第1章 SOPC技术概述 SOPC技术与应用
NiOS II SOPC 嵌入式系统基础教程
SOPC将处理器、存储器、I/O口等系统设计需要的功能模块集成 到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。
SOPC
现今SOPC可以认为是基于FPGA解决方案的SOC。
与ASIC的SOC解决方案相比，SOPC系统及其开发技术具有更多
的特色，构成SOPC的方案也有多种途径。
1.1 SOPC及其技术
片上系统 集成电路单元库 器件的物理版图设计
集成电路发展过程: 可编程的片上系统（SOPC），是Altera公司提出来的一种灵活、高效的 SOC解决方案，是一种新的软硬件协同设计的系统设计技术。它将处理器、 存储器、I/O口等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成 一个可编程的片上系统。集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、I/O设备 和可编程逻辑的SOPC芯片，在应用灵活和价格上有相当大的优势，所以可 以认为SOPC代表了半导体产业未来的发展方向。
主要内容
第 1 章介绍 SOPC 技术及 Altera 可用于 SOPC 的 FPGA，重点介绍了 32
位Nios II软核处理器。
微电子技术的发展历史是一个不断创新的过程，这种创新包括理论创 新新的领域，带来新 的市场，产生重大的影响。
第1章 目录
构成SOPC的三种方案
基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统
该方案是指在FPGA中预先植入处理器。最 常用的是含有 ARM32 位知识产权处理器核的器 件。为了到达通用性，必须为常规的嵌入式处理 器集成诸多通用和专用的接口，但增加了芯片的 成本和功耗。如果将 ARM 或其它处理器核以硬 核方式植入 FPGA 中，利用 FPGA 中的可编程逻 辑资源，按照系统功能需求来添加接口功能模块， 既能实现目标系统功能，又能降低系统的成本和 功耗。这样就能使得 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
《基于SOPC的可编程自动控制器研究与实现》
《基于SOPC的可编程自动控制器研究与实现》一、引言随着科技的不断进步，自动化控制系统的应用日益广泛，其在工业、医疗、交通、军事等领域发挥着重要作用。
可编程自动控制器（Programmable Automatic Controller，PAC）作为一种能够实现自动化控制的设备，在实现高度自动化和智能化的生产过程中起着至关重要的作用。
本文以基于SOPC（System on a Programmable Chip）的可编程自动控制器为研究对象，探讨其设计与实现过程。
二、SOPC技术概述SOPC（System on a Programmable Chip）是一种将处理器、存储器、接口电路等集成在单一可编程芯片上的技术。
它具有高度集成性、可编程性和灵活性等特点，可以满足不同应用领域对自动化控制的需求。
SOPC技术结合了硬件和软件的优点，可以实现高效、稳定、可靠的自动化控制。
三、基于SOPC的可编程自动控制器研究1. 需求分析：根据实际应用场景，分析可编程自动控制器的功能需求、性能需求和可靠性需求。
2. 硬件设计：根据需求分析，设计基于SOPC的硬件架构，包括处理器选择、存储器配置、接口电路设计等。
3. 软件设计：根据硬件设计，编写控制程序和算法，实现自动化控制功能。
同时，还需要考虑软件的模块化设计、可维护性和可扩展性。
4. 集成与测试：将硬件和软件进行集成，进行系统测试和性能评估。
测试内容包括功能测试、性能测试、可靠性测试等。
四、可编程自动控制器的实现1. 硬件实现：采用FPGA（现场可编程门阵列）等可编程芯片，实现SOPC硬件架构。
通过编程配置，实现所需的硬件功能。
2. 软件实现：采用C/C++等高级语言编写控制程序和算法。
通过编译器将程序转换为可在SOPC上运行的代码。
同时，还需要考虑程序的优化和调试。
3. 系统集成：将硬件和软件进行集成，形成完整的可编程自动控制器系统。
通过接口电路与其他设备进行连接，实现自动化控制功能。
SOPC设计应用概述
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
NiosII外围设备--SOPC技术与应用
5.2 SDRAM控制器内核
结构设置－片选
n 允许值：1、2、4、8 n 默认值：1 n 描述：独立芯片的数目在 SDRAM子系统中选择。通过使用 多个片选信号，SDRAM控制器可 组合多个SDRAM芯片为一个存储 器子系统。
5.2 SDRAM控制器内核
结构设置－区
n 允许值：2、4 n 默认值：4 n 描述：区的数目,该值确定连接 到SDRAM的ba总线（区地址）宽 度。具体数值请查阅SDRAM数据 手册。
5.2 SDRAM控制器内核
通过三态桥共用管脚
n允许值：是、否 n默认值：否 n 描述：当设为No时，所有管脚 都专用于SDRAM芯片。当设为 Yes时，addr,dq和dqm管脚在系 统内可与三态桥共享。
5.2 SDRAM控制器内核
包括系统测试台的功能存储模块
n允许值：是、否 n默认值：是 n 描述：当打开选项时，SOPC Builder创建SDRAM芯片的功能 仿真模型。该默认的存储器模型 加速创建的过程和检验使用 SDRAM控制器的系统。
Altera_avalon_pio_regs.h
该文件定义了内核的寄存器映射并提供硬件设备访问宏定义 。可通过阅读上述文件以熟悉PIO设备的软件访问方法，但不应 该修改文件。
第5章 目录
v 5.1 并行输入/输出(PIO)内核 v 5.2 SDRAM控制器内核 v 5.3 CFI(通用Flash)控制器内核 v 5.4 EPCS控制器内核 v 5.5 定时器内核 v 5.6 UART内核 v 5.7 JTAG_UART内核 v 5.8 SPI内核 v 5.9 DMA内核
5.2 SDRAM控制器内核
n－
SDRAM 内 核 配 置 选 项
Timing ：
《基于SOPC的可编程自动控制器研究与实现》
《基于SOPC的可编程自动控制器研究与实现》一、引言随着科技的飞速发展，自动化控制技术已成为现代工业生产中不可或缺的一部分。
可编程自动控制器（Programmable Automatic Controller，PAC）作为自动化控制的核心设备，其性能和可靠性直接影响到整个系统的运行效果。
近年来，基于片上可编程系统（System on a Programmable Chip，SOPC）的可编程自动控制器因其高集成度、高灵活性及高性价比等优势，受到了广泛关注。
本文旨在研究并实现基于SOPC的可编程自动控制器，以提高自动化控制系统的性能和可靠性。
二、SOPC技术概述SOPC技术是一种将处理器、存储器、外设等硬件模块集成到单个芯片上的技术。
它集成了嵌入式系统的设计思想和可编程逻辑技术的优点，具有高集成度、高灵活性、可定制化等优势。
基于SOPC的可编程自动控制器通过将硬件和软件相结合，实现了对自动化控制系统的灵活配置和高效控制。
三、可编程自动控制器的设计与实现1. 硬件设计基于SOPC的可编程自动控制器的硬件设计主要包括处理器、存储器、外设接口等模块。
其中，处理器采用高性能的FPGA芯片，负责处理控制算法和数据传输等任务；存储器包括RAM和Flash存储器，用于存储程序代码和数据；外设接口包括通信接口、传感器接口等，用于与外部设备进行数据交换和控制。
2. 软件设计软件设计是可编程自动控制器的核心部分，包括操作系统、驱动程序和应用程序等。
在SOPC的基础上，通过使用高级硬件描述语言（HDL）和嵌入式系统开发工具，实现了对控制器的软件设计和开发。
操作系统采用实时操作系统（RTOS），以保证系统的实时性和稳定性；驱动程序用于实现对硬件的驱动和控制；应用程序则根据实际需求进行定制开发。
3. 控制系统实现在可编程自动控制器的实现过程中，需要根据实际需求设计相应的控制系统。
通过使用现代控制算法和控制策略，实现了对自动化生产线的精确控制和优化。
SOPC技术及应用
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1.1 SOPC及其技术 及其技术
1.1.1 嵌入式系统 1.1.2 SoC简介 简介 1.1.3 SOPC技术 技术
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1.1.1 嵌入式系统
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可 裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格 要求的专用计算机系统。 外围设备 嵌 入 式 微 处 理 器 外围设备
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参考书目
《Nios II系统开发设计与应用实例》 北京航空航天大学出版社 《SOPC技术与应用》机械工业出版社 《FPGA与SOPC设计教程-DE2实践》 西安电子科技大学出版社 《基于FPGA的嵌入式开发与应用》 电子工业出版社
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第1章 绪论
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第1章 绪论
1.1 SOPC及其技术 及其技术 1.2 Nios II软核处理器 软核处理器 1.3 开发工具 1.4 开发平台 1.5支持 支持SOPC的FPGA简介 支持 的 简介
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基于HardCopy技术的SOPC系统
发周期长、产品上市慢、一次性成功率低、 发周期长、产品上市慢、一次性成功率低、有 最少投片量要求、设计软件工具繁多且昂贵、 最少投片量要求、设计软件工具繁多且昂贵、 开发流程复杂等。 开发流程复杂等。
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构成SOPC的三种方案
1
基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统
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基于HardCopy技术的 技术的SOPC系统 基于 技术的 系统
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构成SOPC的三种方案
IP硬核直接植入FPGA存在以下不足： IP硬核直接植入FPGA存在以下不足： 硬核直接植入FPGA存在以下不足
1 基于FPGA嵌入 硬核的 嵌入IP硬核的 基于 嵌入 硬核的SOPC系统 系统
SOPC技术应用_第一章
