可编程片上系统设计技术.doc

可编程片上系统设计技术 徐 欣 温广翔 国防科大 亚太科汇 (TEL:0731-4533632 E-mail：dr.xuxin@) 摘 要： 可编程片上系统设计是一个崭新的、富有生机的嵌入式系统设计技术研究方向。本文在阐述可编程逻辑器件特点及其发展趋势的基础上，探讨基于Xilinx FPGA的可编程片上系统设计方法，并详细介绍了相关的开发和调试工具，为SOPC的设计实现提供了一种切实可行的途径。 关键词：可编程片上系统 现场可编程逻辑门阵列 智力产权内核 动态可重构 System on a Programmable Chip Designing Technology Xu Xin， Wen GuangXiang National University of Defense Technology (Zip:410073) Abstract： System on Programmable Chip (SOPC) is a new and vital aspect for embedded system designing. In this paper, the IP Reuse methodology and the software and hardware co-design technique based on Micro Blaze soft processor IP and Xilinx FPGA will be discussed. The toolset provided by Xilinx is also discussed. SOPC designing technology will put forward a broad approach to new embedded system design. Key words：SOPC, FPGA, IP Core, Dynamic Configurable 1. FPGA和SOPC概述 1.1 FPGA的特点及最新进展 嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断的产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一次又一次的革新。虽然ASIC的成本很低，但设计周期长、投入费用高、风险较大，而可编程逻辑器件（Programmable Logical Device）设计灵活、功能强大，尤其是高密度现场可编程逻辑器件（Field Programmable Gate Array）其设计性能已完全能够与ASIC媲美，Xilinx公司最新推出的SpartanIII系列高性价比FPGA，其批量成本已经达到10美元/100万门的成都，其性能价格比已足以与ASIC抗衡。因此，FPGA在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。 FPGA的基本结构由以下几个部分构成： 可编程逻辑功能模块CLB（Configurable Logic Blocks） 可编程输入输出模块IOB（Input/Output Blocks） 可编程内部互连资源PI（Programmable Interconnection） 随着工艺的进步和应用系统需求，一般在FPGA中还包含以下可选资源： 存储器资源（Block RAM和Select RAM） 数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟） I/O多电平标准兼容（Select I/O） 算数运算单元（乘法器、加法器） 特殊功能模块（MAC等硬IP核） 微处理器（PPC405等硬处理器） 以FPGA为核心的PLD产品是近几年集成电路中发展得最快的产品。随着FPGA性能的高速发展和设计人员自身能力的提高，FPGA将进一步扩大可编程芯片的领地，将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。目前FPGA的发展趋势主要体现在以下几个方面： 向更高密度、更大容量的千万门系统级方向迈进 向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展 IP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式 MCU、DSP、MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心 随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将越来越模糊，未来的某些电路版上可能只有这两部分电路：模拟部分（包括电源）和一块FPGA芯片，最多还有一些大容量的存储器。Xilinx等公司最新一代FPGA：Spartan II/E、Virtex II Pro，尤其是SpartanIII及其相关IP Core的推出，使我们有理由相信，可编程片上系统（System on Programmable Chip）的时代已经离我们不远了。 1.2可编程片上系统（SOPC）的基本特征 可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即