1 基于SOPC軟硬件協(xié)同設(shè)計方法

　　SOPC設(shè)計技術(shù)實際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的全部內(nèi)容,，除了以處理器和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS為中心的軟件設(shè)計,、以PCB和信號完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計技術(shù)以外，SOPC還涉及目前已經(jīng)引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同技術(shù),。

　　1．1 軟硬件協(xié)同設(shè)計模型

　　目前的軟硬件協(xié)同設(shè)計是指軟硬件的設(shè)計同時進(jìn)行,，在系統(tǒng)的初期階段兩者就緊密相連。軟硬件協(xié)同設(shè)計不僅是一種設(shè)計技術(shù),，同時也是一種新的設(shè)計方法和思想,，它的核心問題是溝通軟件設(shè)計和硬件設(shè)計，避免系統(tǒng)中關(guān)系密切的兩部分設(shè)計過早獨立,。同傳統(tǒng)設(shè)計方法相比,，軟硬件協(xié)同設(shè)計提高了設(shè)計抽象的層次，并拓展了設(shè)計的覆蓋范圍,。采用軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)可以使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計更好和更快,。

　　軟硬件協(xié)同設(shè)計在其研究和生產(chǎn)實踐過程中，提出了很多的設(shè)計模型,。這些模型都是把系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換成組織結(jié)構(gòu),，將抽象的功能描述模型轉(zhuǎn)換成組織結(jié)構(gòu)模型。由于針對一個系統(tǒng)可以建立多種模型,，因此應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的仿真和先前的經(jīng)驗來選擇模型,。

　　軟硬件協(xié)同設(shè)計流程從目標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)思開始。對一個給定的目標(biāo)系統(tǒng),，經(jīng)過構(gòu)思,，完成該系統(tǒng)的規(guī)范描述，然后是模塊的行為描述,、對模塊的有效性檢查,、軟硬件劃分、性能評估,、硬件綜合、軟件編譯,、軟硬件集成,、軟硬件協(xié)同仿真與驗證等各個階段。其中軟硬件劃分后產(chǎn)生硬件部分,、軟件部分和軟硬件接口3個部分,。硬件部分遵循軟件描述、軟件生成和參數(shù)化的步驟,，生成軟件模塊,，最后把生成的軟硬件模塊和軟硬件接口集成，并進(jìn)行軟硬件協(xié)同仿真,，以進(jìn)行系統(tǒng)評估和設(shè)計驗證,。圖1給出了一個軟硬件協(xié)同設(shè)計流程,。

　　圖中對軟硬件設(shè)計流程中每個子過程進(jìn)行了簡單的描述。確定說明文檔之后,，先建立高級算法模型,，然后再考慮軟硬件的劃分，這樣可以更好地分析算法的實現(xiàn)方法,，比如是用硬件實現(xiàn)還是用軟件實現(xiàn)等,。

　　1．2 軟硬件任務(wù)劃分和軟硬件接口

　　系統(tǒng)模型是對系統(tǒng)初步的粗粒度劃分。依據(jù)這個粗粒度的劃分,，有助于第一次軟硬件任務(wù)分配,。在進(jìn)行軟硬件劃分時，需要將系統(tǒng)需求根據(jù)設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計約束,，分解出硬件的功能需求和非功能需求,，以及軟件的功能需求和非功能需求，并進(jìn)一步細(xì)化硬件需求及軟件需求,。

　　進(jìn)行軟硬件劃分是協(xié)同設(shè)計的重心,，劃分的合理與否，將直接影響到后續(xù)的設(shè)計與開發(fā),。設(shè)計者要從系統(tǒng)的角度,，將軟硬件完成的功能作均衡，以想要達(dá)到的目標(biāo)為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),。在系統(tǒng)的復(fù)雜度一定時,，使軟硬件結(jié)合，達(dá)到更高的性能,。軟硬件劃分好以后,，軟件和硬件的設(shè)計一直是保持并行的，在設(shè)計過程中兩者交織在一起,，互相支持,，互相提供開發(fā)的平臺。

