SOPC的现状及发展趋势

SOPC的现状及发展趋势摘要:System-on-a-Programmable-Chip，即可编程片上系统。用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，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，并具备软硬件在系统可编程的功能。以SOPC为核心的电子产品,是近几年集成电路中发展最快的产品.SOPC将进一步扩大适用领域,将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用.SOPC是PLD和ASIC技术融合的结果，目前0.13微米的ASIC产品制造价格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑的SOPC芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。SOPC被称为“半导体产业的未来”。关键字:SOPC发展现状趋势应用Abstract:System-on-a-Programmable-Chip,on-chipsystemcanbeprogrammed.Programmablelogictechnologywiththeentiresystemintoasiliconchip,knownasSOPC.ProgrammableSystemonChip(SOPC)isaspecialkindofembeddedsystems:First,itisasystemonchip(SOC),thatis,fromasinglechiptocompletethesystem'smainlogicfunctions;Second,itisaprogrammablesystemwithaflexibledesignapproach,canbecut,scalable,upgradeable,andhavesoftwareandhardwarein-systemprogrammablefunctions.TheSOPCasthecoreofelectronicproducts,integratedcircuitsinrecentyearsthefastestgrowingproducts.SOPCwillfurtherexpandthefieldofapplicationofcomplexASICpressedagainstthehigh-endandultra-complexapplications.SOPCPLDandASICtechnologyistheresultofintegration,thecurrent0.13-micronASICmanufacturingpricesarestillquiteexpensive,onthecontrary,integratedhardcoreorsoft-coreCPU,DSP,memory,peripheralI/OandprogrammablelogicchipintheapplicationofSOPCflexibilityandpricearegreatadvantages.SOPCisknownasThesemiconductorindustry'sfuture.Keywords:SOPCdevelopmenttrendofapplicationstatusSOPC简介SOPC(SystemOnProgrammableChip)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NiosII，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。本人比较看重Cortex-M1，ARM的市场占有率是一个主要的原因。Cortx-M1和ARM以前的产品有兼容性，因为很多嵌入式系统使用的是ARM7或ARM9，这样在系统升级的时候，投入的成本会小得多。下面简单介绍各个软核的特点：①Xilinx的MicroBlaze感觉和ARM7比较接近，32bitRISC，3级流水线，哈佛结构。采用IBM的总线构造CoreConnect，感觉没有太特殊的地方。开发工具为ISE.（很想知道它占用FPGA的情况）②Altera的NiosII也是32bitRISC，据说可以达到200DMIPS，采用Altera特有的总线结构Avalon总线结构。根据性能需要，可以有三种的选择：快速，标准，经济，占用的FPGA资源相应减少。支持RTOS，例如MicroC/OS-II以及NucleusPlus。（更希望它支持ucLinux）,开发工具为QuartusII中的SOPCbuilder.③ARM的Cortex-M1Cortex-M1的性能参数大致为：基本相当于ARM7-TDMI,，使用thumb2命令集的一个子集，最高频率为170MHz，处理能力达0.8DMIPS/MHz，占用FPGA资源为4300TILE.。开发工具还是那些常用的（ADS，Realview等）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powerPC作为硬核，而且有的系列还集成了DSPslice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,包括嵌入式处理器系统,接口系统,硬件协处理器或加速器,DSP系统,数字通信系统,存储电路以及普通数字系统等,在单一可编程片上系统中实现,使得所设计的系统在规模,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,而这也是SOPC技术发展的根本方向.目前SOPC的发展趋势主要体现在以下四个方面:一是向更高密度,更大容量的千万门系统级方向迈进;二是向低成本,低电压,微功耗,微封装和绿色化方向发展;三是IP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要的设计方式;四是嵌入式处理器IP将成为SOPC的核心.结束语SOPC被称为“半导体产业的未来”。以SOPC为核心的电子产品,是近几年集成电路中发展最快的产品.SOPC将进一步扩大适用领域,将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用.未来SOPC是嵌入式应用的主要形态,是各相关学科的交汇点,因此只有实现这些学科的相互交融才能实现SOPC技术的飞跃.随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中,是我们有理由相信,可编程片上系统SOPC的普及应用时代已经离我们不远了.参考文献:1.赵定远SOPC与嵌入式系统[期刊论文]-成都大学学报（自然科学版）2.权进国.马洪利.林孝康基于ARM9的数字对讲机基带SOPC设计[期刊论文]3.章智慧.白瑞林.沈宪明面向SOPCBuilder的用户自定义IP核开发[期刊论文]4.柏子刚.唐良宝片上系统与微机电系统[期刊论文]-现代电子技术5.胡子阳以8051为核的SoPC设计技术研究[学位论文]硕士6.包旭鹤电子词典机的单芯片解决方案和实现[学位论文]硕士