第四部分3：SoPC技术基础

第四部分：SoPC技术基础

北京理工大学雷达技术研究所陈禾

SoPC技术概述

{SoPC是SoC

z SoPC是可编程片上系统（System on

Programmable Chip）,首先它是SoC，即

由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其

次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，

可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系

统可编程的功能。

z SoPC设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计

技术的全部内容，除了以处理器和RTOS为中

心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析

为基础的高速电路设计技术以外，SoPC还涉

及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。

SoPC是SoC设计方法的革命

{以往的SoC设计依赖于固定的ASIC。其设计方法通常采用全定制和半定制电路设计方法，开发周期变长，开发费用。

{SoC的设计往往会包含处理器模块，从而使其更加复杂。如果包含多个处理器构成并行处理系统的话，复杂程度还会进一步增加。这时，这些处理器的强大功能和高速运算将使得集成后的模块验证非常复杂。此外，当SoC采用处理器后，嵌入式软件的设计也被集成到了SoC 的设计流程中，这就使得SoC的设计需要面临软件问题。

SoPC是SoC设计方法的革命

{与ASIC比较起来，可编程逻辑器件(PLD)，尤其是平台级FPGA，设计起来灵活便捷，不仅性能、速度、连接具有优势，而且可以缩短上市时间。现代平台级FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征：

z可以包含一个以上的嵌入式处理器IP核；

z具有片内高速RAM资源和丰富的IP核资源可供灵活选择；

z足够的片上可编程逻辑资源，可能还包含部分可编程模拟电路；

z处理器调试接口和FPGA编程接口共用或并存；

z单芯片、低功耗、微封装。

{在半导体领域中，FPGA呈现出一枝独秀的增长态势，越来越多地成为系统级芯片设计的首选。

SoPC的IP核资源

{SoPC技术中以Nios和MicroBlaze为代表的RISC处理器软IP核、各种标准外设软硬IP核以及用户以HDL语言开发的逻辑部件可以最终综合到一片FPGA芯片中，实现真正的可编程片上系统。

z如Altera公司最新推出的NiosII可以嵌入到Altera 公司的StratixII、Stratix、Cyclone、CycloneII

等系列可编程器件中，也可以订制为HardCopy芯

片。用户可以获得超过200DMIPS的性能，而只需

花费不到35美分的逻辑的资源。用户可以从三种规

模的Nios处理器以及超过60个的IP核中选择所需要

的，设计师可以以此来创建一个最适合他们需求的

嵌入式系统。

SoPC的IP核资源

{SoPC技术的另一个重要分支是嵌入硬核。集高密度逻辑(FPGA)、存储器(SRAM)及嵌入式处理器(ARM/PPC)于单片可编程逻辑器件上，实现了高速度与编程能力的完美结合。如Altera公司的EPXA10芯片内部集成了工作频率可达200MHZ的ARM922T 处理器、100万门可编程逻辑、3MB的内部RAM以及512个可编程I/O管脚，可以通过嵌入各种IP核实现多种标准工业接口，如PCI、USB等。

SoPC的IP核资源

{可重用IP大量应用在SoPC的设计之中，基于应用需求、规范协议和行业标准的不同，IP Core的内容也是千差万别的。除了购买使用现有的IP资源外，设计者可能还需要自己进行IP 的设计，一般地，为了使IP Core易于访问和易于集成，并具有良好的复用性，其设计必须严格按照“设计复用方法学(Reuse Methodology)”的要求，按照一定的规范和准则进行设计。

SoPC技术是SoC技术和FPGA技术的发展趋势

{SoPC技术是PLD技术优势的一种新延伸，即用

PLD技术，特别是FPGA技术把一个系统集成

在单个硅片上。现代高密度现场可编程逻辑器

件FPGA，其设计性能及性价比已完全能够与

ASIC抗衡。Xilinx公司的高性价比FPGA产品

Virtex-4和Spartan-3使得可编程片上系统

SoPC的设计成为现实。Pataguest公司预测，在今后5年内，SoPC市场将达30亿美元。

Alltera公司特别看好可编程SoC市场，认为

SoPC是半导体产业的未来。世界顶级PLD制造

商如Xilinx，Altera，Atmel和Quick Logic等

公司都已推出可编程SoC芯片。

SoPC技术是SoC技术和FPGA技术的发展趋势{同系统级芯片SoC设计比较而言，SoPC在缩短产品上市时间以及节省成本等方面的优势是

非常明显的。与此同时，SoC面向ASIC设计流程，而SoPC则面向可编程逻辑器件设计流

程，因而SoPC具有最低的风险。SoPC中的存

储器总量可以是变化的，而在ASIC应用场合存储器总量则是固定不变的，因而修正SoPC设

计错误的成本就要低得多，这种修改避免了

SoC硅片的反复制造。

{由上面的叙述可以看出，FPGA以不断增加的逻辑密度、性能、特性和较低廉的器件成本进

行竞争，必将推动SoC的设计进入片上可编程

系统SoPC的新纪元。

SoPC开发环境介绍

{在SoC设计中，一般都含有微处理器，必须有应用程序完成数字计算、信号处理变换、控制决策等功能。因此，在设计的前期，需要进行软、硬件协同设计，以便确定哪些功能是由硬件完成的，哪些功能是由软件完成的，并且进行适当划分。在设计的中后期，要进行软硬件协同验证，即把软硬件设计放到一个虚拟的集成环境中进行仿真验证，以便验证硬件的性能是否达到设计目标，软件功能是否实现设计要求。