嵌入式设计技术的工程方法嵌入式技术的工程法概述

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1、.嵌嵌 入入 式式 技技 术术 的的 工工 程程 方方 法法北京工业大学计算机学院北京工业大学计算机学院彭建朝彭建朝2013年年9月月.课程内容课程内容第一章第一章 概述概述第二章第二章 基于基于Verilog HDL的电路设计的电路设计第三章第三章 基于基于Nios II处理器的处理器的SOPC设计技术设计技术.参考资料参考资料4.SOPC嵌入式系统基础教程嵌入式系统基础教程周立功周立功 北航北航2.基于基于FPGA的嵌入式开发与应用的嵌入式开发与应用徐光辉徐光辉 电子电子6.Verilog HDL程序设计教程程序设计教程王金明王金明 邮电邮电5.EDA技术综合应用实例与分析技术综合应用实例

2、与分析 谭会生谭会生 西电西电1.Nios II嵌入式软核嵌入式软核SOPC设计原理及应用设计原理及应用李兰英李兰英 北航北航3.Nios II 软件架构解析软件架构解析蔡伟纲蔡伟纲 西电西电.时间安排时间安排总学时：总学时：32学时学时理论部分理论部分20学时学时 第第19周周 18学时授课，学时授课，第第16周周 2学时开卷笔试学时开卷笔试实验部分实验部分12学时学时 第第1015周周 周四周四 7/8节节 信北信北502考核成绩考核成绩=笔试成绩笔试成绩70%+实验成绩实验成绩30%.实验内容实验内容2.基于基于Nios处理器的键盘扫描与动态显示处理器的键盘扫描与动态显示3.基于基于Ni

3、os处理器的处理器的Uart接收与发送接收与发送4.基于基于Nios处理器的处理器的Timer中断中断硬件系统的搭建硬件系统的搭建5.定制指令和用户定制指令和用户IP Core.实实 验验 室室.GX-SOC/SOPC-CIDE实验台实验台.第一章第一章 概述概述1.嵌入式系统嵌入式系统直观：直观：手机、数码相机、手机、数码相机、MP3、MP4、机顶盒、高清电视、交、机顶盒、高清电视、交换机、路由器、数控设备、汽车电子、医疗仪器、航天换机、路由器、数控设备、汽车电子、医疗仪器、航天航空设备航空设备 所谓嵌入式系统（所谓嵌入式系统（Embedded System）是相对）是相对于于通用计算机系统

4、通用计算机系统而言的。而言的。.IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是用来控制或监视嵌入式系统是用来控制或监视机器机器、装置装置或或工厂工厂的的大规模的设备。大规模的设备。国内一般定义为：国内一般定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。系统。软件和硬件的综合体，软件和硬件设计的完美结合。软件和硬件的综合体，软件和硬件设计的完美结合。.嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，其技

5、术指标嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，其技术指标受到应用要求的制约，例如：功耗、体积、成本、可受到应用要求的制约，例如：功耗、体积、成本、可靠性、速度处理能力、电磁兼容性靠性、速度处理能力、电磁兼容性等等。等等。硬件方面硬件方面软件方面软件方面 固化存储，软件代码要求高质量、高可靠性和固化存储，软件代码要求高质量、高可靠性和高实时性。高实时性。广义上，凡是带有微处理器的专用软硬件系统广义上，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。都可称为嵌入式系统。但应建立嵌入式设备和嵌入式系统的概念。但应建立嵌入式设备和嵌入式系统的概念。.嵌入式设备：嵌入式设备：以嵌入式处理器为核心的硬件以嵌入

