SOPC系统设计实例

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EDA技术——SOPC设计“hello world”

昆明理工大学信息工程与自动化学院学生实验报告（ 201—201学年第学期）课程名称：EDA 技术开课实验室：年月日年级、专业、班学号姓名成绩实验项目名称 SOPC 设计“hello world ”实验指导教师教师评语教师签名：年月日一、实验目的通过本实验具体学习SOPC 开发流程。

二、实验设备1、带有windows 操作系统，quartusII ，niosII 软件的PC 机台。

2、 FPGA 实验箱及电源线，下载线。

三、实验要求熟悉SOPC 从定制cpu 到nios 软核内程序编写的整个流程。

四实验原理利用QuartusII 中的SOPCbuilder 来定制cpu ，然后配合niosII ，来实现一个完整的嵌入式系统功能，这是不同于FPGA 的开发方式。

五、实验步骤1、按照前面实验在QuartusII 中建立工程，在TOOLs 菜单中选择SOPC Builder ，如图 3.1。

图3.1 建立工程✧新工程名命名为SOPC。

✧建完这个工程后，首先建一个原理图文件。

✧File->new->Block Diagram/Schematic File,通过此操作建好一个原理图文件，如图3.2所示。

图3.2 建立原理图文件2、定制CPU，参照上图，有一个图标，点击它打开SOPC builder，打开后，在弹出的界面system name后填写名字，这里写的是cpu，自己可以起其他名字，然后点ok，如图 3.3。

图 3.3 SOPC builder 界面1) 构建处理器模块：处理器就是用来做解释程序，运算等操作，图中左栏可以看到，Nios II Processer选项，双击后弹出处理器的属性选项框，我们自己设置参数，来定制所需的处理器，如图 3.4。

图 3.4 处理器属性框✧这里为我们提供了三种类型的CPU，Nios II/e 占用资源最少600-800LEs，功能也最简单，速度最慢。

SOPC设计应用概述

IP复用技术是SoC的设计基础
IP复用技术
SoC 设计是一个复杂的过程，如果是从头开始完成芯片设计，显然将花费大量的人力物力。另外，现在电子产品的生命期正在不断缩短，这要求芯片的设计可以在更短的周期内完成。为了加快SoC 芯片设计的速度，人们将已有的IC 电路以模块的形式，在SoC 芯片设计中调用，从而简化芯片的设计，缩短设计时间，提高设计效率。
SOPC？
定义：SOPC (System On a Programmable Chip，可编程片上系统）技术是指面向单片系统级专用集成电路设计的计算机技术。它是利用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。SOPC是片上系统（SOC， System On a Chip ），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；同时它又是可编程系统，可裁减，可扩充，可升级。
IP的分类
软核，Soft Core 高级语言或HDL代码，可以是RTL描述或行为描述
固核，Firm Core 映射到标准单元库的门级网表，可带有部分的物理设计
信息硬核，Hard Core 生产验证过的版图和全套工艺文件 IIP，Implementation IP 可用于物理实现的IP VIP，Verification IP 用于验证的IP
IP的标准化
IP的标准化 IP复用技术对IP模块的标准化提出要求 SoC标准化组织
1. VSIA, Virtual Socket Interface Alliance, 虚拟插件接口联盟 2. 3. VC, Virtual Component, 虚拟元件
片上总线标准
SOPC实现方案的优势
延长产品生命周期 1. 缩短产品上市时间 2. 建立有竞争性的优势 3. 延长产品的生命周期 4. 在产品产量增加的情况下降低成本

一种新型SoPC自动指纹识别系统设计

王

。国学电设文竞２０中大生子计章赛０１
一
种新型ＳＰ自动指纹识别系统设计ｏＣ
肖芳，罗军，安文，启俊，王黄常胜
（汉大学物理科学－技术学院电子科技系，北武汉４０７）武９湖３０２
摘要：设计了一种基于ＳＰ的新型结构的自动指纹识别系统。通过对指纹处理整体流程的选ｏＣ
择和优化，耗时较多的指纹预处理部分整体硬件化，时较少的匹配部分软件化，得系统处理速将耗使
ｐｒｔｎｄｓａｄａｅａｔｎｓｆｒｐｒ，ｗｈｌｔｅｉａｔｉｅａｈｒｗｒｐｒｉｏａｄｏｔｅａｗａｔｉｈｔｅｍｅ—ｃｎｕｎｐｏｅｓｓｍｐｅｎｅｂｈｒｗｒａｄｈｏｈｒｓｏｓｍｉｇｒｃｓｉｉｌｍｅｔｄｙａｄａｅｎｔｅｔｅｓｉａｈｅｅｂｓｆｒｃｉｖｄｙｏｔｅ．Ｔｉｏｔｚｔｎｉｎｆａｔｉｒｖｄｙｔｍ ’ ｐｏｅｓｎｓｅｄｏｘｍｐｅａｒｔｏｎｅｐｉｔｍａｅｗａｈｓｐｉａｉｓｉｃｎｌｍｐｏｅｓｓｍｉｏｇｉｙｅＳｒｃｓｉｇｐｅ，ｆｒｅａｌ，ａｅｆｆｇｒｒｎｉｇｉ
Ａｂｔａｔｎｈｓａｅ，ａｏｅＳＰｄｓｎｆａｔｍａｅｎｅｐｉｔｄｎｉｃｔｎｙｔｍｓｐｅｅｔｄｓｒｃ：ＩｔｉｐｐｒｎｖｌｏＣｅｉｏｕｏｔｄｆｇｒｒｉｅｔａｉｓｓｅｉｒｓｎｅ．ＴｅｏＣｓｓｍｉｇｉｎｉｆｏｈＳＰｙｔｅｓ

