助下完成整个系统从行为算法级（系统级）到物理结构级的全部设计，并最终在FPGA上实现，或委托IC制造商进行ASIC生产。 SOC和SOPC的设计是以IP（Intellectual Property Core）为基础的，以硬件描述语言为主要设计手段，借助于以计算机为平台的EDA工具进行的。SOPC技术主要是指面向单片系统级专用集成电路设计的计算机技术，与传统的专用集成电路设计技术相比，其特 点有： 设计全程，包括电路系统描述、硬件设计、仿真测试、综合、调试、系统软件设计，直至整个系统的完成，都由计算机进行。 设计技术直接面向用户，即专用集成电路的被动使用者同时也可能是专用集成电路的主动设计者。 系统级专用集成电路的实现有了更多的途径，即除传统的ASIC器件外，还能通过大规模FPGA等可编程器件来实现。 1.1 SOC单片系统 集成规模和系统功能达到什么程度才能算作SOC，并没有严格的界定，但广义而言，SOC应该指在单片上集成系统级多元化的大规模功能模块，从而构成一个能够处理各种信息的集成系统。这个集成系统通常由一个主控单元和一些功能模块构造而成，主控单元通常是一个处理器，这个处理器既可以是一个普通的微处理器的核，也可以是一个数字信号处理器（DSP）的核，还可以是一个专用的运算控制逻辑单片，在这个主控单元的周围，根据系统所完成的工作配置系统的功能模块，完成信号的接收、预处理、转换以及信号执行等任务。在SOC上可能集成了传感器、模拟信号处理电路、A/D与D/A电路、数字信号处理电路等多元化的模块。在SOC中，将硬件逻辑与智能算法集成在一起。从系统集成的角度看，SOC是以不同模型的电路集成、不同工艺的集成作为支持基础的，所以，要实现SOC，首先必须重点研究器件的结构与设计技术、VLSI设计技术、工艺兼容技术、信号处理技术、测试与封装技术等，这是SOC设计技术的一个重要方面，即SOC单片系统本身的设计和构建。另一方面，是SOC的应用技术，对现有的SOC，针对既定的功能要求，进行工程开发的技术，这将涉及到比前者更多的工程技术人员的参与。 狭义地讲，SOC是一种结合了许多功能模块和微处理器核心的单芯片电路系统，如ARM RISC（ARM Reduced Instruction Set Computer）、MIPS RISC、DSP或其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，如通用串行总线端口USB、MAC/PHY、GSM/GPRS通信接口、IEEE1394接口、蓝牙模块接口等。这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个独立的处理芯片。如一个蓝牙模块，就是结合了蓝牙接口芯片，加上嵌入式系统微处理器，做在一个电路板上，如此会耗费许多的电路空间，而且也不具有经济效益，若是将嵌入式系统微处理器与蓝牙通信接口单元放在同一芯片上，就成为一个SOC系统，可以大幅缩小整个系统所占的面积，在大量生产的情况下，生产成本远低于原本需要多片芯片制成的电路 系统。 SOC嵌入式系统微处理器所具有的其他优势有： 利用改变内部工作电压的方案，降低芯片功耗。 减少芯片对外管脚数，简化制造过程。 减少外围驱动接口单元及电路板间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的 速度。 内嵌的线路可以避免外部电路板上信号传递时所造成的系统干扰。 片内使用IP构建是SOC的一个重要特性。当需要推出新产品时，SOC开发人员可以将原来的IP转移到新的嵌入式系统上，或者只需更改一小部分电路，就可符合产品所需要的功