SOPC_1_概述
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（即将实现于FPGA上的SOPC系统直接向ASIC转化）
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16
1.3 基于FPGA和SOPC技术的处理器
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17
Nios
Altera的Nios核是用户可随意配置和构建的32位/16位 总线指令集和数据通道的嵌入式系统微处理器IP核。
基于Nios的SOPC系统，可以定制指令为嵌入式处理 器配置专用的硬件加速器；还可以利用FPGA的可重 配置的特性，在不同的时间内针对不同的处理目标， 配置含相应加速器的嵌入式系统。
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8
1.1 SOC单片系统
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9
名词解释
IC
（Integrated Circuit）是半导体元件产品的
统称，包括：集成电路、三极管和特殊电子元件等。
ASIC （Application Specific Integrated Circuit ）
是指为特定用户、某种专门或特殊用途而设计的芯片。
SOPC是以FPGA为物理载体的系统芯片的设计； SOC 是以ASIC 为物理载体的系统芯片的设计。
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12
SOC/SOPC
SOC ，硬件调试成功后直接投片生产成“固 定结构的芯片”。
SOPC ，“用FPGA做为最终实现” 的，可以 随时进行硬件升级与调试的SOC。所以说 SOPC是SOC的一种解决方案。
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18
1.4 基于FPGA和SOPC技术的DSP
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19
DSP Builder
DSP Builder是Altera推出的面向DSP开发的系 统级工具。
基于SOPC的DSP实现方案有两种：
1、纯硬件的方案。利用Matlab→DSP Builder →QuartusⅡ的开发流程直接实现；
大规模功能模块，从而构成一个能够处理各种信 息的集成系统。
狭义而言，SOC是一种结合了许多功能模块和微 处理器核心的单芯片电路系统。
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11
名词解释
SOC和SOPC是以IP为基础的，以HDL为主要设 计手段，借助于计算机为平台的EDA工具进行的， 面向单片系统级专用集成电路设计的计算机技术。
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26
方案二：
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27
方案三： （DDS）
采用直接数字式频率合成器。用RAM存储所 需小型的量化数据，按照不同频率要求以频率 控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加 相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形 数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得 所需波形。
DDS具有相对带宽很宽，频率转换时间短，频 率分辩率可以做到很高。并且大量控制逻辑集 成在FPGA中既减少了大量硬件连线，又降低 了干扰，系统实现方便，性能稳定。
EDA （Electronic Design Automation）是基于
PLD，以HDL为描述方式，利用计算机技术和EDA工 具，实现电子设计自动化。
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10
名词解释
SOC (System on Chip) SOPC (System on Programmable Chip)
广义而言，SOC指在单片上集成系统级多元化的
3
主要内容
SOC单片系统 SOPC及其技术 基于FPGA和SOPC技术的处理器 基于FPGA和SOPC技术的DSP
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4
单片机与SOPC
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5
单片机
MCU，即微控制器，类似于单片机。 单片机=MCU+集成了的功能模块+各种接口。 单片机的开发，都是基于已经存在的系统架构，
22
设计要求
①能输出一定频率的正弦波信号；
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23
方案一:（专用芯片）
MAX038是MAXIM公司生产的一个只需要很少 外部元件的精密高频波形产生器，他能产生准 确的高频正弦波、三角波、方波。
输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或 电阻来分别地控制。所需的输出波形可由在 A0和A1输入端设置适当的代码来选择。
2、软硬结合的方案。根据待实现的DSP算法的特 征，为Nios处理器设计自定制指令的硬件加速器接 口模块 →然后生成能够完成DSP功能的Nios处理 器及对应接口系统→最终DSP功能实现是通过软件 完成的。
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20
DSP Builder 设计流程
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21
信号发生器的设计
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应用者要做的就是开发软件程序和添加外部设 备。
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6
PIC16F873结构图
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7
EDA
EDA ， 电子设计自动化，一种设计方法（技 术）。
EDA，可以集成各种功能模块，每一种功能都 是由硬件描述语言设计程序，然后在PLD内由 电路实现的；
EDA，利用芯片的一部分资源去实现某种传统 的功能。这种功能是没有限定的，可以是存储 器，当然也可以是处理器。
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28
方案三：
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29
基于FPGA的DDS实现信号发生器设计
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30
方案的实施
程序参见EDA教材P195页; 设计的进一步发挥,参见EDA教材的P338页; 波形数据生成文件:
#include <stdio.h> #include "math.h" main() { for(i=0;i<256;i++) { s=sin(atan(1)*8*i/256); printf("%d:%d;\n",i,(int)((s+1)*255/2)); } }
SOPC技术
Tel : Email:
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1
参考资料
《SOPC技术实用教程》
清华大学出版社 潘松 等编著
《挑战SOC—基于Nios的SOPC设计与实践》
清华大学出版社 彭澄廉 等编著
《SOPC设计基础与实践》
西安电子科技大学出版社 王建校ห้องสมุดไป่ตู้等编著
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2
第一章 概述
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13
1.2 SOPC及其技术
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14
3种SOC方案的比较
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15
构成SOPC的3种方案
基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统
（即在FPGA中预先植入嵌入式系统处理器）
基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统
（即在FPGA中植入软核嵌入式系统处理器）
基于HardCopy技术的SOPC系统
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24
方案一：
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25
方案二： （锁相环）
采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压 控振荡器的输出频率锁定在所需频率上。
这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可 以很好地选择所需频率信号，抑制杂散分量， 并且避免了大量的滤波器，有利于集成化和小 型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁 定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由 模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 和相位都很难控制。