Chapter1 (5)Introduction to the Altera Nios II Soft Processor (5)1.1Nios II System (5)1.2Overview of Nios II Processor Features (6)1.3Register Structure (7)1.4Accessing Memory and I/O Devices (8)1.5Addressing (9)1.6Instructions (10)1.6.1Load and Store Instructions (10)1.6.2Arithmetic Instructions (11)1.6.3Logic Instructions (12)1.6.4Move Instructions (13)1.6.5Comparison Instructions (13)1.6.6Shift Instructions (14)1.6.7Rotate Instructions (14)1.6.8Branch and Jump Instructions (15)1.6.9Subroutine Linkage Instructions (15)1.6.10Control Instructions (16)1.6.11Carry and Overflow Detection (16)1.7Assembler Directives (17)1.8Example Program (18)1.9Exception Processing (19)1.9.1Software Trap (19)1.9.2Hardware Interrupts (20)1.9.3Unimplemented Instructions (20)1.9.4Determining the Type of Exception (20)1.9.5Exception Processing Example (20)1.10Cache Memory (21)1.10.1Cache Management (21)1.10.2Cache Bypass Methods (22)1.11Tightly Coupled Memory (22)Chapter1 Introduction to the Altera Nios II Soft Processor This tutorial presents an introduction to Altera’s Nios II processor,which is a soft processor that can be instantiated on an Altera FPGA device.It describes the basic architecture of Nios II and its instruction set. The Nios II processor and its associated memory and peripheral components are easily instantiated by using Altera’s SOPC Builder in conjunction with the Quartus II software.A full description of the Nios II processor is provided in the Nios II Processor Reference Handbook, which is available in the literature section of the Altera web site.An introduction to the SOPC Builder is given in the tutorial Introduction to the Altera SOPC Builder,which can be found in the University Program section of the web site.Contents:1.1Nios II System1.2Overview of Nios II Processor Features1.3Register Structure1.4Accessing Memory and I/O Devices1.5Addressing1.6Instruction Set1.7Assembler Directives1.8Example Program1.9Exception Processing1.10Cache Memory1.11Tightly Coupled MemoryAltera’s Nios II is a soft processor,defined in a hardware description language,which can be implemented in Altera’s FPGA devices by using the Quartus II CAD system.This tutorial provides a basic introduction to the Nios II processor,intended for a user who wishes to implement a Nios II based system on the Altera DE2board.1.1.11Nios II SystemThe Nios II processor can be used with a variety of other components to form a complete system.These components include a number of standard peripherals,but it is also possible to define custom peripherals. Altera’s DE2Development and Education board contains several components that can be integrated into a Nios II system.An example of such a system is shown in Figure1-1.Figure1-1.A Nios II system implemented on the DE2board.The Nios II processor and the interfaces needed to connect to other chips on the DE2board are implemented in the Cyclone II FPGA chip.These components are interconnected by means of the interconnection network called the Avalon Switch Fabric.Memory blocks in the Cyclone II device can be used to provide an on-chip memory for the Nios II processor.They can be connected to the processor either directly or through the Avalon network.The SRAM and SDRAM memory chips on the DE2board are accessed through the appropriate interfaces.Input/output interfaces are instantiated to provide connection to the I/O devices used in the system.A special JTAG UART interface is used to connect to the circuitry that provides a Universal Serial Bus(USB)link to the host computer to which the DE2board is connected.This circuitry and the associated software is called the USB-Blaster.Another module,called the JTAG Debug module,is provided to allow the host computer to control the Nios II processor.It makes it possible to perform operations such as downloading programs into memory,starting and stopping execution,setting program breakpoints,and collecting real-time execution trace data.Since all parts of the Nios II system implemented on the FPGA chip are defined by using a hardware description language,a knowledgeable user could write such code to implement any part of the system.This would be an onerous and time consuming task.Instead,one can use the SOPC Builder tool in the Quartus II software to implement a desired system simply by choosing the required components and specifying the parameters needed to make each component fit the overall requirements of the system.1.2Overview of Nios II Processor FeaturesThe Nios II processor has a number of features that can be configured by the user to meet the demands of a desired system.The processor can be implemented in three different configurations:●Nios II/f is a"fast"version designed for superior performance.It has the widest scope of configurationoptions that can be used to optimize the processor for performance.●Nios II/s is a"standard"version that requires less resources in an FPGA device as a trade-off forreduced performance.●Nios II/e is an"economy"version which requires the least amount of FPGA resources,but also has themost limited set of user-configurable features.The Nios II processor has a Reduced Instruction Set Computer(RISC)architecture.Its arithmetic and logic operations are performed on operands in the general purpose registers.The data is moved between the memory and these registers by means of Load and Store instructions.The word length of the Nios II processor is32bits.All registers are32bits long.Byte addresses in a 32-bit word are assigned in little-endian style,in which the lower byte addresses are used for the less significant bytes(the rightmost bytes)of the word.The Nios II architecture uses separate instruction and data buses,which is often referred to as the Harvard architecture.A Nios II processor may operate in the following three modes:●Supervisor mode–allows the processor to execute all instructions and perform all available functions.When the processor is reset,it enters this mode.●User mode–the intent of this mode is to prevent execution of some instructions that should be used forsystems purposes only.Some processor features are not accessible in this mode.●Debug mode–is used by software debugging tools to implement features such as breakpoints andwatchpoints.Application programs can be run in either the User or Supervisor modes.Presently available versions of the Nios II processor do not support the User mode.1.1.33Register StructureThe Nios II processor has thirty two32-bit general purpose registers,as shown in Figure1-2.Some of these registers are intended for a specific purpose and have special names that are recognized by the Assembler.