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1、第1章 绪论,1.1电子系统设计的发展趋势,电子系统设计的发展主要受以下两个技术的推动： 微电子技术使得硅片单位面积上集成的晶体管数目越 来越多。 计算机技术软硬件技术的发展推动EDA技术的发展。,1.1电子系统设计的发展趋势,集成电路设计都是从器件的物理版图设计入手 EDA技术发展的推动 出现集成电路单元库，集成电路设计进入逻辑级，极大地推动IC产业的发展。,由IC互联构成的嵌入式系统设计:,电子系统是IC之间通过PCB板等技术进行互联来构成的。PCB板上IC芯片之间连线的延时、PCB板的可靠性、PCB板的尺寸等因素，会对系统的整体性能造成很大的限制。,1.1电子系统设计的发展趋势,IC互联
2、构成的系统 设计和工艺EDA技术 SOC片上系统(System On Chip) SOC是指将一个完整产品的功能集成在一个芯片上或芯片组上。 SOC从系统的整体角度出发，以IP (Intellectual property)核为基础，以硬件描述语言作为系统功能和结构的描述手段，借助于以计算机为平台的EDA工具进行开发。由于SOC设计能够综合、全盘考虑整个系统的情况，因而可以实现更高的系统性能。SOC的出现是电子系统设计领域内的一场革命，其影响将是深远和广泛的。,由SOC构成嵌入式系统设计:,1.2基本概念,IC：集成电路。 ASIC：专用集成电路。 通用集成电路：FPGA、CPLD等。 SOC
3、：属于专用集成电路。,1.2 基本概念,SOC： 它是指将一个完整产品的各功能集成在一个芯片中，可以包括有CPU、存储器、硬件加速单元（AV处理器、DSP、浮点协处理器等）、通用I/O（GPIO）、UART接口和模数混合电路（放大器、比较器、A/D、D/A、射频电路、锁相环等），甚至延伸到传感器、微机电和微光电单元。 （如果把CPU看成是大脑，则SOC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。）,1.2 基本概念,SOC系统的构建一个重要特性： 使用可重用的IP来构建系统。可以缩短产品的开发周期，降低开发的复杂度。可重复利用的IP包括元件库、宏及特殊的专用IP等，如通信接口IP、输入输出接口IP；各
4、家开发商开发的微处理器IP，如ARM公司的RISC架构的ARM核。SOC嵌入式系统就是微处理器的IP再加上一些外围IP整合而成的。,1.2 基本概念,SOC以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，并追求最高的集成度，是电子系统设计追求的必然趋势和最终目标，是现代电子系统设计的最佳方案。SOC是一种系统集成芯片，其系统功能可以完全由硬件完成，也可以由硬件和软件协同完成。目前的SOC主要指后者。,1.2 基本概念,SOC存在的问题： SoC初衷很好，但现实中却缺乏好的解决方案。由于是基于ASIC实现SoC系统，设计周期长、费用高昂、成功率不高而且产品不能修改显得系统的灵活性差，往往使得学术科研机构、
5、中小企业难以承受。但是SoC以系统为中心、基于IP核的多层次、高度复用，可实现软硬件的无缝结合，综合性高。,1.2基本概念,片上可编程系统(SoPCSystem on a Programmable Chip) SoPC 是一种灵活、高效的SoC解决方案。它将处理器、存储器、I/O口、LVDS等系统需要的功能模块集成到一个PLD器件上，构成一个可编程的片上系统。它是PLD与SOC技术融合的结果。 由于它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件可编程的功能。这种基于PLD可重构SoC的设计技术不仅保持了SoC以系统为中心、基于IP模块多层次、高度复用的特点,而且具有设
6、计周期短、风险投资小和设计成本低的优势。相对ASIC定制技术来说 , FPGA是一种通用器件, 通过设计软件的综合、分析、裁减，可灵活地重构所需要的嵌入式系统。,1.2 基本概念,IP (Intellectual Property) 是知识产权的简称，SOC和SOPC在设计上都是以集成电路IP核为基础的。集成电路IP是经过预先设计、预先验证、符合产业界普遍认同的设计规范和设计标准，并具有相对独立并可以重复利用的电路模块或子系统，如CPU、运算器等。集成电路IP模块具有知识含量高、占用芯片面积小、运行速度快、功耗低、工艺容差性大等特点，还具有可重用性，可以重复应用于SOC、SOPC或复杂的ASI
