SOPC技术及应用

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基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统 FPGA IP SOPC
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基于HardCopy技术的SOPC系统
构成SOPC的三种方案
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基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统
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基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统
HardCopy就是利用原有的FPGA开发工具， HardCopy就是利用原有的FPGA开发工具， 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 将成功实现于FPGA器件上的SOPC系统通过特定 FPGA器件上的SOPC 的技术直接向ASIC转化，从而克服传统ASIC设 的技术直接向ASIC转化，从而克服传统ASIC设 ASIC转化 ASIC 计中普遍存在的问题。 计中普遍存在的问题。 ASIC(SOC)开发中难于克服的问题包括： ASIC(SOC)开发中难于克服的问题包括：开 开发中难于克服的问题包括
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基于HardCopy技术的 技术的SOPC系统 基于 技术的 系统
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构成SOPC的三种方案
IP硬核直接植入FPGA存在以下不足： IP硬核直接植入FPGA存在以下不足： 硬核直接植入FPGA存在以下不足
1 基于FPGA嵌入 硬核的 嵌入IP硬核的 基于 嵌入 硬核的SOPC系统 系统
• IP硬核多来自第三方公司，FPGA厂商无法控 IP硬核多来自第三方公司，FPGA厂商无法控 硬核多来自第三方公司 制费用，从而导致FPGA器件价格相对偏高。 制费用，从而导致FPGA器件价格相对偏高。 FPGA器件价格相对偏高 • IP硬核预先植入，使用者无法根据实际需要 IP硬核预先植入， 硬核预先植入 改变处理器结构。更不能嵌入硬件加速模块 改变处理器结构。 (如DSP)。 DSP)。 • 无法根据实际设计需要在同一FPGA中集成多 无法根据实际设计需要在同一FPGA中集成多 FPGA 个处理器。 个处理器。 • 无法根据实际设计需要裁减处理器硬件资源 以降低FPGA成本。 以降低FPGA成本。 FPGA成本 • 只能在特定的FPGA中使用硬核嵌入式处理器。 只能在特定的FPGA中使用硬核嵌入式处理器。 FPGA中使用硬核嵌入式处理器
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课程背景(1)
微电子技术的发展历史是一个不断创新的过程，这种创新包括理论 创新、技术创新和应用创新。每一种创新都能开拓出一个新的领域，带 来新的市场，产生重大的影响。
Transistors (MT) 1000 100 2X growth in 1.96 years! 10
P6 Pentium® proc 486 1 386 0.1 286 8086 0.01 8085 8080 8008 0.001 4004 1970 1980 1990 2000 2010 Year
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IP（Intellectual Property） （ ）
软核（ 软核（Soft IP Core） ） 以HDL文本形式提交给用户，它已经过RTL级设计优化和功能验证，但 其中不含任何具体的物理信息。 固核（Firm IP Core） 固核（ ） 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。 硬核（ 硬核（Hard IP Core） ） 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，并已通 过工艺验证，具有可保证的性能。
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操 作 系 统
应 用 软 件
1.1.2 SoC简介 简介
IC:是半导体元件产品的统称,包括:集成电路、三极管、特殊 电子元件。
IC ? IC ? AISC ? AISC ? SOC ?
