實現SOPC的嵌入式軟硬件協同設計平臺

摘要：對基于FPGA的SOPC軟硬件協同設計方法進行了研究，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行了定制。本平臺滿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行定制的特點。
關鍵詞：SOPC；嵌入式系統；軟硬件協同設計；FPGA

片上可編程系統(System On a Programmable Chip，SOPC)是Altera公司提出來的一種靈活、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，即由單個芯片完成整個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的優點，具有以下基本特征：至少包含一個以上的嵌入式處理器IP(Intellectual Property，知識產權)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發的軟硬件協同設計方法來實現一個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軟硬件協同設計方法
SOPC設計技術實際上涵蓋了嵌入式系統設計技術的全部內容，除了以處理器和實時多任務操作系統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以外，SOPC還涉及目前已經引起普遍關注的軟硬件協同技術。
1．1 軟硬件協同設計模型
目前的軟硬件協同設計是指軟硬件的設計同時進行，在系統的初期階段兩者就緊密相連。軟硬件協同設計不僅是一種設計技術，同時也是一種新的設計方法和思想，它的核心問題是溝通軟件設計和硬件設計，避免系統中關系密切的兩部分設計過早獨立。同傳統設計方法相比，軟硬件協同設計提高了設計抽象的層次，并拓展了設計的覆蓋范圍。采用軟硬件協同設計技術可以使嵌入式系統設計更好和更快。
軟硬件協同設計在其研究和生產實踐過程中，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驗來選擇模型。
軟硬件協同設計流程從目標系統構思開始。對一個給定的目標系統，經過構思，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、軟硬件協同仿真與驗證等各個階段。其中軟硬件劃分后產生硬件部分、軟件部分和軟硬件接口3個部分。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，并進行軟硬件協同仿真，以進行系統評估和設計驗證。圖1給出了一個軟硬件協同設計流程。

圖中對軟硬件設計流程中每個子過程進行了簡單的描述。確定說明文檔之后，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現方法，比如是用硬件實現還是用軟件實現等。