SOPC大規模可編程專用集成電路的快速開發

引言

在通常情況下，專用集成電路(ASIC)是大批量高性能應用系統設計師的理想方案。但是，設計ASIC需要昂貴的設計工具，這樣開發成本很高，當要把產品及時地推向市場時就會承擔很大的風險。據初步統計，超過60%的ASIC設計至少要進行一次以上的重制，導致產品面市推遲、成本預算超支。

HardCopy II體系結構建立在被稱為Hcell的精細粒度晶體管陣列上。 Hcell支持從Stratix FPGA的無縫移植，具有ASIC技術那樣的密度、成本、性能和功耗優勢。使用HardCopy器件，利用原有的FPGA開發工具，將成功實現于FPGA器件上的SOPC系統通過特定的技術直接向ASIC轉化，從而克服傳統ASIC設計中普遍存在的缺點，如開發周期長、產品上市慢、一次性成功率低、有最少投片量要求、設計軟件工具繁多且昂貴、開發流程復雜等，是快速開發大規模可編程專用集成電路(ASIC)前景最看好的發展方向。

Hardcopy II器件和Stratix II FPGA器件引腳完全兼容。在芯片正式投產之前，設備制造商可以使用FPGA進行設備小規模生產，采用Stratix FPGA對設計進行測試，然后，設計中心將設計無縫移植為低成本、功能等價、引腳兼容的HardCopy II ASIC器件。

1 基于SOPC技術的Stratix FPGA的開發

采用Stratix FPGA實施高密度邏輯設計，無論設計是在單個器件中進行ASIC原型開發，還是面向批量生產，都能夠很方便地使用Stratix FPGA來實現，一旦需要便可以移植為HardCopy結構化ASIC。

最新推出的Stratix V及HardCopy ASIC采用高性能28 nm工藝制造，是高端密度的領軍者。

Stratix FPGA的開發基于Quartus II 軟件進行系統硬件設計，Quartus II 軟件在高密度FPGA設計中能夠實現最佳效能，以最快的速度完成設計。Quartus II 軟件是在統一設計環境下，一套完整的綜合、優化和驗證工具，使用漸進式編譯功能，與傳統的高密度FPGA流程相比，設計迭代時間縮短了近70%，顯著提高了設計的效率。

Quartus II用來建立硬件的系統，主要使用SOPC Builder工具。SOPC Builder用來建立SOPC系統模塊，Quartus II支持多種設計方式，如原理圖、硬件描述語言等，硬件描述語言的方式支持VHDL和Verilog。SOPC Builder提供大量基于Avalon總線的IP外，它還是一個開發的IP集成環境，用戶可以很容易地將自己設計的IP集成到SOPC Builder中，實現設計重用。若嵌入DSP系統，

可使用MATLAB/DSP Builder進行DSP模塊設計，經由MATLAB/DSP Builder設計的DSP模塊或其他功能模塊可以成為單片FPGA電路系統的一個組成部分，實現一定的功能。另一方面，可以通過MATLAB/DSP Builder，為嵌入式處理器設計各類加速器，并可以以指令形式加入到Nios II的指令系統，從而成為Nios II 系統的一個接口設備，與整個片內系統融為一體。即利用DSP Builder和Nios II CPU，用戶可以根據項目的具體要求，隨心所欲地構建自己的DSP處理器系統。

SOPC Builder提供3種Nios II 處理器軟核，即經濟型、標準型和快速型內核，供使用者根據設計具體情況來選擇。Nios II嵌入式處理器是一種面向用戶的、可以靈活定制的通用RISC(精簡指令集架構)嵌入式CPU。它是一款具有廣闊應用前景的處理器，融入了許多新的設計方法和理念，其SOPC概念體現在以下兩個方面：

① Nios II符合工業技術的發展潮流，即硬件設計軟件化。采用Nios II能有效地降低人力和物力成本，提高產品競爭力;硬件設計軟件化還能方便對硬件進行仿真、驗證，整體系統結構的數字邏輯化設計使得驗證工作可通過仿真軟件順利地實現，可以掌握詳細、清楚的信息;減少了硬件設計的錯誤，使得對硬件接口不是很熟悉的人也可以進行系統平臺的集成。

② Stratix FPGA的軟件開發使用Altera公司的系列FPGA開發的集成軟件開發環境Nios II EDS。Nios II系統是嵌入式處理器的基本軟件開發工具。所有軟件開發任務都可以在Nios II IDE下完成，包括編輯、編譯、程序調試、下載和運行。Nios II IDE具有編碼生成環境以及可選RTOS和TCP/IP庫集成。它還提供構建管理工具，使用GNU編譯器作為其支撐技術。此外，Nios II IDE還具有片內閃存編程器功能。

Nios II軟核及其開發平臺(Nios II IDE)幫助開發者將大部分模塊構建好，卻又不失靈活性，對大多數外設開發了相應的驅動程序。對于特殊要求的設計，Nios II開發平臺提供了以下工具：

對時間要求苛刻的軟件算法可以采用用戶定制指令或C2H編譯器進行加速;可以方便的把實時操作系統μC/OSII移植到Nios II處理器;支持用戶定制外設，創建定制的SOPC元件，需要更新時可以使用元件編輯器對整個元件進行再次編輯。

Stratix FPGA總體開發流程如圖1所示。

圖1 Stratix FPGA總體開發流程