ASIC：专用IC。是指为特定的用户、某种专门或特别的用 途而设计的芯片组。
SOC:片上系统。随IC设计与工艺的提高，使原先由许多IC 组成的电子系统可集成到一个芯片上，构成SOC。软硬件协 同设计和IP核使用是SoC的两大特点。
构成SOPC的三种方案
该方案是指在FPGA中预先植入处理器。 该方案是指在FPGA中预先植入处理器。 FPGA中预先植入处理器 目前最常用的嵌入式处理器是含有ARM32位 目前最常用的嵌入式处理器是含有ARM32位 ARM32
1 基于FPGA嵌入 硬核的 嵌入IP硬核的 基于 嵌入 硬核的SOPC系统 系统
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基于HardCopy技术的SOPC系统
发周期长、产品上市慢、一次性成功率低、 发周期长、产品上市慢、一次性成功率低、有 最少投片量要求、设计软件工具繁多且昂贵、 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。 开发流程复杂
基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统
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基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统 基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统 嵌入
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基于HardCopy技术的 技术的SOPC系统 基于 技术的 系统
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构成SOPC的三种方案
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基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统
IP软核处理器能有效克服上述不足： IP软核处理器能有效克服上述不足： 软核处理器能有效克服上述不足 • 目前最有代表性的软核处理器分别是 Altera公司的Nios II核，以及Xilinx公司 Altera公司的Nios II核 以及Xilinx公司 公司的 Xilinx 的MicroBlaze核。特别是Nios II核，能很 MicroBlaze核 特别是Nios II核 好的解决上述五方面的问题。 好的解决上述五方面的问题。 • Altera的Nios II核是用户可随意配置和构 Altera的 II核是用户可随意配置和构 建的32位嵌入式处理器IP核 采用Avalon总 建的32位嵌入式处理器IP核，采用Avalon总 32位嵌入式处理器IP Avalon 线结构通信接口；包含由FS2开发的基于 线结构通信接口；包含由FS2开发的基于 FS2 JTAG的片内设备内核。 JTAG的片内设备内核。 的片内设备内核 • 在费用方面，由于Nios II是由Altera公司 在费用方面，由于Nios II是由Altera公司 是由Altera 直接提供而非第三方厂商产品， 直接提供而非第三方厂商产品，故用户通常 无需支付知识产权费用， II的使用费 无需支付知识产权费用，Nios II的使用费 用仅仅是其占用的FPGA逻辑资源的费用。 用仅仅是其占用的FPGA逻辑资源的费用。 FPGA逻辑资源的费用
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1.1.3 SOPC技术 技术
概述
System On Programmable Chip,可编程的片上系统。是Altera 可编程的片上系统。 可编程的片上系统 公司提出来的一种灵活、高效的SOC解决方案。 解决方案。 公司提出来的一种灵活、高效的 解决方案
SOPC将处理器、存储器、I/O、LVDS、CDR等系统设计需要的 将处理器、 将处理器 存储器、 、 、 等系统设计需要的 功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。 功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。
SOPC设计技术
课程号：12214000 课程序号：100
任课教师：南新志 E-mail: nanxz@
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课程简况
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LG: 3G base station Panasonic Mobile Communications： 3.5G Network Base Transceiver Station Motorola、NEC etc.
器件的物理版图设计
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课程背景(2)
Intel 4004 微处理器
Intel 奔腾 微处理器 奔腾4微处理器
集成电路单元库 器件的物理版图设计
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课程背景(3)
芯片的集成度不断提高，功能不断增强，但是费用不断增加。 制约中小企业集成电路的发展。 理论研究的发展速度。
片上系统 集成电路单元库 器件的物理版图设计
基本概念 Nios II
SOPC工具 工具
SOPC系 系 统设计
硬件搭建 软件编程
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课程内容
1. SOPC的基本知识 2. Nios II处理器结构和Avalon总线结构及其使用方法。 3. 外设的使用方法。 4. Nios II软件编程方法。 5. SOPC系统设计方法。 *6. SOPC工具软件的使用方法。
sopc
现今SOPC可以认为是基于 可以认为是基于FPGA解决方案的 解决方案的SOC。 现今 可以认为是基于 解决方案的 。 解决方案相比， 与ASIC的SOC解决方案相比，SOPC系统及其开发技术具有更多 的 解决方案相比 系统及其开发技术具有更多 的特色，构成 的方案也有多种途径。 的特色，构成SOPC的方案也有多种途径。 的方案也有多种途径 20
知识产权处理器核的器件。为了达到通用性， 知识产权处理器核的器件。为了达到通用性， 必须为常规的嵌入式处理器集成诸多通用和专 用的接口，但增加了成本和功耗。 用的接口，但增加了成本和功耗。 如果将ARM或其它处理器核以硬核方式植入 如果将ARM或其它处理器核以硬核方式植入 ARM FPGA中 利用FPGA中的可编程逻辑资源， FPGA中，利用FPGA中的可编程逻辑资源，按照 FPGA中的可编程逻辑资源
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1.1 SOPC及其技术 及其技术
1.1.1 嵌入式系统 1.1.2 SoC简介 简介 1.1.3 SOPC技术 技术
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1.1.1 嵌入式系统
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可 裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格 要求的专用计算机系统。 外围设备 嵌 入 式 微 处 理 器 外围设备
解决方案： 解决方案：FPGA SOPC。 。
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学习目标
1.掌握SOPC技术的基本概念。 2.了解Nios II处理器、Avalon总线的基本结构和使用方法，熟悉SOPC 相关工具软件的使用方法，掌握SOPC硬件系统的搭建和Nios II软件编 程方法。 3. 掌握SOPC系统设计方法，为今后工作和实践打下良好基础。