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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）04-076-04中圖分類號(hào)：TP919

★劉元元（東方電氣集團(tuán)（四川）物產(chǎn)有限公司，四川德陽618000）

摘要：基于系統(tǒng)級(jí)FPGA的SOPC嵌入式設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用SOPC Builder設(shè)計(jì)工具可以有選擇地將處理器、存儲(chǔ)器、I/O等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的IP組件集成到FPGA器件上，也可以通過自定義用戶邏輯集成到FPGA器件上，從而構(gòu)建高效SOC。本文分析了嵌入式處理器NOIS軟核特性，并給出了基于NOIS內(nèi)核的SOPC軟硬件開發(fā)流程和自定義用戶邏輯的軟硬件設(shè)計(jì)過程。

關(guān)鍵詞：FPGA；片上系統(tǒng)；可編程片上系統(tǒng)；NOIS軟核

近年來，隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（FPGA）器件的發(fā)展，以及SOPC技術(shù)的成熟，采用Nios Ⅱ軟核處理器在FPGA上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)功能算法成為可能。Nios II軟核處理器是Altera公司推出的嵌入在其FPGA內(nèi)部的32位軟核處理器，且其內(nèi)核僅占用很少的邏輯資源，另外它的可配置程度極高，不但可以根據(jù)用戶需求加入各種標(biāo)準(zhǔn)接口，如各種外部存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)控制器、IDE驅(qū)動(dòng)器、USB接口等，也可以將用戶自己定義的接口模塊和邏輯模塊加入其中，必要的時(shí)候還可以在Nios II軟核中加入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多任務(wù)的調(diào)度，這讓用戶可以隨心所欲地構(gòu)建完全符合系統(tǒng)要求的處理器結(jié)構(gòu)。在FPGA外部只需要添加配置芯片、SDRAM、FLASH就可以構(gòu)成一個(gè)完整的硬件平臺(tái)，很好地體現(xiàn)了SOPC的設(shè)計(jì)思想，使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、保密性好的特點(diǎn)。在性能上，系統(tǒng)可以利用FPGA的并行處理能力提高系統(tǒng)性能，如采用定制自定義模塊，用硬件控制耗時(shí)大的軟件算法模塊來提高系統(tǒng)性能，也可以采用NiosⅡ處理器的自定義指令方式用硬件實(shí)現(xiàn)部分復(fù)雜算法片段，方便在軟件程序中調(diào)用，大大提高了程序執(zhí)行效率。另外，還可以用新推出的C2H工具直接將一些軟件程序進(jìn)行硬件化，不僅提高了系統(tǒng)性能，還保證了本系統(tǒng)很高的處理速度，具有很好的實(shí)時(shí)性。

1　SOPC的設(shè)計(jì)

SOPC即System On a Programmable Chip，是指用可編程邏輯器件把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上。一方面它是片上系統(tǒng)—即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；另一方面，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、擴(kuò)充、升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。這項(xiàng)技術(shù)將EDA、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)、DSP及數(shù)字通訊系統(tǒng)融為一體。

一個(gè)最小系統(tǒng)應(yīng)該包括中央處理單元（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和FlashROM（存儲(chǔ)代碼、數(shù)據(jù)等），稍微復(fù)雜點(diǎn)的系統(tǒng)至少應(yīng)該包括UART、DMA、Timer、中斷管理模塊以及GPIO等。

我們知道，F(xiàn)PGA支持用戶自定義的硬件，即用戶自己設(shè)計(jì)的IP核。在許多應(yīng)用中，我們可以利用這一特性，使用硬件描述語言來定制適合系統(tǒng)特性的模塊。例如，F(xiàn)PGA中沒有AD模塊，必須外加AD芯片。其他MCU控制AD芯片必須通過軟件來實(shí)現(xiàn)，對(duì)FPGA來說，則可以將此AD芯片的控制工作集成到一個(gè)VHDL或VERLOG模塊中，綜合后集成到SOPC系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)定制外設(shè)。通過這一步，此AD就可以看成FPGA的一個(gè)內(nèi)部外設(shè)，而不必像其他MCU那樣通過指令來模擬AD芯片時(shí)序。相比之下，F(xiàn)PGA能提高效率并減少出錯(cuò)率，因?yàn)槠浔举|(zhì)還是通過硬件來實(shí)現(xiàn)讀取的功能。

