第4章 SOPC Builder开发工具

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另外，处理器元件可能会有相关的软件组件，并且会在这一 页中显示出来。从实用程序库(Utility Libraries)到实时操作系统 都有软件组件的例子。Altera在开发工具包中提供了多种软件组 件，比如由Nios 开发工具包提供的Plugs 库(轻量级TCP/IP库)。 4.3.3 系统生成页 系统生成页是用来生成用户系统的。它包含一些选项，用户 可以通过设置来控制生成过程，比如器件支持和仿真控制。在系 统生成过程中，这一页会报告系统生成过程中的各种消息。图4.4 所示即为系统生成页。
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4.2 SOPC Builder 设计流程
如图4.2所示，SOPC Builder 的设计流程包括两个阶段：配 置(框图左边所示)和生成(框图右边所示)。它是利用Class PTF和 System PTF这两个文件来配置和生成系统流程的。
Class PTF Files SOPC 配置 SOPC 生成
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4．附加设置 系统元件页还包括以下一些附加选项： (1) 器件系列(Device Family)：由用户从器件列表中选择用户的目 标器件。这项设置非常重要，因为SOPC Builder 是利用所选器件系列 的结构优势来产生系统的逻辑的。 注 意 ： QuartusⅡ 软 件 不 使 用 这 个 器 件 设 置 ， 用 户 还 必 须 在 QuartusⅡ软件中确定器件。 (2) 系统时钟频率(System Clock Frequency)：外围设备利用系统 时钟来产生时钟分频或波特率等。SOPC Builder的built-in testbench 发生器还利用这项设置来产生用户所要求的频率。
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2．模块表 模块表中列出的是用户添加到用户所设计的系统中的模块，包括 桥、总线接口、CPU、存储器接口、外围设备等。此外，用户可以用 模块表来描述以下一些项目： 连接的主、从性； 系统地址映射； 系统中断请求分配； 控制共享从元件的优先权。
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图4.1 SOPC Builder的图形用户界面
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2. 自动生成和集成软件与硬件 SOPC Builder会生成每个硬件部件以及连接部件的片内总线结 构，仲裁和中断逻辑。它也会产生系统可仿真的RTL描述以及为特定 硬件配置设计的测试平台，能够把硬件系统综合到单个网表中。 另 外，SOPC Builder还能够生成C和汇编头文件，这些头文件定义了存 储器映射、中断优先级和每个外设寄存器空间的数据结构。这样的自 动生成过程可以帮助软件设计者处理硬件潜在的变化性。如果硬件改 变了，SOPC Builder会自动更新这些头文件。SOPC Builder也会为系 统中现有的每个外设生成定制的C和汇编函数库。例如，如果系统包 括一个UART，SOPC Builder就会访问UART的寄存器并定义一个C 结构，生成通过UART发送和接收数据的C和汇编例程。
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4.3 SOPC Builder 用户界面
4.3.1 系统元件页 用户在系统元件页中定义所需的系统(如图4.3所示)。在它的 模块池中包括了用户可获得的所有元件列表。在模块表中列出的 是用户已经添加到系统中的模块。当用户用SOPC Builder 生成系 统时，它就生成了一个系统模块，这个模块包含了用户所定义的 所有元件和接口以及自动生成的总线(互联)逻辑。
SOPC Builder GUI引导用户完成两部分的配置：部件配置和系 统配置。部件配置需要汇总参数，Class PTF文件标准包括了为这一 要求定义GUI的格式。当需要时，SOPC Builder读取该格式，产生相 应 的 部 件 向 导 (Component Wizard)， 收 集所需的用户数据。然后 SOPC Builder把收集的参数值存放在System PTF文件中。系统配置 是指把用户提供的有关处理器的配置、外设连接等数据写入System PTF中。 当这两部分配置都完成后，SOPC Builder进入到生成阶段，生 成设计的输出文件。SOPC Builder查阅每个Class PTF文件，允许相 关的部件生成程序，它们会正确地输出特定系统配置的硬件和/或软件 文件。
Component Wizards
SOPC Builder GUI
Component Generation
System Generation
输出文件
System PTF File
HDL Files
Software wenku.baidu.comiles
仿真 文件
用户 定义 文件
图4.2 系统生成流程
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3．添加元件到模块表 在模块池中点击要添加的元件名，然后点击Add，会出现以下 两种情况中的一种： (1) 对于可用的、已安装上的并有设置向导的元件，会出现一 个对话框，让用户设定各种选项，设定完选项后再点击Finish, 就 可将元件添加到模块表中。如果元件没有选项对话框，它会被自动 加到模块表中。 (2) 对于可用的但没有安装的元件，也会出现一个对话框，通 过该对话框可链接到网上下载元件或从厂商处获取元件。安装元件 后，用户就可以将它添加到用户所设计的系统中了。
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SOPC Builder提供了一个强大的平台，用于组建一个在模块级 和组件级定义的系统。SOPC Builder的组件库包含了从简单的固定 逻辑的功能块到复杂的、参数化的、可以动态生成的子系统等一系 列的组件。这些组件可以是从Altera或其他合作伙伴处购买来的IP 核，其中一些IP核是可以免费下载用来做评估的；用户还可简单地 创建他们自己定制的SOPC Builder组件。SOPC Builder内建的IP核 库是OpenCore Plus版的业界领先的Nios/Nios Ⅱ嵌入式软核处理 器。所有的Quartus Ⅱ用户都能够把一个基于Nios/Nios Ⅱ处理器的 系统经过生成、仿真和编译进而下载到Altera FPGA中，进行实时 评估和验证。
