NiOS II SOPC 嵌入式系统基础教程

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嬉柯
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1 第 1 章概述

2 集成电路发展过程 : 在集成电路 (IC) 发展初期, 电路设计主要是器件的物理版图设计器件的物理版图设计

3 集成电路发展过程 : 后来出现了集成电路单元库, 使得集成电路设计从器件级进入逻辑级, 极大地推动了 IC 产业的发展集成电路单元库器件的物理版图设计

4 集成电路发展过程 : 随着 IC 设计与工艺水平的提高, 原先由许多 IC 组成的电子系统可以集成到一个芯片上, 构成片上系统 (SOC) SOC 的设计思想有别于普通 IC:SOC 从整个系统的角度出发, 把处理机制模型算法芯片结构直至器件的设计紧密结合起来, 在单个 ( 或少数几个 ) 芯片上实现整个系统的功能 SOC 的设计以知识产权 (IP) 核为基础, 以分层次的硬件描述语言为系统功能和结构的主要描述手段, 并需要借助电子设计自动化 (EDA) 工具研究表明, 与 IC 组成的系统相比, 由于 SOC 设计能够综合考虑整个系统的各种情况, 因而可以在同样的工艺条件下, 实现更高性能的系统指标片上系统集成电路单元库器件的物理版图设计

5 集成电路发展过程 : 可编程的片上系统 (SOPC), 是 Altera 公司提出来的一种灵活高效的 SOC 解决方案, 是一种新的软硬件协同设计的系统设计技术它将处理器存储器 I/O 口等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上, 构成一个可编程的片上系统集成了硬核或软核 CPU DSP 存储器 I/O 设备和可编程逻辑的 SOPC 芯片, 在应用灵活和价格上有相当大的优势, 所以可以认为 SOPC 代表了半导体产业未来的发展方向可编程的片上系统集成电路单元库器件的物理版图设计

6 名词解释 IC? IC (Integrated Circuit): 集成电路, 是半导体元件产品的统称, 是采用半导体制作工艺, 在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器电容器等元器件, 并按照多层布线或隧道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路 AISC? ASIC (Application Specific Integrated Circuit): 专用 IC, 是指为特定的用户某种专门或特别的用途而设计的芯片组 SOC? SOC (System on a Chip): 片上系统随 IC 设计与工艺的提高, 使原先由许多 IC 组成的电子系统可集成到一个芯片上, 构成 SOC

7 名词解释 SOPC? SOPC (System On Programmable Chip): 可编程的片上系统, 是 Altera 公司提出来的一种灵活高效的 SOC 解决方案也可认为是基于 FPGA(Field-Programmable Gate Array, 现场可编程门阵列 ) 解决方案的 SOC EDA? EDA (Electronic Design Automation): 电子设计自动化 EDA 技术就是以计算机为工具, 设计者在 EDA 软件平台上, 用硬件描述语言 HDL 完成设计文件, 然后由计算机自动地完成逻辑编译化简分割综合优化布局布线和仿真, 直至对于特定目标芯片的适配编译逻辑映射和编程下载等工作

8 名词解释 - 与 SOPC 相关的名词 Quartus II? Quartus II: 是 Altera 公司的第四代可编程逻辑器件集成开发环境, 提供从设计输入到器件编程的全部功能双击 Quartus II 图标 Quartus II 软件界面

9 名词解释 - 与 SOPC 相关的名词 SOPC Builder? SOPC Builder: 是功能强大的基于图形界面的片上系统定义和定制工具 SOPC Builder 库中包括处理器和大量的 IP 核及外设启动 : Quartus II Tools SOPC Builder SOPC Builder 包含在 Quartus II 软件中

10 名词解释 - 与 SOPC 相关的名词 Nios II IDE? Nios II: 是 Nios II 系列嵌入式处理器的基本软件开发工具所有软件开发任务都可以在 Nios II IDE 下完成, 包括编辑编译和调试程序双击 Nios II IDE 图标 Nios II IDE 软件界面注 :IDE(Integrated Development Environment, 集成开发环境 )

