實(shí)現SOPC的嵌入式軟硬件協(xié)同設計平臺

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

片上可編程系統(System On a Programmable Chip，SOPC)是Altera公司提出來(lái)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：首先，它是系統芯片SoC，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁剪、可升級、可擴充，并具備軟硬件在系統可編程的功能。它結合了SoC和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，具有以下基本特征：至少包含一個(gè)以上的嵌入式處理器IP(Intellectual Property，知識產(chǎn)權)核，具有小容量片內高速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用嵌入式系統開(kāi)發(fā)的軟硬件協(xié)同設計方法來(lái)實(shí)現一個(gè)集軟核處理器的嵌入式設計平臺，在此基礎上，如有必要還可集成嵌入式操作系統。

1 基于SOPC軟硬件協(xié)同設計方法
SOPC設計技術(shù)實(shí)際上涵蓋了嵌入式系統設計技術(shù)的全部?jì)热?，除了以處理器和?shí)時(shí)多任務(wù)操作系統RTOS為中心的軟件設計、以PCB和信號完整性分析為基礎的高速電路設計技術(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)同設計模型
目前的軟硬件協(xié)同設計是指軟硬件的設計同時(shí)進(jìn)行，在系統的初期階段兩者就緊密相連。軟硬件協(xié)同設計不僅是一種設計技術(shù)，同時(shí)也是一種新的設計方法和思想，它的核心問(wèn)題是溝通軟件設計和硬件設計，避免系統中關(guān)系密切的兩部分設計過(guò)早獨立。同傳統設計方法相比，軟硬件協(xié)同設計提高了設計抽象的層次，并拓展了設計的覆蓋范圍。采用軟硬件協(xié)同設計技術(shù)可以使嵌入式系統設計更好和更快。
軟硬件協(xié)同設計在其研究和生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，提出了很多的設計模型。這些模型都是把系統功能轉換成組織結構，將抽象的功能描述模型轉換成組織結構模型。由于針對一個(gè)系統可以建立多種模型，因此應根據系統的仿真和先前的經(jīng)驗來(lái)選擇模型。
軟硬件協(xié)同設計流程從目標系統構思開(kāi)始。對一個(gè)給定的目標系統，經(jīng)過(guò)構思，完成該系統的規范描述，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(gè)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(gè)部分。硬件部分遵循軟件描述、軟件生成和參數化的步驟，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(jìn)行軟硬件協(xié)同仿真，以進(jìn)行系統評估和設計驗證。圖1給出了一個(gè)軟硬件協(xié)同設計流程。

圖中對軟硬件設計流程中每個(gè)子過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)單的描述。確定說(shuō)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(shí)現方法，比如是用硬件實(shí)現還是用軟件實(shí)現等。