SOC设计领域的核心技术——软硬件协同设计

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。因此SOC以其集成度高、体积小、功耗少、可靠性好、产品问世周期短等优点得到了越来越广泛地应用，并且正在逐渐成为当前嵌入式系统设计的主流技术[3]。但Soc设计不同于传统嵌入式系统的开发，如何快速、有效地开发和设计Soc产品是当前嵌入式设计开发方法学的一个十分重要的研究领

数据通路实验报告

非常简单CPU数据通路设计实验报告非常简单CPU数据通路设计【实验目的】 1. 掌握CPU的设计步骤 2. 学会芯片的运用及其功能【实验环境】 Maxplus2环境下实现非常简单CPU数据通路的设计【实验内容】非常简单CPU的寄存器:一个8位累加器AC，一个6位的地址寄存器绘制 AR，一个6位的程序计数器PC，一个8位的数据寄存器DR，一个2位的指令寄存器IR。其数据通路详见教材P。 1、零件制作 6位寄存器 (自行设计) 6位计数器 (自行设计) 8位寄存器 (可选择74系列宏函数74273) 8位计数器 (由两个74161构成) 2位寄存器 (由D触发器构成，自行设计) 6三态缓冲器 (自行设计，可由74244内部逻辑修改而成) 8三态缓冲器 (选择74系列宏函数74244，或作修改) alu模块 (自行设计，限于时间，其内部逻辑不作要求) 2、选择器件，加入数据通路顶层图 8位累加器AC:选择8位计数器 6位地址寄存器AR:reg6 6位的程序计数器PC:cou6

8位的数据寄存器DR:选择8位寄存器 2位的指令寄存器IR:选择2位寄存器 3、为PC、DR加入三态缓冲器。 4、调整版面大小，器件位置。 5、设计地址引脚、数据引脚、8位内部总线，加入数据引脚到内部总线的缓冲器。 6、连接各器件之间以及到内部总线的线路，设计并标注各控制信号。 7、(选做)编译之后，给出微操作 AR<-PC 的测试方法及仿真结果。 8、实验报告中应给出各元部件的实现方法、内部逻辑贴图、打包符号说明及顶层的“非常简单CPU”数据通路图。实验报告一、实验步骤基于前面非常简单CPU的讲解，我掌握了非常简单CPU的指令集结构及非常简单CPU的指令读取过程和执行过程，本次实验是在上次实验的基础之上完成非常简单CPU数据通路的设计，其步骤如下: (1)、AC累加器原理图如下:

软硬件测试方案

1.1.1软硬件测试方案 1.1.1.1测试目的和要求 1.1.1.1.1测试目的作为软件开发的重要环节，软件测试越来越受到人们的重视，软件测试是软件工程过程的一个重要阶段，是在软件投入运行前，对软件需求分析、设计和编码各阶段产品的最终检查，是为了保证软件的正确性、完全性和一致性，从而检测软件错误、修正软件错误的过程。随着软件开发规模的增大、复杂程度的增加，以寻找软件中的错误为目的的测试工作就显得更加困难，因此要求测试计划和测试管理更加完备。本次测试安排在项目进行编码过程中和编码完成后进行，测试的内容包括系统界面风格、主要功能、容错能力、模块间的关联等等，依据正规步骤完成单元测试、边缘测试、整体测试。通过测试，及时发现存在于程序中的错误并根据测试结果对程序进行修改，从而确保提交给用户的程序是经过检验并能顺利运行的。 1.1.1.1.2测试的总体要求软件测试可运用多种不同的测试策略来实现，最常用的方式是自底向上分阶段进行，对不同开发阶段的产品采用不同的测试方法进行检测，从测试开始，然后进行功能测试，最终进行系统测试。尽早地和不断地进行软件测试。保证系统风格与界面统一。保证各系统联接正确，数据传送正常。

抽检程序的内部编写情况无误。测试用例应由测试输入数据和对应的预期输出结果两部分组成。程序员应避免负责测试自己编写的程序。测试用例，应当包括合理和不合理的输入条件。应当检查程序是否有不希望的副作用。程序流程和接口内容绝不可忽视。充分注意测试中的群体现象。严格执行测试计划。对每个测试结果严格检查。妥善保存文档。性能测试和功能测试同等重要。 1.1.1.1.3测试人员及组织分工参加测试人员包括技术支持组部分人员、开发小组全体成员、质保组测试成员和用户人员。组织分工如下：单元测试：由实施组成员在编码过程中，各自以及交叉进行单元测试。集成测试：由质保组两名测试成员、实施组两名成员进行集成测试。系统测试：由技术组项目技术负责人、系统设计师、用户人员进行系统测试。