●Register r0is referred to as the zero register.It always contains the constant0.Thus,reading thisregister returns the value0,while writing to it has no effect.●Register r1is used by the Assembler as a temporary register;it should not be referenced in userprograms●Registers r24and r29are used for processing of exceptions;they are not available in User mode●Registers r25and r30are used exclusively by the JTAG Debug module●Registers r27and r28are used to control the stack used by the Nios II processor●Register r31is used to hold the return address when a subroutine is calledFigure1-2.General Purpose registers.There are six32-bit control registers,as indicated in Figure1-3.The names given in the figure are recognized by the Assembler.These registers are used automatically for control purposes.They can be read and written to by special instructions rdctl and wrctl,which can be executed only in the supervisor mode.The registers are used as follows:●Register ctl0reflects the operating status of the processor.Only two bits of this register are meaningful:–U is the User/Supervisor mode bit;U=1for User mode,while U=0for Supervisor mode.–PIE is the processor interrupt-enable bit.When PIE=1,the processor may accept external interrupts.When PIE=0,the processor ignores external interrupts.●Register ctl1holds a saved copy of the status register during exception processing.The bits EU andEPIE are the saved values of the status bits U and PIE.●Register ctl2holds a saved copy of the status register during debug break processing.The bits BU andBPIE are the saved values of the status bits U and PIE.●Register ctl3is used to enable individual external interrupts.Each bit corresponds to one of theinterrupts irq0to irq31.The value of1means that the interrupt is enabled,while0means that it is disabled.●Register ctl4indicates which interrupts are pending.The value of a given bit,ctl4k,is set to1if theinterrupt irqk is both active and enabled by having the interrupt-enable bit,ctl3k,set to1.●Register ctl5holds a value that uniquely identifies the processor in a multiprocessor system.Figure1-3.Control registers.1.4Accessing Memory and I/O DevicesFigure1-4shows how a Nios II processor can access memory and I/O devices.For best performance,the Nios II/f processor can include both instruction and data caches.The caches are implemented in the FPGA memory blocks.Their usage is optional and they are specified(including their size)at the system generation time by using the SOPC Builder.The Nios II/s version can have the instruction cache but not the data cache.The Nios II/e version has neither instruction nor data cache.Another way to give the processor fast access to the on-chip memory is by using the tightly coupled memory arrangement,in which case the processor accesses the memory via a direct path rather than through the Avalon network.Accesses to a tightly coupled memory bypass the cache memory.There can be one or more tightly coupled instruction and data memories.If the instruction cache is not included in a system,then there must be at least one tightly coupled memory provided for Nios II/f and Nios II/s processors.On-chip memory can also be accessed via the Avalon network.Off-chip memory devices,such as SRAM,SDRAM,and Flash memory chips are accessed by instantiating the appropriate interfaces.The input/output devices are memory mapped and can be accessed as memory locations.Data accesses to memory locations and I/O interfaces are performed by means of Load and Store instructions,which cause data to be transferred between the memory and general purpose registers.Figure1-4.Memory and I/O organization.1.1.55AddressingThe Nios II processor issues32-bit addresses.The memory space is byte-addressable.Instructions can read and write words(32bits),halfwords(16bits),or bytes(8bits)of data.Reading or writing to an address that does not correspond to an existing memory or I/O location produces an undefined result.There are five addressing modes provided:●Immediate mode–a16-bit operand is given explicitly in the instruction.This value may be signextended to produce a32-bit operand in instructions that perform arithmetic operations.●Register mode–the operand is in a processor register●Displacement mode–the effective address of the operand is the sum of the contents of a register and asigned16-bit displacement value given in the instruction●Register indirect mode–the effective address of the operand is the contents of a register specified in theinstruction.This is equivalent to the displacement mode where the displacement value is equal to0.●Absolute mode–a16-bit absolute address of an operand can be specified by using the displacementmode with register r0which always contains the value0.1.1.66InstructionsAll Nios II instructions are32-bits long.In addition to machine instructions that are executed directly by the processor,the Nios II instruction set includes a number of pseudoinstructions that can be used in assembly language programs.The Assembler replaces each pseudoinstruction by one or more machine instructions.Figure1-5depicts the three possible instruction formats:I-type,R-type and J-type.In all cases the six bits b5−0denote the OP code.The remaining bits are used to specify registers,immediate operands,or extended OP codes.●I-type–Five-bit fields A and B are used to specify general purpose registers.A16-bit field IMMED16provides immediate data which can be sign extended to provide a32-bit operand.