　　軟硬件的劃分不是簡單地將功能分解,，在進(jìn)行軟硬件任務(wù)分配時已經(jīng)在進(jìn)行系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計,。其中，非常重要的部分是軟硬件的接口設(shè)計,。嵌入式系統(tǒng)的軟硬件接口,，從基本的寄存器到高級的系統(tǒng)接口都非常重要。在軟硬件任務(wù)分配時,，主要考慮系統(tǒng)的軟件與硬件之間的接口,，以及那些影響最終軟硬件集成、調(diào)試的軟硬件接口。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　整個系統(tǒng)的設(shè)計可以分為兩個部分：第一部分是硬件平臺的設(shè)計,，即可用以運(yùn)行整個系統(tǒng)的硬件部分,，包含了主芯片、外設(shè)芯片以及它們之間的互聯(lián),；第二部分是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求來定制硬件系統(tǒng),，即設(shè)計處理器軟核和相關(guān)外設(shè)的控制邏輯，完成系統(tǒng)的定制,。第一部分的工作是后面工作的基礎(chǔ),。

　　本設(shè)計中的SOPC開發(fā)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，開發(fā)板的PCB版圖設(shè)計利用Altium Designer工具完成,。軟硬件接口設(shè)計的主要任務(wù)是基于基本指令集完成驅(qū)動程序的編寫工作,。驅(qū)動程序是硬件組件與軟件組件之間的橋梁。軟硬件接口的另一個重要工作是進(jìn)行硬件初始化,。初始化代碼是處理器從復(fù)位狀態(tài)進(jìn)入操作系統(tǒng)能夠運(yùn)行的狀態(tài),，也就是在把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序之前硬件和底層軟件(驅(qū)動)必須做的一些工作。

　　下面詳細(xì)說明平臺中重要的電源電路,、Flash接口電路,、SDRAM接口電路設(shè)計，其他部分電路可參考相應(yīng)資料,。

　　2．1 FPGA EP1C6Q

　　目前大部分Altera公司的FPGA均支持NiosIICPU,，而Cyclone系列器件是當(dāng)前世界上成本最低的FPGA芯片之一，因此本設(shè)計中的核心芯片采用Cyclone EP1C6,，具有9800個邏輯單元,，92Kb的RAM資源，提供兩個全功能的鎖相環(huán)(PLL),。I／O接口185個,，還支持LVDS、DDR等傳輸接口,。它的配置使用最新型的AS配置方式,，配置芯片是EPCS4(Flash結(jié)構(gòu)，4Mb),。

　　2．2 電源電路設(shè)計

　　本設(shè)計采用了可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM1117T-ADJ,，可以將電壓進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，電流為800 mA,，3引腳的T0200封裝。Cyclone系列FPGA上電的最大電流為300mA,，該芯片可以滿足要求,。LM1117需要在輸出與地之間接入電容以維持內(nèi)部電路的穩(wěn)定，輸入與地之間也需要接入電容對輸入信號進(jìn)行濾波。具體的連接如圖3所示,。

　　2．3 Flash接口電路設(shè)計

　　Flash即閃速存儲器,，是一種在系統(tǒng)可電擦寫的存儲器。作為一種非易失性存儲器,，F(xiàn)lash主要有兩個功能,，一部分用來存儲數(shù)據(jù)，另一部分存儲專用程序,。

　　由于不同廠家的Flash的擦寫時序往往不同,，Niosll只支持部分常用的Flash，對于不支持的Flash類型,，需要NiosII系統(tǒng)設(shè)計人員自己完成相關(guān)Flash擦寫子程序的編寫,。本平臺采用的AM29LV065 Flash存儲器。采用48腳TSOP封裝,，8位數(shù)據(jù)寬度,，工作電壓為2．7～3．6V，讀寫操作都較一般Flash省電,，僅需要單3 V電壓即可完成在系統(tǒng)編程與擦除操作,。