2　SOPC Builder

SOPC Builder是Altera公司推出的一種可加快在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)嵌入式處理器相關(guān)設(shè)計(jì)的工具，其功能與PC應(yīng)用程序中的引導(dǎo)模板（Wizard）類似，旨在提高設(shè)計(jì)者確定需要的處理器和參數(shù)，并根據(jù)此創(chuàng)建一個(gè)處理器的完整存儲(chǔ)器映射。設(shè)計(jì)者還可以選擇所需要的IP外圍電路，如存儲(chǔ)控制器、I/O控制器和定時(shí)器等模塊。當(dāng)然，也支持用戶自定義的硬件。

SOPC Builder具有友好的圖形用戶接入，可以為用戶提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)平臺(tái)以搭建基于AVALON總線的系統(tǒng)。用戶不僅可以從ALTERA提供的IP庫中選取組件、處理器、SDRAM、FLASH、USB、以太網(wǎng)等，也可以選擇配置相應(yīng)的參數(shù)，還有包含操作系統(tǒng)內(nèi)核的嵌入式軟件開發(fā)工具。在進(jìn)行SOPC設(shè)計(jì)時(shí)，如果用戶有特殊功能要求，但I(xiàn)P庫中沒有，則可加入自定義邏輯實(shí)現(xiàn)。通過QUARTUS II工具可完成SOPC的全部設(shè)計(jì)，QUARTUS II用戶能把一個(gè)基于NIOS處理器的系統(tǒng)經(jīng)生成、仿真的編譯后，下載到ALTERA的FPGA芯片中，并進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估和驗(yàn)證。SOPC Builder可自動(dòng)進(jìn)行開發(fā)中的系統(tǒng)定義和集成過程，實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的各方面開發(fā)，包括研究的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。SOPC Builder的設(shè)計(jì)流程為描述系統(tǒng)和生成系統(tǒng)。

SOPC Builder提供了一組圖形界面以方便用戶描述系統(tǒng)，該界面列出了所有可用的系統(tǒng)模塊，設(shè)計(jì)者在界面中挑選其所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所需模塊，并設(shè)置參數(shù)，界面本身不生成邏輯或軟件，其目標(biāo)是形成一個(gè)“系統(tǒng)描述文件”。

SOPC Builder根據(jù)系統(tǒng)描述文件進(jìn)行操作：（1）對(duì)需要軟件支持的模塊，如NOIS處理器。（2）調(diào)用每個(gè)模塊的生成程序，最終生成一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的HDL文件。（3）創(chuàng)建Modelsim所需的文件，以便仿真使用。（4）系統(tǒng)綜合。（5）生成TCL腳本。

3　嵌入式處理器NOIS軟核

Altera公司的Nios是基于RISC技術(shù)的通用嵌入式處理器軟內(nèi)核，它專為可編程邏輯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，也為SOPC設(shè)計(jì)了一套綜合解決方案。Nios處理器采用16位指令集、16/32位數(shù)據(jù)通道、5級(jí)流水線技術(shù)，平均一個(gè)時(shí)鐘周期處理一條指令，性能高達(dá)50MIPS。NiosV2.1處理器具有以下主要特征：（1）大容量窗口寄存器堆。其最大可以實(shí)現(xiàn)512個(gè)內(nèi)部通用寄存器，編譯程序運(yùn)用內(nèi)部寄存器可以加快子程序的調(diào)用和局部變量的存取。（2）簡(jiǎn)單完備的指令集。32位和16位的Nios系統(tǒng)都運(yùn)用16位寬的指令，這減少了代碼長(zhǎng)度和指令存儲(chǔ)區(qū)的寬度。（3）強(qiáng)大的尋址模式。Nios指令集包括裝載和存儲(chǔ)指令，這樣編譯程序可加快結(jié)構(gòu)體和局部變量（存儲(chǔ)棧）的存取。（4）較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。用戶可直接把定制邏輯集成入Nios算術(shù)邏輯單元（ALU）內(nèi)，并自動(dòng)生成包含C語言和匯編語言下訪問定制指令硬件的宏指令的軟件開發(fā)工具包（SDK）。（5）硬件輔助功能。用戶可利用硬件的優(yōu)點(diǎn)去另創(chuàng)一些指令，從而促進(jìn)指令執(zhí)行速度。它可以有5條用戶定制指令，用戶可以把復(fù)雜的工作變成一個(gè)單一的指令。