●R-type–Five-bit fields A,B and C are used to specify general purpose registers.An11-bit field OPX isused to extend the OP code.●J-type–A26-bit field IMMED26contains an unsigned immediate value.This format is used only in theCall instruction.Figure1-5.Formats of Nios II instructions.The following subsections discuss briefly the main features of the Nios II instruction set.For a complete description of the instruction set,including the details of how each instruction is encoded,the reader should consult the Nios II Processor Reference Handbook.6.1Load and Store Instructions1.1.6.1Load and Store instructions are used to move data between memory(and I/0interfaces)and the general purpose registers.They are of I-type.For example,the Load Word instructionldw rB,byte_offset(rA)determines the effective address of a memory location as the sum of a byte_offset value and the contents of register A.The16-bit byte_offset value is sign extended to32bits.The32-bit memory operand is loaded into register B.For instance,assume that the contents of register r4are126010and the byte_offset value is8010.Then,the instructionldw r3,80(r4)loads the32-bit operand at memory address134010into register r3.The Store Word instruction has the formatstw rB,byte_offset(rA)It stores the contents of register B into the memory location at the address computed as the sum of the byte_offset value and the contents of register A.There are Load and Store instructions that use operands that are only8or16bits long.They are referred to as Load/Store Byte and Load/Store Halfword instructions,respectively.Such Load instructions are:●ldb(Load Byte)●ldbu(Load Byte Unsigned)●ldh(Load Halfword)●ldhu(Load Halfword Unsigned)When a shorter operand is loaded into a32-bit register,its value has to be adjusted to fit into the register. This is done by sign extending the8-or16-bit value to32bits in the ldb and ldh instructions.In the ldbu and ldhu instructions the operand is zero extended.The corresponding Store instructions are:●stb(Store Byte)●sth(Store Halfword)The stb instruction stores the low byte of register B into the memory byte specified by the effective address.The sth instruction stores the low halfword of register B.In this case the effective address must be halfword aligned.Each Load and Store instruction has a version intended for accessing locations in I/O device interfaces. These instructions are:●ldwio(Load Word I/O)●ldbio(Load Byte I/O)●ldbuio(Load Byte Unsigned I/O)●ldhio(Load Halfword I/O)●ldhuio(Load Halfword Unsigned I/O)●stwio(Store Word I/O)●stbio(Store Byte I/O)●sthio(Store Halfword I/O)The difference is that these instructions bypass the cache,if one exists.6.2Arithmetic Instructions1.1.6.2The arithmetic instructions operate on the data that is either in the general purpose registers or given as an immediate value in the instruction.These instructions are of R-type or I-type,respectively.They include:●add(Add Registers)●addi(Add Immediate)●sub(Subtract Registers)●subi(Subtract Immediate)●mul(Multiply)●muli(Multiply Immediate)●div(Divide)●divu(Divide Unsigned)The Add instructionadd rC,rA,rBadds the contents of registers A and B,and places the sum into register C.The Add Immediate instructionaddi rB,rA,IMMED16adds the contents of register A and the sign-extended16-bit operand given in the instruction,and places the result into register B.The addition operation in these instructions is the same for both signed and unsigned operands;there are no condition flags that are set by the operation.This means that when unsigned operands are added,the carry from the most significant bit position has to be detected by executing a separate instruction.Similarly,when signed operands are added,the arithmetic overflow has to be detected separately. The detection of these conditions is discussed in section6.11.The Subtract instructionsub rC,rA,rBsubtracts the contents of register B from register A,and places the result into register C.Again,the carry and overflow detection has to be done by using additional instructions,as explained in section6.11.The immediate version,subi,is a pseudoinstruction implemented asaddi rB,rA,-IMMED16The Multiply instructionmul rC,rA,rBmultiplies the contents of registers A and B,and places the low-order32bits of the product into register C. The operands are treated as unsigned numbers.The carry and overflow detection has to be done by using additional instructions.In the immediate versionmuli rB,rA,IMMED16the16-bit immediate operand is sign extended to32bits.The Divide instructiondiv rC,rA,rBdivides the contents of register A by the contents of register B and places the integer portion of the quotient into register C.The operands are treated as signed integers.The divu instruction is performed in the same way except that the operands are treated as unsigned integers.6.3Logic Instructions1.1.6.3The logic instructions provide the AND,OR,XOR,and NOR operations.They operate on data that is either in the general purpose registers or given as an immediate value in the instruction.These instructions are of R-type or I-type,respectively.The AND instructionand rC,rA,rBperforms a bitwise logical AND of the contents of registers A and B,and stores the result in register C. Similarly,the instructions or,xor and nor perform the OR,XOR and NOR operations,respectively.The AND Immediate instructionandi rB,rA,IMMED16performs a bitwise logical AND of the contents of register A and the IMMED16operand which is zero-extended to32bits,and stores the result in register B.Similarly,the instructions ori,xori and nori perform the OR,XOR and NOR operations,respectively.It is also possible to use the16-bit immediate