7、C的设计当中。,1.2 基本概念,软核 IP软核通常是用HDL文本形式提交给用户，它经过RTL级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息。据此，用户可以综合出正确的门电路级设计网表，并可以进行后续的结构设计，具有很大的灵活性，借助于EDA综合工具可以很容易地与其他外部逻辑电路合成一体，根据各种不同半导体工艺，设计成具有不同性能的器件。软IP内核也称为虚拟组件（VC-Virtual Component）。,1.2 基本概念,硬核 IP硬核是基于半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并已经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件，
8、是可以拿来就用的全套技术。 固核 IP固核的设计程度则是介于软核和硬核之间，除了完成软核所有的设计外，还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节。一般以门级电路网表的形式提供给用户。,1.2 基本概念,在SOPC的设计中，嵌入式的微处理器的IP分软核和硬核两种。基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统，是在FPGA中以硬核的方式预先植入嵌入式系统处理器，可以是ARM或其他的微处理器知识产权核，然后利用FPGA中的可编程逻辑资源和IP核来实现其他的外围器件和接口。这样使得FPGA的灵活的硬件设计和实现与处理器的强大运算功能很好地结合。,1.2 基本概念,基于嵌入IP硬核的SOPC系统有以下的缺点：
9、1.此类硬核多来自第三方公司，FPGA厂商需要支付知识产权费用，从而导致FPGA器件价格相对偏高。 2. 由于硬核是预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，如总线宽度、 接口方式等，更不能将FPGA逻辑资源构成的硬件模块以指令的形式形成内置嵌入式系统的硬件加速模块。,1.2 基本概念,3无法根据实际需要在同一FPGA中使用多个处理器核。 4. 无法裁剪处理器的硬件资源以降低FPGA成本。 5. 只能在特定的FPGA中使用硬核。,1.2 基本概念,基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统可以解决基于硬核的SOPC的缺点。 目前最具代表性的软核嵌入式系统处理器： Altera公司NIOS
10、和NIOS II Xilinx的MicroBlaze,1.3 Nios II软核简介,Nios II是Altera公司2004年6月推出的第二代软核处理器。 相对于Nios，Nios II 性能更高，占用FPGA的资源更少，而与之配套的开发环境更先进，有更多的资源可供用户使用。 Nios II系列32位RISC嵌入式处理器具有超过200 DMIP的性能，在FPGA中实现成本只有35美分。由于处理器是软核形式，具有很大的灵活性，用户您可以在多种系统设置组合中进行选择，达到性能、特性和成本目标。 采用Nios II处理器进行设计，可以帮助用户将产品迅速推向市场，延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐
11、过时。,1.3 Nios II软核简介,一. 可定制性 采用Nios II处理器，开发者将不会局限于预先制造的处理器技术，而是根据自己的标准定制处理器; 按照需要选择合适的外设、存储器和接口。 用户可以轻松集成自己专有的功能，使设计具有独特的竞争优势。 Nios II具有完全可定制和重新配置特性，所实现的产品可满足现在和今后的需求。,1.3 Nios II软核简介,Nios II的可定制性 Nios II处理器系列包括三种内核快速（Nios II/f）、标准（Nios II/s）和经济型（Nios II/e），每一型号都针对价格和性能范围进行了优化。所有这些内核共享32位指令集体系，与二进制代
