第三讲、SOPC设计流程和软硬件协同设计方法(精选)
第章sopc技术概述
Nios II /f (快速)
Nios II /s (标准) Nios II /e (经济)
针对最佳性能优化 平衡性能和尺寸 针对逻辑资源占用优化
6级 1 周期 动态 可设置 可设置
5级 3 周期 静态 可设置 无
无 软件仿真实现 无 无 无
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1.3 Nios II软核简介
❖ 外设的可定制性
Altera公司NIOS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
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）。
1.3 Nios II软核简介
定时器/计数器 用户逻辑接口 外部SRAM接口
SDR SDRAM
PCI DDR2 SDRAM
SHA-1
外部三态桥接 EPCS串行闪存控制 器
JTAG UARTC S8900 10Base-T接口
片内ROM
直接存储器通道 (DMA)
SOC的软硬件协同设计方法和技术
SOC的软硬件协同设计方法和技术摘要：随着嵌入式系统与微电子技术的飞速发展，硬件的集成度越来越高，这使得将CPU、存储器和I/O设备集成到一个硅片上成为可能，SOC应运而生，并以其集成度高、可靠性好、产品问世周期短等特点逐步成为当前嵌入式系统设计技术的主流。
传统的嵌入式系统设计开发方法无法满足Soc设计的特殊要求，这给系统设计人员带来了巨大的挑战和机遇，因此针对Soc的设计方法学己经成为当前研究的热点课题。
论文首先分析了嵌入式系统设计的发展趋势，论述了传统设计开发方法和工具的局限性，针对Soc设计技术的特点探究了Soc软硬件协同设计方法的流程，并讨论了目前软硬件协同设计的现状。
关键词: 软硬件协同设计，可重用设计，SOC背景：计算机从1946年诞生以来，经历了一个快速发展的过程，现在的计算机没有变成科幻片电影中那样贪婪、庞大的怪物，而是变得小巧玲珑、无处不在，它们藏身在任何地方，又消失在所有地方，功能强大，却又无影无踪，这就是嵌入式系统。
嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础、软件硬件可剪裁、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统是将先进的计算机技术、微电子技术和现代电子系统技术与各个行业的具体应用相结合的产物，这一点决定了它必然是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
嵌入式系纫‘泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，发展非常迅速，调查数据表明，嵌入式系统的增长为每年18%，大约是整个信息技术产业平均增长的两倍[1]，目前世界上大约有2亿台通用计算机,而嵌入式处理器大约60亿个，嵌入式系统产业是二十一世纪信息产业的重要增长点。
随着集成电路制造工艺的飞速发展，嵌入式系统硬件的集成度越来越高，这使得将嵌入式微处理器、存储器、I/O设备等硬件组成部件集成到单个芯片上成为可能，片上系统SoC (System on Chip)应运而生[2]。
SOC极大地缩小了系统体积；减少了板级系统SoB(System on Board)中芯片与芯片之间的互连延迟，从而提高了系统的性能; 强调设计重用思想，提高了设计效率，缩短了设计周期，减少了产品的上市时间。
软硬件协同设计
基于底层硬件的软件设计，涉及了设备驱动程序的设计、嵌入式实时操作系统的定制/移植、基于底层硬件的软件体系架构等实用技术。
主要包括两个方面的内容：一是通用计算机在Windows、Linux和VxWorks等常见操作系统下的串/并/网络通信实现和USB、ISA、PCI 设备/板卡的驱动程序设计；二是嵌入式应用体系的直接基本软件架构与基于μC/OS、DSP/BIOS、WinCE/EXP、μCLinux及VxWorks等常见嵌入式实时操作系统下的基本软件架构及各类常见嵌入式软件体系下的UART、SPI、CAN、EMAC、ADC、DAC、存储器件等外设/接口的驱动软件设计。
书中还介绍了如何使用CPLD/FPGA/PAC等器件进行可编程数字/模拟逻辑软件的设计，进而实现所需的特定外设/接口及其连接与FPGASoPC软硬件协同的设计。
