基于FPGA的 基于FPGA的 嵌入式系统设计
第1章 嵌入式系统概述
1.1 嵌入式系统的产生和发展 1.2 嵌入式系统的概念
1.1 嵌入式系统的产生和发展
嵌入式系统的全面发展是从20世纪 年代开始的 嵌入式系统的全面发展是从 世纪90年代开始的，主要受 世纪 年代开始的， 到了分布式控制、数字化通信、信息家电、 到了分布式控制、数字化通信、信息家电、网络应用等强烈的 应用需求所牵引。现在，人们可以随处发现嵌入式系统的应用， 应用需求所牵引。现在，人们可以随处发现嵌入式系统的应用， 如手机、MP3播放器、数码相机、VCD、机顶盒、路由器、 播放器、 如手机、 播放器 数码相机、 、机顶盒、路由器、 交换机等。嵌入式系统在软、硬件技术方面迅速发展， 交换机等。嵌入式系统在软、硬件技术方面迅速发展，首先是 面向不同应用领域、功能更加强大、集成度更高、种类繁多、 面向不同应用领域、功能更加强大、集成度更高、种类繁多、 价格低廉、低功耗的 位微处理器逐渐占领统治地位 位微处理器逐渐占领统治地位， 价格低廉、低功耗的32位微处理器逐渐占领统治地位，DSP器 器 件向高速、高精度、低功耗发展， 件向高速、高精度、低功耗发展，而且可以和其他的嵌入式微 处理器相集成。 处理器相集成。
（4）集成电路IP（知识产权）—Intellectual Property 集成电路IP（知识产权） IP是知识产权的简称。集成电路IP的定义是：经 IP是知识产权的简称。集成电路IP的定义是： 是知识产权的简称 的定义是 过预先设计、预先验证，符合产业界普遍认同的设计 过预先设计、预先验证， 规范和设计标准， 规范和设计标准，具有相对独立功能的电路模块或子 系统，可以复用于SOC、SOPC或复杂 或复杂ASIC设计中 设计中。 系统，可以复用于SOC、SOPC或复杂ASIC设计中。 这种IP库与传统的单元库不同 它的知识含量更高， 库与传统的单元库不同， 这种IP库与传统的单元库不同，它的知识含量更高， 规模更大，可重用性好，被公认为是芯片面积小、 规模更大，可重用性好，被公认为是芯片面积小、运 行速度快、功耗低、工艺容差大的设计。 行速度快、功耗低、工艺容差大的设计。 在工业界，IP又称为 又称为SIP（ IP） 在工业界，IP又称为SIP（Silicon IP）或虚拟单 VC（ Component）。 元VC（Virtual Component）。
SOC技术已经成为半导体行业的技术主 SOC技术已经成为半导体行业的技术主 SOPC出现之前 业界广泛采用ASIC 出现之前， 流，在SOPC出现之前，业界广泛采用ASIC 技术实现SOC。ASIC和FPGA不同的技术特 技术实现SOC。ASIC和FPGA不同的技术特 征造就了他们应用于不同的市场。 征造就了他们应用于不同的市场。 ALTERA公司于 ALTERA公司于2000年提出了SOPC概念， 公司于2000年提出了 年提出了SOPC概念 概念， 在可编程逻辑器件上实现SOC技术 技术， 在可编程逻辑器件上实现SOC技术，同时推 出了相应的开发软件QuartusⅡ 出了相应的开发软件QuartusⅡ。
（2）片上系统SOC—System On Chip 片上系统SOC— 片上系统又称为集成电路（ System）， 片上系统又称为集成电路（Integrated System）， 简称IS。有人认为，IS与IC的关系和当时的集成电路与 简称IS。有人认为，IS与IC的关系和当时的集成电路与 分离元件的关系类似。 分离元件的关系类似。 IS或SOC是一个复杂的系统。它一般将一个完整产 IS或SOC是一个复杂的系统 是一个复杂的系统。 品的各功能集成在一个芯片上或芯片组上。 品的各功能集成在一个芯片上或芯片组上。 可编程片上系统SOPC— SOPC （3）可编程片上系统SOPC—System On Programmable Chip SOC是专业集成系统 设计周期长，设计成本高； SOC是专业集成系统，设计周期长，设计成本高； 是专业集成系统， SOPC是一种通用器件 是基于FPGA的可重构 是一种通用器件， 的可重构SOC， 而SOPC是一种通用器件，是基于FPGA的可重构SOC， 其设计周期短，设计成本低。SOPC集成了硬核或软核 其设计周期短，设计成本低。SOPC集成了硬核或软核 CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑 CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑，是更加 及可编程逻辑， 灵活、高效的SOC解决方案。 灵活、高效的SOC解决方案。 解决方案
SOPC结合了 SOPC结合了SOC和可编程逻辑器件各自的 结合了SOC和可编程逻辑器件各自的 优点，一般具备以下基本特征: 优点，一般具备以下基本特征: （1）至少包含一个嵌入式处理器内核 （2）具有小容量片内高速RAM资源 具有小容量片内高速RAM资源 丰富的IP Core资源可供选择 （3）丰富的IP Core资源可供选择 （4）足够的片上可编程逻辑资源 处理器调试接口和FPGA编程接口 （5）处理器调试接口和FPGA编程接口 （6）包含部分可编程模拟电路 单芯片、低功耗、 ， 其次，随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也 成指数型增长， 成指数型增长，所体现出的嵌入式应用具备了更加复杂和高 度智能的功能，软件在系统中体现出来的重要程度越来越大， 度智能的功能，软件在系统中体现出来的重要程度越来越大， 嵌入式操作系统在嵌入式软件中的使用越来越多， 嵌入式操作系统在嵌入式软件中的使用越来越多，所占的比 例逐渐提高，同时，嵌入式操作系统的功能不断丰富， 例逐渐提高，同时，嵌入式操作系统的功能不断丰富，在内 核基础上发展成为包括图形接口、文件、网络、嵌入式Java、 核基础上发展成为包括图形接口、文件、网络、嵌入式 、 嵌入式CORBA、分布式处理等完备功能的集合；最后，嵌 、分布式处理等完备功能的集合；最后， 嵌入式 入式开发工具更加丰富， 入式开发工具更加丰富，已经覆盖了嵌入式系统开发过程的 各个阶段， 各个阶段，现在主要向着集成开发环境和友好人机界面等方 向发展。 向发展。