计算机组成原理实验报告单周期cpu的设计与实现

1个时钟周期 Clock 电子科技大学计算机科学与工程学院标准实验报告（实验）课程名称：计算机组成原理实验电子科技大学教务处制表电子科技大学实验报告学生姓名：郫县尼克杨学号： 2014 指导教师：陈虹实验地点：主楼A2-411 实验时间：12周-15周一、实验室名称：主楼A2-411 二、实验项目名称：单周期CPU 的设计与实现。三、实验学时： 8学时四、实验原理：（一）概述单周期（Single Cycle ）CPU 是指CPU 从取出1条指令到执行完该指令只需1个时钟

周期。一条指令的执行过程包括：取指令→分析指令→取操作数→执行指令→保存结果。对于单周期CPU 来说，这些执行步骤均在一个时钟周期内完成。（二）单周期cpu 总体电路本实验所设计的单周期CPU 的总体电路结构如下。（三） MIPS 指令格式化 MIPS 指令系统结构有MIPS-32和MIPS-64两种。本实验的MIPS 指令选用MIPS-32。以下所说的MIPS 指令均指MIPS-32。 MIPS 的指令格式为32位。下图给出MIPS 指令的3种格式。本实验只选取了9条典型的MIPS 指令来描述CPU 逻辑电路的设计方法。下图列出了本实验的所涉及到的9条MIPS 指令。五、实验目的 1、掌握单周期CPU 的工作原理、实现方法及其组成部件的原理和设计方法，如控制器、26 31 221 216 15 11 1 6 5 0 op rs rt rd sa func R 型指令 26 31 221 216 15 0 op rs rt immediate I 型指令 26 31 20 op address J 型指令

CPU设计实验报告文档(英文版)

Southeast University Microprogra m med CPU Design -- COA experiment School of Information Science and Engineering 04009XXX 2012-4-25

Purpose The purpose of this project is to design a simple CPU (Central Processing Unit). This CPU has basic instruction set, and we will utilize its instruction set to generate a very simple program to verify its performance. For simplicity, we will only consider the relationship among the CPU, registers, memory and instruction set. That is to say we only need consider the following items: Read/Write Registers, Read/Write Memory and Execute the instructions. At least four parts constitute a simple CPU: the control unit, the internal registers, the ALU and instruction set, which are the main aspects of our project design and will be studied. Instruction Set Single-address instruction format is used in our simple CPU design. The instruction word contains two sections: the operation code (opcode), which defines the function of instructions (addition, subtraction, logic operations, etc.); the address part, in most instructions, the address part contains the memory location of the datum to be operated, we called it direct addressing. In some instructions, the address part is the operand, which is called immediate addressing. For simplicity, the size of memory is 256×16 in the computer. The instruction word has 16 bits. The opcode part has 8 bits and address part has 8 bits. The instruction word format can be expressed in Figure 1 Figure 1 the instruction format The opcode of the relevant instructions are listed in Table 1. In Table 1, the notation [x] represents the contents of the location x in the memory. For example, the instruction word 00000011101110012 (03B916) means that the CPU adds word at location B916 in memory into the accumulator (ACC); the instruction word 00000101000001112 (050716) means if the sign bit of the ACC (ACC [15]) is 0, the CPU will use the address part of the instruction as the address of next instruction, if the sign bit is 1, the CPU will increase the program counter (PC) and use its content 7 as the address of the next instruction. Table 1 List of instructions and relevant opcodes

cpu实验报告

简易计算机系统综合设计设计报告班级姓名学号一、设计目的连贯运用《数字逻辑》所学到的知识，熟练掌握EDA工具的使用方法，为学习好后续《计算机原理》课程做铺垫。二、设计内容 ①按给定的数据格式和指令系统，使用EDA工具设计一台用硬连线逻辑控制的简易计算机系统； ②要求灵活运用各方面知识，使得所设计的计算机系统具有较佳的性能； ③对所做设计的性能指标进行分析，整理出设计报告。三、详细设计 3.1设计的整体架构控制信号

3.2各模块的具体实现 1.指令计数器（zhiling_PC）元件：输入端口：CLK，RESET，EN；输出端口：PC[3..0]； CLK：时钟信号； RESET：复位信号； EN：计数器控制信号，为1的时候加一； PC[3..0]：地址输出信号；代码：

波形图：总共有九条指令，指令计数器从0000到1000；功能：实现指令地址的输出； 2.存储器（RAM）元件：输入端口：PC[3..0]，CLK；输出端口：zhiling[7..0]； CLK：时钟信号； PC[3..0]：指令地址信号； zhiling[7..0]：指令输出信号；代码：

波形图：功能：根据输入的地址输出相应的指令； 3.指令译码器（zlymq）元件：输入端口：zhiling[7..0]；输出端口：R1[1..0]，R2[1..0]，M[3..0]；zhiling[7..0]：指令信号； R1：目标寄存器地址； R2：源寄存器地址； M[3..0]：指令所代表的操作编号；代码：

