SOPC技术定义
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)
SoPC技术在图像采集和处理系统中的应用设计.
随着计算机技术和人工智能技术的快速发展,图像识别技术已成为人工智能的基础技术,它涉及的技术领域越来越广泛,应用越来越深入。
随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展,以形状为特征的图像识别在现代生产中的应用日益增加,不论是材料、工业自动化、遥感技术,还是产品质检都需要对形状进行检测。
因此,开发集图像信号的采集与处理于一体、具有高集成度、高保密性的图像处理系统将成为行业的发展趋势。
此外,基于32bit微处理器纯嵌入式系统的图像采集处理技术正处于方兴未艾阶段,发展前景广阔,可广泛应用于工业自动化生产、监护/防盗系统、机器人视觉等技术中。
SoPC技术是Altera公司提出的一种灵活、高效的SoC 解决方案,是一种新的软硬件协同设计的系统设计技术。
本系统就是在这种背景下提出的。
其主要工作是设计一个实用的图像采集和处理平台,能完成目标图像的采集输入,并能对采集到的图像进行处理和识别。
1系统整体方案及硬件设计系统要求在FPGA片内利用SoPC技术实现便携式的图像采集与处理。
它通过对原始图像的扫描,经数字图像处理与识别后即可将得到的大容量的承载信息(包括文字、头像、指纹等个人信息在LCD上显示,并可通过USB接口将信息拷贝,或通过RS-232接口将信息上传给PC机,也可以通过GPRS将获得的信息方便快捷地发往数据中心作验证。
整个系统的核心部分是内嵌Nios II软核的FPGA,外围设备和芯片包括图像获取设备、显示器及片外SDRAM 和FLASH存储器、输入设备等。
系统结构框图如图1所示。
系统的工作过程是:系统配置完成后,视频获取设备获取视频图像,每帧图像经模数转换生成图像数据进入预处理模块,经预处理后的图像数据送入SDRAM存储器,由Nios II处理器进行图像的后续处理和控制。
处理后的图像经数模转换在监视器上实时显示。
1.1图像采集接口电路设计本系统采用美国OmiVision公司的数字式彩色CMOS图像传感器OV7640。
EDA的特点、发展趋势及基于IP核的SOPC设计技术
一、EDA技术的主要特点1、软件硬化，硬件软化硬件软化，是说随着技术的发展，很多硬件的功能都可以用软件来代替了，比如说解压卡，就有所谓的硬解压，软解压。
软件硬化，是说用软件来实现很多以前需要用硬件才能实现的功能，比如用程序来控制硬件的动作。
2、自顶向下（top-down）的设计方法自顶向下（top-down）是一种先进的产品设计方法，是在产品开发的初期就按照产品的功能要求先定义产品架构并考虑组件与零件、零件与零件之间的约束和定位关系，在完成产品的方案设计和结构设计之后，再进行单个零件的详细设计。
这种设计过程最大限度地减少设计阶段不必要的重复工作，有利于提高工作效率。
3、集设计、仿真和测试于一体4、基于芯片设计方法EDA设计方法又称为基于芯片设计方法，集成化程度更高，可实现片上系统集成，进行更加复杂电路芯片化设计和专用集成电路设计，使产品体积小、功耗低、可靠性高;可在系统编程或现场编程，使器件编程、重构、修改简单便利，可实现在线升级;可进行各种仿真，开发周期短，设计成本低，设计灵活性高。
5、设计工作标准化，模块可移植共享6、自动化程度高EDA技术根据设计输入文件，将电子产品从电路功能仿真、性能分析、优化设计到结果测试全过程在计算机上自动处理完成，自动生成目标系统，使设计人员不必学习许多深入专业知识，也可免除许多推导运算即可获得优化设计成果，设计自动化程度高，减轻了设计人员工作量，开发效率高。
二、EDA技术的特点与发展趋势面对当今飞速发展的电子产品市场，设计师需要更加实用、快捷的EDA工具，使用统一的集成化设计环境，改变传统设计思路，将精力集中到设计构思、方案比较和寻找优化设计等方面，需要以最快的速度，开发出性能优良、质量一流的电子产品，对EDA技术提出了更高的要求。
未来的EDA技术将在仿真、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及开发操作平台的扩展等方面取得新的突破，向着功能强大、简单易学、使用方便的方向发展。
嵌入式技术概述_嵌入式系统与SOPC技术概述
OCEAN UNIVERSITY OF CHINA
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工程学院 自动化及测控系
嵌入式系统与SOPC技术简介
2 SOPC技术简介
2.2 SOPC技术相关基本概念 2）SOPC
FLASH PCB Co Processor FLASH RAM Code C DMA Con. GPIO LCD Con. LCD Con. IP集成 Code C UART DMA Con. GPIO RAM FPGA Co Processor RAM
2013-7-14
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工程学院 自动化及测控系
嵌入式系统与SOPC技术简介
1 嵌入式系统简介
1.3 嵌入式系统的特点 2）嵌入式系统的产品特点
嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，不会独立于应用而发展； 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性 等均受应用要求的制约。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率设计，量体裁衣，去除冗余。 嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，产品一旦进入市场，具有较长的生 命周期；各个行业的嵌入式产品很少发生突然性跳跃，因此，嵌入式系统的 软件更强调可继承性和技术衔接性。
嵌入式系统的计算机应用模式：后PC时代，嵌入式系统的软、硬件技 术发展迅速，计算机专业人员介入，形成了计算机的工程应用特点： 基于嵌入式软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。
2013-7-14
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嵌入式系统与SOPC技术简介
SOC系统就是微处理器IP（如ARM公司的RISC架构的ARM核）加上一些外围IP整合而 成的。
名词解释DSP,FPGA,CPLD,RAM,PLL,SOC,SOPC,DDS
名词解释1．DSPDSP数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。
其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。
它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。
它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。
2．FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
目前以硬件描述语言（Verilog 或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA 上进行测试，是现代IC 设计验证的技术主流。
这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。
在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。
3.CPLDCPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。
是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
sopc的技术方案
以我给的标题写文档，最低1503字，要求以Markdown 文本格式输出，不要带图片，标题为：sopc的技术方案# SOPC的技术方案## 1. 简介系统级片上系统（System-on-a-Chip, SOC）是将多个不同类型的硬件功能集成在一个芯片上的技术。
可编程逻辑器件（Programmable Logic Device, PLD）也得以发展，最终演变为可编程系统单片（System-on-Programmable Chip, SOPC）。
SOPC是一种集成了处理器核、外设和可编程逻辑资源的芯片。
本文将介绍SOPC的技术方案，包括其核心概念、设计流程和应用领域。
## 2. 核心概念### 2.1 可编程逻辑资源SOPC的核心是可编程逻辑资源，通常是通过可编程逻辑器件（如FPGA）实现的，用于实现不同的硬件功能。
可编程逻辑资源包括逻辑门、寄存器、复杂的算术逻辑单元（Complex Arithmetic Logic Unit, ALU）等，可以通过编程方式重新配置其功能和连接关系。
### 2.2 处理器核SOPC通常包含一个或多个处理器核，用于执行软件程序。
处理器核能够与可编程逻辑资源进行通信，并与外围设备进行交互。
处理器核有不同的架构和性能，常见的例子包括ARM Cortex-M系列和Intel x86系列。
### 2.3 外围设备外围设备包括各种接口和控制器，用于与外部设备进行数据交换。
常见的外围设备有串行接口（UART）、并行接口、时钟管理模块、存储器控制器等。
## 3. 设计流程SOPC的设计流程包括以下几个关键步骤：1. **需求分析**：确定所需的功能和性能指标，包括处理器核选择、外设选择和可编程逻辑资源容量等。
2. **系统设计**：根据需求分析结果，进行系统框架设计和模块划分。
3. **硬件设计**：根据系统设计，实现硬件模块的详细设计，包括处理器核、外设和可编程逻辑资源的配置和连接。
EDA
Internal Register File
readrb writerc
8.2 SOPC设计应用 设计应用
SOPC系统设计包括哪些内容：软件设计和硬件设计两个部分，既有软硬件的独立设计，又有软 系统设计包括哪些内容：软件设计和硬件设计两个部分，既有软硬件的独立设计， 系统设计包括哪些内容 硬件协同设计以及系统调试技术。 硬件协同设计以及系统调试技术。 8.2.1 SOPC系统设计流程 系统设计流程 8.2.2 SOPC系统硬件设计 系统硬件设计 8.2.3 SOPC系统软件开发 系统软件开发 8.2.4 NiosⅡ自定义指令逻辑 Ⅱ
8.2.2 SOPC系统硬件设计 系统硬件设计