11 主要内容第 1 章介绍 SOPC 技术及 Altera 可用于 SOPC 的 FPGA, 重点介绍 32 位 Nios II 软核处理器微电子技术的发展历史是一个不断创新的过程, 这种创新包括理论创新技术创新和应用创新每一种创新都能开拓出一个新的领域, 带来新的市场, 产生重大的影响

12 第 1 章目录 1.1 SOPC 及其技术 1.2 Nios II 软核处理器 1.3 Altera 支持 SOPC 的 FPGA 简介

13 第 1 章目录 1.1 SOPC 及其技术 1.2 NIOS II 软核处理器 1.3 Altera 支持 SOPC 的 FPGA 简介

14 1.1 SOPC 及其技术可编程的片上系统是 Altera 公司提出来的一种灵活高效的 SOC 解决方案 SOPC 将处理器存储器 I/O 口等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上, 构成一个可编程的片上系统 SOPC 现今 SOPC 可以认为是基于 FPGA 解决方案的 SOC 与 ASIC 的 SOC 解决方案相比,SOPC 系统及其开发技术具有更多的特色, 构成 SOPC 的方案也有多种途径

15 1.1 SOPC 及其技术构成 SOPC 的三种方案 1 基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的 SOPC 系统 2 基于 FPGA 嵌入 IP 软核的 SOPC 系统 3 基于 HardCopy 技术的 SOPC 系统该方案是指在 FPGA 中预先植入处理器最常用的是含有 ARM32 位知识产权处理器核的器件为了到达通用性, 必须为常规的嵌入式处理器集成诸多通用和专用的接口, 但增加了芯片的成本和功耗如果将 ARM 或其它处理器核以硬核方式植入 FPGA 中, 利用 FPGA 中的可编程逻辑资源, 按照系统功能需求来添加接口功能模块, 既能实现目标系统功能, 又能降低系统的成本和功耗这样就能使得 FPGA 灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起, 高效地实现 SOPC 系统

16 1.1 SOPC 及其技术构成 SOPC 的三种方案 IP 硬核直接植入 FPGA 存在以下不足 : 基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的 SOPC 系统基于 FPGA 嵌入 IP 软核的 SOPC 系统基于 HardCopy 技术的 SOPC 系统 IP 硬核多来自第三方公司,FPGA 厂商无法控制其知识产权费用, 导致 FPGA 器件价格相对偏高 IP 硬核预先植入, 使用者无法根据实际需要改变处理器结构, 更不能嵌入硬件加速模块无法根据实际设计需要在同一 FPGA 中集成多个处理器无法根据设计需要裁减处理器硬件资源以降低 FPGA 成本只能在特定的 FPGA 中使用硬核嵌入式处理器

17 1.1 SOPC 及其技术构成 SOPC 的三种方案 IP 软核处理器能有效克服上述不足 : 基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的 SOPC 系统基于 FPGA 嵌入 IP 软核的 SOPC 系统基于 HardCopy 技术的 SOPC 系统目前最有代表性的软核处理器是 Altera 公司的 Nios II 核, 以及 Xilinx 公司的 MicroBlaze 核特别是 Nios II 核, 能很好的解决上述几方面的问题 Nios II 核是用户可随意配置和构建的 32 位嵌入式处理器 IP 核 ; 它所包含的片内设备内核为开发者提供了强大的调试功能 Nios II 核在同一 FPGA 中的植入数量没有限制, 只要 FPGA 资源足够即可由于 Nios II 是由 Altera 直接提供而非第三方厂商产品, 故用户无需支付知识产权费用,Nios II 的使用费用只是其占用的 FPGA 逻辑资源的费用因此用户选用的 FPGA 越便宜,Nios II 的使用费就越低

18 1.1 SOPC 及其技术构成 SOPC 的三种方案 1 基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的 SOPC 系统 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 2 3 基于 FPGA 嵌入 IP 软核的 SOPC 系统基于 HardCopy 技术的 SOPC 系统 ASIC(SOC) 开发中难于克服的问题包括 : 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