基于SOPC的高速数据采集系统设计

Ｈｉｈ－ｐｅｄＤａａＡｃｕｓｔｏＳｓｅｓｄｏＯＰＣｇｓｅｔｑｉｉｉｎｙｔｍｂａｅｎＳ
ＬＷｅｃａ，ＰｎａｇＬｕＹｎ，ｉｉｈ，ｉｉＬｉｉｎｈｏｕＮａｊｎ，ｉａｇＬＸａｕＬＸａｅｉｏｏ
基于ＳＰ的高速数据采集系统设计ｏＣ
李文超蒲南江刘洋李小虎李晓雷
Байду номын сангаас
（大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原００５）中北３（１１
摘要：计了一种ｖＦ设￣ＰＧＡ为载体的ＳＣ￣存储式低成本数据采集系统，分析ＭＡｘ１（模数转换器特性及转换时序的基础上，，ＯＰ在３）８完成ＴＡＤＣ￣连接及其外围电路设计。通过编程ＦＧＡ内部软核处理器ｍｉｒｂａｅ自定义数据采集Ｉ核控制整个系统的时序状态，Ｐｃｏｌｚ和Ｐ实现处理器和硬件控制器为核心的数据采集系统。实验结果表明，该设计能够实现低成本高速采集，路同时采集速度ｉＤ１Ｍｂｓ多ｇ］．６／并使用闪速存储器ＦＡＨ实现高速存储。，Ｌｓ关键词：据采集ＦＧＡ闪速存储器ＳＣ数ＰＯＰ中图分类号：２３ＴＰ７文献标识码：Ａ文章编号：０７９１２１）６０７ — ２１０ — ４６（０１０ — ０１０
ｅｉｅｓｔｍｉｉｎｔｒｙｓｅｔｍｎｇｔｔ．ＡｓｔｓａｅｈｅＣｏｒｏｃｓｏｒａｅｏｆＰｒｅｓｎｄｈａｒｄｗａｅＣｒｏｎｔｏｌｅｓＣｎｅａｉｅｉｓｄａａａｒｌｒａｒｌｚｔｔｃｑｎｉｉｉｙｓｅｓｔｏｎｓｔｍ．Ｔｈｅｅｘｐｅｉｒ — ｍｅａｒｕｌｓｓｗｔｔｔｄｅｓｇｎｅｓｔｍｃｎａｈｉｗｅｏｗ —ｃｔｈｉｎｔｌｅｓｔｈｏｈａｈｅｉｄｙｓｅａｃｅｌｏｓｇｈ—ｓｅａｑｕｉｉｉｐｅｄｃｓｔｏｎ．Ｍｕｌｉｅｉｕｌａｎｅｔｐｌｓｍｔｏｕｓｃａｑｕｉｉｉｓｔｏｎ

EDA技术——SOPC设计“hello world”

二、实验设备1、带有windows 操作系统，quartusII ，niosII 软件的PC 机台。

2、 FPGA 实验箱及电源线，下载线。

三、实验要求熟悉SOPC 从定制cpu 到nios 软核内程序编写的整个流程。

四实验原理利用QuartusII 中的SOPCbuilder 来定制cpu ，然后配合niosII ，来实现一个完整的嵌入式系统功能，这是不同于FPGA 的开发方式。

五、实验步骤1、按照前面实验在QuartusII 中建立工程，在TOOLs 菜单中选择SOPC Builder ，如图 3.1。

图3.1 建立工程✧新工程名命名为SOPC。

✧建完这个工程后，首先建一个原理图文件。

✧File->new->Block Diagram/Schematic File,通过此操作建好一个原理图文件，如图3.2所示。

图 3.4 处理器属性框✧这里为我们提供了三种类型的CPU，Nios II/e 占用资源最少600-800LEs，功能也最简单，速度最慢。

基于SOPC的数据采集系统设计

３ＦＧＰＡ系统硬件设计
Ｘｉｎｌｘ公司ＥＫ（入式开发套件）的ＸＰｉＤ嵌Ｓ（台工作室）的系统组建面板以展开式的树和表平
形式显示所有硬件平台Ｉ实例，因此用户可以方便Ｐ
地查看自己的嵌入式设计。在此面板中可以对Ｉ元Ｐ
言，在芯片内部设计硬件控制系统；利用ＥＫ（Ｄ嵌入式开发套件１为特定硬件配置自动生成的软件包结合Ｃ语言．设计基于Ｍｉｒｂａｅ处理器的软件ｃｏｌｚ
控制程序。
Ｘｌｘ公司的ＦＧｉｎｉＰＡ器件是基于ＳＡＲＭ的内部结构，掉电后ＦＧ的内部逻辑丢失，因此外部需ＰＡ要一个配置芯片在每次上电时可以将配置数据加
专用兀葫仟
ｄｉＯ３６／ｉｎ１６－７５２１．５０７ｏ：．９９ｊｓ．５３４９．１０。０ｌ．ｓ０
基于ＳＰＯＯ的数据采集系统设计
常璐
００５）３０１（中北大学信息探测与处理技术研究所，山西太原
大地节省了ＣＵ资源。Ｐ
ｆ１ＦＡＨ读写控制逻辑：主要实现ＫＸＧ８４ＬＳ９Ｘ０ＵＡ系列的ＮＮｌｓＸＡＤＦａｈ存储器的读写时序，完成
对ＦＡＨ的操作。ＬＳ在ＳＰ硬件系统设计过程中用户Ｉ核的设计ＯＣＰ
发送缓冲区，可以进行数据的大吞吐量操作。通

