實現(xiàn)SOPC的嵌入式軟硬件協(xié)同設(shè)計平臺

摘要：對基于FPGA的SOPC軟硬件協(xié)同設(shè)計方法進行了研究，在此基礎(chǔ)上，詳細設(shè)計了系統(tǒng)硬件平臺，并對硬件平臺的硬件系統(tǒng)進行了定制。本平臺滿足了從硬件系統(tǒng)定制，到操作系統(tǒng)配置均可以按照設(shè)計需求進行定制的特點。
關(guān)鍵詞：SOPC；嵌入式系統(tǒng)；軟硬件協(xié)同設(shè)計；FPGA

片上可編程系統(tǒng)(System On a Programmable Chip，SOPC)是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SoC解決方案。SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先，它是系統(tǒng)芯片SoC，即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁剪、可升級、可擴充，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。它結(jié)合了SoC和FPGA的優(yōu)點，具有以下基本特征：至少包含一個以上的嵌入式處理器IP(Intellectual Property，知識產(chǎn)權(quán))核，具有小容量片內(nèi)高速RAM資源，豐富的IP核資源可供靈活選擇，有足夠的片上可編程邏輯資源，處理器高速接口和FPGA編程接口共用或并存，可能包含部分可編程模擬電路，單芯片、低功耗。
本文主要研究的是應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法來實現(xiàn)一個集軟核處理器的嵌入式設(shè)計平臺，在此基礎(chǔ)上，如有必要還可集成嵌入式操作系統(tǒng)。

1 基于SOPC軟硬件協(xié)同設(shè)計方法
SOPC設(shè)計技術(shù)實際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的全部內(nèi)容，除了以處理器和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS為中心的軟件設(shè)計、以PCB和信號完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計技術(shù)以外，SOPC還涉及目前已經(jīng)引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同技術(shù)。
1．1 軟硬件協(xié)同設(shè)計模型
目前的軟硬件協(xié)同設(shè)計是指軟硬件的設(shè)計同時進行，在系統(tǒng)的初期階段兩者就緊密相連。軟硬件協(xié)同設(shè)計不僅是一種設(shè)計技術(shù)，同時也是一種新的設(shè)計方法和思想，它的核心問題是溝通軟件設(shè)計和硬件設(shè)計，避免系統(tǒng)中關(guān)系密切的兩部分設(shè)計過早獨立。同傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，軟硬件協(xié)同設(shè)計提高了設(shè)計抽象的層次，并拓展了設(shè)計的覆蓋范圍。采用軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)可以使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計更好和更快。
軟硬件協(xié)同設(shè)計在其研究和生產(chǎn)實踐過程中，提出了很多的設(shè)計模型。這些模型都是把系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換成組織結(jié)構(gòu)，將抽象的功能描述模型轉(zhuǎn)換成組織結(jié)構(gòu)模型。由于針對一個系統(tǒng)可以建立多種模型，因此應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的仿真和先前的經(jīng)驗來選擇模型。
軟硬件協(xié)同設(shè)計流程從目標系統(tǒng)構(gòu)思開始。對一個給定的目標系統(tǒng)，經(jīng)過構(gòu)思，完成該系統(tǒng)的規(guī)范描述，然后是模塊的行為描述、對模塊的有效性檢查、軟硬件劃分、性能評估、硬件綜合、軟件編譯、軟硬件集成、軟硬件協(xié)同仿真與驗證等各個階段。其中軟硬件劃分后產(chǎn)生硬件部分、軟件部分和軟硬件接口3個部分。硬件部分遵循軟件描述、軟件生成和參數(shù)化的步驟，生成軟件模塊，最后把生成的軟硬件模塊和軟硬件接口集成，并進行軟硬件協(xié)同仿真，以進行系統(tǒng)評估和設(shè)計驗證。圖1給出了一個軟硬件協(xié)同設(shè)計流程。

圖中對軟硬件設(shè)計流程中每個子過程進行了簡單的描述。確定說明文檔之后，先建立高級算法模型，然后再考慮軟硬件的劃分，這樣可以更好地分析算法的實現(xiàn)方法，比如是用硬件實現(xiàn)還是用軟件實現(xiàn)等。