19 1.1 SOPC 及其技术构成 SOPC 的三种方案 1 基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的 SOPC 系统利用 HardCopy 技术设计 ASIC, 开发软件费用少,SOC 级规模的设计周期不超过 20 周, 且一次性投片的成功率近乎 100%, 即所谓的 FPGA 向 ASIC 的无缝转化 2 基于 FPGA 嵌入 IP 软核的 SOPC 系统用 ASIC 实现后的系统性能将比原来在 HardCopy FPGA 上验证的模型提高近 50%, 而功耗则降低 40% 3 基于 HardCopy 技术的 SOPC 系统

20 1.1 SOPC 及其技术构成 SOPC 的三种方案 1 基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的 SOPC 系统 2 基于 FPGA 嵌入 IP 软核的 SOPC 系统 3 基于 HardCopy 技术的 SOPC 系统 HardCopy 技术是一种全新的 SOC 级 ASIC 设计解决方案, 即将专用的硅片设计和 FPGA 至 HardCopy 自动迁移过程结合在一起的技术首先利用 Quartus II 将系统模型成功实现于 HardCopy FPGA 上, 然后帮助设计者把可编程解决方案无缝地迁移到低成本的 ASIC 上这样, HardCopy 器件就把大容量 FPGA 的灵活性和 ASIC 的市场优势结合起来, 实现对于有较大批量要求并对成本敏感的电子产品上, 从而避开了直接设计 ASIC 的困难

21 1.1 SOPC 及其技术三种 SOC 方案的比较指标基于 ASIC 的 SOC 基于 FPGA 的 SOC(SOPC) 基于 HardCopy 的 SOC 单片成本低较高较低开发周期长 (>20 周 ) 短 (<10 周 ) 较短 (<20 周 ) 开发成本一次投片情况设计工程成本高掩模成本高软件工具成本高一次投片成功率低, 成本高, 耗时长设计工程成本低无掩模成本软件工具成本低可现场配置设计工程成本低掩模成本低软件工具成本低一次投片成功率近 100%, 成本低, 耗时短集成技术 0.25um~90nm 0.25um~90nm 0.25um~90nm 可重构性不可重构可重构不可重构

22 第 1 章目录 1.1 SOPC 及其技术 1.2 Nios II 软核处理器 1.3 Altera 支持 SOPC 的 FPGA 简介

23 Nios II 软核处理器简介 1.2 Nios II 软核处理器 Altera 继 Nios 公司在之后, 年开发了第一代可配置嵌年 6 月 Altera 公司又推出入式软核处理器了性能更好的 Nios Nios(16 II (32 位 ) ) 嵌入式软核处理器 Nios Nios II 16 位软核处理器 32 位软核处理器

24 Nios II 软核处理器简介 1.2 Nios II 软核处理器 Nios II 的特点 : 最大处理性能提高了 3 倍 CPU 内核面积最大可缩小 1/2 Nios II 32 位软核处理器 32 位嵌入式处理器具有 200DMIPS 的性能, 在低成本 FPGA 中实现成本只有 35 美分由于 Nios II 是软核形式, 其可在多种系统设置组合中进行选择, 满足成本和功能要求可提高产品的上市速度并延长其生命周期, 防止出现处理器逐渐过时的情况注 :DMIPS(Dhrystone Million Instructions executed Per Second), 主要用于测整数计算能力其中,MIPS (Million Instructions executed Per Second) 每秒百万条指令, 用来计算同一秒内系统的处理能力, 即每秒执行了多少百万条指令 D 是 Dhrystone 的缩写, 表示在 Dhrystone 这样一种测试方法下的 MIPS,Dhrystone 是一种整数运算测试程序