4　NIOS Ⅱ軟核

Nios Ⅱ是一個(gè)用戶可配置的通用RISC嵌入式處理器，Altera推出的Nios Ⅱ系列嵌入式處理器擴(kuò)展了目前世界上最流行的軟核嵌入式處理器的性能。把Nios Ⅱ嵌入到Altera的所有FPGA中，例如Stratix Ⅱ、Stratix、Cyclone Ⅱ、cyclone、APEX、ACEX和Hardcopy系列器件中，用戶可獲得超過200DMIPS的性能，并可以從三種處理器以及超過60個(gè)IP核中選擇所需要的。Nios Ⅱ系統(tǒng)為用戶提供了最基本的多功能性，設(shè)計(jì)師可以依此來創(chuàng)建一個(gè)最適合他們需要的嵌入式系統(tǒng)。使用Nios Ⅱ處理器的用戶可以根據(jù)他們的需要來調(diào)整嵌入式系統(tǒng)的特性、性能以及成本，使得產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)，擴(kuò)展了產(chǎn)品的生命周期，還可以避免處理器的更新?lián)Q代。

4.1　開發(fā)工作流程

（1）初期開發(fā)工作：需要軟硬件結(jié)合處理，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析。比如：CPU是否需要一個(gè)硬件加速乘法器，設(shè)計(jì)中所需要的外圍器件及數(shù)量，是否需要DMA通道釋放CPU在進(jìn)行拷貝時(shí)所占用的資源；

（2）硬件開發(fā)：用SOPC Builder定義Nios Ⅱ處理器系統(tǒng)，用Quartus Ⅱ軟件定義器件、分配管腳并編譯；

（3）軟件開發(fā)：C/C++程序開發(fā)，開發(fā)鼎峙硬件的驅(qū)動(dòng)程序，定義硬件平臺(tái)為目標(biāo)進(jìn)行編譯連接；

（4）下載到開發(fā)板上進(jìn)行驗(yàn)證；

（5）成功完成Nios Ⅱ系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4.2　硬件開發(fā)流程

用SOPC Builder來選擇合適的CPU、存儲(chǔ)器以及外圍器件，比如片內(nèi)存儲(chǔ)器、PIO、UART和片外存儲(chǔ)器接口。

系統(tǒng)需外接按鈕接口時(shí)，可通過用戶自定義邏輯用VHDL編程來實(shí)現(xiàn)按鈕并行計(jì)數(shù)的功能。用戶邏輯要與Nios處理器進(jìn)行通信，需增加片選chipselect和地址address2個(gè)信號(hào)。其中當(dāng)chipselect為1時(shí)，Nios處理器選中用戶邏輯。Nios處理器用地址信號(hào)來尋址用戶邏輯。通過address信號(hào)，用戶邏輯才能正確地連到總線上與Nios處理器進(jìn)行通信。對(duì)于獨(dú)立的用戶邏輯，如不需與Nios進(jìn)行通信，比如實(shí)現(xiàn)獨(dú)立并行計(jì)數(shù)和顯示的功能，則片選信號(hào)和地址信號(hào)不需要。當(dāng)在用戶邏輯里加入片選信號(hào)和地址信號(hào)后，SOPC Builder會(huì)自動(dòng)給用戶邏輯分配一個(gè)基地址。SOPC Builder對(duì)系統(tǒng)中包括用戶邏輯在內(nèi)的所有組件統(tǒng)一進(jìn)行編址，若實(shí)例需處理3個(gè)按鈕并行計(jì)數(shù)，則地址信號(hào)需要2位。2位地址信號(hào)可處理4個(gè)地址，這里只用3個(gè)：00、01和10。地址信號(hào)在VHDL中所形成的地址，比如00、01，是相對(duì)地址。相對(duì)地址與基地址結(jié)合在一起，形成絕對(duì)地址。比如，第1個(gè)按鈕的計(jì)數(shù)值分配到相對(duì)地址“00”中，則絕對(duì)地址為0x4A0+0﹡4=0x4A0，第3個(gè)按鈕的計(jì)數(shù)值分配到相對(duì)地址“10”中，則絕對(duì)地址為0x4A0+2﹡4=0x4A8，其中0x4A0是系統(tǒng)分配的基地址。在計(jì)算絕對(duì)地址時(shí)，相對(duì)地址乘4，因?qū)嵗龑?shí)現(xiàn)的是32位Nios處理器，每個(gè)寄存器占據(jù)32位，而地址是按字節(jié)分配的，所以32/8=4。當(dāng)應(yīng)用程序訪問這些地址時(shí)，無論讀還是寫，片選信號(hào)自動(dòng)被設(shè)置為“1”。則應(yīng)用設(shè)計(jì)的VHDL程序代碼為：