波形图：

功能：实现指令的操作译码，同时提取出目标寄存器和源寄存器的地址； 4.算术逻辑运算器（ALU）元件：输入端口：EN_ALU，a[7..0]，b[7..0]，M[3..0]；输出端口：c[7..0]，z； EN_ALU：运算器的使能端； a[7..0]：目标寄存器R1的值； b[7..0]：源寄存器R2的值； M[3..0]：指令所代表的操作编号； c[7..0]：运算结果； z：运算完成的信号；代码：

单片机软硬件联合仿真解决方案

单片机软硬件联合仿真解决方案摘要：本文介绍一种嵌入式系统仿真方法，通过一种特殊设计的指令集仿真器ISS将软件调试器软件Keil uVision2和硬件语言仿真器软件Modelsim连接起来，实现了软件和硬件的同步仿真。关键词：BFM，TCL，Verilog，Vhdl，PLI，Modelsim，Keil uVision2，ISS，TFTP，HTTP，虚拟网卡，Sniffer，SMART MEDIA，DMA，MAC，SRAM，CPLD缩略词解释：BFM：总线功能模块。在HDL硬件语言仿真中，BFM完成抽象描述数据和具体的时序信号之间的转换。PLI：Verilog编程语言接口，是C语言模块和Verilog 语言模块之间交换数据的接口定义。TCL：字面意思是工具命令语言，是一种解释执行语言，流行EDA软件一般都集成有TCL。使用TCL用户可以编写控制EDA工具的脚本程序，实现工具操作自动化。ISS：CPU指令集仿真器，可以执行CPU的机器码。TFTP：简单文件传输协议，Windows的tftp.exe既是该协议的客户端实现。SMART MEDIA：一种存储卡，常用于数码相机、MP3。DMA：直接内存访问。用于外部设备之间高速数据转移。MAC：媒体接入控制器。本文中是指网卡芯片。前言传统的嵌入式系统中，设计周期、硬件和软件的开发是分开进行的，并在硬件完成后才将系统集成在一起，很多情况下，硬件完成后才开始进行实时软件和整体调试。软硬件联合仿真是一种在物理原型可用前，能尽早开始调试程序的技术。软硬件联合仿真有可能使软件设计工程师在设计早期着手调试，而采用传统的方法，设计工程师直到硬件设计完成才能进行除错处理。有些软件可在没有硬件支持的情况下完成任务的编码，如不涉及到硬件的算法。与硬件相互作用的编码在获得硬件之前编写，但只有在硬件上运行后，才能真正对编码进行调试。通过采用软硬件联合仿真技术，可在设计早期开始这一设计调试过程。由于软件的开发通常在系统开发的后段完成，在设计周期中较早的开始调试有可能将使这一项目提早完成，该技术会降低首次将硬件和软件连接在一起时出现意外而致使项目延期完成所造成的风险。在取得物理原型前，采用软硬件联合仿真技术对硬件和软件之间的接口进行验证，将使你不会花太多的时间在后期系统调试上。当你确实拿到物理原型开始在上面跑软件的时候，你会发现经过测试的软件部分将会正常工作，这会节省项目后期的大量时间及努力。软硬件联合仿真系统由一个硬件执行环境和一个软件执行环境组成，通常软件环境和硬件环境都有自己的除错和控制界面，软件通过一系列由处理器启动的总线周期与硬件的交互作用。本文以一个Mini Web卡的开发介绍一种软硬件联合仿真系统。[!--empirenews.page--]该方案的核心是采用一个51单片机仿真引擎GoldBull ISS51（以下简称ISS51），ISS51是51单片机开发环境Keil uVision2的一个插件，ISS51具有连接Keil 和硬件仿真环境Modelsim的接口，可以实现软硬件同步仿真。在该系统中，Keil作为软件调试界面，Modelsim作为硬件仿真和调试界面，ISS51负责软件执行、监控软件断点、单步执行、内存和寄存器数据返回给Keil、CPU总线时序产生和捕获、内部功能模块（如定时器，串口）的运行等功能。Mini Web卡介绍Mini Web卡是一个运行在单片机上的Web服务器，提供网口连接，有大容量文件系统，提供TFTP和HTTP服务。尽管软件系统比较复杂，但优化编译后，执行代码还不足25K，为后续升级留下了足够空间。 51CPU采用SST89系列，这种CPU具有ISP功能，可以通过RS232串口，直接将目标码下载到CPU。DMA控制逻辑是一个可编程逻辑器件，采用的是ALTERA的CPLD EPM240，主要功能是实现外围器件之间的DMA传递。因为51CPU进行IO访问是很低效的，需要24个时钟周期才能进行一次IO访问，在外围设备之间转移数据则需要更多的时钟周期，使用DMA控制逻辑可以达到3个时钟周期就能转移一个字节。本系统中处理多种网络协议，需要大量报文收发和文件系统访问，采用DMA可以极大地提高51单片机的数据处理速度。DMA通道主要有MAC芯片与RAM之间的数据块转移，SMART MEDIA和RAM之间的数据块转移。网卡芯片采用的是AX88796，主要的优点是可以和51CPU方便地接口；支持100M以太网，速度高；有较大的接收报文缓存，能够平滑网络流量，减少因51CPU处理速度慢导致的报文丢弃和重发。SMART MEDIA是一个移动存储卡，主要用于存储文件，Mini Web卡支持8M到256M的SMD卡。文件系统是Mini Web卡的新开发模块，