25 Nios II 软核处理器简介 1.2 Nios II 软核处理器 Nios II 开发包有一套通用外设和接口库定时器 / 计数器外部 SRAM 接口 CFI 接口 Flash SDRAM 接口片内 RAM/ROM 用户逻辑接口 CS M 以太网接口并行 I/O(GPIO) JTAG UART 系统 ID EPCS 控制器 DMA UART SPI 接口 LCD 接口外部三态桥 LAN91C111 10/100M 以太网接口 Avalon 转 AHB 桥 AHB 转 Avalon 桥 PCI DDR SDRAM CAN RNG USB DDR2 SDRAM DES UART RSA SHA-1 I2C 10/100/1000M Ethnet MAC 浮点单元注 : 表中橙色底色部分的外设由 MegaCore 或者 Altera Megafunction Partners Program(AMMP) 提供, 其余的包含在 Nios II 开发包中本表并不包含所有可用的 IP

26 1.2 Nios II 软核处理器 Nios II 软核处理器简介基于 Nios II 处理器的嵌入式系统开发并且利用 SOPC Builder 软件中的用户逻辑接口向导, 用户还可以生成自己的定制外设, 并将其集成在 Nios II 处理器系统中使用 Altera 的 Quartus II 软件 SOPC Builder 工具以及 Nios II IDE, 可以完成基于 Nios II 处理器的嵌入式系统开发 Quartus II SOPC Builder Nios II IDE 注 :SOPC Builder 包含在 Quartus II 软件中

27 Nios II 软核处理器简介 1.2 Nios II 软核处理器 Nios II 处理器系列包括三种内核 Nios II/f ( 快速 ) 性能最高, 但占用的逻辑资源最多 Nios II Nios II/e ( 经济 ) 占用的逻辑资源最少, 但性能最低 32 位软核处理器 Nios II/s ( 标准 ) 平衡的性能和尺寸 Nios II/s 内核比第一代的 Nios CPU 更快, 占用的资源更少

28 1.2 Nios II 软核处理器 Nios II 嵌入式处理器的特性种类 CPU 结构片内调试定制指令软件开发工具 32 位指令集 32 位数据宽度 32 个通用寄存器 32 个外部中断源 2GB 寻址空间特性基于边界扫描测试 (JTAG) 的调试逻辑支持硬件断点数据触发以及片内和片外的调试跟踪最多可达 256 个用户定义的 CPU 指令 Nios II 的集成开发环境 (IDE) 基于 GNU 的编译器硬件辅助的调试模块

29 1.2 Nios II 软核处理器支持 Nios II 嵌入式处理器的 FPGA 器件说明设计软件 Stratix II 最高的性能, 最高的密度, 特性丰富, 并带有大量存储器的平台 Stratix 高性能, 高密度, 特性丰富并带有大量存储器的平台 Stratix GX 高性能的结构, 内置高速串行收发器 Stratix II GX Altera 第三代带有嵌入式收发器的 FPGA Quartus II Cyclone II 低成本, 带 DSP 模块, 超过 68,000 个 LE 和 1.1Mbit 的嵌入式存储器 Cyclone 低成本的 ASIC 替代方案, 适合价格敏感的应用 HardCopy Stratix 业界第一个结构化的 ASIC, 是广泛使用的传统 ASIC 的替代方案

30 1.2 Nios II 软核处理器可配置嵌入式软核处理器的优势 I/O CPU CPU Flash I/O I/O I/O I/O I/O FPGA CPU CPU DSP SDRAM DSP 降低成本设计复杂性和功耗的解决方案这些优势的体现都借助于在 FPGA 上创建一个定制的片上系统, 更精确地说, 创建一个可编程单芯片系统

31 1.2 Nios II 软核处理器可配置嵌入式软核处理器的优势 1. 提供合理的性能组合可配置嵌入式软核处理器的优势 2. 提升系统的性能 3. 降低系统成本 4. 延长产品的生命周期

32 1.2 Nios II 软核处理器可配置嵌入式软核处理器的优势 1. 提供合理的性能组合 3 种处理器内核 :Nios II/f Nios II/e Nios II/s 超过 60 种 SOPC Builder 配备的内核 : 可以创建适合设计应用的外设存储器和 I/O 接口无限制的 DMA 通道组合 : 直接存储器存取可以连接到任何外设, 从而提高系统的性能可配置的硬件及软件调试特性 : 包括基本的 JTAG 运行控制硬件断点数据触发片内和片外跟踪嵌入式逻辑分析仪