12、码100兼容。,1.3 Nios II软核简介,1.3 Nios II软核简介,外设的可定制性 1. Nios II开发包含有一套通用外设和接口库。 2. 利用SOPC Builder软件中的用户逻辑接口向导，用户可以生成自己的定制外设，并将其集成在Nios II处理器系统中。使用SOPC Builder，用户可以在Altera FPGA中，组合实现现有处理器无法达到的嵌入式处理器配置。,1.3 Nios II软核简介,设计可采用的部分外设,1.3 Nios II软核简介,二、系统性能可配置性 用户所需要的处理器，应该能够满足当前和今后的设计性能需求。 Nios II设计人员必须能够更改其设计
13、，如加入多个Nios II CPU、定制指令集、硬件加速器，以达到新的性能目标。采用Nios II处理器，您可以通过Avalon交换架构来调整系统性能，该架构是Altera的专有互联技术，支持多种并行数据通道，实现大吞吐量应用。,1.3 Nios II软核简介,用户可以在FPGA内部实现多个处理器内核，通过将多个Nios II/f内核集成到单个器件内，可以获得更高的性能。 Nios II 的IDE开发支持这种多处理器在单一FPGA上的开发，或多个FPGA共享一个JTAG链。,1.3 Nios II软核简介,Avalon交换架构 Avalon交换架构能够进行多路数据同时处理，实现无与伦比的系统吞
14、吐量。SOPC Builder自动生成的Avalon交换架构针对系统处理器和外设的专用互联需求进行优化。,1.3 Nios II软核简介,传统总线结构中，单个总线仲裁器控制总线主机和从机之间的通信。每个总线主机发起总线控制请求，由总线仲裁器对某个主机授权接入总线。如果多个主机试图同时接入总线，总线仲裁器会根据一套固定的总裁规则，分配总线资源给某个主机。由于每次只有一个主机能够接入总线、使用总线资源，因此会导致带宽瓶颈。,1.3 Nios II软核简介,1.3 Nios II软核简介,Avalon交换架构的同时多主机体系结构提高了系统带宽，消除了带宽瓶颈。采用Avalon交换架构，每个总线主机均
15、有自己的专用互联，总线主机只需抢占共享从机，而不是总线本身。每当系统加入模块或者外设接入优先权改变时，SOPC Builder利用最少的FPGA资源，产生新的最佳Avalon交换架构。,1.3 Nios II软核简介,Avalon交换架构支持多种系统体系结构，如单主机/多主机系统，可实现数据在外设与性能最佳数据通道之间的无缝传输。Avalon交换架构同样支持用户所设计的片外处理器和外设。,1.3 Nios II软核简介,定制指令 Nios II处理器定制指令扩展了CPU指令集，提高对时间要求严格的软件运行速度，从而使开发人员能够提高系统性能。采用定制指令，您可以实现传统处理器无法达到的最佳系统
16、性能。 Nios II系列处理器支持多达256条的定制指令，加速通常由软件实现的逻辑和复杂数学算法。例如，在64K字节缓冲中，执行循环冗余编码计算的逻辑模块，其定制指令速度比软件快27倍。Nios II处理器支持固定和可变周期操作，其向导功能将用户逻辑做为定制指令输入系统，自动生成便于在开发人员代码中使用的软件宏功能。,1.3 Nios II软核简介,定制指令,1.3 Nios II软核简介,专用硬件加速器，可以做为FPGA中的定制协处理器，协助CPU同时处理多个数据块。循环冗余编码实例，采用硬件加速器处理64K字节缓冲比软件速度快530倍。SOPC Builder含有一个输入向导，帮助开发人
17、员将其加速逻辑和DMA通道引入系统。,1.3 Nios II软核简介,硬件加速,1.3 Nios II 软核简介,三、延长产品生存周期 为实现一个成功的产品，需要将其尽快推向市场，增强其功能特性以延长使用时间，避免出现处理器逐渐过时。用户可以在短时间内，将Nios II嵌入式处理器由最初概念设想转为系统实现。这种基于Nios II处理器的系统具有永久免版税设计许可，完全经得起时间考验。此外，由于在FPGA中实现软核处理器，因此可以方便实现现场硬件和软件升级，产品能够符合最新的规范、具备最新特性。,1.3 Nios 软核简介,完整的开发工具套件加速产品上市的时间 Altera完整的硬件和软件开发
18、工具帮助用户在极短的时间内，生成功能强大的Nios II处理器系统。从概念产生到设计调试，Altera提供用户所需的全部工具，帮助用户的产品尽快面市。 可升级性 使用Nios II处理器的SOPC产品带来的一个独特优势就是能够对硬件进行升级。即使产品已经交付给客户，仍可以定期升级。,1.3 Nios II软核简介,低成本 Cyclone 系列的FPGA是目前ASIC应用的低成本替代方案，用户的大批量应用现在价格与ASIC相比是相当的。而且，一旦一个FPGA的设计被选定，并且打算进行大批量的生产，可以选择将它移植到Altera的HardCopy（一种结构化的ASIC）器件中， 从而更加降低了成本