SOPC设计

基于FPGA的片上可编程系统（SOPC）设计一．Quartus II，用于完成Nios II系统的综合、硬件优化、适配、编程下载和硬件测试。

Nios II系统是工程的一部分。

二．SOPC Builder是Altera Nios II嵌入式处理器开发软件包，用于实现Nios II 系统的配置、生成、Nios II系统相关的软件的生成Nios II开发分硬件开发和软件开发两个流程，硬件开发过程主要由用户定制系统硬件，然后由SOPC Builder等工具完成系统硬件和对应的开发软件生成。

三．建立系统模块选择Quartus II菜单Tools->SOPC Builder…，打开与Quartus II集成的SOPC开发工具SOPC Builder。

弹出下图：输入系统名，本例中为：nios_ii，HDL选择Verilog。

确认后进入SOPC Builer设计界面。

在右上部分选择目标板和系统时钟，本例中目标板选DE2，系统时钟默认50M。

1.定制Nios 处理器（CPU Core）首先加入的是CPU核，选择组件栏中的Avalon Modules ->Nios II Processor右键点击，选择Add New Nios II Processor Altera Corporation…,打开配置对话框如下图：Nios II提供三个选项，经济、标准、快速的CPU核，我们选经济核。

其他选项表单中都默认，点击Finish完成。

并选择JTAG调试模块，Level1。

2. 加入on_chip_memory使用FPGA内部RAM资源，可以构成RAM或ROM，速度快，特别在调试时因为很少受外部连线等因素的限制很有用。

组件栏中选择Legacy Components->On-Chip Memory打开界面，如下图：定义了4k字节的RAM。

3. 加入JTAG(联合测试行动组)串口JTAG UART在调试中非常有用，在PC主机和FPGA之间进行串行字符流通信。

基于SOPC的管道超声导波检测系统设计

（．械工程学院电气工程系，北石家庄１军河０００２驻南京地区军代室，苏南京５０３；．江２００）１０８
摘要：针对国内超声导波检测仪器相对落后的现状，出了基于单片ＦＧ提ＰＡ设计管道超声导波检测系统的方法。以
存储等功能于一身。实验表明：各功能运行正常，能方便地应用于管道超声导波检测。关键词：超声导波；ｉｒＢａＤ；测系统ＤＳ检
中图分类号：Ｐ７Ｔ２４文献标识码：Ａ文章编号：０２—１４（０２００５０１０８１２１）８— ０３— ３
的外设Ｉ和自主编写的ＩＰ核Ｐ核的访问，后辅以必要的外围最
导波检测系统的研发仍大都处于实验室阶段。北京工业大学测控技术与仪器实验室建立了一套管道导波检测系统，系统由多个分立设备组成（任意函数发生器、如示波器等）不同设备，之间搭接复杂。何存富等研制了基于ＬｂＩＷ的小型化导ａＶＥ
等用单片ＦＧＰＡ包含，大大提高了系统的灵活性、定性，稳对研发小型化、集成化超声导波检测系统具有很大优势。文中给出
字信号送交ＳＰＯＣ系统进行波形显示、缺陷定位、数据存储等处
珲
收稿日期：０１— ８— ０收修改稿日期：０２—０２２１０３２１５— ５
０引言
了一种基于ＦＧ和Ｍｉｏｌｚ核处理器，过移植ｕ／ＳＰＡｃＢａｅ软ｒ通ＣＯ

SOPC开发流程及开发平台简介

案例二：智能门禁系统的SOPC开发
要点一
总结词
要点二
详细描述
智能门禁系统是SOPC开发的另一个应用领域，通过集成微处理器、读卡器、显示屏等模块，实现门禁的智能化管理。
智能门禁系统SOPC开发同样涉及硬件设计、逻辑设计、系统集成等多个环节。在硬件设计方面，需要选择合适的读卡器、显示屏等器件，并设计合理的电路板布局和布线。在逻辑设计方面，需要编写门禁控制程序和算法，实现门禁的智能化管理。在系统集成方面，需要将各个模块进行整合，并进行测试和调试，确保系统的稳定性和可靠性。
IP核
可重用的硬件模块，用于加速SOPC系统的开发，如处理器核、存储器控制器等。
硬件描述语言
用于描述硬件逻辑的编程语言，如VHDL和Verilog。
软件开发平台
嵌入式操作系统
提供多任务管理和系统资源管理功能，如Linux、 VxWorks等。
1
开发工具
用于编写、编译和调试应用程序的软件工具，如Eclipse
IP核
用于设计可复用的硬件模块，如CPU、DSP、GPU等。IP核可以由第三方提供，也可以自己开发。
软件开发工具
编译器
01
调试器
பைடு நூலகம்02
03
集成开发环境（IDE）
用于将高级语言编写的程序编译成机器码，常见的编译器有GCC、 Clang等。
用于调试程序，常见的调试器有 GDB、JTAG等。
用于编写、编译、调试程序，常见的IDE有Eclipse、Visual Studio等。
通信领域
信号处理
SOPC技术在通信领域广泛应用于信号处理，如调制解调、信道编解码等。
高速串行接口
SOPC技术可以实现高速串行接口，如PCI Express、Serial RapidIO等，用于高速数据传输。

