SoC(System on Chip)片上系統(tǒng)是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的一個發(fā)展方向，它將原先分立的多個芯片集成在一塊芯片上,，通過提高芯片的集成度,、減少系統(tǒng)芯片的數(shù)量和相互之間的PCB連線、減小PCB面積來降低整個系統(tǒng)的成本,，同時使系統(tǒng)的性能,、功能和可靠性都有很大的提高。隨著新型的高性能,、低成本FPGA的出現(xiàn)和綜合技術的提高,，基于FPGA的SoPC(System on Programmable Chip)可編程片上系統(tǒng)正逐步走向市場?；贔PGA的SoPC與基于ASIC技術的SoC相比,，具有設計周期短、產(chǎn)品上市速度快,、設計風險和設計成本低,、集成度高、靈活性大,、維護和升級方便,、硬件缺陷修復和排除簡單等優(yōu)點。因此基于FPGA和包括32位CPU在內(nèi)的各種IP核的系統(tǒng)級應用開發(fā)將是下一代電子系統(tǒng)設計的發(fā)展方向,。
　　順應這個潮流,，F(xiàn)PGA器件的主要供應商Altera和Xilinx都推出了各自的SoPC解決方案：Nios系統(tǒng)和MicroBlaze系統(tǒng)。它們功能強大,、開發(fā)環(huán)境和配套IP核完善,，是工程應用的首選。但是它們只能用在各自廠商的FPGA上，不但配套IP核價格昂貴,，而且用戶無法獲得所有源代碼,，不利于我國SoPC技術的發(fā)展。
　　針對這種情況,，筆者使用Altera公司的Cyclone FPGA和OpenCores組織提供的各種免費,、開源的IP核，構建了以OpenRISC1200 CPU為核心,，配以各類外圍IP核的完全開源的SoPC系統(tǒng),，并成功地運行了μClinux系統(tǒng)。同時本系統(tǒng)采用的所有IP核在源代碼不變的情況下可以使用Xilinx的開發(fā)工具進行綜合,、布線,，為該系統(tǒng)在其他FPGA平臺上的運行打下了良好的基礎。
1 OR1200
　　本系統(tǒng)使用的OpenRISC1200處理器(以下簡稱OR1200)是OpenRISC系列RISC處理器內(nèi)核的一員,。OpenRISC是由OpenCores組織負責開發(fā)和維護、免費,、開源的RISC處理器內(nèi)核家族,。OpenRISC1200出現(xiàn)于2001年7月，支持ORBIS32指令集,。該指令集包括32位整數(shù)指令,、基本的DSP指令、32位的Load和Store指令,、程序流程控制指令和特殊指令(實際上還不支持除法指令),。2002年8月，OpenRISC1200基本成熟,，配有比較完善的軟件開發(fā)環(huán)境和操作系統(tǒng),，改進和維護一直持續(xù)到現(xiàn)在。
　　OR1200是一種32位,、標量,、哈佛結構、5級整數(shù)流水線的RISC處理器,，它有32個32位通用寄存器,，支持緩存、虛擬存儲器和基本的DSP功能,，外部數(shù)據(jù)和地址總線接口符合Wishbone標準,。輔助功能包括用于實時調(diào)試的調(diào)試單元、計數(shù)器,、可編程中斷控制器和電源管理單元,，這些功能大大增強了CPU獨立工作的能力，對軟件調(diào)試和操作系統(tǒng)的支持較好，簡化了整體系統(tǒng)的設計,。OR1200的標準組成結構如圖1所示,。
　　CPU/DSP單元是OR1200處理器的核心，其基本結構框圖如圖2所示,。

　　當使用0.18μm和6層金屬工藝時,，OR1200的主頻可達300MHz，此時可以提供300 Dhrystone 2.1 MIPS和300M次/秒的32×32的DSP乘加操作能力,。
　　OR1200在2002年9月被Flextronics公司選中,，用于集成在Flextronics的設計中，并提供商業(yè)服務,。2003年8月,，F(xiàn)lextronics公司成功實現(xiàn)了集成OR1200、10Mbps/100Mbps" title="100Mbps">100Mbps自適應以太網(wǎng) MAC控制器,、32位 33MHz/66MHz PCI接口,、16550兼容UART和Memory控制器的SoC芯片，并成功運行了μClinux和Linux操作系統(tǒng),。
2 板級" title="板級">板級系統(tǒng)組成
　　板級系統(tǒng)以Altera的Cyclone系列FPGA EP1C12QC240為核心,，配以EPCS4配置存儲器和配置電路組成核心系統(tǒng)，再配以2片29LV160DB NOR Flash(4MB),、2片IS61LV25616 SRAM(1MB),、2片HY57V561620 SDRAM(64MB)、1個RS232串行口,、1個通用JTAG接口和8段LED,、按鈕、撥碼開關組成基本系統(tǒng),。Flash,、SRAM和SDRAM組成存儲系統(tǒng)，它們共用FPGA的存儲器總線,，大大減少了存儲系統(tǒng)占用的FPGA管腳數(shù),，并為系統(tǒng)提供了運行大型軟件所需要的存儲器空間。通用JTAG接口可以通過專用接口電纜與PC機的并口相連,，實現(xiàn)對CPU的在線調(diào)試和系統(tǒng)存儲空間的訪問,。串行口可以為系統(tǒng)實現(xiàn)一個基本的控制臺，并可以作為向系統(tǒng)下載大量數(shù)據(jù)的通道,。因此,，基本系統(tǒng)的組成足以調(diào)試和運行基本的μClinux系統(tǒng)。
　　完整的板級系統(tǒng)的組成框圖如圖3所示,，它除了基本系統(tǒng)以外,，還包括1片10Mbps/100Mbps自適應以太網(wǎng)PHY芯片,、320×240彩色STN LCD、10位×3通道視頻DAC和2個PS2接口,。使用以上完整的板級系統(tǒng)可以實現(xiàn)簡單的網(wǎng)絡和人機界面應用,，再配以μClinux操作系統(tǒng)即可實現(xiàn)一個完整的計算機系統(tǒng)。