33 1.2 Nios II 软核处理器可配置嵌入式软核处理器的优势 2. 提升系统的性能 FPGA 系列 :Nios II 处理器可以工作在多种 Altera 推出的 FPGA 上, 在低成本 FPGA 中实现成本只有 35 美分, 在高性能的 FPGA 中一个 Nios II 的内核只占用 1% 的可用资源多处理器系统 : 在单个 FPGA 器件内部集成多个处理器内核, 可以获得极高的性能而不用重新设计印制电路板定制指令 : 是处理器处理复杂的算术运算和加速逻辑的最佳途径硬件加速 : 将专用的硬件加速器添加到 FPGA 中作为 CPU 的协处理器, CPU 就可以并发地处理大块的数据

34 1.2 Nios II 软核处理器可配置嵌入式软核处理器的优势 3. 降低系统成本更大规模的系统集成 : 将一个或多个 Nios II 处理器组合, 选择合适的一组外设存储器 I/O 接口, 这些方法可降低电路板的成本复杂程度以及功耗优化 FPGA/CPU 的选择 : 经济型的 Nios II 内核占用很少的逻辑资源, 给其它的功能应用保留了更多的逻辑资源更好的库存管理 : 嵌入式系统通常包含来自多个生产商的多种处理器, 以应付多变的系统任务通过将处理器实现在 FPGA 器件上, 多种处理器的库存管理将大大简化

35 1.2 Nios II 软核处理器可配置嵌入式软核处理器的优势 4. 延长产品的生命周期缩短产品的上市时间 :FPGA 可编程的特性使其具有很快的产品上市速度建立有竞争性的优势 : 维持一个基于通用硬件平台的产品的竞争优势是非常困难的而采用 Nois II 处理器, 用户可以根据设计的要求定制处理器, 按照需要选择合适的外设存储器和接口此外, 用户还可以集成自己专有的功能, 创建一款完美的处理器, 使用户的设计具有独特的竞争优势延长了产品的生存时间 :SOPC 产品的一个独特优势是能够对硬件进行升级在产品产量增加的情况下降低成本 : 一个 FPGA 的设计如被选定, 并打算大量生产, 可将它移植到 Altera 的 HardCopy 中, 从而降低成本并提升性能

36 第 1 章目录 1.1 SOPC 及其技术 1.2 Nios II 软核处理器 1.3 Altera 支持 SOPC 的 FPGA 简介

37 1.3 Altera 支持 SOPC 的 FPGA 简介 Cyclone II 系列 Stratix 系列 Cyclone 系列 Stratix II 系列 Cyclone 系列 : 第一代 Cyclone FPGA 是在 2002 年 12 月分推出的主要用于对成本敏感的设计中 Cyclone II 系列 : 具有很高的性能和极低的功耗, 而价格和 ASIC 相当, 能够提供多种功能, 为价格敏感的应用提供大批量产品解决方案

38 1.3 Altera 支持 SOPC 的 FPGA 简介 Cyclone II 系列 Stratix 系列 Cyclone 系列 Stratix II 系列 Stratix 系列 :Stratix FPGA 为满足高带宽系统的需求进行了优化, 具有非常高的内核性能存储能力架构效率, 主要用于高端 FPGA 市场 Stratix II 系列 : 在 Stratix 基础上增加了新的特性

第七章中断

第七章中断嵌入式系统 SOPC(SOC),A case study llxx@ustc.edu.cn 内容提要本讲的目的 : 介绍嵌入式系统 ; 了解 SOPC 的开发过程现代计算机系统嵌入式系统的应用 llxx@ustc.edu.cn 4/87 嵌入式控制系统的软 / 硬件框架 llxx@ustc.edu.cn 5/87 基于 FPGA 的嵌入式系统硬件平台基于 FPGA 的嵌入式系统结构 FPGA