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4.3.2 系统设置页 当用户向所设计的系统中添加元件时，比如一个Nios 嵌入式 处理器，在SOPC Builder 中就会出现一个系统设置(More “CPU” Setting)的附加页。这个附加页可以让用户用来设置一些附加的参 数或者与系统中其他元件的相连关系。比如，用户可以定义CPU 和存储器元件之间的相连关系来指明哪一个是用来作程序存储器 的，哪一个是用来作数据存储器的。对于用到系统设置页的元 件，SOPC Builder会对用户添加到用户系统中的这个元件的每种 情况都生成一个单独的系统设置页。
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SOPC结合了SOC和PLD、FPGA各自的优点，一般具备以下 基本特征: 至少包含一个嵌入式处理器内核； 具有小容量片内高速RAM资源； 丰富的IP Core资源可供选择； 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； 可包含部分可编程模拟电路； 单芯片，低功耗，微封装。
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SOPC Builder库中已有的组件包括： (1) 处理器：包括片内处理器和片外处理器的接口。 (2) IP及外设：包括通用的微控制器外设，通信外设，多种接口 (存储器接口、桥接口、ASSP、ASIC)，数字信号处理(DSP)IP和硬 件加速外设。 4.1.3 SOPC Builder 的功能特点 1. 具有直观的图形用户界面(GUI) 利用图形用户界面，用户可以快速方便地定义和连接复杂的系 统。如图4.1所示，用户可从左边的库中添加所需的部件，然后在右 边的表中配置它们。
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3. 开放性 SOPC Builder开放了硬件和软件接口，允许第三方像Altera一 样有效地管理SOPC部件，用户可以根据需要将自己设计的部件添 加到SOPC Builder 的列表中。 4.1.4 SOPC Builder的优点 SOPC Builder系统设计在利用可编程器件(PLD)的逻辑资源、 存储器、DSP块、专用I/O上具备以下优势： 在逻辑容量、存储器和DSP块以及专用I/O标准上具有灵活性； 上市周期快； 没有非重复性工程(NRE)费用； 不需要制作昂贵的设计工具； 风险低，用户可以以实际的运行频率在硅片上验证他们的设计。
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目标器件 模块表 系统时钟
模块池
模块池 选择器
消息栏
图4.3 系统元件页
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1．模块池 在模块池中列出了根据总线类型和逻辑类别来分类的所有可用 的库元件。每个元件名前面都有一个带颜色的圆点，不同的颜色代 表不同的含义。 (1) 绿圆点：用户可以添加到用户系统中的元件是完全许可的。 (2) 黄圆点：元件在系统设计中的应用受到某种形式的限制，主 要限制有使用时间有所限制和功能有所减少。 (3) 白圆点：元件目前还没有安装到用户的系统上，用户可以从 网上下载这些元件。
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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EDA技术标 准的设计语言与系统测试手段、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：开发软件成本低，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、产品设计成本低等优势。
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4.1 简介 4.2 SOPC Builder 设计流程 4.3 SOPC Builder 用户界面 思考题
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4.1 简介
4.1.1 SOPC 技术简介 SOPC(System On a Programmable Chip)是指用可编程逻辑 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)，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，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、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为一体。
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SOPC Builder可以快速地开发定制新方案，重建已经存在的 方案，并为其添加新的功能，提高系统的性能。通过自动集成系 统组件，SOPC Builder允许用户将工作的重点集中到系统级的需 求上，而不是从事把一系列的组件装配在一起这种普通的、手工 的工作。所有版本的Altera Quartus Ⅱ的设计软件都已经包含了 SOPC Builder。设计者采用SOPC Builder，能够在一个工具内定 义一个从硬件到软件的完整系统，而花费的时间仅仅是传统SOC 设计的几分之一。
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4.1.2 SOPC Builder 简介 SOPC Builder 是Altera公司推出的一种可加快在PLD内实现 嵌入式处理器相关设计的工具。它是一个革命性的系统级开发工 具，其功能与PC应用程序中的“引导模板”类似，旨在提高设计者 的效率。设计者可确定所需要的处理器模块和参数，并据此创建 一个处理器的完整存储器映射。设计者还可以选择所需的IP外围 电路，如存储器控制器、I/O控制器和定时器等模块。