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(Intellectualproperty)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: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—SystemonaProgrammableChip)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(IntellectualProperty)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-VirtualComponent）。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NIOSIIXilinx的MicroBlazeNiosII是Altera公司2004年6月退出的第二代软核处理器。相对于Nios，NiosII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。NiosII系列32位RISC嵌入式处理器具有超过200DMIP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NiosII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NiosII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。NiosII的可定制性NiosII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。NiosII处理器系列包括三种内核——快速（NiosII/f）、标准（NiosII/s）和经济型（NiosII/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.NiosII开发包含有一套通用外设和接口库。2.利用SOPCBuilder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NiosII处理器系统中。使用SOPCBuilder，用户可以在AlteraFPGA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。NiosII设计人员必须能够更改其设计，如加入多个NiosIICPU、定制指令集、硬件加速器，以达到新的性能目标。采用NiosII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NiosII/f内核集成到单个器件内，可以获得更高的性能。NiosII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。SOPCBuilder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，SOPCBuilder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NiosII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。NiosII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。NiosII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。SOPCBuilder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。用户可以在短时间内，将NiosII嵌入式处理器由最初概念设想转为系统实现。这种基于NiosII处理器的系统具有永久免版税设计许可，完全经得起时间考验。此外，由于在FPGA中实现软核处理器，因此可以方便实现现场硬件和软件升级，产品能够符合最新的规范、具备最新特性。当今的嵌入式设计工程师面临很棘手的挑战：寻找一款能够实现特性、成本、性能和生命周期完美组合的处理器。而这将影响产品的开发，新品的上市。也可能出现重新选择开发平台的情况。AlteraNios®II处理器所具有的完全可定制特性和性能、较低的产品和实施成本、易用性、适应性和不会过时等优势使其在每次设计中，都能够实现完美的配合。完整的开发工具套件加速产品上市的时间Altera完整的硬件和软件开发工具帮助用户在极短的时间内，生成功能强大的NiosII处理器系统。从概念产生到设计调试，Altera提供用户所需的全部工具，帮助用户的产品尽快面市。可升级性使用NiosII处理器的SOPC产品带来的一个独特优势就是能够对硬件进行升级。即使产品已经交付给客户，仍可以定期升级。低成本Cyclone系列的FPGA是目前ASIC应用的低成本替代方案，用户的大批量应用现在价格与ASIC相比是相当的。而且，一旦一个FPGA的设计被选定，并且打算进行大批量的生产，可以选择将它移植到Altera的HardCopy（一种结构化的ASIC）器件中，从而更加降低了成本并提高了功能。Altera公司还可以提供NiosII处理器的ASIC制造许可，用户可以将包括NiosII处理器、外