全面剖析SOPC

微電子技術的近期發展成果，為SOC的實現提供了多種途徑。對于經過驗證而又具有批量的系統芯片，可以做成專用集成電路ASIC而大量生產。而對于一些僅為小批量應用或處于開發階段的SOC，若馬上投入流片生產，需要投入較多的資金，承擔較大的試制風險。最近發展起來的SOPC技術則提供了另一種有效的解決方案，即用大規模可編程器件的FPGA來實現SOC的功能。

可編程邏輯器件產生于20世紀70年代。其出現的最初目的是為了用較少的PLD品種替代種類繁多的各式中小規模邏輯電路。在30多年的發展過程中，PLD的結構、工藝、功耗、邏輯規模和工作速度等都得到了重大的進步。尤其是在20世紀90年代，出現了大規模集成度的FPGA，單片的集成度由原來的數千門，發展到數十萬甚至數百萬門。芯片的I/O口也由數十個發展至上千個端口。有的制造商還推出了含有硬核嵌入式系統的IP。因此，完全可能將一個電子系統集成到一片FPGA中，即SOPC，為SOC的實現提供了一種簡單易行而又成本低廉的手段，極大地促進了SOC的發展。

SOPC技術是美國Altrea公司于2000年最早提出的，并同時推出了相應的開發軟件Quartus II。SOPC是基于FPGA解決方案的SOC，與ASIC的SOC解決方案相比，SOPC系統及其開發技術具有更多的特色，構成SOPC的方案也有如下多種途徑。

基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統

即在FPGA中預先植入嵌入式系統處理器。目前最為常用的嵌入式系統大多采用了含有ARM的32位知識產權處理器核的器件。盡管由這些器件構成的嵌入式系統有很強的功能，但為了使系統更為靈活完備，功能更為強大，對更多任務的完成具有更好的適應性，通常必須為此處理器配置許多接口器件才能構成一個完整的應用系統。如除配置常規的SRAM、DRAM、Flash外，還必須配置網絡通信接口、串行通信接口、USB接口、VGA接口、PS/2接口或其他專用接口等。這樣會增加整個系統的體積、功耗，而降低系統的可靠性。但是如果將ARM或其他知識產權核，以硬核方式植入FPGA中，利用FPGA中的可編程邏輯資源和IP軟核，直接利用FPGA中的邏輯宏單元來構成該嵌入式系統處理器的接口功能模塊，就能很好地解決這些問題。對此，Altera和Xilinx公司都相繼推出了這方面的器件。例如，Altera的Excalibur系列FPGA中就植入了ARM922T嵌入式系統處理器；Xilinx的Virtex-II Pro系列中則植入了IBM PowerPC405處理器。這樣就能使得FPGA靈活的硬件設計和硬件實現更與處理器的強大軟件功能有機地相結合，高效地實現SOPC系統。

基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統

將IP硬核直接植入FPGA的解決方案存在如下幾種不夠完美之處：

• 由于此類硬核多來自第3方公司，FPGA廠商通常無法直接控制其知識產權費用，從而導致FPGA器件價格相對偏高。
• 由于硬核是預先植入的，設計者無法根據實際需要改變處理器的結構，如總線規模、接口方式，乃至指令形式，更不可能將FPGA邏輯資源構成的硬件模塊以指令的形式形成內置嵌入式系統的硬件加速模塊（如DSP模塊），以適應更多的電路功能要求。
• 無法根據實際設計需求在同一FPGA中使用多個處理器核。
• 無法裁減處理器硬件資源以降低FPGA成本。

只能在特定的FPGA中使用硬核嵌入式系統，如只能使用Excalibur系列FPGA中的ARM核，Virtex-II Pro系列中的PowerPC核。

如果利用軟核嵌入式系統處理器就能有效地克服解決上述不利因素。

目前最有代表性的軟核嵌入式系統處理器分別是Altera的Nios和Nios II核，及Xilinx的MicroBlaze核。特別是前者，即Nios CPU系統，使上述5方面的問題得到很好地解決。

Altera的Nios核是用戶可隨意配置和構建的32位/16位總線（用戶可選的）指令集和數據通道的嵌入式系統微處理器IP核，采用Avalon總線結構通信接口，帶有增強的內存、調試和軟件功能（C或匯編程序程序優化開發功能）；含由First Silicon Solutions（FS2）開發的基于JTAG的片內設備（OCI）內核（這為開發者提供了強大的軟硬件調試實時代碼，OCI調試功能可根據FPGA JTAG端口上接收的指令，直接監視和控制片內處理器的工作情況）。此外，基于Quartus II平臺的用戶可編輯的Nios核含有許多可配置的接口模塊核，包括：可配置高速緩存（包括由片內ESB、外部SRAM或SDRAM，100MB以上單周期訪問速度）模塊，可配置RS232通信口、SDRAM控制器、標準以太網協議接口、DMA、定時器、協處理器等。在植入（配置進）FPGA前，用戶可根據設計要求，利用Quartus II和SOPC Builder，對Nios及其外圍系統進行構建，使該嵌入式系統在硬件結構、功能特點、資源占用等方面全面滿足用戶系統設計的要求。Nios核在同一FPGA中被植入的數量沒有限制，只要FPGA的資源允許。此外，Nios可植入的Altera FPGA的系列幾乎沒有限制，在這方面，Nios顯然優于Xilinx的MicroBlaze。