CPU设计实验报告

实验中央处理器的设计与实现一、实验目的 1、理解中央处理器的原理图设计方法。 2、能够设计实现典型MIPS的11条指令。二、实验要求 1、使用Logisim完成数据通路、控制器的设计与实现。 2、完成整个处理器的集成与验证。 3、撰写实验报告，并提交电路源文件。三、实验环境 VMware Workstations Pro + Windows XP + Logisim-win-2.7.1 四、操作方法与实验步骤 1、数据通路的设计与实现数据通路主要由NPC、指令存储器、32位寄存器文件、立即数扩展部件、ALU、数据存储器构成。其中指令存储器和数据存储器可直接调用软件库中的ROM和RAM元件直接完成，其余部件的设计如图所示：图1.1 NPC

图1.2 32位寄存器

图1.3 立即数扩展部件图1.4 ALU 2、控制器的设计与实现控制器的主要设计思想如图所示图2.1 控制器设计思想输入 1 1 0

输出R-type ORI LW SW BEQ JUMP RegDst 1 0 0 x x x ALUSrc 0 1 1 1 0 x MemtoReg0 0 1 x x x RegWrite 1 1 1 0 0 0 MemWrite0 0 0 1 0 0 Branch 0 0 0 0 1 0 Jump 0 0 0 0 0 1 Extop x 0 1 1 1 x ALUop2 1 0 0 0 0 x ALUop1 x 1 0 0 x x ALUop0 x 0 0 0 1 x ALUop[2:0] Funct[3:0] 指令ALUctr[2:0] 111 0000 add 010 111 0010 sub 110 111 0100 and 000 111 0101 or 001 111 1010 slt 111 010 xxxx ori 001 000 xxxx Lw/sw 010 011 xxxx beq 110 表2.1 控制器设计真值表

软硬件开发流程及规范

机密

机密 0目录 0目录 (2) 1概述 (4) 1.1硬件开发过程简介 (4) 1.1.1硬件开发的基本过程 (4) 1.1.2硬件开发的规范化 (4) 1.2硬件工程师职责与基本技能 (5) 1.2.1硬件工程师职责 (5) 1.2.2硬件工程师基本素质与技术 (5) 2软硬件开发规范化管理 (6) 2.1硬件开发流程 (6) 2.1.1硬件开发流程文件介绍 (6) 2.1.2硬件开发流程详解 (6) 2.2硬件开发文档规范 (10) 2.2.1硬件开发文档规范文件介绍 (10) 2.2.2硬件开发文档编制规范详解 (11) 2.3与硬件开发相关的流程文件介绍 (13) 2.3.1项目立项流程： (13) 2.3.2项目实施管理流程： (14) 2.3.3软件开发流程： (14) 2.3.4系统测试工作流程： (14) 2.3.5内部验收流程 (14)

机密3附录一. 硬件设计流程图： (16) 4附录二. 软件设计流程图： (17) 5附录三. 编程规范 (19)

机密1概述 1.1 硬件开发过程简介 1.1.1硬件开发的基本过程硬件开发的基本过程： 1.明确硬件总体需求情况，如CPU 处理能力、存储容量及速度，I/O 端口的分配、接口要求、电平要求、特殊电路（厚膜等）要求等等。 2.根据需求分析制定硬件总体方案，寻求关键器件及电路的技术资料、技术途径、技术支持，要比较充分地考虑技术可能性、可靠性以及成本控制，并对开发调试工具提出明确的要求。关键器件索取样品。 3.总体方案确定后，作硬件和单板软件的详细设计，包括绘制硬件原理图、单板软件功能框图及编码、PCB 布线，同时完成发物料清单。 4.领回PCB 板及物料后由焊工焊好1～2 块单板，作单板调试，对原理设计中的各功能进行调测，必要时修改原理图并作记录。 5.软硬件系统联调，一般的单板需硬件人员、单板软件人员的配合，特殊的单板（如主机板）需比较大型软件的开发，参与联调的软件人员更多。一般地，经过单板调试后在原理及PCB布线方面有些调整，需第二次投板。 6.内部验收及转中试，硬件项目完成开发过程。 1.1.2硬件开发的规范化硬件开发的基本过程应遵循硬件开发流程规范文件执行，不仅如此，硬件开发涉及到技术的应用、器件的选择等，必须遵照相应的规范化措施才能达到质量保障的要求。这主要表现在，技术的采用要经过总体组的评审，器件和厂家的选择要参照物料认证部的相关文件，开发过程完成相应的规定文档，另外，常用的