　　Flash選用的是22×8，即地址總線為22位,，數(shù)據(jù)總線為8位,，其連接關(guān)系如圖4所示。

　　2．4 SDRAM接口電路設(shè)計

　　與Flash存儲器不同,，SDRAM不具有掉電保護(hù)數(shù)據(jù)的特性,，但其操作都是由時鐘作為同步?？梢詫⑵淅斫鉃橐粋€電容,，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失,，必須定時刷新(充電),。因此，要在系統(tǒng)中使用SDRAM,，就要求微處理器具有刷新控制邏輯,，或在系統(tǒng)中加入刷新控制邏輯電路。

　　在NiosII系統(tǒng)中,，SDRAM主要用于存放運(yùn)行程序和數(shù)據(jù),，并且其運(yùn)行速度比Flash快很多。所以在SOPC系統(tǒng)中,，當(dāng)系統(tǒng)啟動后,，NiosII CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動代碼,，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運(yùn)行,，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度,。平臺使用的是hynix57V641620HGT，其存儲容量為4Bank×1M×16位(64 Mb),。SDRAM與總線的連接關(guān)系如圖5所示,，其刷新頻率是靠FPGA內(nèi)的PLL經(jīng)過相移來提供。

　　3 SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　SOPC Builder是一個能夠生成復(fù)雜硬件系統(tǒng)的工具,，將軟硬件的設(shè)計結(jié)合起來,，提供給客戶一個很好的開發(fā)環(huán)境。利用SOPC Builder可以將Nios CPU和其他應(yīng)用模塊嵌入到FPGA內(nèi)部,，實現(xiàn)一個可重構(gòu)的嵌入式系統(tǒng),，其中Nios CPU是整個系統(tǒng)的核心。圖6是典型Nios系統(tǒng)的框圖,，其中片內(nèi)邏輯是指實現(xiàn)在FPGA內(nèi)部的電路設(shè)計,，系統(tǒng)模塊指的是由SOPC Builder自動生成的設(shè)計。SOPC Builder會根據(jù)用戶選擇的IP生成相應(yīng)的HDL描述文件(系統(tǒng)模塊文件),，這些文件與用戶邏輯區(qū)域內(nèi)的設(shè)計描述文件一起由QuartusII軟件綜合,，然后下載到FPGA內(nèi)，這樣就構(gòu)成了系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ),。

　　如圖7所示,，采用NiosII單處理器，多個特定功能專用IP核的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),，軟件部分由處理器進(jìn)行,，而硬件部分功能由下載到FPGA上的IP核實現(xiàn)。硬件之間的通信以及與處理器的通信由Altera公司定義的Avalon片內(nèi)總線實現(xiàn),，而硬件和軟件之間的通信則是通過由IDE根據(jù)硬件系統(tǒng)生成的硬件抽象層HAL來實現(xiàn)的,。

　　4 總結(jié)

　　嵌入式技術(shù)發(fā)展之迅速，嵌入式市場前景之廣闊,，使嵌入式教學(xué)和研發(fā)成為當(dāng)今熱點,。近年來FPGA技術(shù)的飛速發(fā)展，各大FPGA廠商也相繼推出針對SOPC開發(fā)的各種功能強(qiáng)大的開發(fā)套件,，這使得FPGA在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中相對于傳統(tǒng)的ASIC器件具有設(shè)計靈活,、功能強(qiáng)大、一次性投入低,、設(shè)計周期短等優(yōu)勢,，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中得到越來越廣泛的應(yīng)用。無論是嵌入式教學(xué)實驗還是企業(yè)產(chǎn)品研發(fā),，嵌入式系統(tǒng)實驗開發(fā)平臺都具有很高的使用價值,，其開發(fā)具有現(xiàn)實意義和社會經(jīng)濟(jì)價值,。