请参考《基于底层硬件的软件设计》软硬件协同设计一、软硬件协同设计的定义：软硬件协同设计是指对系统中的软硬件部分使用统一的描述和工具进行集成开发,可完成全系统的设计验证并跨越软硬件界面进行系统优化。
二、软硬件协同设计理论：首先是系统的描述方法。
目前广泛采用的硬件描述语言是否仍然有效？如何来定义一个系统级的软件功能描述或硬件功能描述？迄今为止，尚没有一个大家公认的且可以使用的系统功能描述语言可供设计者使用。
其次是这一全新的设计理论与已有的集成电路设计理论之间的接口。
可以预见，这种全新的设计理论应该是现有集成电路设计理论的完善，是建立在现有理论之上的一个更高层次的设计理论，它与现有理论一起组成了更为完善的理论体系。
在这种假设下，这种设计理论的输出就应该是现有理论的输入。
第三，这种全新的软硬件协同设计理论将如何确定最优性原则。
显然，沿用以往的最优性准则是不够的。
除了芯片设计师们已经熟知的速度、面积等硬件优化指标外，与软件相关的如代码长度、资源利用率、稳定性等指标也必须由设计者认真地加以考虑。
SOC设计领域的核心技术——软硬件协同设计
文/汤磊 摘要： 基于 IP 库的 SOC 必将是今天与未来微电子设计领域的核心。它既是一种设计技术，也是一 种设计方法学。 一块 SOC 上一定会集成各种纯硬件 IP、 和作为软件载体的 IP（MCU、 DSP， etc ） 。因此，作为一种软/硬件平台，面向系统需求的软/硬件协同设计技术与方法一定是决 定 SOC 设计成败的最关键因素。针对这一问题，本文从阐述软/硬件协同设计对 SOC 芯片 开发的关键作用开始， 根据我们的研究与实践结果， 具体详细展开讨论了如何针对不同的系 统需求抽象进行软/硬件规划与协同设计。 关键词： 软/硬件协同设计、SOC、系统任务流图、硬件、软件。 一、导言——软/硬件协同设计对 SOC 芯片开发的关键作用： 1．研发约束因素间的矛盾与平衡： 满足预定的功能需求永远是芯片设计的最终目标。 在满足功能需求这一目标外， 还 有很多约束条件需要同时考虑。 我们需要在各种矛盾约束中寻求一种尽量达到平衡与和 谐的设计结果。 芯片设计最终必须能占领市场、取得利润，并要考虑到产品的可持续发展问题。制约芯 片设计方案的各种因素如图 1 所示。所有这些研发约束因素之间相互矛盾、彼此制约。 参照图 1，就第一层的宏观 3 因素之间的作用而言： A． 如果为了考虑产品的可持续发展问题而要在设计中着重考虑 “芯片的可重配置性与 多应用性” ，在“设计约束”要求不变的情况下，必然要耗费更多的“人力资源与
3
列。 如果要在实际设计中强调某一款专用芯片的可重配置性与多应用性，一个最有效的方 法，就是尽可能考虑到各个应用的大体功能需求，即每个单应用的单任务流图形式，然 后将各个单任务流图看作一个彼此互斥的多分支总系统任务流图来进行系统架构规划。 简单举例： TD-SCDMA、GSM、可视电话 3 模合一应用下（下行链路）的多分支系统 任务流图粗框架如图 2 所示： 多分支系统任务流图软/硬件划分原则如下： A． 首先采用算法将不同分支间功能相似的子任务节点尽可能进行一一自动对应。 B． 各个分支间，完全对应相同的子任务节点由硬件完成。 （比如，假设如果 3 个应用模 式下的语音解码协议完全相同，则完全可将语音解码部分做成纯硬件。 ） C． 各个分支间任务有差别的相对应节点由软件完成。 （如：3 种应用下彼此不同的协议 栈处理工作） D． 各个分支间任务不同， 但不适宜由软件完成的工作， 由不同硬件各自单独完成。 （比 如： 对于芯片的 3 模应用， 架构中一定要有 TD-RFIO、 GSM-RFIO、 可视电话 UART 3 个各自独立的对外接口模块，这里暂不讨论软件无线电的可实现性。 ） E． 软件载体（MCU、DSP）的最大处理能力应该由已被划分为软件任务的、各个分支 间任务相似的相对应节点对软件性能需求的最大值来决定。 （如图： 假设可视电话和 TD 的信源解码都要求有语音及图象解码能力，而 GSM 的信源解码只要求有语音解 码能力。则芯片中 DSP 的性能必须具备语音及图象解码能力。 ） 根据研究，对多分支系统任务流图，由于不同分支间的互斥性与分时性，可以将各个分 支进行基于对应节点功能相似度的图形合并，由此生成一张复合任务流图[3，4]。复合 任务流图中的每一个复合节点子任务，由生成该复合节点的原各个分支间相对应节点的 功能集之合集组成。 