安全软件理论与软硬件协同设计可行性研究报告

安全软件理论与软硬件协同设计可行性研究报告一、项目定义 1．项目名称安全软件理论与软硬件协同设计 2．项目领域本项目属于基础产业和高新技术领域，涉及计算机软件与理论，系统芯片设计及计算机应用等学科。二、项目背景 1．项目背景软件可靠性一直是计算机界关心的关键课题，1967年欧洲软件工程先驱者Floyd提出用归纳断言法来验证程序的正确性；1969年图灵奖获得者Hoare提出使用程序公理系统来验证程序的性质。七十年代的典型程序语言的数学理论并不涉及程序的规范说明，因此不能用于软件的设计和开发。同时期的工作包括着重于程序性质的后验证的方法，被用于一些常见算法的分析与正确性证明，但缺乏支持规范分析和指导安全软件设计的演算技术。长期以来国际上不少软件公司投入了大量的人力、物力和财

力探索软件设计可靠性技术。设计严格安全软件系统需要解决下述二项关键技术问题: ●建立程序和软件规范的演算系统，在软件开发生命周期各阶段均使用数学演算技术来建立软件设计和开发文档。 ●设计完整的演算法则用来指导下述关键开发任务：（a）从用户需求导出软件系统各部件的规范说明；（b）从部件的规范说明演算出低层软件模块过程的功能说明。在软件设计中用数学理论来指导严格安全软件系统设计，包括： ●同一数学框架中处理程序和软件规范； ●用符号演算实现程序和软件规范间的演算； ●用谓词演算验证设计方法的正确性； ●用代数方法从软件部件的抽象规范说明推算出低层次程序模块各个过程的规范说明。学科负责人自1985年起对设计严格安全软件的完备演算理论进行了深入研究，取得了重大突破。主要创新点有： ●演算理论强调了设计正确软件的开发方法和使用数学演算来支持从软件到程序代码的转换； ●首先提出程序分解算式并第一次提出了求解规范方程的演算法则；

软硬件协同开发

软硬件协同开发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。嵌入式系统设计早期，主要有两种方式：一是针对一个特定的硬件进行软件开发；二是根据一个已有的软件实现其具体的硬件结构。前者是一个软件开发问题；后者是一个软件固化的问题。早期的这种设计没有统一的软硬件协同表示方法；没有设计空间搜索，从而不能自动地进行不同的软硬件划分，并对不同的划分进行评估；不能从系统级进行验证，不容易发现软硬件边界的兼容问题；上市周期较长。因此，早期的设计存在各种缺陷和不足。使用软硬件协同设计后，从系统功能描述开始，将软硬件完成的功能作全盘考虑并均衡，在设计空间搜索技术的支持下，设计出不同的软硬件体系结构并进行评估，最终找到较理想的目标系统的软硬件体系结构，然后使用软硬件划分理论进行软硬件划分并设计实现。在设计实现时，始终保持软件和硬件设计的并行进行，并提供互相通信的支持。在设计后期对整个系统进行验证，最终设计出满足条件限制的目标系统。由于软硬件协同设计是电子系统复杂化后的一种设计新趋势，现在嵌入式设计尽量依靠对软硬件的同时设计，用一种能对软硬件同时设计的系统描述来进行设计，其中SoC和SoPC是这一趋势的典型代表。 SoC设计技术始于20世纪90年代中期，它是一种系统级的设计技术。如今，电子系统的设计已不再是利用各种通用集成电路IC(Integrated Circuit)进行印刷电路板PCB(Printed Circuit Board)板级的设计和调试，而是转向以大规模现场可编程逻辑阵列FPGA (Field Programmable Gate Array)或专用集成电路ASIC (Application Specific Integrated Circuit)为物理载体的系统级的芯片设计。使用ASIC为物理载体进行芯片设计的技术称为片上系统技术，即SoC；使用FPGA作为物理载体进行芯片设计的技术称为可编程片上系统技术，即SoPC（System on Programmable Chip）。SoC技术和SoPC技术都是系统级的芯片设计技术(统称为广义SoC)。软硬件划分理论从成本和性能出发，决定软硬件的划分依据和方法。基本原则是高速、低功耗由硬件实现；多品种、小批量由软件实现；处理器和专用硬件并用以提高处理速度和降低功耗。划分的方法从两方面着手：一是面向软件，从软件到硬件满足时序要求；二是面向硬件，从硬件到软件降低成本。在划分时，要考虑目标体系结构、粒度、软硬件实现所占用的成本等各种因素。划分完后，产生软硬件分割界面，供软硬件沟通、验证和测试使用。由于同时对软件和硬件的同时设计，使软硬件的复用程度加大，但现在还没有一种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，这是软硬件协同开发还是具有相当大的难度，这是由于协同开发具有极大的技术和是建立在现有理论之上的一个更高层次的设计理论，还找不到一个定义一个系统级的软件功能描述或硬件功能描述，这使得现在的软硬件开发还未达到全面应用的局面。