基于Nios Ⅱ的SOPC系统设计

能囤ｌ
建立项层图
ｌ
用ＳＯＰＣＢｕｌｅ建ｉｒｄ立Ｎｉｓ理器及ｏ处
所需外设接口
段．借助于以计算机为平台的ＥＡ工具进行＿。Ｄ２ｊ
２基于ＮｏｌＳＣ设计流程ｉｓｌ的０Ｐ
基本的ＳＰＯＣ系统，致可以分为ＦＧ存大ＰＡ、
１概
述
ＳＰＳｓｍＯｒｇａａｌＣｉ１ＯＣｆｙｔｎＰｏｒｍｍｂｅｈｐ即可编ｅ
程的片上系统是一种特殊的片上系统（ｏ）其实ｓｃ，
质就是ＳＣ技术ｆＯ由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能１只是它利用了ＦＧ，ＰＡ或ＣＬＰＤ器件的可编程性来进行ＳＣ设计ｎ。ＳＰＯ］ＯＣ最早是由美国Ａｔａ司于２０ｌｒ公ｅ００年提出来的，同时推出并
于设计工程 Байду номын сангаас件，建立Ｎｏ核。具体流程如图２ｉｓ
所示［。３］
２１硬件设计．
根据系统要实现的功能．定Ｎｏ处理器和确ｉｓ
外围器件，：如显示屏、钮、按蜂鸣器、储器等。存接
下来，在ＳＰｕｌｅ中建立系统要添加的模ＯＣＢｉｒｄ块，括：ｉＩ３ｂｔＰ定时器、键ＰＯ、包ＮｏＩ２ｉＣＵ、ｓ按ＩＬＤＰＯ、部ＲＣＩ外ＡＭ总线（ａｏＡｖｌｎ三态桥）外部、

基于SOPC的信息采集系统设计

ｌｅｆｔｗｒｉｇｐｎｉｌａｄｓｕｔｒ，ｅｃｂｄｔｅａｖｎａｅｆｈｅｉａｅｎＳＰ．ＩｉｏｄｃｄｒｈｐｉＳＡ１３ｙｄｏｓｏｋｒｃｅｎｒｃｅｄｓｒｅｄａｔｓｅｄｓｎｂｓｄｏＯＣｔｖｄｅｏｅｉＡ７ｚｉｎｉｐｔｕｉｈｇｏｔｇｓｅｃｓ１
Ｔｅ；）ｉｒ系统Ｉｍ２Ｄ外设；）ＤＤＡ３ＤＲＳＲＭ控制器内核；）４
等模块，个模块间通过信各
号进行传输。其总体的流程
图如图４所示。
总控部分ＶＤＨＬ代码如下（由于篇幅的限制仅罗列部分的代码）：
ｐｏｅｓ（ｒ．ｌ）ｒｃｓｓｅｔｋ图４主控部分的整体流程图
０引言
摄
放
像
大
信息采集系统是视频信号处理系统的前端部分，在
工业、医疗、生产和军事等方面有着广泛的应用，特别是在有些特定的、危险的环境下信息采集系统代替人工值守的
端前等等头■ 波滤亩 — — —
采集装置模拟电路
＿
ｉｓｆ（ｒｔ＝… ｈｎ１）ｔｅ
ｅｄｉ；ｎｆｗｈｎｏｈｎ＝＞ｅｔｅｓ
ｎｘ
＿
ｐｓｔｒｔｅ＜＝ｓｒｅ；＿ａｔｔｓ ——初始化状态ａｒｔ
ｅｓｌｉｌ￣ｅｔｎｌ＝… ｈｎｆ（ｃｋｖｎｄｅｋ１）ｔｅａ
ｐ＿ｓａｅ＜＝ｎ＿ｓａｅ：ｒｔｔｘ＿ｔｔ
码芯片，它支持隔行扫描和多种数据输出格式，可通过其Ｌ２Ｃ接口对芯片内部电路进行控制。ＳＡ１３的主要作用Ａ７１

基于SOPC的电力参数测量系统设计

更强。
频率成分。本文即是研究利用ＡｔａＣｃｎＩＦＧ构建ｌｒｙｌｅＩＰＡｅｏ设有限长序列信号（ｇ，ｒｎ＝０１ … ，，），，Ｎ一１则，ＳＰＯＣ系统实现电能质量监测系统的设计，现对电实（）ＤＴ变换为：ｎ的Ｆ网三相电路电压、流、率、率因数、波等电能电功功谐
处理器或加速器系统、ＳＤＰ系统、数字通信系统、存储息，如谐波功率、波阻抗以及对谐波进行各种统计谐电路以及普通数字系统等，在单一ＦＧＰＡ中实现。Ａ— 和分析等，ｌ各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需ｔａ公司ＮｏＩ软核概念的提出及ＳＰｅｒｉｓＩＯＣ的软硬件综要打印输出 ’ 。２ｊ。合解决方案，以在ＱａｔｓＩ和ＮｏＩＩＥ中进行软２３离散傅里叶变换可ｕｒｕＩｉｓＤＩ．硬件开发，硬件和软件整体设计上将嵌入式系统设从ＤＴ是连续傅里叶变换的离散形式，ＦＦＤＴ变换是计进行了极大的推动，得嵌人式系统的硬件电路更使针对有限长序列信号进行傅立叶变换的一种数值分加简单、效，于理解；件设计变得轻松，植性有易软移析方法，它的主要应用之一就是分析连续时间信号的
∞
质量参数的测量。
ｘｊ）＝ ∑ （）（ａｎｅ加
［，ｒ０２］７
２系统概述