例如，上述 TD-SCDMA、GSM、可视电话 3 模式应用下的多分支系统任务流图的复合 任务流图粗框架形式如图 2 右所示。也就是说，对于多分支系统任务流图，我们可以通 过图论的方法将各个分支进行任务合并生成一张复合任务流图，当且仅当系统架构能够 胜任复合任务流图的功能及性能需求时，芯片设计能够满足所预定的可重配置性与多应 用性的需要。 （关于“基于节点任务相似度的多图自动化合并算法”可参考[3，4]。 ） 六、并行系统任务流图的软/硬件协同设计方法： 多并行与多分支系统任务的最大区别是各单任务流图在时间上并行因此不能进行合并。 比如对于手机基带芯片的应用而言，通话过程的上行与下行任务之间就可视为并行任 务。而对于手机大多数的其它功能需求，如：发短信、记事本、打游戏、上网、MP3， 等等，它们通常不可能与通话过程同时进行，并且它们彼此之间并行的可能性也不高。 我们可将其相互之间视为多分支系统任务[1]。各个分支任务的多样性适宜由软件来完 成，而软件载体（MCU、DSP）的最大处理能力则由各个分支间相对应各节点对软件性 能需求的最大值来决定。
SOPC开发流程及开发平台简介PPT课件
分配外设地址和中断
生成系统
SOPC Builder GUI
自定义命令
IP
模块
处理器库
外设模块库
硬件开发
Nios II IDE
软件开发
Quartus II
GNU Tools
HDL 源文件 测试台
用户逻辑设计 其它的IP模块 SOPC Builder的 顶层.bdf文件
2.1 SOPC开发流程
软件开发
配置Nios II处理器
选择并配置外设.IP
连接各外设模块
分配外设地址和中断
生成系统
SOPC Builder GUI
自定义命令
IP
模块
处理器库
外设模块库
硬件开发
Nios II IDE
软件开发
Quartus II
GNU Tools
使用SOPC Builder生成系统后，可以直接使用Nios II IDE开始设计C/C++应用程序代码。Altera提供外设驱动程序和硬件抽象层(HAL),使用户能够快速编写与低级硬件细节无关的Nios II程序；
2.1 SOPC开发流程
QuartusII： 用于完成Nios II系统的分析综合、硬件优化、适配、配置文件编程下载以及硬件系统测试等；
SOPC Builder： 它是Nios II软核处理器的开发包，用于实现Nios II系统配置、生成以及与Nios II系统相关的监控和软件调试平台的生成；
Nios II IDE： 用于完成基于Nios II系统的软件开发和调试，并可借助其自带的Flash编程器完成对Flash以及EPCS的编程操作。
2.1 SOPC开发流程
SOC第二章设计流程
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• 3)软、硬件协同设计的流程 软
（1）．系统需求说明 系统设计首先从确定所需的 功能开始，包含系统基本输入 和输出及基本算法需求，以及 系统要求的功能、性能、功耗 、成本和开发时间等。在这一 阶段，通常会将用户的需求转 换为用于设计的技术文档，并 初步确定系统的设计流程。
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第二章
SoC设计流程 设计流程
Outlines
• 1 软、硬件协同设计方法 • 2 基于标准单元的 芯片设计流程 基于标准单元的SoC芯片设计流程
2．1 软、硬件协同设计
• The hardware and software in an
embedded system work together to solve a problem • How to partition is usually dictated by speed and cost
）．高级算法建模与仿真 （2）．高级算法建模与仿真 ）． 在确定流程后，设计者将使用如C和 在确定流程后，设计者将使用如 和C++等高级语言创建 等高级语言创建 整个系统的高级算法模型和仿真模型。目前，一些EDA工 整个系统的高级算法模型和仿真模型。目前，一些 工 具可以帮助我们完成这一步骤。有了高级算法模型， 具可以帮助我们完成这一步骤。有了高级算法模型，便可 以得到软、硬件协同仿真所需的可执行的说明文档。 以得到软、硬件协同仿真所需的可执行的说明文档。此类 文档会随着设计进程的深入而不断地完善和细化。 文档会随着设计进程的深入而不断地完善和细化。 （3）．软、硬件划分过程 ）．软 ）． 