华中科技大学HUST类MIPS单周期微处理器设计实验报告

类MIPS单周期微处理器设计实验报告专业：班级：学号：姓名：

一、微处理器各模块设计各模块的框图结构如上图所示。由图可知，该处理器包含指令存储器、数据存储器、寄存器组、ALU单元、符号数扩张、控制器、ALU控制译码以及多路复用器等。图中还忽略了一个单元：时钟信号产生器，而且以上各个部件必须在时钟信号的控制下协调工作。 1.指令存储器的设计指令寄存器为ROM类型的存储器，为单一输出指令的存储器。因此其对外的接口为clk、存储器地址输入信号（指令指针）以及数据输出信号（指令）。（1）在IP wizard 中配置ROM，分配128个字的存储空间，字长为32位宽。（2）选择输入具有地址寄存功能，只有当时钟上升沿有效时，才进行数据的输出。（3）配置ROM内存空间的初始化COE文件。最后单击Generate按钮生成IROM模块。

2.数据存储器的设计数据存储器为RAM类型的存储器，并且需要独立的读写控制信号。因此其对外的接口输入信号为clk、we、datain、addr；输出信号为dataout。数据存储器基本建立过程同ROM的建立。 3.寄存器组设计寄存器组是指令操作的主要对象，MIPS中一共有32个32位寄存器。在指令的操作过程中需要区分Rs、Rt、Rd的地址和数据，并且Rd的数据只有在寄存器写信号有效时才能写入，因此该模块的输入为clk、RegWriteAddr、RegWriteData、RegWriteEn、RsAddr、RtAddr、reset；输出信号为RsData、RtData。由于$0一直输出0，因此当RsAddr、RtAddr为0时，RsData以及RtData 必须输出0，否则输出相应地址寄存器的值。另外，当RegWriteEn有效时，数据应该写入RegWriteAddr寄存器。并且每次复位时所有寄存器都清零。代码如下： module regFile( input clk, input reset, input [31:0] regWriteData, input [4:0] regWriteAddr, input regWriteEn, output [31:0] RsData, output [31:0] RtData, input [4:0] RsAddr, input [4:0] RtAddr

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。第四，如何对这样的一个包含软件和硬件的系统的功能进行验证。除了验证所必须的环境之外，确认设计错误发生的地方和机理将是一个不得不面对的课题。最后，功耗问题。传统的集成电路在功耗的分析和估计方面已有一整套理论和方法。但是，要用这些现成的理论来分析和估计含有软件和硬件两部分的SOC将是远远不够的。简单地对一个硬件设计进行功耗分析是可以的，但是由于软件运行引起的动态功耗则只能通过软硬件的联合运行才能知道。其实，还可以举出很多新理论要涉及的问题，它们一起构成了面向SOC的软硬件协同设计的理论体系。软硬件协同设计所涉及到的内容有：HW-SW 协同设计流程、HW-SW 划分、HW-SW 并行综合、HW-SW 并行仿真。三、软件硬件协同设计的设计流程：

产品设计过程---硬件开发

产品设计过程——硬件开发 ●课程简介: 本课程以产品设计过程为主线，详细讲解产品设计过程中的各个环节，帮助学员理解产品开发流程，树立按流程办事和流程优化的思想，更好地开展工作。 ●适合对象：硬件研发类新员工 ●培训目标：学完本课程后，学员能够达到：了解产品设计过程，并在实际工作中能够按流程办事。 ●课程要点：硬件工程师职责与基本技能硬件开发规范化管理的重要性硬件开发过程及文档规范详解与硬件开发相关的流程文件介绍