人脸检测系统的SoPC设计

Ⅱ处理器的自定义指令，用硬件实芯片￣ＣＭＯＳ光感应核与外围辅助该芯片的片上资源比较丰富，有ｆ现部分算法，大大提高了数据的处电路集成在一起，
～
理速度，保证了较好的实时性。在具有可编程控制
引言
相应的ｃ语言程序即可，不需要再分辨率）两种模式。输出帧频在
人脸检测跟踪是计算机视觉中做硬件板，非常方便。下面介绍一０５ｐ－０ｐ之间可调。出窗口尺．ｆｓ３ｆｓ输
图像数据输出格式可以为８位／ｌ６
本文设计的人脸检测跟踪系Ｃｂ４２Ｉ６６
便携的要求，更不适合露天使用；主要包括三个模块：图像采集模Ｉ６ＧＲＢ４：：Ｒ２０１２２或ＲＧＲｗＲａ而采用通用的ＤＳＰ芯片组成的系块，人脸检测跟踪模块以及数据通Ｄａ。工作在逐行／ｔ能ａ隔行扫描方式统，外围电路较复杂，设计与调试信模块。下，能工作在彩色／白模式下也黑上述的所有性能，户可以根据自用
维普资讯
２６０逻辑单元（Ｅ，４７ｉ界信息。图像增强技术主要包括直图像的处理数据运算量大，循环数５６个Ｌ）１４５６ｂｔ９ｏ的Ｉ的ＲＡＭ，１０个ＤＳＰ模块，６数字方图修改处理、图像平滑处理和图目多，而ＮｉｓＩ定制指令个数已个５锁相环（Ｌ，用户可用的ＩＤＰＬ）／Ｏ最像锐化处理等。所以，实际的人脸增加到２６个，可以使用定制指令多达到７２个。在ＥＰ￥５中嵌入检测系统采用图像增强来消除光照完成许多循环内的数据处理，从而０１２Ｎｉｓ核，控制连接在外部总线上影响。ｏ软的ＳＡＭ和Ｆａｈ用它的以太网模Ｒｌｓ，加速数据处理的速度。定制指令逻

sopc课程设计流水灯

sopc课程设计流水灯一、教学目标本节课的教学目标是让学生掌握SOPC课程设计的基本流程，学会使用硬件描述语言进行简单的流水灯设计，并了解SOPC系统的基本组成和功能。

在技能目标方面，学生应能够独立完成流水灯的设计和验证，提高自己的实际动手能力和解决问题的能力。

在情感态度价值观目标方面，学生应培养对SOPC技术的兴趣和好奇心，认识到了解和掌握SOPC技术的重要性。

二、教学内容本节课的教学内容主要包括以下几个部分：首先，介绍SOPC系统的基本概念、组成和功能；其次，讲解硬件描述语言的基本语法和用法，以及如何使用硬件描述语言进行流水灯的设计；然后，引导学生掌握SOPC课程设计的基本流程，包括需求分析、硬件设计、软件设计、仿真验证和硬件实现等；最后，通过案例分析，让学生了解SOPC技术在实际应用中的优势和价值。

三、教学方法为了达到本节课的教学目标，我们将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。

首先，采用讲授法，向学生讲解SOPC系统的基本概念、组成和功能，以及硬件描述语言的基本语法和用法；其次，采用案例分析法，让学生通过分析实际案例，了解SOPC技术在实际应用中的优势和价值；然后，采用实验法，让学生动手实践，独立完成流水灯的设计和验证，提高自己的实际动手能力和解决问题的能力；最后，采用讨论法，引导学生针对设计过程中遇到的问题进行讨论和交流，培养学生的团队协作能力和沟通能力。

四、教学资源为了支持本节课的教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：首先，教材和相关参考书，为学生提供理论知识和设计方法；其次，多媒体资料，包括PPT、视频等，用于辅助讲解和演示；然后，实验设备，包括FPGA开发板、编程器等，为学生提供动手实践的机会；最后，网络资源，包括在线教程、论坛等，为学生提供更多的学习资料和交流平台。

五、教学评估本节课的评估方式将采用多元化的形式，以全面、客观、公正地评价学生的学习成果。

评估主要包括以下几个方面：1.平时表现：通过观察学生在课堂上的参与程度、提问回答、小组讨论等表现，评价学生的学习态度和积极性。

SOPC 系统设计实例

Sopc系统设计实例Sopc系统设计实例 (1)1 sopc系统设计流程 (1)2 SOPC 系统设计实例 (2)1.建立工程 (3)2.建立顶层设计文件 (10)3.用SOPC Builder建立一个新的SOPC硬件系统 (12)4.向系统中添加Nios II处理器 (14)5.添加片上存储器 (20)6.添加JTAG UART (22)7.添加定时器 (24)8.添加自定义组件七段数码管控制器 (25)9.自动设置基地址 (34)10.加入System ID模块 (34)11.生成系统 (35)12.例化Nios II处理器 (37)13.导入引脚分配 (38)14.编译并下载设计 (41)15.启动Nios II IDE (42)16.建立新工程 (42)17.修改系统库属性 (46)18.修改代码 (47)19.编译并运行工程 (49)1 sopc系统设计流程SOPC系统的设计流程如图1所示。