6、式处理器为核心的硬件+应用软件应用软件嵌入式系统：嵌入式系统：以嵌入式处理器为核心的硬件以嵌入式处理器为核心的硬件+操作系统操作系统+应用软件应用软件例如：单片机系统、例如：单片机系统、DSP系统系统例如：流行的高性能嵌入式例如：流行的高性能嵌入式RISC处理器处理器ARM系列系列流行的嵌入式操作系统流行的嵌入式操作系统Windows CE、Linux、uC/OS、uCLinux.2.SOC系统系统20世纪世纪90年代后期，提出年代后期，提出SOC（System on a Chip，片上，片上系统）的概念。系统）的概念。SOC是指在是指在单个芯片单个芯片上集成了诸多系统级多元化的上集成了诸多系

7、统级多元化的大规模功能模块，能够处理各种信息的集成系统。大规模功能模块，能够处理各种信息的集成系统。主控单元主控单元+功能模块功能模块微处理器微处理器实现系统功能的各种实现系统功能的各种IP核核特征：利用特征：利用IP（Intellectual Property）构建）构建SOC。.在集成电路设计领域，在集成电路设计领域，IP（Intellectual Property）即）即知识产权核或知识产权模块。知识产权核或知识产权模块。著名的美国著名的美国Dataquest咨询公司将集成电路设计领域的咨询公司将集成电路设计领域的IP定义为：定义为：用于用于ASIC（Application Specif

8、ic Integrated Circuit）或或FPGA（Field Programmable Gate Array）/CPLD（Complex Programmable Logic Device）中的预中的预先设计好的电路功能模块先设计好的电路功能模块。IP核的分类：核的分类：软核软核用用Verilog HDL等硬件描述语言描述的功能模块。等硬件描述语言描述的功能模块。固核固核完成了设计综合的功能块，有较大的设计深度，完成了设计综合的功能块，有较大的设计深度，以网表的形式提交用户使用。以网表的形式提交用户使用。硬核硬核以掩膜形式提供设计的最终阶段产品。以掩膜形式提供设计的最终阶段产品。.厂商

9、采用固核、硬核进行厂商采用固核、硬核进行SOC设计，向用户提供设计，向用户提供SOC芯片。芯片。优点：选择合适的优点：选择合适的SOC芯片，可很快建立系统的硬件架构，芯片，可很快建立系统的硬件架构，重点放在操作系统的移植和应用软件的开发。重点放在操作系统的移植和应用软件的开发。缺点：系统设计仍然受缺点：系统设计仍然受SOC芯片的限制；芯片的限制；不使用的内置不使用的内置IP资源，浪费！资源，浪费！用户的用户的IP核，无法进入芯片；核，无法进入芯片；SOC芯片不断升级换代，对用户产品的影响；芯片不断升级换代，对用户产品的影响；.Processor Architecture S3C44B0X Up

10、 to 66 MHzARM7TDMI Processor CoreSDRAMFLASH/SRAMInterfacesReal Time ClockWatchdogJTAGSystem PeripheralsWrite BufferSIO 1 UART 2Timers 6GPIO 71User PeripheralsDynamic PowerManagement10bit A/D 8MemoryPLL8K bytesCache/SRAMIIS 1AUDIO CODECSPIPCPWMLCDIIC 1LCD 1IO,KeyboardAnalog SignalDMA 4.3.SOPC技术技术 用户采

11、用用户采用IP复用技术，借助复用技术，借助EDA平台，将系统需要平台，将系统需要的的逻辑资源逻辑资源进行集成，下载到进行集成，下载到FPGA/CPLD芯片中，构芯片中，构成用户独享的成用户独享的SOC设计。设计。2000年，美国年，美国Altera公司率先提出公司率先提出SOPC（System on Programmable Chip）设计技术，该技术的核心是）设计技术，该技术的核心是利用利用IP软核进行系统集成。软核进行系统集成。逻辑资源逻辑资源：元件库、宏、专用：元件库、宏、专用IP库和用户库和用户IP库库.优势：用户设计的自主性；优势：用户设计的自主性；系统规模的可裁减性；系统规模的可裁

