SOPC硬件系統(tǒng)設計概要

王 爽，吳全興

(1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032;2.沈陽新元信息與測控技術有限公司，沈陽 110179)

1 SOPC系統(tǒng)簡介

SOPC是一種新的系統(tǒng)設計技術，也是一種新的軟硬件綜合設計技術。通過它，可以很快地將硬件系統(tǒng)(包括微處理器，存儲器，外設以及用戶邏輯電路等)和軟件設計都放在一個可編程的芯片中，以達到系統(tǒng)的IC設計。這種設計方式，具有開發(fā)周期短以及系統(tǒng)可修改等優(yōu)點。設計完成的SOPC可以轉為ASIC芯片，從而可以實現(xiàn)快速量產(chǎn)。一旦定義了處理器之后，設計者就“具備”了體系結構，可以馬上開始設計軟件原型。CPU周邊的專用硬件邏輯可以慢慢地集成進去，在每個階段軟件都能夠進行測試，解決遇到的問題。另外，軟件組可以對結構方面提出一些建議，改善代碼效率和處理器性能，這些軟件、硬件權衡可以在硬件設計過程中間完成。

2 SOPC硬件系統(tǒng)設計流程

在采用NiosII處理器設計SOPC嵌入式系統(tǒng)時，通常會按照以下的步驟:

(1)分析系統(tǒng)需求說明，包括功能需求和性能約束等。

(2)根據(jù)分析結果，選擇片外外設和片內(nèi)IP(知識產(chǎn)權核)。除此以外，還要對選擇的IP和外設進行初步性能評估，以保證能夠滿足系統(tǒng)需求。

(3)確定IP和系統(tǒng)參數(shù)。

(4)確定系統(tǒng)互聯(lián)邏輯，分配FPGA的引腳等。

(5)結合Nios提供的軟件開發(fā)包進行軟件開發(fā)。

其中硬件系統(tǒng)設計內(nèi)容可以分成兩大部份:

(1)用SOPC Builder創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊并存入塊設計文件(.bdf)。

(2)用QuartusⅡ編程器和ByteBlasterⅡ電纜配置Nios開發(fā)板上的FPGA。

SOPC Builder可看作是一個以IP模塊為輸入，集成系統(tǒng)為輸出的工具。SOPC Builder圖形用戶界面啟動時，會自動搜索已安裝的 IP模塊。SOPC Builder 主窗口中的左側模塊池內(nèi)顯示了所有發(fā)現(xiàn)的IP模塊列表。SOPC Builder通過在一個搜索路徑中的所有目錄下搜索名為class.ptf的文件來獲得IP模塊列表。SOPC Builder讓IP制作者制定有關IP應該如何連接的細節(jié)，這樣能夠減輕用戶為每個設計項目重新再設計(或總線結構)的工作量。而且，通過追蹤整個系統(tǒng)的配方，就能夠使用SOPC Builder透明地調整相應的系統(tǒng)軟件以反映硬件配置的變化。SOPC Builder設計過程有三個主要步驟，如圖1所示。

圖1 SOPC Builder設計過程

2.1 構件開發(fā)

SOPC Builder的IP模塊是由IP開發(fā)人員提供的硬件(RTL、原理圖或EDIF)和軟件(C源代碼、頭文件等)。IP開發(fā)者經(jīng)常會希望拿一個現(xiàn)成的具有微處理器總線接口的邏輯模塊，然后轉換成SOPC Builder的IP模塊。這需要如下三個主要步驟:

(1)建立一個名為 class.ptf的簡單文本文件(通常這個過程可以簡化，比如通過復制一個類似IP模塊的 class.ptf文件，然后修改其中的某些參數(shù))。

(2)實現(xiàn)IP模塊的所有文件(HDL文件、軟件支持文件(.c 和.h)，等等)，連同 class.ptf文件，放置在同一個目錄下。

(3)將上述的目錄及文件復制到SOPC Builder的搜索路徑下，設定目錄名與該IP模塊的正式名稱相同。

SOPC Builder內(nèi)包括和安裝了一些IP模塊，其他一些IP模塊可以從Altera或第三方IP提供商處獲得、安裝。

2.2 系統(tǒng)集成

用戶創(chuàng)建和編輯一個新的系統(tǒng)時，一般要從庫中選擇一些IP模塊，逐個地配置這些IP模塊，以及設置整個系統(tǒng)的配置(如，指定地址映射和主/從端口連接等)。在這個過程中，用戶的設置都會保存在系統(tǒng)PTF文件中，一般不會有其他文件的產(chǎn)生或修改。