产品设计过程——硬件开发第一章硬件工程师职责与基本技能第一节硬件工程师职责一个技术领先、运行可靠的硬件平台是公司产品质量的基础，硬件工程师职责神圣，责任重大。 1、硬件工程师应勇于尝试新的先进技术之应用，在产品硬件设计中大胆创新。 2、坚持采用开放式的硬件架构，把握硬件技术的主流和未来发展，在设计中考虑将来的技术升级。 3、充分利用公司现有的成熟技术，保持产品技术上的继承生。 4、在设计中考虑成本，控制产品的性能价格比达到最优。 5、技术开放，资源共享，促进公司整体的技术提升。第二节硬件工程师的基本素质与技术硬件工程师应掌握如下基本技能： 1、由需求分析至总体方案、详细设计的设计创造能力； 2、熟练运用设计工具，设计原理图，EPLD，FPGA调试程序的能力； 3、运用仿真设备，示波器，逻辑分析仪调测硬件的能力； 4、掌握常用的标准电路的设计能力，如CPU电路，WDT电路，滤波电路，高速信号传输线的匹配电路等； 5、故障定位，解决问题的能力； 6、文档的写作能力； 7、接触供应商，保守公司机密的技能。

第二章硬件开发规范化管理第一节硬件开发规范化管理的重要性在公司的规范化管理中，硬件开发的规范化是一项重要内容。硬件开发规范化管理是在公司的《硬件开发流程》及相关的《硬件开发文档编制规范》，《PCB 投板流程》等文件中规划的。硬件开发流程是指导硬件工程师按规范化方式进行开发的准则，规范了硬件开发的全过程。硬件开发流程制定的目的是规范硬件开发过程控制，硬件开发质量，确保硬件开发能按预定目的完成。硬件开发流程不但规范化了硬件开发的全过程，同时也从总体上，规定了硬件开发所完成的任务。做为一名硬件工程师深刻领会硬件开发流程中各项内容，在日常工作中自觉按流程办事，是非常重要的，否则若大一个公司就会走向混乱。所有硬件工程师应把学流程、按流程办事、发展完善流程、监督流程的执行作为自己的一项职责，为公司的管理规范化做出的贡献。总之，硬件开发流程是硬件工程师规范日常开发工作的重要依据，全体硬件工程师必须认真学习。第二节硬件开发过程详解硬件开发过程对硬件开发的全过程进行了科学分解，规范了硬件开发的五大任务，也划分硬件开发的五大阶段。 1、硬件需求分析 2、硬件系统设计 3、硬件开发及过程控制 4、系统联调 5、文档归档及验收申请硬件开发真正起始应在立项后，即接到立项任务书后，但在实际工作中，许多项目在立项之前已做了大量硬件设计工作。立项完成后，项目组就已有了产品规格说明书，系统需求说明书及项目总体方案书，这些文件都已进行过评审。 1、硬件需求分析

CPU设计实验报告

实验中央处理器的设计与实现一、实验目的 1、理解中央处理器的原理图设计方法。 2、能够设计实现典型MIPS 的11条指令。二、实验要求 1、使用Logisim 完成数据通路、控制器的设计与实现。 2、完成整个处理器的集成与验证。 3、撰写实验报告，并提交电路源文件。三、实验环境 VMware Workstatio ns Pro + Win dows XP + Logisim-wi n-2.7.1 四、操作方法与实验步骤 1、数据通路的设计与实现数据通路主要由NPC 、指令存储器、32位寄存器文件、立即数扩展部件、 ALU 、数据存储器构成。其中指令存储器和数据存储器可直接调用软件库中的 ROM 和RAM 元件直接完成，其余部件的设计如图所示： Cue ------- 吊孙 ----------- n -ar ch Zan [p]~ 图 1.1 NPC G —-- DO jlf* 04 4 D 04 nero & res?l ■&

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图1.3立即数扩展部件图 1.4 ALU 2、控制器的设计与实现控制器的主要设计思想如图所示图2.1控制器设计思想通过列真值表得到控制器的两部分电路，真值表如下 : 输入 000000 001101 100011 101011 000100 000010 immIC ￡it￡ DOO -DO ooo n Q □□□non UOnflO OOC ?＞：＞0 DQ 000 指令 lnst ：ruction[31：O] OP[5:OJ fu net [5:0] Jump ExBp Branch Mem Write ALUctr * RegWrite MemtoReg * ALUSrc 控制器控制信号 LLLLLLLLLmM f ZERO A ()-- irnmmmiiiimiiiiifeiiim IIII93 1-] * 11114444 ".'O