12、减性；系统升级换代的及时性；系统升级换代的及时性；EDA开发平台的完备性；开发平台的完备性；在实验室，用户即可完成在实验室，用户即可完成SOC设计、验证，并及时设计、验证，并及时投放市场；投放市场；大规模生产时，很容易转换成大规模生产时，很容易转换成ASIC，以降低成本。，以降低成本。缺点：前期，小规模生产成本偏高。缺点：前期，小规模生产成本偏高。.基于基于FPGA嵌入嵌入IP硬核的硬核的SOPC 在在FPGA中预先植入嵌入式微处理器，其它功能模块中预先植入嵌入式微处理器，其它功能模块由用户按需配置，利用由用户按需配置，利用FPGA中的逻辑宏单元实现。中的逻辑宏单元实现。例如：例如：Alter

13、a公司的公司的Excalibur系列系列FPGA中，预先植入了中，预先植入了ARM922T嵌入式处理器；嵌入式处理器；Xilinx的的Virtex-II Pro系列，预先植入系列，预先植入IBM PowerPC405处理器；处理器；不足不足：硬核多来自第三方公司，：硬核多来自第三方公司，FPGA厂商很难直接控制厂商很难直接控制IP费用；系统设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，费用；系统设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，如总线规模、接口方式乃至指令形式；无法在同一如总线规模、接口方式乃至指令形式；无法在同一FPGA中使用多个处理器核；无法裁减处理器硬件资源以降低中使用多个处理器核；无法

14、裁减处理器硬件资源以降低FPGA成本；只能在特定的成本；只能在特定的FPGA中构建中构建SOC。.基于基于FPGA嵌入嵌入IP软核的软核的SOPC解决了上述不足！解决了上述不足！借助借助EDA平台，选用可裁减的嵌入式处理器软核和各平台，选用可裁减的嵌入式处理器软核和各种功能的种功能的IP软核，利用软核，利用FPGA中的逻辑宏单元，构建满足系中的逻辑宏单元，构建满足系统需求的统需求的SOC。具有代表性的嵌入式处理器软核具有代表性的嵌入式处理器软核Altera公司的公司的Nios II优势：优势：Nios II软核由该公司直接推出，其规模可裁减；可软核由该公司直接推出，其规模可裁减；可植入所有的植

15、入所有的Altera FPGA系列；只要系列；只要FPGA的资源允许，可的资源允许，可在一片在一片FPGA中建立多核系统；可添加用户指令；提供功能中建立多核系统；可添加用户指令；提供功能完备的完备的EDA开发工具开发工具Quartus II，用户能自主、灵活、，用户能自主、灵活、便捷的创建便捷的创建Nios II系统，甚至可以添加用户系统，甚至可以添加用户IP。.基于基于HardCopy技术的技术的SOPCHardCopy就是利用原有的就是利用原有的FPGA开发工具，将已成功实开发工具，将已成功实现于现于FPGA器件上的器件上的SOPC系统通过特定的技术直接向系统通过特定的技术直接向ASIC转

16、化，从而解决转化，从而解决传统传统ASIC设计中普遍存在的问题设计中普遍存在的问题。开发周期长；产品上市慢；一次性成开发周期长；产品上市慢；一次性成功率低；足够的投片量；设计软件工功率低；足够的投片量；设计软件工具繁多且昂贵；开发流程复杂等。具繁多且昂贵；开发流程复杂等。HardCopy技术是一种全新的技术是一种全新的SOC级级ASIC解决方案。本质解决方案。本质上，上，HardCopy器件是器件是FPGA的精确复制，剔除了可编程性、的精确复制，剔除了可编程性、专用配置和互连资源，使面积减小，成本降低，且性能提专用配置和互连资源，使面积减小，成本降低，且性能提高。高。.SOPC的未来的未来SOPC=MCU+DSP+FPGA.思考题：思考题：1.SOC与与SOPC的基本特征是什么？的基本特征是什么？2.简述简述SOPC的三种设计技术。的三种设计技术。3.简述简述IP复用技术在复用技术在SOC与与SOPC中的应用。中的应用。