operand as the16high-order bits in the logic operations,in which case the low-order16bits of the operand are zeros.This is accomplished with the instructions:●andhi(AND High Immediate)●orhi(OR High Immediate)●xorhi(XOR High Immediate)6.4Move Instructions1.1.6.4The Move instructions copy the contents of one register into another,or they place an immediate value into a register.They are pseudoinstructions implemented by using other instructions.The instructionmov rC,rAcopies the contents of register A into register C.It is implemented asadd rC,rA,r0The Move Immediate instructionmovi rB,IMMED16sign extends the IMMED16value to32bits and loads it into register B.It is implemented asaddi rB,r0,IMMED16The Move Unsigned Immediate instructionmovui rB,IMMED16zero extends the IMMED16value to32bits and loads it into register B.It is implemented asori rB,r0,IMMED16The Move Immediate Address instructionmovia rB,LABELloads a32-bit value that corresponds to the address LABEL into register B.It is implemented as:orhi rB,r0,%hi(LABEL)ori rB,rB,%lo(LABEL)The%hi(LABEL)and%lo(LABEL)are the Assembler macros which extract the high-order16bits and the low-order16bits,respectively,of a32-bit value LABEL.The orhi instruction sets the high-order bits of register B,followed by the ori instruction which sets the low-order bits of B.Note that two instructions are used because the I-type format provides for only a16-bit immediate operand.6.5Comparison Instructions1.1.6.5The Comparison instructions compare the contents of two registers or the contents of a register and an immediate value,and write either1(if true)or0(if false)into the result register.They are of R-type or I-type, respectively.These instructions correspond to the equality and relational operators in the C programming language.The Compare Less Than Signed instructioncmplt rC,rA,rBperforms the comparison of signed numbers in registers A and B,rA<rB,and writes a1into register C if the result is true;otherwise,it writes a0.The Compare Less Than Unsigned instructioncmpltu rC,rA,rBperforms the same function as the cmplt instruction,but it treats the operands as unsigned numbers.Other instructions of this type are:●cmpeq rC,rA,rB(Comparison rA==rB)●cmpne rC,rA,rB(Comparison rA!=rB)●cmpge rC,rA,rB(Signed comparison rA>=rB)●cmpgeu rC,rA,rB(Unsigned comparison rA>=rB)●cmpgt rC,rA,rB(Signed comparison rA>rB)This is a pseudoinstruction implemented as the cmplt instruction by swapping its rA and rB operands.●cmpgtu rC,rA,rB(Unsigned comparison rA>rB)This is a pseudoinstruction implemented as the cmpltu instruction by swapping its rA and rB operands.●cmple rC,rA,rB(Signed comparison rA<=rB)This is a pseudoinstruction implemented as the cmpge instruction by swapping its rA and rB operands.●cmpleu rC,rA,rB(Unsigned comparison rA<=rB)This is a pseudoinstruction implemented as the cmpgeu instruction by swapping its rA and rB operands.The immediate versions of the Comparison instructions involve an immediate operand.For example,theCompare Less Than Signed Immediate instructioncmplti rB,rA,IMMED16compares the signed number in register A with the sign-extended immediate operand.It writes a1into register B if rA<IMMED16;otherwise,it writes a0.The Compare Less Than Unsigned Immediate instructioncmpltui rB,rA,IMMED16compares the unsigned number in register A with the zero-extended immediate operand.It writes a1into register B if rA<IMMED16;otherwise,it writes a0.Other instructions of this type are:●cmpeqi rB,rA,IMMED16(Comparison rA==IMMED16)●cmpnei rB,rA,IMMED16(Comparison rA!=IMMED16)●cmpgei rB,rA,IMMED16(Signed comparison rA>=IMMED16)●cmpgeui rB,rA,IMMED16(Unsigned comparison rA>=IMMED16)●cmpgti rB,rA,IMMED16(Signed comparison rA>IMMED16)This is a pseudoinstruction which is implemented by using the cmpgei instruction with an immediate value IMMED16+1.●cmpgtui rB,rA,IMMED16(Unsigned comparison rA>IMMED16)This is a pseudoinstruction which is implemented by using the cmpgeui instruction with an immediate value IMMED16+1.●cmplei rB,rA,IMMED16(Signed comparison rA<=IMMED16)This is a pseudoinstruction which is implemented by using the cmplti instruction with an immediate value IMMED16+1.●cmpleui rB,rA,IMMED16(Unsigned comparison rA<=IMMED16)This is a pseudoinstruction which is implemented by using the cmpltui instruction with an immediate value IMMED16+1.6.6Shift Instructions1.1.6.6The Shift instructions shift the contents of a register either to the right or to the left.They are of R-type. They correspond to the shift operators,>>and<<,in the C programming language.These instructions are:●srl rC,rA,rB(Shift Right Logical)●srli rC,rA,IMMED5(Shift Right Logical Immediate)●sra rC,rA,rB(Shift Right Arithmetic)●srai rC,rA,IMMED5(Shift Right Arithmetic Immediate)●sll rC,rA,rB(Shift Left Logical)●slli rC,rA,IMMED5(Shift Left Logical Immediate)The srl instruction shifts the contents of register A to the right by the number of bit positions specified by the five least-significant bits(number in the range0to31)in register B,and stores the result in register C. The vacated bits on the left side of the shifted operand are filled with0s.The srli instruction shifts the contents of register A to the right by the number of bit positions specified by the five-bit unsigned value,IMMED5,given in the instruction.The sra and srai instructions perform the same actions as the srl and srli instructions,except that the sign bit,rA31,is replicated into the vacated bits on the left side of the shifted operand.The sll and slli instructions are similar to the srl and srli instructions,but they shift the operand in register A to the left and fill the