SOPC技术现状前景及理解

宁波工程学院

实验题目SOPC技术现状前景及理解学院名称：电子与信息工程学院

专业：电信102 嵌入式方向***名：***10401180227 ***师：***

SOPC(System On Programmable Chip)即可编程的片上系统，或者说是基于大规模FPGA的单片系统。SOPC的设计技术是现代计算机辅助设计技术、EDA技术和大规模集成电路技术高度发展的产物。SOPC技术是将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速系统、DSP系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一FPGA中嵌入实现。大量采用IP复用、软硬件协同设计、自顶向下和自底向上混合设计的方法，边设计、边调试、边验证……原本需要写上几千行的VHDL代码的功能模块，通过嵌入IP核后，只需几十行C代码即可实现。因此，可以使得整个设计在规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。

传统的设计技术已经很难满足系统化、网络化、高速度、低功耗、多媒体等实际需求，SOPC（片上可编程系统）可将处理器、存储器、外设接口和多层次用户电路等系统设计需要的功能模块集成到一块芯片上，因其灵活、高效、设计可重用特性，已经成为集成电路未来的发展方向，广泛应用到汽车、军事、航空航天、广播、测试和测量、消费类电子、无线通信、医疗、有线通信等领域。

SOPC技术是一门全新的综合性电子设计技术，涉及面广。因此在知识构成上对于新时代嵌入式创新人才有更高的要求，除了必须了解基本的EDA软件、硬件描述语言和FPGA器件相关知识外，还必须熟悉计算机组成与接口、汇编语言或C语言、DSP算法、数字通信、嵌入式系统开发、片上系统构建与测试等知识。显然，知识面的拓宽必然推动电子信息及工程类各学科分支与相应的课程类别间的融合，而这种融合必将有助于学生的设计理念的培养和创新思维的升华。

SOPC 是一种灵活、高效的SoC解决方案。它将处理器、存储器、I/O口、LVDS等系统需要的功能模块集成到一个PLD器件上，构成一个可编程的片上系统。它是PLD与SOC技术融合的结果。由于它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件可编程的功能。这种基于PLD 可重构 SoC的设计技术不仅保持了SoC以系统为中心、基于IP模块多层次、高度复用的特点,而且具有设计周期短、风险投资小和设计成本低的优势。相对ASIC 定制技术来说 , FPGA是一种通用器件, 通过设计软件的综合、分析、裁减，可灵活地重构所需要的嵌入式系统。 SOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（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还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于SOPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx 公司的片内逻辑分析ChipScopeILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具。

SOPC技术主要应用以下三个方向：

（1）基于FPGA嵌入IP硬核的应用。这种SOPC系统是指在FPGA中预先植入处理器。这使得FPGA灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起，高效地实现SOPC系统。

（2）基于FPGA嵌入IP软核的应用。这种SOPC系统是指在FPGA中植入软核处理器，如：NIOSII核等。用户可以根据设计的要求，利用相应的EDA工具，对

NIOSII及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。

（3）基于HardCopy技术的应用。这种SOPC系统是指将成功实现于FPGA器件上的SOPC系统通过特定的技术直接向ASIC转化。把大容量FPGA的灵活性和ASIC 的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成本敏感的电子产品，避开了直接设计ASIC的困难。

SOPC的发展现状

SOPC是一个融合体：融合了SOC和FPGA的技术，同时也在ASIC和可编程器件之间找到一个折衷点,未来很难预测。几家主要的可编程器件厂商都相继推出了自己的SOPC产品，它们各有特点。

SOPC中一个重要的部件是CPU，因为没有这个大脑，也就谈不上SOPC了。围绕着这个CPU，各个厂家各出其招.首先是软核的方案，Altera成功推出Nios 和Nios II，在Cyclone等系列上得到了广泛的应用；Xilinx也不甘落后，推出了MicroBlaze，新的系列产品都支持这个CPU。在SOPC中使用软核的好处不言而喻，和普通SOC中使用软核有异曲同工之处。一方面给使用者带给了设计上的灵活性，同时升级到其他系列产品也很方便；几款软核还可以嵌入RTOS。Nios 还给用户提供了自定义命令的功能。可以说软核的使用加快了FPGA市场的普及。正是因为看到这个市场，CPU的风云人物ARM也不甘落后，也和Actel一起推出了Cortex-M1，也准备在FPGA软核这个市场上大显身手。

接下来看一看硬核的方案。Altera推出的带有硬核的SOPC是Excalibur，它的设计思想是把Apex20KE与一个ARM922的200MHz集成起来，这个主意看起来很不错，但是实际效果并不好。在Altera的官方网站上，已经明确告诉用户，新的设计不推荐使用这个器件。主要原因应该是产品定位和成本的问题。Excalibur并不适合做终端产品，因为它太贵了；如果作验证系统的话，他又太弱了，很多厂家推出专门的FPGA验证系统。所以看来是市场决定了产品生存。所以看来Altera现在的SOPC主打产品还是使用NIOS-II作为CPU。

再来看看Xilinx的硬核方案，Xilinx使用IBM的power PC作为硬核，而且有的系列还集成了DSP slice可以说，性能很高，毫无疑问他的产品定位应该主要是高端的通信，军事，多媒体等领域。Xilinx推出这些产品的一个重要原因，就是他解决了价格的问题。因为它使用的是65nm和90nm的工艺，而且采用ASMBL 技术，所以可以低成本提供高性能的芯片。针对这一趋势，其他的FPGA大厂，也会很快推出带有硬核的高性能的SOPC器件。

SOPC的发展趋势

一直以来,在开发一个典型的系统时,设计人员仍不得不采用各种昂贵的,分立的模拟器件配合可编程逻辑器件或者混合信号的ASIC作为解决方案.而SOPC 是具有所有这些属性的现成部件,利用它可以方便的选择器件来构成一个系统,而且可以根据系统的需要对处理器的资源进行裁剪.此外,由于各个器件之间通过总线的链接是自动生成的,这就大大缩减了系统的开发周期,也因此,针对于特定器件IP核的设计以及IP核的重用成为SOPC技术的发展的关键.与传统方法相比,SOPC的设计方法必须有根本的改变,即从以功能设计为基础的传统流程,转变到以功能组装为基础的全新流程.

总之,SOPC技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统,包括嵌入式