嵌入式系统的软硬件协同设计

嵌入式系统的软硬件协同设计中软卓越厦门ETC 苏洪球传统的先硬件后软件嵌入式系统的系统设计模式需要反复修改、反复试验，整个设计过程在很大程度上依赖于设计者的经验，设计周期、开发成本高，在反复修改过程中，常常会在某些方面背离原始设计的要求。软硬件协同设计为解决上述问题而提出的一种全新的系统设计思想。他依据系统目标要求，通过综合分析系统软硬件功能及现有资源，最大限度地挖掘系统软硬件之间的并发性，协同设计软硬件体系结构，以便系统能工作在最佳工作状态的一种设计方法，可以充分利用现有的软硬件资源，缩短系统开发周期、降低开发成本、提高系统性能，避免由于独立设计软硬件体系结构而带来的弊端。 1 协同设计与传统设计方法的比较嵌入式系统是由若干个功能模块组成的，这些功能模块按照其性质可以分为软件模块和硬件模块两类。在过去几十年内，系统的设计方法经历了很大的变化，有自上向下的设计方法，也有模块化设计方法，他们总体上都是硬件模块优先的设计方法，将其统称为传统的设计方法。这种设计方法将硬件和软件分为两个独立的部分。在整个设计过程中，通常采“硬件优先”的原则，即在粗略估计软件任务需求的情况下，首先进行硬件设计，然后在此硬件设计平台上进行软件设计。由于在硬件设计过程中缺乏对软件构架和实现机制的清晰了解，硬件设计工作带有一定的盲目性。他的系统优化由于设计空间的限制，只能改善硬件和软件各自的性能，不可能对系统做出较好的综合优化，得到的最终设计结果很难充分利用硬软件资源，难以适应现代复杂的、大规模的系统设计任务。而嵌式系统软硬件协同设计是让软件设计和硬件设计作为一个整体并行设计，找到软硬件的最佳结合点，从而使系统高效工作。软硬件协同设计最主要的一个优点就是在设计过程中，硬件和软件设计是相互作用的，这种相互作用发生在设计过程的各个阶段和各个层次。设计过程充分体现了软硬件的协同性。在软硬件功能分配时就考虑到了现有的软硬件资源，在软硬件功能的设计和仿真评价过程中，软件和硬件是互相支持的。这就使得软硬件功能模块能够在设计开发的早期互相结合，从而及早发现问题及早解决，避免了，至少可以减

软硬件配置方案设计

软硬件配置方案设计很多时候我们需要将软硬件完美结合在一起才能达到目标要求，下面就是为您收集的软硬件配置方案设计的相关文章，希望可以帮到您，如果你觉得不错的话可以分享给更多小伙伴哦！随着现代网络技术的发展，嵌放式系统如单片机、DSP等系统对接入网络的需求日益增加，例如具有远程抄表功能的电表系统、楞以进行远程控制的信息电系统等。本文采用TI公司的TMS320VC33DSP 芯片设计与Realtek公司的RTL8019网卡的硬件接口电路，并在DSP 中用软件实现TCP/IP协议，使DSP芯片具备上网功能，从而可以用计算机通过网卡与DSP电路板进行大量数据交换并对其进行控制。 1、硬件设计 DSP与网卡的硬件接口电路图如图1所示。 DSP的数据总线低16位接ISA网卡的16位数据线，ISA网卡的IOCS16线接高电平，设置网卡为16位的模式。网卡共有20根地址线。将A7～A8、A10～A19接地，A0～A6和A9分别接DSP的A0～A7，用到的网卡地址为0240H～025FH，映射到DSP的Page3空间，地址映射为C000C0H～C000DFH。 DSP的Reset信号用于复位网卡，由于DSP的Reset信号低有效，而网卡的Reset信号高有效，故中间应接非门。 DSP的Page3和R/W信号用于选能网卡的读写信号IOR、IOW，实现的逻辑关系如图2所示。 IORQ是网卡的中断9，通过非门后接DSP的INT1引脚。

RTL8019网卡有三种工作方式：第一种为跳线方式，网卡的I/O和中断由跳线决定；第二种为即插即用方式，由软件进行自动配置plugandplay；第三种为免跳线方式，网卡的I/O和中断由外接的93C46里的内容决定。计算机上一是即插即用方式，为了降低软件编程的复杂度，将网卡设置为跳线方式。上述所有的译码逻辑都在EPM7129中实现。 74ALVC16425是总线驱动芯片，可实现3.3V到5V的电平转换。由于TMS320VC33和EPM7128是3.3V的器件，而ISA总线是5V的，所以信号线不能直接连接，需要通过74ALVC164245进行电平转换和隔离。 2、软件设计 2.1网卡硬件驱动程序的设计网卡驱动程序主要包括以下几部分：（1）NIC的初始化 NIC是网络接口控制芯片，它负责网络上数据的接收和发送。为了能够使NIC启动并处于准备接收或准备发送数据的状态，必须对相关的寄存器进行初始化。这些寄存器包括CR、DCR、RBCR、PSTART、PSTOP、ISR、IMR、PAR0～PAR5、MAR0～MAR7、CURR、TCP、RCR等。（2）中断服务程序