vacated bits on the right side with0s.6.7Rotate Instructions1.1.6.7There are three Rotate instructions,which use the R-type format:●ror rC,rA,rB(Rotate Right)●rol rC,rA,rB(Rotate Left)●roli rC,rA,IMMED5(Rotate Left Immediate)The ror instruction rotates the bits of register A in the left-to-right direction by the number of bit positions specified by the five least-significant bits(number in the range0to31)in register B,and stores the result in register C.The rol instruction is similar to the ror instruction,but it rotates the operand in the right-to-left direction.The roli instruction rotates the bits of register A in the right-to-left direction by the number of bit positions specified by the five-bit unsigned value,IMMED5,given in the instruction,and stores the result in register C.6.8Branch and Jump Instructions1.1.6.8The flow of execution of a program can be changed by executing Branch or Jump instructions.It may be changed either unconditionally or conditionally.The Jump instructionjmp rAtransfers execution unconditionally to the address contained in register A.The Unconditional Branch instructionbr LABELtransfers execution unconditionally to the instruction at address LABEL.This is an instruction of I-type,in which a16-bit immediate value(interpreted as a signed number)specifies the offset to the branch target instruction.The offset is the distance in bytes from the instruction that immediately follows br to the address LABEL.Conditional transfer of execution is achieved with the Conditional Branch instructions,which compare the contents of two registers and cause a branch if the result is true.These instructions are of I-type and the offset is determined as explained above for the br instruction.The Branch if Less Than Signed instructionblt rA,rB,LABELperforms the comparison rA<rB,treating the contents of the registers as signed numbers.The Branch if Less Than Unsigned instructionbltu rA,rB,LABELperforms the comparison rA<rB,treating the contents of the registers as unsigned numbers.The other Conditional Branch instructions are:●beq rA,rB,LABEL(Comparison rA==rB)●bne rA,rB,LABEL(Comparison rA!=rB)●bge rA,rB,LABEL(Signed comparison rA>=rB)●bgeu rA,rB,LABEL(Unsigned comparison rA>=rB)●bgt rA,rB,LABEL(Signed comparison rA>rB)This is a pseudoinstruction implemented as the blt instruction by swapping the register operands.●bgtu rA,rB,LABEL(Unsigned comparison rA>rB)This is a pseudoinstruction implemented as the bltu instruction by swapping the register operands.●ble rA,rB,LABEL(Signed comparison rA<=rB)This is a pseudoinstruction implemented as the bge instruction by swapping the register operands.●bleu rA,rB,LABEL(Unsigned comparison rA<=rB)This is a pseudoinstruction implemented as the bgeu instruction by swapping the register operands. 6.9Subroutine Linkage Instructions1.1.6.9Nios II has two instructions for calling subroutines.The Call Subroutine instructioncall LABELis of J-type,which includes a26-bit unsigned immediate value(IMMED26).The instruction saves the return address(which is the address of the next instruction)in register r31.Then,it transfers control to theinstruction at address LABEL.This address is determined by concatenating the four high-order bits of the Program Counter with the IMMED26value as followsJump address=PC31−28:IMMED26:00Note that the two least-significant bits are0because Nios II instructions must be aligned on word boundaries.The Call Subroutine in Register instructioncallr rAis of R-type.It saves the return address in register r31and then transfers control to the instruction at the address contained in register A.Return from a subroutine is performed with the instructionretThis instruction transfers execution to the address contained in register r31.6.10Control Instructions1.1.6.10The Nios II control registers can be read and written by special instructions.The Read Control Register instructionrdctl rC,ctlNcopies the contents of control register ctlN into register C.The Write Control Register instructionwrctl ctlN,rAcopies the contents of register A into the control register ctlN.There are two instructions provided for dealing with exceptions:trap and eret.They are similar to the call and ret instructions,but they are used for exceptions.Their use is discussed in section8.2.The instructions break and bret generate breaks and return from breaks.They are used exclusively by the software debugging tools.The Nios II cache memories are managed with the instructions:flushd(Flush Data Cache Line),flushi (Flush Instruction Cache Line),initd(Initialize Data Cache Line),and initi(Initialize Instruction Cache Line).These instructions are discussed in section9.1.6.11Carry and Overflow Detection1.1.6.11As pointed out in section6.2,the Add and Subtract instructions perform the corresponding operations in the same way for both signed and unsigned operands.The possible carry and arithmetic overflow conditions are not detected,because Nios II does not contain condition flags that might be set as a result.These conditions can be detected by using additional instructions.Consider the Add instructionadd rC,rA,rBHaving executed this instruction,a possible occurrence of a carry out of the most-significant bit(C31)can be detected by checking whether the unsigned sum(in register C)is less than one of the unsigned operands.For example,if this instruction is followed by the instructioncmpltu rD,rC,rAthen the carry bit will be written into register D.Similarly,if a branch is required when a carry occurs,this can be accomplished as follows:add rC,rA,rBbltu rC,rA,LABELA test for arithmetic overflow can be done by checking the signs of the summands and the resulting sum.An overflow occurs if two positive numbers produce a negative sum,or if two negative numbers produce a positive ing this approach,the overflow condition can control a conditional branch as follows:add rC,rA,rB/*The required Add operation*/xor rD,rC,rA/*Compare signs of sum and rA*/xor rE,rC,rB/*Compare signs of sum and rB*/and rD,rD,rE/*Set D31=1if((A31==B31)!=C31)*/blt rD,r0,LABEL/*Branch if overflow occurred*/。