这一环节包括软、硬件划分和任务分配。设计者通过软、 这一环节包括软、硬件划分和任务分配。设计者通过软、 硬件划分来决定哪些功能应该由硬件完成， 硬件划分来决定哪些功能应该由硬件完成，哪些功能应该 由软件来实现。 由软件来实现。软、硬件划分的合理性对系统的实现至关 重要。通常，在复杂的系统中，软件和硬件都比较复杂。 重要。通常，在复杂的系统中，软件和硬件都比较复杂。 有些功能既可以用软件实现也可以用硬件实现，这取决于 有些功能既可以用软件实现也可以用硬件实现， 所要达到的性能指标与实现的复杂程度及成本控制等因素。 所要达到的性能指标与实现的复杂程度及成本控制等因素。 对比而言，两者各有千秋。 对比而言，两者各有千秋。
SOPC方案
SOPC方案引言：在当今数字技术高速发展的时代，各类电子设备的设计与开发成为了不可或缺的一环。
嵌入式系统的设计需求越来越复杂，为了满足这一需求，诞生了SOPC（System on a Programmable Chip）方案。
本文将详细介绍SOPC方案的定义、优势以及应用领域，以便更好地理解和应用该方案。
定义：SOPC是一种将系统级硬件和软件集成在一个可编程芯片上的设计方案。
通过SOPC方案，用户可以根据自己的需求灵活设计硬件系统，并利用编程方式控制系统的功能和性能。
SOPC方案的核心是可编程逻辑器件，如FPGA（Field Programmable Gate Array）。
优势：1. 灵活性：SOPC方案采用可编程芯片，使得系统硬件可以根据需求进行灵活定制。
不同于传统固定功能的硬件电路，SOPC方案可以根据用户的具体需求进行设计和修改，提供更加灵活的解决方案。
2. 可重构性：利用SOPC方案，用户可以通过重新配置硬件逻辑通过编程方式快速修改和调整系统功能。
这种可重配置性使得系统在设计阶段和实际应用中具备更强的适应性和可扩展性。
3. 性能优化：通过SOPC方案，用户可以根据应用的需求和资源限制精确控制系统的功能和性能。
此外，由于硬件和软件的紧密结合，SOPC方案有助于提高系统的运行效率和优化功耗。
4. 开发效率：SOPC方案通过软件和硬件的集成，简化了系统设计的流程。
借助现成的IP核（Intellectual Property Core）和开发工具，开发人员可以快速搭建嵌入式系统，并且可以使用高级编程语言进行开发。
应用领域：1. 通信领域：SOPC方案在通信设备的设计中得到了广泛应用。
通过SOPC方案，通信设备可以适应不同的接口、协议和传输速率，并且可以进行灵活的调试和维护。
2. 工业自动化：SOPC方案可以用于工业自动化控制系统的设计与开发。
通过SOPC方案，工控系统可以根据具体要求进行硬件逻辑的编程，实现自动化控制和数据采集等功能。
基于SOPC的软硬件协同设计平台的研究与实现
软硬件协同设计方法的未来发展 趋势
1、标准化
随着软硬件协同设计方法的逐渐普及，标准化将成为未来发展的重要趋势。 通过制定统一的标准和规范，可以降低设计的复杂度，提高设计的可重复性和可 维护性。
2、智能化
智能化是软硬件协同设计的另一重要趋势。借助人工智能和机器学习等技术， 可以使软硬件协同设计过程更加自动化和智能化，提高设计的效率和准确性。
基于SOPC的软硬件协同设计平 台的研究与实现
01 一、概述
目录
02 二、原理与实现
03 三、优化与改进
04 四、应用与前景
05 参考内容
随着科技的快速发展，嵌入式系统设计面临着越来越高的性能和功能要求。 为了满足这些要求，基于SOPC（System-on-a-Programmable-Chip）的软硬件协 同设计平台逐渐成为研究热点。本次演示将介绍基于SOPC的软硬件协同设计平台 的意义和研究背景，阐述软硬件协同设计平台的原理和实现方法，分析优化与改 进方法，并探讨应用与前景。
感谢观看
随着信息技术的飞速发展，软硬件协同设计方法在信息系统中的重要性日益 凸显。本次演示将深入探讨软硬件协同设计方法的研究现状、关键技术以及未来 发展趋势，分析现有研究的不足之处，并提出未来可能的研究方向。
软硬件协同设计方法的研究现状
软硬件协同设计是指在系统设计过程中，同时考虑硬件和软件的需求、设计 和优化，以达到整个系统的最佳性能。近年来，国内外学者针对软硬件协同设计 方法进行了广泛研究，取得了诸多成果。例如，基于模型的系统工程（MBSE）方 法、基于代理的软硬件协同设计方法等。然而，在实际应用中，软硬件协同设计 方法的普及率并不高，仍存在一些不足之处，如对设计人员技能要求较高，设计 周期较长等。