举例：利用Nios II处理器控制外围 处理器控制外围LED的显示系统设计 举例：利用 处理器控制外围 的显示系统设计 SOPC系统硬件设计包括：QuartusII开发环境下的硬件设计、SOPC Builder开发环境下构建 系统硬件设计包括： 开发环境下的硬件设计、 系统硬件设计包括 开发环境下的硬件设计 开发环境下构建 Nios II嵌入式处理器系统。 嵌入式处理器系统。 嵌入式处理器系统 硬件设计主要完成的工作： 处理器的构建和外围设备接口的设计， 硬件设计主要完成的工作：Nios II处理器的构建和外围设备接口的设计，在Quartus II中完成引 处理器的构建和外围设备接口的设计 中完成引 脚分配、电路综合及下载。 脚分配、电路综合及下载。 目的：熟悉SOPC系统的硬件设计流程和方法。 系统的硬件设计流程和方法。 目的：熟悉 系统的硬件设计流程和方法
Ⅱ处理器 8.1.3 Nios Ⅱ处理器
SOPC的核心：是嵌入式处理器内核。SOPC系统中的嵌入式内核可以使用任意一款软核处理器或 的核心：是嵌入式处理器内核。 的核心 系统中的嵌入式内核可以使用任意一款软核处理器或 硬核处理器，该处理器可以非常复杂而且功能强大，也可以非常简单。 硬核处理器，该处理器可以非常复杂而且功能强大，也可以非常简单。所以人们选择处理器 一般都会考虑相应的硬件和软件开发工具以及该处理器与可编程逻辑器件、 时，一般都会考虑相应的硬件和软件开发工具以及该处理器与可编程逻辑器件、外部设备的 接口能力。 接口能力。 Nios II处理器：是Altera公司的产品，是目前使用较多的一款嵌入式软核处理器，具有可配置性、 处理器： 公司的产品， 处理器 公司的产品 是目前使用较多的一款嵌入式软核处理器，具有可配置性、 成本低、灵活性高的优势。 成本低、灵活性高的优势。 Nios II处理器特性： 处理器特性： 处理器特性 位指令集； （1）32位指令集； ） 位指令集 位数据总线宽度和32位地址空间 （2）32位数据总线宽度和 位地址空间； ） 位数据总线宽度和 位地址空间； 个通用寄存器和32个外部中断源 （3）32个通用寄存器和 个外部中断源； ） 个通用寄存器和 个外部中断源； 乘法器和除法器； （4）32×32乘法器和除法器； ） × 乘法器和除法器 位和128位乘法的专用指令 位乘法的专用指令； （5）可以计算 位和 ）可以计算64位和 位乘法的专用指令； （6）单精度浮点运算指令； ）单精度浮点运算指令； 的调试逻辑， （7）基于边界扫描测试 ）基于边界扫描测试JTAG的调试逻辑，支持硬件断点、数据触发以及片内和片外调试跟踪； 的调试逻辑 支持硬件断点、数据触发以及片内和片外调试跟踪； 个用户自定义指令逻辑； （8）最多支持 ）最多支持256个用户自定义指令逻辑； 个用户自定义指令逻辑 万条指令每秒） （9）最高 ）最高250DMIPS（25000万条指令每秒）的性能。 （ 万条指令每秒 的性能。
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。
第1章 SOPC技术应用概述
1
SOPC 技术应用
第1章 SOPC概述
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 基本概念 SOPC设计流程 支持SOPC的可编程逻辑器件 支持SOPC技术的EDA工具 支持SOPC的硬件描述语言
2018/4/8
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1.1 基本概念
1、SOC（System On a Chip） SOC称为片上系统，它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芯片中可以包含微处理器CPU、数字信号处理 器DSP、存储器（ROM、RAM、Flash等）、总线和 总线控制器、外围设备接口等，还可以包含数模混合 电路（放大器、比较器、A/D和D/A转换器、锁相环 等），甚至包含传感器、微机电和微光电单元等外围 部件。
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2、 SOPC （System On a Programmable Chip） SOPC称为可编程片上系统，它是基于可编程 逻辑器件PLD（FPGA）可重构的SOC。 SOPC集成了硬核或软核CPU、DSP、锁相环 （PLL）、存储器、I/O接口及可编程逻辑，可以 灵活高效地解决SOC方案，而且设计周期短，设 计成本低，一般只需要一台配有SOPC开发软件的 PC机和一台SOPC试验开发系统（或开发板）， 就可以进行SOPC的设计与开发。目前，SOPC技 术已成为倍受众多中小企业、研究所和大专院校 青睐的设计技术。
FPGA
键盘 嵌入式 CPU核 PIO Timer PLL 存储器
RAM
IP模块
LED
通信口
UART
ROM
DSP
LCD
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（1）嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，有硬 核和软核之分。常用的嵌入式微处理器硬核有 ARM 、 MIPS 、 PowerPC 、 Intel x86 、 Motorola 68000 等， Nios 是 Altera 公司开发的第一代嵌入 式微处理器软核，其数据位宽有 16 位和 32 位两 种选择。Nios II是Altera公司的第二代微处理器 软核，它是一种采用流水线技术、单指令流的 RISC（Reduced Instruction Set Computing）32位 嵌入式微处理器，大部分指令可以在一个时钟 周期内完成。