第2章 SOPC Builder开发工具 Builder开发工具
2.1 简介 2.2 SOPC Builder 设计流程 2.3 SOPC Builder 用户界面
2.1 简介
2.1.1 SOPC 技术简介
SOPC(System On a Programmable Chip)是指用可编 Chip)是指用可编 程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。 程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。它是一种特殊的嵌 入式系统。一方面，它是片上系统(SOC)， 入式系统。一方面，它是片上系统(SOC)，即由单个芯片完 成整个系统的主要逻辑功能；另一方面，它是可编程系统， 成整个系统的主要逻辑功能；另一方面，它是可编程系统， 具有灵活的设计方式，可裁减、扩充、升级， 具有灵活的设计方式，可裁减、扩充、升级，并具备软硬件 在系统可编程的功能。这项技术将EDA、计算机设计、 在系统可编程的功能。这项技术将EDA、计算机设计、嵌入 式系统、工业自动控制系统、DSP及数字通信系统等技术融 式系统、工业自动控制系统、DSP及数字通信系统等技术融 为一体。 为一体。
IEEE(国际电气和电子工程师协会 ) 的定义是： IEEE( 国际电气和电子工程师协会) 的定义是 ： “ Device 国际电气和电子工程师协会 used to control, monitor, or assist the operation of plants”。 equipment, machinery or plants 。 微机学会的定义是：“嵌入式系统是以嵌入式应用为目的 微机学会的定义是： 的计算机系统” 并分为系统级、板级、片级， 的计算机系统”，并分为系统级、板级、片级，系统级包括各 类工控器、 PC104 模块等； 板级包括各类带CPU 的主板和OEM 104模块等 CPU的主板和 OEM产 类工控器 、 PC104 模块等 ； 板级包括各类带 CPU 的主板和 OEM 产 品；片级包括各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品。 片级包括各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品。 目前被大多数人接受的一般性定义是： 目前被大多数人接受的一般性定义是：“嵌入式系统是以 应用为中心，以计算机技术为基础， 应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应 硬件可裁剪， 用系统对功能、可靠性、成本、 用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用 计算机系统。 计算机系统。”
随着EDA技术的发展和大规模可编程器件性能的不断提 随着EDA技术的发展和大规模可编程器件性能的不断提 高，SOPC技术已被广泛应用于许多领域。首先，SOPC在极 SOPC技术已被广泛应用于许多领域 首先，SOPC在极 技术已被广泛应用于许多领域。 大提高了许多电子系统性能价格比的同时， 大提高了许多电子系统性能价格比的同时，还开辟了许多新 的应用领域，如高端的数字信号处理、通信系统、软件无线 的应用领域，如高端的数字信号处理、通信系统、 电系统的设计、微处理器及大型计算机处理器的设计等等； 电系统的设计、微处理器及大型计算机处理器的设计等等； 同时，由于SOPC具有基于 具有基于EDA技术标准的设计语言与系统 同时，由于SOPC具有基于EDA技术标准的设计语言与系统 测试手段、 测试手段、规范的设计流程与多层次的仿真功能以及高效率 的软硬件开发与实现技术，使得SOPC及其实现技术无可争 的软硬件开发与实现技术，使得SOPC及其实现技术无可争 议地成为现代电子技术最具时代特征的典型代表。 议地成为现代电子技术最具时代特征的典型代表。与基于 ASIC的SOC相比 SOPC具有更多的特点与吸引力 ASIC的SOC相比，SOPC具有更多的特点与吸引力：开发软 相比， 具有更多的特点与吸引力： 件成本低，硬件实现风险低，产品上市效率高， 件成本低，硬件实现风险低，产品上市效率高，系统结构可 重构及硬件可升级等，它还具有设计者易学易用、高附加值、 重构及硬件可升级等，它还具有设计者易学易用、高附加值、 产品设计成本低等优势。 产品设计成本低等优势。
1.2 嵌入式系统的概念
1.2.1 嵌入式系统的定义 嵌入式计算系统，简称为嵌入式系统。 嵌入式计算系统，简称为嵌入式系统。那么究竟什 么是嵌入式系统呢？ 么是嵌入式系统呢？ 在Wayne Wolf著的一本有关嵌入式系统设计的教 著的一本有关嵌入式系统设计的教 科书《嵌入式计算系统设计原理》里这样定义： 科书《嵌入式计算系统设计原理》里这样定义：“不 严格地说：它是任意包含一个可编程计算机的设备， 严格地说：它是任意包含一个可编程计算机的设备， 但是这个设备不是作为通用计算机而设计的。因此， 但是这个设备不是作为通用计算机而设计的。因此， 一台个人电脑并不能称之为嵌入式计算系统， 一台个人电脑并不能称之为嵌入式计算系统，尽管个 人电脑经常被用于搭建嵌入式计算系统。 人电脑经常被用于搭建嵌入式计算系统。”