19、并提高了功能。Altera公司还可以提供Nios II 处理器的ASIC制造许可，用户可以将包括Nios II处理器、外设、Avalon交换式总线的设计移植到结构化的ASIC中。,1.4 SOPC设计流程,在采用NIOS II处理器设计嵌入式系统时，一般遵循如下的流程： 1.分析系统需求说明，包括功能需求和性能要求等； 2. 建立Quartus II工程，建立顶层实体； 3. 调用SOPC Builder生成一个用户定制的系统模块（包括NIOS II及标准外设模块）； 4. 将SOPC系统模块集成到硬件工程中，并添加一些模块，可以是Altera公司提供 的LPM模块、第三方提供的或用户自己定制
20、的模块； 5. 在顶层实体中，将SOPC系统模块、Altera的LPM或用户自定义的模块连接起来；,1.4 SOPC 设计流程,6. 分配引脚和编译工程，编译生成系统的硬件配置文件.sof和.pof文件； 7. 下载工程，验证，将配置文件下载到开发板上进行验证； 8. 软件开发，开发可以使用IDE开发环境，也可以使用SDK Shell； 9. 编译软件工程，生成可执行文件.elf; 10. 调试程序，将硬件配置文件下载到开发板，将可执行文件下载到RAM，直到软硬件协同工作。,1.4 SOPC开发流程,在上面的过程中，用到的软件有Quartus II、Nios II SDK shell或Nios
21、 II IDE、ModelSim等，如果进行DSP的开发，还会用到Matlab和DSP Builder。,1.4 SOPC开发流程,Quartus II用来建立硬件的系统，其中包括SOPC Builder工具，SOPC Builder用来建立SOPC系统模块，Quartus II支持多种设计方式，如原理图，硬件描述语言等，硬件描述语言的方式支持VHDL和Verilog。,1.4 SOPC开发流程,软件开发使用Nios II SDK shell或Nios II IDE，IDE开发环境采用图形化的开发环境，使用方便直观。而SDK shell采用命令窗口的方式进行程序的调试。,1.4 SOPC开发流
22、程,ModelSim是HDL编译仿真软件，用于对设计的硬件系统进行RTL级的仿真。 DSP Builder是Altera公司推出的数字信号处理开发软件，用来实现算法和硬件实现的无缝过渡，用户可以在Matlab的Simulink中完成算法模型的仿真、验证，然后通过SignalCompiler将模型文件转换成硬件描述语言的文件,1.5 支持Nios II的FPGA,Cyclone系列 Stratix系列 HardCopy器件 HardCopy II HardCopy Stratix HardCopy APEX三代,Cyclone和Cyclone II系列,Cyclone 于2002年12月份推出。
23、Cyclone系列器件基于1.5V、0.13m及全铜SRAM工艺，Cyclone系列FPGA容量为291020060个逻辑单元（LE），拥有288K位的RAM。Cyclone系列FPGA的最大特点是低成本，Cyclone系列FPGA是成本敏感大批量应用的最佳方案。 如果需要进一步进行系统集成，可以考虑密度更高的Cyclone II FPGA和Cyclone III FPGA。这些Cyclone新系列巩固了Altera在大批量、低成本应用方案中上的领先优势。,Cyclone FPGA是目前ASIC应用的低成本替代方案。利用其系统级集成功能，Cyclone FPGA系列避免了ASIC昂贵的NRE负
24、担，降低了订购量和产品推迟带来的风险。采用Cyclone FPGA系列的可编程解决方案，用户的大批量应用现在价格与ASIC相比是相当的。 Cyclone系列FPGA的价格和功能满足了市场对创新的需求，通过产品迅速面市来确定领先优势。消费类、通信、计算机外设、工业和汽车等低成本大批量应用市场都可以使用Cyclone FPGA。,Cyclone II是Altera公司在第一代Cyclone系列的基础上开发的第二代FPGA系列器件。采用了全铜层90nm低k绝缘工艺，1.2V SRAM工艺设计。Cyclone II具有很高的性能和极低的功耗，而价格和ASIC相当。它的应用领域和Cyclone系列相似，