设计者首先根据任务要求决定系统需求，然后用SOPC Builder建立自己的SOPC系统，完成这项工作之后，硬件工程师和软件工程师可以开始协同工作。

硬件工程师首先建立一个顶层设计文件，将生成的SOPC系统例化，并设置引脚分配，时序要求及其他设计约束，，然后编译硬件设计并将FPGA设计下载到目标板中。

在硬件工程师工作的同时，软件工程师可以用Nios II IDE开发应用软件，并在Nios II IDE中使用Nios II 指令仿真器（ISS）运行并调试软件，等硬件工程师把硬件设计下载到目标板中之后，软件工程师将可执行软件下载到目标板上的Nios II 系统中，并在目标板上运行调试软件，如果发现软件设计不满足设计要求，则再改进硬件和软件的设计。

图1 sopc系统设计流程2 SOPC 系统设计实例用SOPC系统在DE2平台上实现一个计数器。

先在DE2平台上建立SOPC 系统的硬件，这个系统包括一个NIos II/s 嵌入式处理器、存储器、一个JTAG UART及一个定时器，一个ID模块。

【精品】SOPC开发流程和开发实例

S O P C开发流程和开发实例第1节SOPC开发流程和开发工具SOPC设计包括硬件和软件两部分。

硬件设计：主要基于Quartus II和 SOPC Builder。

软件设计：基于Nios II IDE。

流程见图解析：分析系统需求:在进行SOPC开发之前，首先必须确定系统的需求，如应用系统需求的计算性能、需要的带宽和吞吐量、需求的接口类型以及是否需求多线程的软件等。

建立Quartus II工程:每个开发过程开始时都应建立一个工程，Quartus II是以工程的方式对设计过程进行管理。

在工程中建立顶层模块文件.bdf相当于传统电路设计中的电路板（PCB）。

定义和生成系统:在SOPC Builder中添加需要的功能模块（Nios II及其标准外设模块），完成后生成一个系统模块。

定制指令&定制外设逻辑:如果需要，用户可以定制指令和外设逻辑。

(可参考第8章)自定义的功能模块:当设计中现有模块不能满足设计要求时，可设计自己的功能模块。

并在顶层模块中使用；集成SOPC生成的系统到Quartus II工程 :在顶层模块中，分别将SOPC Builder生成的系统模块、LPM功能模块以及用户自定义功能模块添加到顶层模块中;连接各功能模块:然后将各个功能模块用连线连起来组成系统功能原理图。

Altera的LPM模块:在Quartus II软件中包含了大量的Altera公司提供的LPM功能模块，相当与传统设计中除处理器以外的逻辑芯片(如74系列)；选择FPGA型号并进行管脚分配：为系统功能原理图选择芯片载体并为各个输入输出信号分配芯片的管脚；进行编译选项设置：设置编译选项，从而让编译器按照用户设定来进行编译；编译硬件系统生成配置文件sof：编译系统生成硬件系统的配置文件*.sof和*.pof。

编译系统是一个非常复杂的过程，包括优化逻辑的组合、综合逻辑、适配FPGA、布线以及时序分析等步骤。

下载配置文件到FPGA器件：将配置文件.sof下载到FPGA，将可执行文件.elf 下载到RAM。

SOPC课程设计报告

中国地质大学（武汉）机电学院电子信息工程专业片上系统设计报告指导老师:小组成员:日期:设计题目：基于NIOSII软核的两轮自平衡小车摘要：本设计采用FPGA的SOPC技术利用在FPGA内部构建NIOSII软核并在软核中例化定时器模块、PWM模块、UART模块和外部中断等特定的IP核。

在规定10ms 周期内CPU需要完成采集MPU6050陀螺仪和加速度计的数据，通过卡尔曼滤波计算出小车的姿态；通过外部中断触发方式采集电机自带编码器的输出脉冲信号，计算当前小车左右轮子车速；采用PID闭环控制算法，计算出维持车身姿态的电机驱动信号PWM波的占空比，驱动电机实现小车平衡。

关键词：FPGA；SOPC；NIOSII；IP核；陀螺仪；卡尔曼滤波；PID算法1.系统方案1.1 系统结构1.1.1 系统总体框架SOPC最小系统CPUEPCSSDRAM内置外设电机驱动减速电机电机自带编码器MPU6050蓝牙无线收发JTAG_UART图1 系统整体框图此设计的二轮平衡车系统主要分为以下功能模块：（1）Nios II软核：用来读取各传感器数据，进行算法运算，产生控制信号维持平衡车姿态。

（2）JTAG_UART：用来下载程序和调试软件各部分功能。

（3）MPU6050：六轴姿态传感器，内部集成三轴陀螺仪和三轴加速度计，用以检测小车姿态。

（4）蓝牙无线收发：连接Nios II软核中的串口内置外设，用以将传感器数据发送给上位机，来进行小车算法调试。

（5）电机驱动：用来将Nios II软核输出的PWM信号转换成电机驱动电流，驱动大功率电机正常运转。

（6）电机自带编码器：用来检测小车左右两个电机的转速，反馈给软核用于下一步运动的解算。

本设计利用FPGA的SOPC功能在FPGA芯片内部利用SOPC Builder设计符合系统要求的Nios II软核，在顶层文件中添加该软核和其他一些硬件资源（PLL，逻辑单元等）并完成引脚分配，最终实现实际电路的综合，配合Nios II IDE 开发软件，开发系统软核实现控制二轮小车直立等动作。

基于Linux的SoPC应用系统设计

基于Linux的SoPC应用系统设计SoPC(System on Programmable Chip)是一种特殊的嵌入式系统。

首先，它是一种SoC系统，即由一个芯片完成系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程的片上系统，即可配置、可裁减、可扩充、可升级，具有硬件系统的可编程性。