《基于SoPC的盲人阅读器的设计与实现》范文
《基于SoPC的盲人阅读器的设计与实现》篇一一、引言随着科技的飞速发展，辅助设备的创新在提高生活质量、增强人类能力方面扮演着越来越重要的角色。
本文旨在探讨基于SoPC（System on a Programmable Chip，可编程芯片系统）的盲人阅读器的设计与实现。
该设备旨在为视障人士提供便捷、高效的阅读体验，通过先进的技术手段，帮助他们更好地融入社会，享受阅读的乐趣。
二、SoPC技术概述SoPC是一种将系统功能集成在单一芯片上的技术，它集成了处理器、存储器、外设接口以及可编程逻辑等功能模块。
SoPC技术以其高集成度、低功耗、可扩展性等优点，在许多领域得到了广泛应用。
本文中，我们利用SoPC技术设计盲人阅读器，旨在通过集成音频处理、语音合成、文本识别等功能，为视障人士提供便捷的阅读体验。
三、系统设计1. 硬件设计硬件设计是盲人阅读器的基础。
我们采用SoPC技术，将处理器、音频编解码器、存储器等模块集成在单一芯片上。
其中，处理器负责处理文本识别和语音合成等任务；音频编解码器用于实现语音的输入与输出；存储器则用于存储识别后的文本和程序代码等数据。
2. 软件设计软件设计是实现盲人阅读器的关键。
我们采用操作系统作为基础软件平台，以支持多种应用软件的运行。
此外，我们还需要开发文本识别和语音合成等核心算法，以及用户界面程序等。
为了提高用户体验，我们还在系统中加入了语音导航和文字放大的功能。
四、功能实现1. 文本识别文本识别是盲人阅读器的核心功能之一。
我们采用OCR （Optical Character Recognition，光学字符识别）技术，将扫描或拍摄的文本图像转化为可编辑的文本格式。
然后，通过SoPC中的处理器进行文本识别和处理，将文字信息转化为语音信息。
2. 语音合成语音合成是实现盲人阅读器的重要环节。
我们采用先进的语音合成技术，将识别的文字信息转化为自然流畅的语音信息。
同时，我们还可以根据用户的喜好和需求，调整语音的语速、音调和音量等参数。
第1章 SOPC技术应用概述
1
SOPC 技术应用
第1章 SOPC概述
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 基本概念 SOPC设计流程 支持SOPC的可编程逻辑器件 支持SOPC技术的EDA工具 支持SOPC的硬件描述语言
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1.1 基本概念
1、SOC（System On a Chip） SOC称为片上系统，它是指将一个完整产品的功能 集成在一个芯片上或芯片组上。 SOC芯片中可以包含微处理器CPU、数字信号处理 器DSP、存储器（ROM、RAM、Flash等）、总线和 总线控制器、外围设备接口等，还可以包含数模混合 电路（放大器、比较器、A/D和D/A转换器、锁相环 等），甚至包含传感器、微机电和微光电单元等外围 部件。
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2、 SOPC （System On a Programmable Chip） SOPC称为可编程片上系统，它是基于可编程 逻辑器件PLD（FPGA）可重构的SOC。 SOPC集成了硬核或软核CPU、DSP、锁相环 （PLL）、存储器、I/O接口及可编程逻辑，可以 灵活高效地解决SOC方案，而且设计周期短，设 计成本低，一般只需要一台配有SOPC开发软件的 PC机和一台SOPC试验开发系统（或开发板）， 就可以进行SOPC的设计与开发。目前，SOPC技 术已成为倍受众多中小企业、研究所和大专院校 青睐的设计技术。
FPGA
键盘 嵌入式 CPU核 PIO Timer PLL 存储器
RAM
IP模块
LED
通信口
UART
ROM
DSP
LCD
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（1）嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，有硬 核和软核之分。常用的嵌入式微处理器硬核有 ARM 、 MIPS 、 PowerPC 、 Intel x86 、 Motorola 68000 等， Nios 是 Altera 公司开发的第一代嵌入 式微处理器软核，其数据位宽有 16 位和 32 位两 种选择。Nios II是Altera公司的第二代微处理器 软核，它是一种采用流水线技术、单指令流的 RISC（Reduced Instruction Set Computing）32位 嵌入式微处理器，大部分指令可以在一个时钟 周期内完成。
第一章SOPC概述(1)
Moore’s Law
• Transistor counts have doubled every 2 years • Integration Levels
– – – – SSI: 10 gates MSI: 1000 gates LSI: 10,000 gates VLSI: > 10k gates
The First Integrated Circuit
• 1966: ECL 3-Input gate at Motorola
MOS Integrated Circuits
• 1970’s processes usually had only nMOS transistors • Inexpensive, but consume power while idle
• FPGA-type solutions are also evolving
So品,是一个有专用目标的集成电路；SoC通 常将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器（或 片外存储控制接口）集成在单一芯片上。 – 又是一种技术,用以实现从确定系统功能开始,到软/ 硬件划分,并完成设计的整个过程。 • 狭义角度： 信息系统芯片集成，将系统集成在一 块芯片上; • 广义角度：是一个微小型系统。
Intel 1101 256-bit SRAM
Intel 4004 4-bit Proc 1000 Trs, 1 MHz operation
High Performance Processors
• 2001: Intel Pentium Microprocessor – 42 M transistors, – 1.5 GHz operation – CMOS, Low power
Example of Digital Camera
SOPC技术及应用实验指导
《SOPC技术原理及应用》实验指导书适用专业:电气、测控等编写单位:电气信息学院编写人:曹林审核人:审批人:批准时间:年月日目录前言MagicSOPC 创新教学实验开发平台 (3)实验1 PIO 输出—流水灯控制 (4)实验2 PIO输出—步进电机控制 (7)实验3 PIO 输入—读取开关信号 (12)实验4 PIO 外部中断实验 (15)前言MagicSOPC 创新教学实验开发平台MagicSOPC 是基于Altera Nios II SOPC 系列的专业级创新教学实验开发平台；采用Altera 公司Cyclone II 系列150 万门的FPGA，先进的系统化、模块化设计；丰富的人机交互方式，众多的高性能外设使得MagicSOPC 实验开发平台具有卓越的性能和无与伦比的灵活性；是SOPC、EDA、DSP 教学实验、电子设计创新实验室、现代嵌入式系统实验室、科研开发的上佳选择。
实验开发平台采用核心板加主板的结构，提供多种人机交互方式，多种模块外设，如：矩阵键盘、按键、拔档开关、触摸屏输入；数码管显示、大屏幕TFT 彩色液晶显示屏；AC97 音频模块；VGA、TV、PS/2、USB、IrDA、CAN、I2C、SPI、RS232、RS485、Modem、Ethernet、CF 卡、SD/MMC 卡、IDE 接口及高速AD/DA 模块等。
开发工程师可在该实验平台上实现EDA、SOPC、DSP 等各种设计并进行验证。
核心板可灵活地用于二次开发。
与一般的实验箱不同，MagicSOPC 主板的所有外设都不需要进行跳线设置，做实验时方便简单；此外每个外设的信号都设置了测试点，方便用户使用逻辑分析仪进行信号测量。
一切为设计为用户考虑是本开发平台的出发点。
考虑到核心板对用户的实用性，核心板除设计最小系统外，还设计有按键、LED 以及电源插座等，用户直接/或量身定制底板使用，这样核心板可用于用户自己的设计中，亦可用于电子设计大赛。
SOPC系统设计与实践-要点归纳
《现代电子设计技术》课程要点归纳第1章概述1 SOPC名词解释2 VHDL名词解释：Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language超高速集成电路硬件描述语言3 集成电路发展的6个阶段：晶体管，小规模集成电路（SSI），中规模集成电路(MSI)，大规模集成电路（LSI），超大规模集成电路(VSLI)，片上可编程系统(SOC)4 片上系统（SOC）基本概念：SoC (System on Chip,片上系统) 是ASIC(Application Specific IntegratedCircuits) 设计方法学中的新技术,是指以嵌入式系统为核心,以IP 复用技术为基础,集软、硬件于一体,并追求产品系统最大包容的集成芯片.狭意些理解,可以将它翻译为“系统集成芯片”,指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O 等功能,包含嵌入软件及整个系统的全部内容;广义些理解,可以将它翻译为“系统芯片集成”,指一种芯片设计技术,可以实现从确定系统功能开始,到软硬件划分,并完成设计的整个过程.5 SOC设计方法学中的系统集成芯片技术包括的三个方面：设计重用技术，软硬件协同设计技术，纳米级电路设计技术6 SOC设计重用技术的概念、特点、构成及要求：主要指的是IP重用技术，重用预先设计并经验证的模块（可从第三方获得），以达到缩短设计周期、加快投入市场的目的；它由IP的设计和IP的使用两个部分构成，要求所设计的IP可重用、可配置和可升级，目标是IP能即插即用。
7 软硬协同技术的概念及其构成：一般来说，面向SOC的软硬件协同设计理论是从一个给定的系统描述着手，通过有效地分析系统任务和所需的资源，采用一系列变换方法并遵循特定的准则自动生成符合系统功能要求、符合系统约束的硬件和软件架构。
软硬协同主要包括系统描述、软硬件划分、软硬件协同综合以及软硬件协同模拟与验证。
sopc第一章
1 SOPC及其技术
（1）SOPC与MCU 目前，在大容量FPGA中可以嵌入16位或32位以上的
MCU。如Altera公司的FPGA可嵌入一个或多个软核CPU （Nios或NiosII），或预嵌入ARM等微处理器。 （2）SOPC与DSP
1 SOPC及其技术
FPGA／CPLD 芯片都是特殊的ASIC芯片，它们除了 具有 ASIC 的特点之外，还具有以下几个优点： （1）所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集 成，即片上系统SOC。 （2）FPGA／CPLD的资金投入小，节省了许多潜在的花费。 （3）用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不 动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。 （4）在线可编程技术（ISP）使得使用 CPLD/FPGA 的产品 可以做到远程升级。
1 SOPC及其技术
右图所示是嵌入式技 术发展的示意图，而SOC 和SOPC代表了嵌入式系 统发展的方向。
消费电子 低成本、低功耗
信息
通信 宽带、无线
高校计算 运算、处理
任
任
任
任
何
何
何
何
时
地
内
媒
间
点
容
体
应用软件
RTOS
SoC/SOPC
1 SOPC及其技术
SOC系统简介