25、是对成本敏感的应用的大批量的产品解决方案，是消费类、通信、计算机外设、工业和汽车、视频处理等终端市场解决方案的理想选择。 Cyclone II为在FPGA上实现低成本的数字信号处理（DSP）系统提供了一个理想的平台，用户可以单独使用Cyclone II或者作为数字信号处理（DSP）协处理器使用。Cyclone II器件含有经过优化的多种DSP特性，由Altera全面的DSP流程提供支持。,Cyclone II DSP支持包括： 多达150个的1818乘法器； 1.1M位的片内嵌入式存储器； 外部存储器高速接口； DSP IP内核。 Cyclone II器件的容量为460868416个逻辑单元（
26、LE），提供了嵌入式1818位乘法器、专用外部存储器接口电路（最高速率可达668Mb/s）、4K位嵌入式存储器块、最多为4个的增强型锁相环等等。,Stratix和Stratix II系列,Stratix FPGA是Altera的第一代Stratix系列器件。Stratix系列器件是Altera公司的大规模高端FPGA，于2002年推出，采用0.13m的工艺，1.5V内核供电，容量为1057079040个逻辑单元（LE）、具有多达7M位的RAM。Stratix器件具有多达22个DSP块和多达176个99位嵌入式乘法器，同时器件还具有多种高性能的I/O接口、层次时钟结构和多达12个锁相环。第一代S
27、tratix FPGA依然是军用和航空航天领域所选用的FPGA，在这些应用中需要较宽的工作温度范围。,Stratix II和Stratix III器件由于采用了创新性的逻辑结构， 不但具有前代Stratix器件的所有特性，而且功耗更低、性能更好 。Stratix II与Stratix相比，运行速度提高50%，逻辑容量提高了一倍，而成本更低。Stratix III器件是功耗最低、性能最好的 FPGA 。,Stratix II器件于2005年推出，在Stratix架构的基础上，做了一些适合与90nm工艺的改进，采用1.2V、90nm、9层金属走线、全铜SRAM工艺制造。在Stratix基础上增加了
28、新的特性：采用了全新的逻辑结构自适应逻辑模块（ALM）；增加了源同步通道的动态相位校准（PDA）电路和对新的外设存储器接口的支持；采用了128位AES密钥对配置文件进行加密。 Stratix IIFPGA采用等效逻辑单元（LE）高达179400个，嵌入式存储器达到9M位，最大可用管脚数达到1173个，高度优化的数字信号处理模块中1818位嵌入式乘法器数量达到384个。,HardCopy器件,HardCopy就是利用原有的FPGA开发工具，将成功实现于FPGA器件上的SOPC系统通过特定的技术直接向ASIC转化，从而克服传统ASIC设计中普遍存在的问题如：开发周期长、产品上市慢、一次性成功率低、
29、有最少投片量要求、设计软件工具繁多且昂贵、开发流程复杂等。,HardCopy II体系结构建立在被称为Hcell的精细粒度晶体管阵列上。Hcell支持从FPGA的无缝移植，具有ASIC技术那样的密度、成本、性能和功耗优势。 HardCopy II结构化ASIC具有独特的FPGA前端设计方法，实现了业界风险最低、产品面市最快的解决方案。采用Stratix II FPGA对设计进行测试，然后，Altera的HardCopy设计中心将设计无缝移植为低成本、功能等价、引脚兼容的HardCopy II器件。,最新进展,Cyclone V: 28-nm FPGA实现了业界最低系统成本和功耗 与前几代产品相
30、比，总功耗降低了40%，静态功耗降低了30%。,Stratix V: 带宽最宽、集成度最高的28-nm FPGA，集成了28-Gbps和支持背板的12.5-Gbps收发器， 功耗比Stratix IV FPGA低30%。 低风险、低成本移植到HardCopy ASIC，实现量产。,Stratix 10: 唯一采用Intel革命性的14 nm 3D三栅极晶体管技术制造的主要FPGA Altera下一代FPGA体系结构内核性能提高了2倍 功耗比前一代高端FPGA降低了70%,Nios II 技术文档,A的资料 -NIos II软件开发手册 -Nios II处理器参考手册 -教程 -应用笔记 A上的Nios II 处理器设计实例 Nios II 论坛() -7000多名注册Nios II用户。 -5800多个主题 Nios Wiki(N) -近100页由Nios II用户生成的文档。,