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31
SignalTapⅡ仿真
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16
1.3 基于FPGA和SOPC技术的处理器
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Nios
Altera的Nios核是用户可随意配置和构建的32位/16位 总线指令集和数据通道的嵌入式系统微处理器IP核。
基于Nios的SOPC系统，可以定制指令为嵌入式处理 器配置专用的硬件加速器；还可以利用FPGA的可重 配置的特性，在不同的时间内针对不同的处理目标， 配置含相应加速器的嵌入式系统。
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1.1 SOC单片系统
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名词解释
IC
（Integrated Circuit）是半导体元件产品的
统称，包括：集成电路、三极管和特殊电子元件等。
ASIC （Application Specific Integrated Circuit ）
是指为特定用户、某种专门或特殊用途而设计的芯片。
SOPC是以FPGA为物理载体的系统芯片的设计； SOC 是以ASIC 为物理载体的系统芯片的设计。
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SOC/SOPC
SOC ，硬件调试成功后直接投片生产成“固 定结构的芯片”。
SOPC ，“用FPGA做为最终实现” 的，可以 随时进行硬件升级与调试的SOC。所以说 SOPC是SOC的一种解决方案。
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1.4 基于FPGA和SOPC技术的DSP
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DSP Builder
DSP Builder是Altera推出的面向DSP开发的系 统级工具。
基于SOPC的DSP实现方案有两种：
1、纯硬件的方案。利用Matlab→DSP Builder →QuartusⅡ的开发流程直接实现；
大规模功能模块，从而构成一个能够处理各种信 息的集成系统。
狭义而言，SOC是一种结合了许多功能模块和微 处理器核心的单芯片电路系统。
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名词解释
SOC和SOPC是以IP为基础的，以HDL为主要设 计手段，借助于计算机为平台的EDA工具进行的， 面向单片系统级专用集成电路设计的计算机技术。
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方案二：
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27
方案三： （DDS）
采用直接数字式频率合成器。用RAM存储所 需小型的量化数据，按照不同频率要求以频率 控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加 相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形 数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得 所需波形。
DDS具有相对带宽很宽，频率转换时间短，频 率分辩率可以做到很高。并且大量控制逻辑集 成在FPGA中既减少了大量硬件连线，又降低 了干扰，系统实现方便，性能稳定。
EDA （Electronic Design Automation）是基于
PLD，以HDL为描述方式，利用计算机技术和EDA工 具，实现电子设计自动化。
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名词解释
SOC (System on Chip) SOPC (System on Programmable Chip)
广义而言，SOC指在单片上集成系统级多元化的
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主要内容
SOC单片系统 SOPC及其技术 基于FPGA和SOPC技术的处理器 基于FPGA和SOPC技术的DSP
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单片机与SOPC
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5
单片机
MCU，即微控制器，类似于单片机。 单片机=MCU+集成了的功能模块+各种接口。 单片机的开发，都是基于已经存在的系统架构，
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设计要求
①能输出一定频率的正弦波信号；
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方案一:（专用芯片）
MAX038是MAXIM公司生产的一个只需要很少 外部元件的精密高频波形产生器，他能产生准 确的高频正弦波、三角波、方波。
输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或 电阻来分别地控制。所需的输出波形可由在 A0和A1输入端设置适当的代码来选择。
2、软硬结合的方案。根据待实现的DSP算法的特 征，为Nios处理器设计自定制指令的硬件加速器接 口模块 →然后生成能够完成DSP功能的Nios处理 器及对应接口系统→最终DSP功能实现是通过软件 完成的。
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应用者要做的就是开发软件程序和添加外部设 备。
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PIC16F873结构图
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EDA
EDA ， 电子设计自动化，一种设计方法（技 术）。
EDA，可以集成各种功能模块，每一种功能都 是由硬件描述语言设计程序，然后在PLD内由 电路实现的；
EDA，利用芯片的一部分资源去实现某种传统 的功能。这种功能是没有限定的，可以是存储 器，当然也可以是处理器。
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基于FPGA的DDS实现信号发生器设计
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方案的实施
程序参见EDA教材P195页; 设计的进一步发挥,参见EDA教材的P338页; 波形数据生成文件:
#include <stdio.h> #include "math.h" main() { for(i=0;i<256;i++) { s=sin(atan(1)*8*i/256); printf("%d:%d;\n",i,(int)((s+1)*255/2)); } }
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参考资料
《SOPC技术实用教程》
清华大学出版社 潘松 等编著
《挑战SOC—基于Nios的SOPC设计与实践》
清华大学出版社 彭澄廉 等编著
《SOPC设计基础与实践》
西安电子科技大学出版社 王建校ห้องสมุดไป่ตู้等编著
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第一章 概述
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13
1.2 SOPC及其技术
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3种SOC方案的比较
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构成SOPC的3种方案
基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统
（即在FPGA中预先植入嵌入式系统处理器）
基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统
（即在FPGA中植入软核嵌入式系统处理器）
基于HardCopy技术的SOPC系统
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方案一：
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25
方案二： （锁相环）
采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压 控振荡器的输出频率锁定在所需频率上。
这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可 以很好地选择所需频率信号，抑制杂散分量， 并且避免了大量的滤波器，有利于集成化和小 型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁 定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由 模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 和相位都很难控制。
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SignalTapⅡ仿真
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