20世纪90年代后期，嵌入式系统设计从以嵌入式微处 理器/DSP为核心的“集成电路”级设计不断转向“集成 系统”级设计，提出了SOC（片上系统，System on a Chip）的基本概念。目前嵌入式系统已进入了单片系统 SOC的设计阶段，并逐步进入实用化、规范化阶段，集成 电路已进入SOC的设计流程。
sopc技术与应用课程设计
sopc技术与应用课程设计一、课程目标知识与理解目标：使学生掌握SOPC（System On Programmable Chip）的基本概念、原理及设计流程，理解SOPC技术在现代电子系统中的应用和优势，了解相关硬件描述语言（如Verilog HDL）的基础知识。
技能目标：培养学生运用所学知识进行SOPC系统设计的能力，包括硬件描述代码编写、仿真验证、综合和布局布线等，提高学生实际操作FPGA（Field-Programmable Gate Array）开发板的能力。
情感态度价值观目标：激发学生对电子技术、特别是SOPC技术的学习兴趣，培养学生团队协作、创新实践的精神，强化质量安全意识，认识到SOPC技术在国家经济建设和国防安全中的重要作用。
针对课程性质，结合学生特点和教学要求，本课程目标将分解为以下具体学习成果：1. 学生能够准确描述SOPC的基本原理和设计流程；2. 学生能够运用Verilog HDL编写简单的硬件描述代码并进行功能仿真；3. 学生能够在FPGA开发板上实现基本的SOPC系统设计；4. 学生能够理解并阐述SOPC技术在现实生活中的应用；5. 学生通过小组合作，培养团队精神和沟通协调能力；6. 学生能够认识到SOPC技术的价值，激发对电子科技事业的热爱和追求。
二、教学内容本课程教学内容依据课程目标，紧密结合教材，科学系统地组织以下模块：1. SOPC基本概念与原理：介绍SOPC的定义、发展历程，探讨其与传统ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）的区别，分析SOPC的设计理念和优势。
2. 硬件描述语言基础：以Verilog HDL为例，讲解硬件描述语言的基本语法、数据类型、运算符和基本结构，为后续的硬件设计打下基础。
3. SOPC设计流程：详细讲解SOPC设计的各个阶段，包括需求分析、硬件描述代码编写、功能仿真、综合、布局布线和时序分析等。
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第1节电子系统设计的发展趋势(1) 电子系统设计的发展主要受以下两个技术的推动：微电子技术——使得硅片单位面积上集成的晶体管数目越来越多。
计算机技术——软硬件技术的发展推动EDA技术的发展。
(2) 集成电路设计都是从器件的物理版图设计入手EDA技术发展的推动(3) 出现集成电路单元库，集成电路设计进入逻辑级，极大地推动IC产业的发展。
电子系统是IC之间通过PCB板等技术进行互联来构成的。
PCB板上IC 芯片之间连线的延时、PCB板的可靠性、PCB板的尺寸等因素，会对系统的整体性能造成很大的限制。
由IC互联构成的嵌入式系统设计(4) IC互联构成的系统 (设计和工艺EDA技术 )SOC——片上系统SOC是指将一个完整产品的功能集成在一个芯片上或芯片组上。
SOC 从系统的整体角度出发，以IP (Intellectual property)核为基础，以硬件描述语言作为系统功能和结构的描述手段，借助于以计算机为平台的EDA工具进行开发。
由于SOC设计能够综合、全盘考虑整个系统的情况，因而可以实现更高的系统性能。
SOC的出现是电子系统设计领域内的一场革命，其影响将是深远和广泛的。
由SOC构成嵌入式系统设计:第2节基本概念IC：集成电路。
ASIC：专用集成电路。
通用集成电路：FPGA、CPLD等。
SOC：属于专用集成电路。
（1）SOC：它是指将一个完整产品的各功能集成在一个芯片中，可以包括有CPU、存储器、硬件加速单元（AV处理器、DSP、浮点协处理器等）、通用 I/O（GPIO）、UART接口和模数混合电路（放大器、比较器、A/D、D/A、射频电路、锁相环等），甚至延伸到传感器、微机电和微光电单元。
（如果把CPU看成是大脑，则SOC 就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。
）SOC系统的构建一个重要特性：使用可重用的IP来构建系统。
可以缩短产品的开发周期，降低开发的复杂度。
可重复利用的IP包括元件库、宏及特殊的专用IP等，如通信接口IP、输入输出接口IP；各家开发商开发的微处理器IP，如ARM公司的RISC架构的ARM核。
SOC嵌入式系统就是微处理器的IP再加上一些外围IP整合而成的。
SOC 以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，并追求最高的集成度，是电子系统设计追求的必然趋势和最终目标，是现代电子系统设计的最佳方案。
SOC是一种系统集成芯片，其系统功能可以完全由硬件完成，也可以由硬件和软件协同完成。
目前的SOC主要指后者。
SOC存在的问题：SoC初衷很好，但现实中却缺乏好的解决方案。
由于是基于ASIC实现SoC系统，设计周期长、费用高昂、成功率不高而且产品不能修改显得系统的灵活性差，往往使得学术科研机构、中小企业难以承受。
但是SoC以系统为中心、基于IP核的多层次、高度复用，可实现软硬件的无缝结合，综合性高。
（2）片上可编程系统(SoPC—System on a Programmable Chip)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。
（3）IP (Intellectual Property)是知识产权的简称，SOC和SOPC在设计上都是以集成电路IP核为基础的。
集成电路IP是经过预先设计、预先验证、符合产业界普遍认同的设计规范和设计标准，并具有相对独立并可以重复利用的电路模块或子系统，如CPU、运算器等。
集成电路IP模块具有知识含量高、占用芯片面积小、运行速度快、功耗低、工艺容差性大等特点，还具有可重用性，可以重复应用于SOC、SOPC 或复杂的ASIC的设计当中。
软核IP软核通常是用HDL文本形式提交给用户，它经过RTL级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息。
据此，用户可以综合出正确的门电路级设计网表，并可以进行后续的结构设计，具有很大的灵活性，借助于EDA 综合工具可以很容易地与其他外部逻辑电路合成一体，根据各种不同半导体工艺，设计成具有不同性能的器件。
软IP内核也称为虚拟组件（VC-Virtual Component）。
硬核IP硬核是基于半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并已经过工艺验证，具有可保证的性能。
其提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术。
固核IP固核的设计程度则是介于软核和硬核之间，除了完成软核所有的设计外，还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节。
一般以门级电路网表的形式提供给用户。
在SOPC的设计中，嵌入式的微处理器的IP分软核和硬核两种。
基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统，是在FPGA中以硬核的方式预先植入嵌入式系统处理器，可以是ARM或其他的微处理器知识产权核，然后利用FPGA中的可编程逻辑资源和IP核来实现其他的外围器件和接口。
这样使得FPGA的灵活的硬件设计和实现与处理器的强大运算功能很好地结合。
（4）基于嵌入IP硬核的SOPC系统有以下的缺点：1.此类硬核多来自第三方公司，FPGA厂商需要支付知识产权费用，从而导致FPGA器件价格相对偏高。
2. 由于硬核是预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，如总线宽度、接口方式等，更不能将FPGA逻辑资源构成的硬件模块以指令的形式形成内置嵌入式系统的硬件加速模块。
3．无法根据实际需要在同一FPGA中使用多个处理器核。
4. 无法裁剪处理器的硬件资源以降低FPGA成本。
5. 只能在特定的FPGA中使用硬核。
（5）基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统可以解决基于硬核的SOPC的缺点。
目前最具代表性的软核嵌入式系统处理器：Altera公司NIOS和NIOS IIXilinx的MicroBlaze第3节Nios II软核简介Nios II是Altera公司2004年6月退出的第二代软核处理器。
相对于Nios，Nios II 性能更高，占用FPGA的资源更少，而与之配套的开发环境更先进，有更多的资源可供用户使用。
Nios II系列32位RISC嵌入式处理器具有超过200 DMIP的性能，在FPGA中实现成本只有35美分。
由于处理器是软核形式，具有很大的灵性，用户您可以在多种系统设置组合中进行选择，达到性能、特性和成本目标。
采用Nios II处理器进行设计，可以帮助用户将产品迅速推向市场，延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时。
一. 可定制性采用Nios II处理器，开发者将不会局限于预先制造的处理器技术，而是根据自己的标准定制处理器;按照需要选择合适的外设、存储器和接口。
用户可以轻松集成自己专有的功能，使设计具有独特的竞争优势。
Nios II的可定制性Nios II具有完全可定制和重新配置特性，所实现的产品可满足现在和今后的需求。
Nios II处理器系列包括三种内核——快速（Nios II/f）、标准（Nios II/s）和经济型（Nios II/e），每一型号都针对价格和性能范围进行了优化。
所有这些内核共享32位指令集体系，与二进制代码100％兼容。
外设的可定制性1. Nios II开发包含有一套通用外设和接口库。
2. 利用SOPC Builder软件中的用户逻辑接口向导，用户可以生成自己的定制外设，并将其集成在Nios II处理器系统中。
使用SOPC Builder，用户可以在Altera FPGA中，组合实现现有处理器无法达到的嵌入式处理器配置。
二、系统性能可配置性用户所需要的处理器，应该能够满足当前和今后的设计性能需求。
Nios II设计人员必须能够更改其设计，如加入多个Nios II CPU、定制指令集、硬件加速器，以达到新的性能目标。
采用Nios II处理器，您可以通过Avalon交换架构来调整系统性能，该架构是Altera的专有互联技术，支持多种并行数据通道，实现大吞吐量应用。
用户可以在 FPGA内部实现多个处理器内核，通过将多个Nios II/f内核集成到单个器件内，可以获得更高的性能。
Nios II 的IDE开发支持这种多处理器在单一FPGA上的开发，或多个FPGA共享一个JTAG链。
Avalon交换架构Avalon交换架构能够进行多路数据同时处理，实现无与伦比的系统吞吐量。
SOPC Builder自动生成的Avalon交换架构针对系统处理器和外设的专用互联需求进行优化。
传统总线结构中，单个总线仲裁器控制总线主机和从机之间的通信。
每个总线主机发起总线控制请求，由总线仲裁器对某个主机授权接入总线。
如果多个主机试图同时接入总线，总线仲裁器会根据一套固定的总裁规则，分配总线资源给某个主机。
由于每次只有一个主机能够接入总线、使用总线资源，因此会导致带宽瓶颈。
Avalon交换架构的同时多主机体系结构提高了系统带宽，消除了带宽瓶颈。
采用Avalon交换架构，每个总线主机均有自己的专用互联，总线主机只需抢占共享从机，而不是总线本身。
每当系统加入模块或者外设接入优先权改变时，SOPC Builder利用最少的FPGA资源，产生新的最佳Avalon交换架构。
Avalon交换架构支持多种系统体系结构，如单主机/多主机系统，可实现数据在外设与性能最佳数据通道之间的无缝传输。
Avalon交换架构同样支持用户所设计的片外处理器和外设。
定制指令Nios II处理器定制指令扩展了CPU指令集，提高对时间要求严格的软件运行速度，从而使开发人员能够提高系统性能。
采用定制指令，您可以实现传统处理器无法达到的最佳系统性能。
Nios II系列处理器支持多达256条的定制指令，加速通常由软件实现的逻辑和复杂数学算法。
例如，在64K字节缓冲中，执行循环冗余编码计算的逻辑模块，其定制指令速度比软件快27倍。
Nios II处理器支持固定和可变周期操作，其向导功能将用户逻辑做为定制指令输入系统，自动生成便于在开发人员代码中使用的软件宏功能。
定制指令专用硬件加速器，可以做为FPGA中的定制协处理器，协助CPU同时处理多个数据块。
循环冗余编码实例，采用硬件加速器处理64K字节缓冲比软件速度快530倍。
SOPC Builder含有一个输入向导，帮助开发人员将其加速逻辑和DMA 通道引入系统。
硬件加速三、延长产品生存周期为实现一个成功的产品，需要将其尽快推向市场，增强其功能特性以延长使用时间，避免出现处理器逐渐过时。