3 內(nèi)核的集成,、仿真與驗證
　　內(nèi)核的集成,、仿真與驗證是建立本平臺的難點。要實現(xiàn)上述所有功能,，除了OpenRISC1200 CPU外,，至少還需要以下IP：
　　·Wishbone總線互連；
　　·CPU Debug模塊,；
　　·通用I/O" title="I/O">I/O控制器,；
　　·片內(nèi)高速RAM控制器；
　　·16550兼容UART控制器,；
　　·Memory控制器,；
　　·10Mbps/100Mbps自適應以太網(wǎng)MAC控制器；
　　·VGA/LCD控制器,；
　　·8042兼容PS/2控制器,。
　　以上多數(shù)IP可以從OpenCores獲得，像通用I/O控制器和片內(nèi)高速RAM控制器這類簡單的IP,，可以自己編寫。不過需要注意的是,，為了使系統(tǒng)能夠正確地運行或者獲得更好的綜合效果,，多數(shù)IP在集成時都要進行修改。需要修改的IP及其修改內(nèi)容如下：
　　·OR1200：通用寄存器組,、緩存,、MMU使用的RAM塊需要針對Synplify進行修改，以便能夠綜合到M4K RAM塊中,，MMU,、DSP MAC單元根據(jù)需要決定是否在配置中去掉，以提高速度,，減少邏輯資源的占用,；
　　·Wishbone總線互連：添加空穴地址空間的訪問處理；
　　·UART控制器：數(shù)據(jù)接收和發(fā)送FIFO需要針對Synplify進行修改,，以便能夠綜合到M4K RAM塊中,；
　　·Memory控制器：添加復位后的默認值配置，以便系統(tǒng)可以選擇從Flash或者SRAM啟動,；
　　·以太網(wǎng)控制器：控制寄存器和FIFO需要針對Synplify進行修改,，以便能夠綜合進M4K RAM塊中,，并且需要添加對不支持Burst模式的Wishbone總線互連接口的支持；
　　·VGA/LCD控制器：顯示FIFO需要針對Synplify進行修改,，以便能夠綜合進M4K RAM塊中,，并且需要修改對掃描時鐘輸出的控制。
　　使用以上IP構建的系統(tǒng)內(nèi)核的結構框圖如圖4所示,。中間模塊是Wishbone總線互連IP,，它有8個主設備、8個從設備接口" title="設備接口">設備接口,。OR1200的指令和數(shù)據(jù)接口各占用了一個主設備接口,。Debug模塊需要訪問存儲空間，因此也用了一個主設備接口,。以太網(wǎng)控制器使用主存儲器來存儲,、獲得數(shù)據(jù)，VGA/LCD控制器使用主存儲器獲得顯示緩沖數(shù)據(jù),，因此它們也都占用了一個主設備接口,。以太網(wǎng)、VGA/LCD和Memory控制器的控制寄存器空間各占用了一個從設備接口,，Memory控制器的存儲器空間占用了一個從設備接口,，其余的UART、PS/2,、I/O和片內(nèi)RAM控制器各占用了一個從設備接口,。

　　為保持軟件的兼容性，在設置Wishbone總線互連IP各個主設備和從設備的地址以及分配中斷號時,，需要符合ORP標準,。ORP(OpenRISC Reference Platform)是一個對基于OpenRISC處理器的系統(tǒng)的定義，它包括存儲器空間,、外圍設備的地址定義和中斷向量的分配,。其作用是標準化基于OpenRISC的硬件和軟件的設計，提高軟件可重用性并縮短硬件設計的驗證時間,。
　　在進行完各個IP的單獨測試后,，使用OR1200的軟件開發(fā)包GCC對系統(tǒng)引導程序和μClinux進行編譯，并將得到的二進制文件嵌入到存儲器仿真文件中,，對系統(tǒng)的初始化,、引導和操作系統(tǒng)的啟動進行仿真。
　　在仿真成功后,，進行了下載驗證,。由于使用的EP1C12器件的邏輯容量有限，無法同時實現(xiàn)以上所有功能,，因此設計了兩個配置方案,，分別面向網(wǎng)絡和個人終端,。前者具備以太網(wǎng)功能，但是沒有PS/2和VGA/LCD控制器,，后者相反,。使用Synplify和QuartusII軟件對個人終端配置的系統(tǒng)進行綜合、布局布線后,，系統(tǒng)速度和各模塊所占邏輯單元LEs(Logic Elements)的情況如表1所示,。