實(shí)現(xiàn)SOPC的嵌入式軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

摘要：對(duì)基于FPGA的SOPC軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件平臺(tái)，并對(duì)硬件平臺(tái)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了定制。本平臺(tái)滿足了從硬件系統(tǒng)定制，到操作系統(tǒng)配置均可以按照設(shè)計(jì)需求進(jìn)行定制的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：SOPC；嵌入式系統(tǒng)；軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)；FPGA

片上可編程系統(tǒng)(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(tǒng)：首先，它是系統(tǒng)芯片SoC，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、可升級(jí)、可擴(kuò)充，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。它結(jié)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(shí)產(chǎn)權(quán))核，具有小容量片內(nèi)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(yīng)用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)集軟核處理器的嵌入式設(shè)計(jì)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上，如有必要還可集成嵌入式操作系統(tǒng)。

1 基于SOPC軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法
SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部?jī)?nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS為中心的軟件設(shè)計(jì)、以PCB和信號(hào)完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)模型
目前的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是指軟硬件的設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，在系統(tǒng)的初期階段兩者就緊密相連。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)不僅是一種設(shè)計(jì)技術(shù)，同時(shí)也是一種新的設(shè)計(jì)方法和思想，它的核心問(wèn)題是溝通軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，避免系統(tǒng)中關(guān)系密切的兩部分設(shè)計(jì)過(guò)早獨(dú)立。同傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)提高了設(shè)計(jì)抽象的層次，并拓展了設(shè)計(jì)的覆蓋范圍。采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)可以使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)更好和更快。
軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)在其研究和生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，提出了很多的設(shè)計(jì)模型。這些模型都是把系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換成組織結(jié)構(gòu)，將抽象的功能描述模型轉(zhuǎn)換成組織結(jié)構(gòu)模型。由于針對(duì)一個(gè)系統(tǒng)可以建立多種模型，因此應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的仿真和先前的經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇模型。
軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程從目標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)思開(kāi)始。對(duì)一個(gè)給定的目標(biāo)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)構(gòu)思，完成該系統(tǒng)的規(guī)范描述，然后是模塊的行為描述、對(duì)模塊的有效性檢查、軟硬件劃分、性能評(píng)估、硬件綜合、軟件編譯、軟硬件集成、軟硬件協(xié)同仿真與驗(yàn)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(shù)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(tǒng)評(píng)估和設(shè)計(jì)驗(yàn)證。圖1給出了一個(gè)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程。

圖中對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)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(jí)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(xiàn)方法，比如是用硬件實(shí)現(xiàn)還是用軟件實(shí)現(xiàn)等。