第4节 SOPC设计流程及支持Nios II的FPGA

QuartusModelSimDSPHardCopy（1）在采用NIOSII处理器设计嵌入式系统时，一般遵循如下的流程：1.分析系统需求说明，包括功能需求和性能要求等；2.建立QuartusII工程，建立顶层实体；3.调用SOPCBuilder生成一个用户定制的系统模块（包括NIOSII及标准外设模块）；4.将SOPC系统模块集成到硬件工程中，并添加一些模块，可以是Altera公司提供的LPM模块、第三方提供的或用户自己定制的模块；5.在顶层实体中，将SOPC系统模块、Altera的LPM或用户自定义的模块连接起来；6.分配引脚和编译工程，编译生成系统的硬件配置文件.sof和.pof文件；7.下载工程，验证，将配置文件下载到开发板上进行验证；8.软件开发，开发可以使用IDE开发环境，也可以使用SDKShell；9.编译软件工程，生成可执行文件.elf;10.调试程序，将硬件配置文件下载到开发板，将可执行文件下载到RAM，直到软硬件协同工作。在上面的过程中，用到的软件有QuartusII、NiosIISDKshell或NiosIIIDE、ModelSim等，如果进行DSP的开发，还会用到Matlab和DSPBuilder。QuartusII用来建立硬件的系统，其中包括SOPCBuilder工具，SOPCBuilder用来建立SOPC系统模块，QuartusII支持多种设计方式，如原理图，硬件描述语言等，硬件描述语言的方式支持VHDL和Verilog。软件开发使用NiosIISDKshell或NiosIIIDE，IDE开发环境采用图形化的开发环境，使用方便直观。而SDKshell采用命令窗口的方式进行程序的调试。ModelSim是HDL编译仿真软件，用于对设计的硬件系统进行RTL级的仿真。DSPBuilder是Altera公司推出的数字信号处理开发软件，用来实现算法和硬件实现的无缝过渡，用户可以在Matlab的Simulink中完成算法模型的仿真、验证，然后通过SignalCompiler将模型文件转换成硬件描述语言的文件（2）支持NiosII的FPGACyclone和CycloneII系列Stratix和StratixII系列HardCopy器件HardCopyIIHardCopyStratixHardCopyAPEX三代Cyclone和CycloneII系列Cyclone于2002年12月份推出。Cyclone系列器件基于1.5V、0.13m及全铜SRAM工艺，Cyclone系列FPGA容量为291020060个逻辑单元（LE），拥有288K位的RAM。Cyclone系列FPGA的最大特点是低成本，Cyclone系列FPGA是成本敏感大批量应用的最佳方案。如果需要进一步进行系统集成，可以考虑密度更高的CycloneIIFPGA和CycloneIIIFPGA。这些Cyclone新系列巩固了Altera在大批量、低成本应用方案中上的领先优势。CycloneFPGA是目前ASIC应用的低成本替代方案。利用其系统级集成功能，CycloneFPGA系列避免了ASIC昂贵的NRE负担，降低了订购量和产品推迟带来的风险。采用CycloneFPGA系列的可编程解决方案，用户的大批量应用现在价格与ASIC相比是相当的。Cyclone系列FPGA的价格和功能满足了市场对创新的需求，通过产品迅速面市来确定领先优势。消费类、通信、计算机外设、工业和汽车等低成本大批量应用市场都可以使用CycloneFPGA。CycloneII是Altera公司在第一代Cyclone系列的基础上开发的第二代FPGA系列器件。采用了全铜层90nm低k绝缘工艺，1.2VSRAM工艺设计。CycloneII具有很高的性能和极低的功耗，而价格和ASIC相当。它的应用领域和Cyclone系列相似，是对成本敏感的应用的大批量的产品解决方案，是消费类、通信、计算机外设、工业和汽车、视频处理等终端市场解决方案的理想选择。CycloneII为在FPGA上实现低成本的数字信号处理（DSP）系统提供了一个理想的平台，用户可以单独使用CycloneII或者作为数字信号处理（DSP）协处理器使用。