采用SoPC的设计，具有很大的灵活性。

它可以根据需要定制各个硬件模块，包括处理器、总线、存储器和通信模块等，这就使得在一个芯片上搭建一个按需定制的SoC系统成为可能。

而Linux 系统也因为其良好的可裁减、可配置的特点广泛应用于各种嵌入式系统，Linux操作系统提供了许多系统级的应用，例如网络协议的实现、进程调度、内存管理等，同时Linux 是一个成熟的开源操作系统，有丰富的应用资源。

利用这些资源和强大的系统功能，用户可以基于嵌入式Linux快速地开发出面向复杂应用的嵌入式系统。

因此，结合SoPC和Linux优势，可以很好地满足嵌入式系统根据需求量体裁衣，去除冗余。

本文给出基于Linux 的SoPC应用系统的开发方法及一个具体的嵌入式应用开发实例。

1 硬件开发环境1.1 开发平台本文所采用的开发平台是AVNET公司生产的VIRTEX-II PRO FF1152开发板，它使用XILINX公司的Virtex-II Pro FPGA芯片XC2VP50-6FF1152C，同时开发板还有2个8MB×32的SDRAM存储器、2个RS232接口、一个以太网接口、1个LCD 显示屏、8个LED灯，同时支持SPI-4.2的高速16bit LVDS接口、iSFP GbE光纤接口、System ACE接口以及一个P160标准的扩展模块[1]。

1.2 基于PowerPC的片上系统XC2VP50-6FF1152C芯片内部含有两个IBM PowerPC 405核。

PowerPC405是32位的RISC处理器，它采用IP植入架构的形式整合到XILINX公司的Virtex-II Pro FPGA器件中。

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SOPC系统设计实例SOPC系统设计实例 (1)1 SOPC系统设计流程 (1)2 SOPC 系统设计实例 (2)1.建立工程 (3)2.建立顶层设计文件 (10)3.用SOPC Builder建立一个新的SOPC硬件系统 (12)4.向系统中添加Nios II处理器 (14)5.添加片上存储器 (20)6.添加JTAG UART (22)7.添加定时器 (24)8.添加自定义组件七段数码管控制器 (25)9.自动设置基地址 (34)10.加入System ID模块 (34)11.生成系统 (35)12.例化Nios II处理器 (37)13.导入引脚分配 (38)14.编译并下载设计 (40)15.启动Nios II IDE (41)16.建立新工程 (41)17.修改系统库属性 (45)18.修改代码 (46)19.编译并运行工程 (48)1 SOPC系统设计流程SOPC系统的设计流程如图1所示。

设计者首先根据任务要求决定系统需求，然后用SOPC Builder建立自己的SOPC系统，完成这项工作之后，硬件工程师和软件工程师可以开始协同工作。

图1 SOPC系统设计流程2 SOPC 系统设计实例用SOPC系统在DE2平台上实现一个计数器。

先在DE2平台上建立SOPC 系统的硬件，这个系统包括一个NIos II/s 嵌入式处理器、存储器、一个JTAG UART及一个定时器，一个ID模块。

另外，我们将加入一个自定义组件，实现对DE2平台上七段数码管的控制。

1.建立工程启动Quartus II软件，用New>New Project Wizard…菜单在Quartus II中新建一个工程，本例中将工程的工作目录设定在G:\DE2 ,工程的名称为niosii，如图4所示，如果是希望使用自己已有的工程，则点击图4中所示的Using Existing Project Setting按钮，，但是在本例中不需要添加已有工程的配置。

按下next后，器件中选择EP2C35F672C6,向导完成后的汇总界面如图8所示。

图2 Quartus II 启动界面图3图4图5图6图7图8图92.建立顶层设计文件建立工程之后，需要为工程建立一个顶层设计文件，这个设计文件的名称应该与工程的名称完全一致，设计文件可以是Quartus II允许的各种设计输入格式的文件，如V erilog HDL、VHDL、AHDL及原理图设计文件等。

在本例中使用原理图设计文件。

用File>New菜单建立一个新文件，选择Block Diagram/Schematic File文件，文件名称与工程名称保持一致，为niosii。

保存新建的文件。

图10图113.用SOPC Builder建立一个新的SOPC硬件系统图13所示，输入新系统的名称为nios_ii_system，当然也可以输入其他名称，但是应该注意，所有的名称中都不能出现空格。

Target HDL选项可以选择V erilog，也可以选择VHDL,这里选择V erilog。

按OK按钮，进入到SOPC Builder的主界面，如图15所示。

图13图14图154.向系统中添加Nios II处理器在SOPC Builder左侧的组件列表中，选择Nios II Processor,,按鼠标右键，在弹出的菜单中选择Add New Nios II Processor , 显示如图17所示的Nios II处理器的配置界面。

选择Nios II/s作为本设计的处理器按下Next按钮，设置处理器的指令缓存和紧密耦合指令存储器，如图18所示，选择指令缓存为2 K字节，不使用紧密耦合指令存储器。

按下Next 按钮，设置JTAG调试模块，JTAG调试模块分为四个级别，每个级别的功能不同，占用的逻辑资源也不相同，在本设计中选择占用逻辑资源最少的级别Level 1，如图21所示按下Next按钮可以添加自定义指令，在本例中不添加自定义指令，按Finish按钮结束Nios II控制器的设置。