Asicl=(int*)0X4A0；//指定要訪問的地址；

Read-datal=*asicl；//讀取地址中的內(nèi)容，則片選信號(hào)chipselect自動(dòng)被設(shè)置為“1”。

對(duì)于地址信號(hào)的選擇，則要在應(yīng)用程序中明確指定，比如上面代碼中指定訪問的地址是“0x4A0”。實(shí)現(xiàn)用戶邏輯設(shè)計(jì)VHDL代碼的實(shí)體說明部分為：

ENTITYtestIS

port(clock：IN STD-LOGIC

pb-gen-counr1：IN STD-LOGIC；

pb-gen-counr2：IN STD-LOGIC；

pb-gen-counr3：IN STD-LOGIC；

pb-gen-clcar：IN STD-LOGIC；

chipselect：IN STD-LOGIC；

address：IN STD-LOGIC-VECTOR（1 dorwnto0）；

count-out：INSTD-LOGIC-VECTOR（7 dorwnto 0）；END tesk

實(shí)體中結(jié)構(gòu)部分的輸出如下，其中的temp1、temp2、temp3是內(nèi)部信號(hào)，用以保存3個(gè)按鈕的計(jì)數(shù)值。使用的是并行語句，保證3個(gè)按鈕可并行計(jì)數(shù)。count-out＜=temp1 when（chipselect=‘1’andaddress=“00”）else

temp2 when（chipselect=‘1’andaddress=“01”）else

temp3 when（chipselect=‘1’andaddress=“10”）else

“00000000”；

需把用戶邏輯連接到Nios處理器中，在SOPCBuilder的圖形用戶界面中，選擇添加用戶邏輯項(xiàng)，加入用戶編寫的VHDL文件，同時(shí)指定實(shí)體說明中各信號(hào)的類型。Clock被指定為“clk”類型，Pb-gencounr1等被指定為“expor1”類型，chipselect被指定為“chipselect”類型，address被指定為“address”類型，count-out被指定為“readdata”類型。然后，SOPCBuilder自動(dòng)生成一個(gè)Nios處理器軟核及相關(guān)外設(shè)的源文件。最后工作是編譯整個(gè)項(xiàng)目，并把生成的后綴為sof的文件下載到開發(fā)板上的可編程芯片中。

4.3　軟件開發(fā)流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)具體工作如下：

（1）在用SOPC Builder系統(tǒng)集成軟件進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，就可以開始編寫C/C++軟件，比如算法或控制程序。用戶可以使用現(xiàn)成的軟件庫和開放的操作系統(tǒng)內(nèi)核加快開發(fā)過程；

（2）在Nios ⅡIDE中建立新的軟件工程時(shí)，IDE會(huì)根據(jù)SOPC Builder對(duì)系統(tǒng)的硬件配置自動(dòng)定制HAL（硬件抽象層）系統(tǒng)庫，這個(gè)系統(tǒng)庫可以為程序和底層硬件的通訊提供接口驅(qū)動(dòng)程序；

（3）使用Nios ⅡIDE編譯調(diào)試軟件；

（4）在硬件已下載到板上的基礎(chǔ)上將軟件下載到開發(fā)板上并在硬件上運(yùn)行。

5　結(jié)束語

SOPC技術(shù)利用IP庫，并通過SOPCBuilder可快速生成嵌入式系統(tǒng)，同時(shí)，可把用戶自定義的邏輯加入到系統(tǒng)中。通過SOPC還可向Nios處理器中添加用戶自定義的指令，擴(kuò)充了Nios指令集，體現(xiàn)了用SOPC設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的靈活性，快速生成了最終產(chǎn)品，縮短了開發(fā)周期。基于系統(tǒng)級(jí)FPGA/CPLD的SOPC嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)是一個(gè)新課題，需要了解開發(fā)設(shè)計(jì)的方法、普及EDA工具以及獲得IP核等。本文對(duì)SOPC的探討對(duì)推動(dòng)SOPC的應(yīng)用具有一定的實(shí)際借鑒意義。SOPC必將在通信、工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)相關(guān)產(chǎn)品和消費(fèi)類電子等各個(gè)領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：

劉元元（1979-），女，河南平輿人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于東方電氣集團(tuán)（四川）物產(chǎn)有限公司，主要研究方向?yàn)榍度胧焦た仡I(lǐng)域和新能源發(fā)電設(shè)備。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年4月刊