第5章SOPC技术
图5-7Nios II 存储器和I/O结构
1．指令与数据总线 NiosⅡ结构支持分离的指令和数据总线，属于哈佛 结构。指令和数据总线都作为Avalon主端口实现，遵从 Avalon接口规范。主数据端口连接存储器和外设，指令 主端口仅连接存储器构件。 (1)小端对齐的存储器组织方式 NiosⅡ的存储器问采用小端对齐的方式，在存储器 中，字和半字最高有效位字节存储在较高地址单元中。 (2)存储器与外设访问 NiosⅡ结构提供映射为存储器的I/O访问。数据存储器 和外设都被映射到数据主端口的地址空间。存储器系统 中处理器数据总线低8位分别连接存储器数据线7－0。
(3)指令主端口 NiosⅡ指令总线作为32位Avalon主端口来实现，通 过Avalon交换架构连接到指令存储器的Avalon主端口。 指令主端口只执行一个功能：对处理器将要执行的指令 进行取指。指令主端口是具有流水线属性的Avalon主端 口。它依赖Avalon交换结构中的动态总线对齐逻辑始终 能接收32位数据。NiosⅡ结构支持片内高速缓存还支持 紧耦合存储器，对紧耦合存储器的访问能实现低延迟。 注意：指令主端口不执行任何写操作。动态总线对齐逻 辑不管目标存储器的宽度如何，每次取指都会返回一个 完整的指令字，因而程序员不需要知道NiosⅡ处理器系 统中的存储器宽度。片内高速缓存，用于改善访问较慢 存储器时的平均指令取指性能
Nios II提供3种核不同的内，以满足系统对不同性能 和成本的需求，包括快速内核Nios II/f（性能最优，在 StratixⅡ中，性能超过200DMIPS，仅占用1800个LE）、 标准内核Nios II/s（平衡性能和尺寸）和经济内核Nios II/e（占用逻辑单元最少）。 3种内核的二进制代码完全兼容，具有灵活的性能，当 CPU内核改变时，无须改变软件。
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SOPC
System-on-a-Programmable-Chip
即可编程片上系统
用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。
可编程片上系统（S OPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，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，并具备软硬件在系统可编程的功能。
SOPC的特点
SOPC结合了SOC和PLD、FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征：
至少包含一个嵌入式处理器内核；
具有小容量片内高速RAM资源；
丰富的IP Core资源可供选择；
足够的片上可编程逻辑资源；
处理器调试接口和FPGA编程接口；
可能包含部分可编程模拟电路；
单芯片、低功耗、微封装。
SOPC的技术内容
SOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SOPC还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。
由于SOPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。
同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪Chip Sco pe ILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具。
SOPC技术主要应用以下三个方向：
1）基于FPGA嵌入IP硬核的应用。
这种SOPC系统是指在FPGA中预先植入处理器。
这使得FPGA灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起，高效地实现SOPC系统。
2）基于FPGA嵌入IP软核的应用。
这种SOPC系统是指在FPGA中植入软核处理器，如：NIOS II核等。
用户可以根据设计的要求，利用相应的EDA工具，对N IOS II及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。
3）基于HardCopy技术的应用。
这种SOPC系统是指将成功实现于FPGA器件上的SOPC系统通过特定的技术直接向ASIC转化。
把大容量FPGA的灵活性和AS IC的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成本敏感的电子产品，避开了直接设计ASIC的困难。
现在市场上Altera公司支持SOPC的FPGA芯片有：
1）Cyclone系列
2）Cyclone II系列
3）Cyclone III系列
4）Stratix系列
5）Stratix II系列
6）Stratix III系列
SOPC的前景
SOPC是PLD和ASIC技术融合的结果，目前0.13微米的ASIC产品制造价格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑的SOPC芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。
SOPC被称为“半导体产业的未来”。