用戶可以在模塊池內(nèi)雙擊IP模塊名、按下Add按鈕或從系統(tǒng)菜單中選擇Add Module來添加一個IP模塊。每添加一個IP模塊，一個新的模塊行會出現(xiàn)在模塊表格內(nèi)，并有一個臨時的模塊名。在添加階段的開始，SOPC Builder會在系統(tǒng)PTF文件中建立一個新的MODULE節(jié)，并將class.ptf文件MODULE_DEFAULTS節(jié)中的所有內(nèi)容復制到這個新的MODULE節(jié)中。因此，IP模塊即使沒有Add_Program程序，也可以通過MODULE_DEFAULTS節(jié)提供添加階段所需的部分或全部信息。例如一個IP模塊的數(shù)據(jù)寬度總是16位，則不需要編寫Add_Program程序，用來在系統(tǒng)PTF文件中設置數(shù)據(jù)寬度。直接設置class.ptf文件MODULE_DEFAULTS節(jié)中的參數(shù)更容易些。此后，SOPC Builder會運行IP模塊聲明的Add_Program程序，并通知Add_Program程序如何找到新建立的MODULE節(jié)。SOPC Builder以命令行參數(shù)的方式把這個信息傳遞給Add_Program程序。Add_Program程序可以修改新MODULE節(jié)內(nèi)的任何節(jié)或參數(shù)，比如WIZARD_SCRIPT_AR GUMENTS和SYSTEM_BUILDER_INFO部分，也可能還有其他部分。

大部分SOPC Builder的IP模塊都提供一個編輯工具，用來在模塊添加到系統(tǒng)之后重新改變它的參數(shù)。用戶雙擊代表系統(tǒng)中某一模塊的那一行，就可以對其編輯了。但如果模塊class.ptf文件中只有一個空的Edit_Program程序參數(shù)，則什么也不會發(fā)生。Edit_Program程序也可以通過命令行方式調用，命令行參數(shù)與Add_Program程序相同，以便它能找到相應的系統(tǒng)PTF文件和新建立的MODULE節(jié)。通常，Edit_Program程序和Add_Program程序提供了相同的圖形用戶界面來配置模塊，它們往往就是同一個程序。

至少一個IP模塊添加到系統(tǒng)中后，用戶就可以通過SOPC Builder圖形用戶界面來配置系統(tǒng)了。地址映射表，主/從端口連接，甚至 System Generation標簽頁的選項等等，都會影響系統(tǒng)的布局布線。

綁定階段用來提供Add/Edit_Program程序之外的參數(shù)設定。綁定階段在系統(tǒng)配置階段之后，所以可以重新設定與整個系統(tǒng)模塊相關的選項。除非用戶返回到前面的階段，否則模塊和它們的互連關系不會改變。綁定階段所做的選擇可能包括:從列表中選擇特定類型的模塊;選擇中斷映射;還有一些其他的操作，等等。這些操作最好不要通過模塊的向導來執(zhí)行，因為用戶添加不同模塊的順序可能是不確定的。

2.3 系統(tǒng)生成

當用戶完成了SOPC Builder中的設計活動之后，最后按下Generate按鈕，或從命令行執(zhí)行系統(tǒng)生成程序時，系統(tǒng)生成就開始了。系統(tǒng)生成的結果是一系列設計文件，如HDL文件，SDK(software－support)目錄和模擬工程文件等等。

SOPC Builder生成Nios CPU的同時，會生成一個SDK目錄。SOPC Builder為每一個CPU生成SDK目錄之后，SOPC Builder接下來會逐個地為系統(tǒng)列表中的每一個模塊執(zhí)行相應的生成程序。SOPC Builder的IP模塊會在class.ptf文件中指定自己的生成程序，如果class.ptf文件中Generator_Program參數(shù)值為空值(“”)，則SOPC Builder包含的缺省生成程序會執(zhí)行。缺省生成程序執(zhí)行一些為創(chuàng)建一個新模塊所需的簡單合理的操作，使得模塊在系統(tǒng)中可以看得到。這些操作在模塊class.ptf文件的DEFAULT_GENERATOR節(jié)中被參數(shù)化。如果某一個IP模塊顯式地指定Generator_Program參數(shù)值為none，則在它的模塊生成階段什么也不會發(fā)生(這不影響其他模塊的生成)。