图16图17图18图19图20图21图22图235.添加片上存储器在SOPC Builder主界面左侧的组件列表Memory组中，选中On-Chip Memory(RAM or ROM),按鼠标右键，在弹出的菜单中选择Add New On-Chip Memory(RAM or ROM),显示如图25所示的片上存储器的配置界面。

选择存储类型为RAM，存储器宽度为32位，总内存尺寸为40 K字节。

单击Finish 按钮完成片上存储器的配置。

图24图25图26图276.添加JTAG UART在SOPC Builder主界面左侧的组件列表中，选择JTAG UART,按鼠标右键，在弹出的菜单中选择Add New JTAG UART,显示如图28所示的JTAG UART配置界面。

按照默认设置，配置不作改变，单击Finish按钮完成JTAG UART 的设置。

图28图297.添加定时器在SOPC Builder主界面左侧组件列表中选中Interval Timer ,按鼠标右键，在弹出的菜单中选择Add New Interval Time,显示如图30所示的定时器配置界面。

按照默认的设置。

配置不作改变，即可生成一个初始周期为1ms 的定时器，单击Finish 按钮完成定时器的设置。

图308.添加自定义组件七段数码管控制器先在Quartus II中建立两个V erilog 文件，作为七段数码管显示驱动的控制器，一个是SEG7_LUT.V,如代码代码1所示，另一个是SEG7_LUT_8.V,代码如代码2所示。

SEG7_LUT.V是一个查找表，完成七段码显示的译码。

当输入iDIG 在0x0~0xF之间变化时，输出oSEG的七段码也发生相应的变化，并在数码管上显示iDIG的值。

SEG7_LUT_8.V,对SEG7_LUT.V进行了8次例化，分别对应于七段数码管HEX0~HEX7。

在SEG7_LUT_8.V中，对输入/输出信号的定义不是按Avalon总线从端口标准信号来定义的。

将这两个文件保存在G:\DE2\SEG7_LUT_8\hdl目录中。

代码1 SEG7_LUT.V代码2 SEG7_LUT_8.V返回SOPC Builder中，用File>New Component菜单添加新组件，如图31所示按Next按钮进入设计文件的添加界面，如图32所示。

可以添加HDL文本文件，也可以添加综合之后的文件，按Add HDL File… 按钮，选择G:\DE2\SEG7_LUT_8\hdl，在HDL File列表中出现了SEG7_LUT_8.V和SEG7_LUT.V及它们的相关的信息，组件编译器导入并综合SEG7_LUT_8.V和SEG7_LUT.V，等待一段时间后，组件编译器完成文件的导入及综合，并提示文件综合成功。

此时在组建编辑器下部的信息栏中，提示有两个错误，一个指出Avalon总线从端口没有clk信号，另一个指出Avalon总线从端口没有读/写信号，这是由于V erilog文件中的输入/输出信号定义与Avalon总线标准信号不一致造成的。

如果文件综合不成功，则按提示重新修改SEG7_LUT_8.V和SEG7_LUT.V 文件。

按Next按钮，设置输入/输出信号，使七段数码管控制器的输入/输出信号与Avalon总线信号匹配。

如图33 所示，组件编译器列出了所有的输入/输出信号，通过改变信号类型可实现信号匹配。

将iDIG的信号类型改为writedata,将iWR的信号类型改为write,将iCLK的信号类型改为clk，将iRST_N的信号类型改为reset_n，其他的信号保持原来的export不变。

修改过程中，下部信息栏中的信息也会相应的改变，如果匹配结果满足Avalon总线规范对信号的要求，则会显示Component “SEG7_LUT_8.V”is OK。

按Next 按钮，还可以添加Avalon从接口和用户自定义软件，本例中不需要添加这两项内容。

将向导最后一步的Component Group栏的内容修改为DE2 User Logic，作为组件的名称，如图35所示，以后加入的新组件都可以放在这个组里，也可以选择其他的组件名称，默认的组件名称是Unknown Group。

按Finish按钮，组件编辑器会提示是否保存组件，按OK按钮生成组件，并返回SOPC Builder界面，此时在组件列表中增加了一个的组DE2 User Logic，该组中有一个组件SEG7_LUT_8，如图37所示。

选中组件列表中的SEG7_LUT_8.V，按住鼠标右键，在弹出的菜单中选择Add New SEG7_LUT_8.V。

图31图32图33图34图35图36图37图389.自动设置基地址至此已经添加了所有需要的组件，SOPC Builder根据组件添加的顺序以及各组件需要的地址范围，自动为各组件分配了地址，系统中的组件信息如图38所示用System>Auto Assign Base Addresses菜单，即可自动设置地址，自动设置地址之后的系统组件的信息如图39所示图3910.加入System ID模块如果需要，可以在系统中加入System ID，为自己的系统添加独一无二的ID 号。

在SOPC Builder组件列表中选中System ID Peripheral，按鼠标右键，在弹出的菜单中选择Add New System ID Peripheral，即可添加System ID，每个Nios II系统只能添加一个唯一的ID。

添加System ID模块（sysid）之后的系统模块信息列表如图41所示。

图40图4111.生成系统按Next 按钮转入系统生成页，按Generate按钮开始生成Nios II系统。

根据系统规模的不同，生成系统所需要的时间也不一样。

在生成系统的过程中，屏幕上会提示相关的信息，生成系统的工作完成之后，显示SYSTEM GENERA TIONCOMPLETED。

按Exit按钮可退出SOPC Builder，返回Quartus II，也可不退出SOPC Builder，直接切换到Quartus II软件继续后面的工作。