CycloneII器件含有经过优化的多种DSP特性，由Altera全面的DSP流程提供支持。CycloneIIDSP支持包括：多达150个的18×18乘法器；1.1M位的片内嵌入式存储器；外部存储器高速接口；DSPIP内核。CycloneII器件的容量为460868416个逻辑单元（LE），提供了嵌入式18×18位乘法器、专用外部存储器接口电路（最高速率可达668Mb/s）、4K位嵌入式存储器块、最多为4个的增强型锁相环等等。Stratix和StratixII系列StratixFPGA是Altera的第一代Stratix系列器件。Stratix系列器件是Altera公司的大规模高端FPGA，于2002年推出，采用0.13m的工艺，1.5V内核供电，容量为1057079040个逻辑单元（LE）、具有多达7M位的RAM。Stratix器件具有多达22个DSP块和多达176个9×9位嵌入式乘法器，同时器件还具有多种高性能的I/O接口、层次时钟结构和多达12个锁相环。第一代StratixFPGA依然是军用和航空航天领域所选用的FPGA，在这些应用中需要较宽的工作温度范围。StratixII和StratixIII器件由于采用了创新性的逻辑结构，不但具有前代Stratix器件的所有特性，而且功耗更低、性能更好。StratixII与Stratix相比，运行速度提高50%，逻辑容量提高了一倍，而成本更低。StratixIII器件是功耗最低、性能最好的FPGA。StratixII器件于2005年推出，在Stratix架构的基础上，做了一些适合与90nm工艺的改进，采用1.2V、90nm、9层金属走线、全铜SRAM工艺制造。在Stratix基础上增加了新的特性：采用了全新的逻辑结构——自适应逻辑模块（ALM）；增加了源同步通道的动态相位校准（PDA）电路和对新的外设存储器接口的支持；采用了128位AES密钥对配置文件进行加密。StratixIIFPGA采用等效逻辑单元（LE）高达179400个，嵌入式存储器达到9M位，最大可用管脚数达到1173个，高度优化的数字信号处理模块中18×18位嵌入式乘法器数量达到384个。HardCopy器件HardCopy就是利用原有的FPGA开发工具，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，从而克服传统ASIC设计中普遍存在的问题如：开发周期长、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、开发流程复杂等。HardCopyII体系结构建立在被称为Hcell的精细粒度晶体管阵列上。Hcell支持从FPGA的无缝移植，具有ASIC技术那样的密度、成本、性能和功耗优势。HardCopyII结构化ASIC具有独特的FPGA前端设计方法，实现了业界风险最低、产品面市最快的解决方案。采用Stratix®IIFPGA对设计进行测试，然后，Altera的HardCopy设计中心将设计无缝移植为低成本、功能等价、引脚兼容的HardCopyII器件。最新进展Altera率先推出40nm工艺的FPGA，StraitixIV和HardCopyIV超越了ASIC的平均密度。性能和功耗都有很大改善，高密度，具有680K逻辑单元(LE)、22.4Mbits嵌入式存储器和1,360个18x18乘法器。StratixIV比市场上的其他高端FPGA功耗低50％。StratixIVFPGA和HardCopy®IVASIC相结合，同时具备了FPGA的优势和ASIC的优势。使用无缝原型开发，HardCopyIVASIC为满足您的定制逻辑需求提供风险最低、总成本最低、产品面市最快、收益最快的解决方案。Altera.com.cn的资料-NIosII软件开发手册-NiosII处理器参考手册-教程-应用笔记Altera.com.cn上的NiosII处理器设计实例NiosII论坛()-7000多名注册NiosII用户。-5800多个主题NiosWiki(Nioswiki.jot.com)-近100页由NiosII用户生成的文档。