模塊的生成程序可能會非常簡單(如缺省生成程序，僅僅拷貝一些文件)，也可能非常復雜。許多SOPC Builder的IP模塊的HDL代碼實現(xiàn)直接由生成程序來產(chǎn)生，而不是簡單從庫里拷貝。每一個模塊的生成程序以命令行執(zhí)行時，帶有一系列的參數(shù)，用來指定系統(tǒng)名稱和生成的MODULE節(jié)的名稱。

class.ptf文件中有一個特殊的部分名為 DEFAULT_GENERATOR，用來給缺省生成程序設置相應的參數(shù)。這個部分僅對缺省生成程序有用。如果Generator_Program參數(shù)沒有指定缺省生成程序，很顯然，這一部分的內(nèi)容就被忽略掉了。缺省生成程序產(chǎn)生HDL和完成系統(tǒng)綜合和布局布線的準備工作等，缺省生成程序主要完成以下三個操作:模塊重新命名并封裝;拷貝實現(xiàn)文件到工程目錄;整理用于綜合的某些文件。

SOPC Builder為系統(tǒng)生成所有實現(xiàn)總線互連邏輯的HDL代碼(VHDL或Verilog)。一個完整的系統(tǒng)PTF文件包含有足夠的信息，為每一個系統(tǒng)主設備和從設備生成地址解碼器、數(shù)據(jù)選擇器、共享從端口的仲裁器、中斷邏輯和總線時序邏輯等。

SOPC Builder把系統(tǒng)頂層模塊的定義寫入系統(tǒng)HDL文件中。頂層模塊的定義包括:系統(tǒng)所有I/O端口的聲明、系統(tǒng)中每個模塊的實例、包含總線邏輯的仲裁模塊的實例、以及各個模塊間的互連邏輯。SOPC Builder還在系統(tǒng)HDL文件中定義了一個測試模塊(一般命名為test_bench)。測試模塊包含一個系統(tǒng)模塊的實例(命名為DUT)，還有系統(tǒng)時鐘和復位輸入的激勵源。SOPC Builder還產(chǎn)生一個原理圖文件(.bsf)，使得系統(tǒng)模塊可以在Quartus的圖形編輯方式下使用。

除了在前面階段生成的硬件(HDL)文件和軟件(SDK)文件，SOPC Builder還會生成一些文件和目錄以支持第三方的工具。

SOPC Builder為快速模擬系統(tǒng)，會生成一個ModelSim工程目錄:＜system_name＞_sim/，并在該目錄下生成功能仿真需要的所有文件。

在工程文件生成階段，SOPC Builder生成一個＜system_name＞_generation_script文件。這是一個shell腳本，可以從命令行執(zhí)行，也可以從其他腳本或程序中執(zhí)行。這個腳本可以在不進入圖形用戶界面的情況下，重新生成系統(tǒng)。

2.4 Quartus II軟件綜合

SOPC Builder僅僅生成系統(tǒng)模塊的HDL描述。如果要綜合和編譯系統(tǒng)，則需要使用Quartus II軟件工具。有時IP開發(fā)者僅提供綜合好的硬件描述，在這種情況下，需要對該IP封裝以避免Quartus對其再次綜合。IP開發(fā)者可以使用缺省生成程序，并通過設置DEFAULT_GENERATOR/black_box參數(shù)來實現(xiàn)封裝。設置了black_box參數(shù)之后，缺省生成程序會自動生成一個封裝文件，以黑盒的方式封裝這個IP。

3 結束語

SOPC Builder根據(jù)用戶選擇的IP生成相應的HDL描述文件(系統(tǒng)模塊文件)，這些文件與用戶邏輯區(qū)域內(nèi)的設計描述文件一起由Quartus軟件綜合，然后下載到FPGA內(nèi)，這樣就構成了系統(tǒng)的硬件基礎。

［1］Steve Furber，著.ARM SoC 體系結構［M］.田澤，于敦山，盛世敏，譯.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

［2］杜春雷.ARM體系結構與編程［M］.北京:清華大學出版社，2003.