第10讲 SOPC系统设计.ppt

* SOPC系统设计 SOPC是一种新的系统设计技术，也是一种新的软硬件综合设计技术。通过它，可以很快地将硬件系统（包括微处理器，存储器，外设以及用户逻辑电路等）和软件设计都放在一个可编程的芯片中，以达到系统的IC设计。 优点：开发周期短 系统可修改 设计完成的SOPC可以通过HARDCOPY转为ASIC芯片，从而可以实现快速量产。 SOPC系统设计 SOPC系统设计 SOPC=MCU+DSP+FPGA SOPC系统设计 SOPC Builder 它包括两方面的内容：第一，它具有直观的图形用户接口（GUI），便于设计者准确地添加和配置系统所需的外设（包括存储器，定制外设和IP模块）。第二，它会自动完成系统集成工作，这样设计者不必拘泥于定义存储器映射，中断控制和总线控制这样的工作。 SOPC系统架构 SOPC 系统的平台包括：Altera 的 Nios 处理器、Avalon 总线，片内外存储器以及外设模 块等。 SOPC系统架构 1. Nios CPU Nios CPU是一种采用流水线技术、单指令流的RISC处理器，Nios CPU采用16位指令系统。 SOPC系统架构 Nios 3.0 CPU采用五级流水线结构，并具有独立的指令和数据存储器端口（Harvard存储器结构）。指令和数据存储器的控制端口都作为Avalon总线的主端口。 通过SOPC Builder，用户可以把Nios总线主端口和任何Avalon总线的从端口（如存储器和外设）互联起来。 SOPC Builder会自动加入相应的总线仲裁器。 SOPC系统架构 Nios 3.0 CPU采用五级流水线结构，并具有独立的指令和数据存储器端口（Harvard存储器结构）。指令和数据存储器的控制端口都作为Avalon总线的主端口。 通过SOPC Builder，用户 可以把Nios总线主端口和 任何Avalon总线的从端口 （如存储器和外设）互联 起来。SOPC Builder会自 动加入相应的总线仲裁器。 SOPC系统架构 2. Avalon 总线 Avalon 总线是一种相对简单的总线结构，主要用于连接片内处理器与外设，以构成片上可编程系统（SOPC）。它描述了主从构件间的端口连接关系，以及构件间通讯的时序关系。 SOPC系统架构 Avalon 总线模块框图 SOPC系统架构 3. 外设IP模块 设计者可以添加下列模块到 SOPC Builder 中： ? Nios 32 位 CPU ? 片上 Boot Monitor ROM ? UART（通用异步串行接口） ? 定时器 ? 按键 PIO（可编程输入输出） ? LCD PIO ? LED PIO ? 七段显示PIO ? 外部RAM总线（Avalon三状态桥） ? 外部RAM接口 ? 外部Flash接口 SOPC系统开发流程 1. 分析系统需求说明，包括功能需求和性能约束等等。 2. 根据分析结果，选择片外外设或片内IP（知识产权核）。除此以外，还要对选择的IP和外设进行初步性能评估，以保证能够满足系统需求。 3. 确定IP 和系统参数 4. 确定系统互联逻辑，分配FPGA的引脚等。 5. 结合Nios提供的软件开发包进行软件开发等。 SOPC系统开发流程 SOPC系统开发环境 Nios II的开发包括了以32位Nios II软核处理器为核心的硬件配置、硬件设计、软件仿真、软件设计、软件调试等。 基本的软件工具有： ◆ Quartus II,用于完成Nios II系统的综合、硬件优化、适配、编程下载和硬件测试 ◆ SOPC Builder是Altera Nios II嵌入式处理器开发软件包，用于实现Nios II系统的配置、生成、Nios II系统相关的软件的生成 ◆ ModelSim用于对SOPC Builder生成的Nios II的HDL描述进行系统功能仿真 ◆ Matlab/DSP Builder,生成Nios II系统硬件加速器，并为定制新指令提供支持。 ◆ Nios II IDE，软件开发调试环境。 SOPC系统设计 一、硬件部分设计 ● 传统：CPU不可更改，外围设备变动受CPU限制，一般嵌入式开发是软件设计和PCB设计 ● Nios II可灵活定制，根据系统设计要求，通过 SOPC Builder裁减得到SOPC系统，开发流程包括硬件系统和软件开发。 ◆ 硬件流程：使用SOPC Builder和Quartus Ⅱ，快速定制合适的CPU和外设 ◆ 软件设计：使用汇编或C， C++语言 SOPC系统设计 硬件开发流程 SOPC系统设计 SOPC系统大致分为三个部分： ◆FPGA部分 Nios Ⅱ C