另外，在開發工具的完備性方面、對常用的嵌入式操作系統支持方面，Nios都優于MicroBlaze。就成本而言，由于Nios是由Altera直接推出而非第3方產品，故用戶通常無需支付知識產權費用，Nios的使用費僅僅是其占用的FPGA邏輯資源費。因此，選用的FPGA越便宜，則Nios的使用費就越便宜。

特別值得一提的是，通過Matlab和DSP Builder，或直接使用VHDL等硬件描述語言設計，用戶可以為Nios嵌入式處理器設計各類加速器，并以指令的形式加入Nios的指令系統，從而成為Nios系統的一個接口設備，與整個片內嵌入式系統融為一體。例如，用戶可以根據設計項目的具體要求，隨心所欲地構建自己的DSP處理器系統，而不必拘泥于其他DSP公司已上市的有限款式的DSP處理器。

基于HardCopy技術的SOPC系統

通過強化SOPC工具的設計能力，在保持FPGA開發優勢的前提下，引入ASIC的開發流程，從而對ASIC市場形成直接競爭。這就是Altera推出的HardCopy技術。

HardCopy就是利用原有的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設計中普遍存在的問題。

與HardCopy技術相比，對于系統級的大規模ASIC（SOC）開發，有不少難于克服的問題，其中包括開發周期長、產品上市慢，一次性成功率低、有最少的投片量要求、設計軟件工具繁多且昂貴、開發流程復雜等。例如，此類ASIC開發，首先要求有高的技術人員隊伍、高達數十萬美元的開發軟件費用和高昂的掩膜費用，且整個設計周期可能長達一年。ASIC設計的高成本和一次性低成功率很大部分是由于需要設計和掩膜的層數太多（多達十幾層）。然而如果利用HardCopy技術設計ASIC，開發軟件費用僅2000美元（Quartus II），SOC級規模的設計周期不超過20周，轉化的ASIC與用戶設計習慣的掩膜層只有兩層，且一次性投片的成功率近乎100%，即所謂的FPGA向ASIC的無縫轉化。而且用ASIC實現后的系統性能將比原來在HardCopy FPGA上驗證的模型提高近50%，而功耗則降低40%。一次性成功率的大幅度提高即意味著設計成本的大幅降低和產品上市速度的大幅提高，3種SOC方案的比較如表1-1所示。

表1-1 3種SOC方案的比較
項 目 基于ASIC的SOC 基于FPGA的SOC（SOPC） 基于HardCopy的SOC
單片成本 低 較高 較低
開發周期 長（超過50周） 短（少于10周） 較短（少于20周）
開發成本 設計工程成本高掩模成本高軟件工具成本高（超過30萬美元） 設計工程成本低無掩模成本軟件工具成本低（低于2000美元） 設計工程成本低掩模成本低軟件工具成本低（低于2000美元）
一次投片情況 一次投片成功率低、成本高、耗時長 可現場配置 一次投片成功率近乎100%，成本低、耗時短
集成技術 0.25μs~65nm 0.25μs~90nm 0.25μs ~90nm
可重構性 不可重構 可重構 不可重構

HardCopy技術是一種全新的SOC級ASIC設計解決方案，即將專用的硅片設計和FPGA至HardCopy自動遷移過程結合在一起的技術，首先利用Quartus II將系統模型成功實現于HardCopy FPGA上，然后幫助設計者把可編程解決方案無縫地遷移到低成本的ASIC上的實現方案。這樣，HardCopy器件就把大容量FPGA的靈活性和ASIC的市場優勢結合起來，實現對于有較大批量要求并對成本敏感的電子系統產品上。從而避開了直接設計ASIC的困難，而從原型設計提升至產品制造，通過FPGA的設計十分容易地移植到HardCopy器件上，達到降低成本，加快面市周期的目的。HardCopy器件（如HardCopy Stratix系列、Excalibur系列FPGA）避免了ASIC的風險，它采用FPGA的專有遷移技術。其HardCopy ASIC是直接在Altera PLD體系之上構建的，采用有效利用面積“邏輯單元海”內核。本質上，HardCopy器件是FPGA的精確復制，剔除了可編程性，專用配置和采用金屬互連使用的走線。這樣，器件的硅片面積就更小，成本就更低，而且還改善了時序特性。