基于niosii的sopc系统开发

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1、http://www.paper.edu.cn基于NiosII的SOPC系统开发12李俊玮，闫菡1北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室，北京（100876）2北京邮电大学自动化学院，北京（100876）E-mail：jwlee1021@163.com摘要：SOC（SystemOnChip）技术基于超大规模专用集成电路，因此，整个设计过程必须实现完整的定制或半定制集成电路设计流程。这就需要规模较大的专业设计队伍，相对较长的开发周期和高昂的开发费用，并且涉及到大量集成电路后端设计和微电子技术的专门知识。Al

2、tera公司在2000年提出的SOPC（SystemOnProgrammableChip）技术则提供了另一种有效的解决方案，即用大规模可编程器件的FPGA来实现SOC的功能。SOPC与SOC的区别就是FPGA与ASIC的区别。SOPC是SOC发展的新阶段，代表了当今电子设计的发展方向。本文将根据作者对NiosII处理器系统的开发经验，详细介绍其开发过程。关键词：SOPC，Nios，Avalon，NiosIDE，SOPCBuilder，HAL1．引言随着微电子技术迅猛发展，集成电路设计和工艺水平有了很大提高，单片

3、集成度已达上亿个晶体管，在这种背景下，片上系统SOC应运而生。从系统集成的角度看，SOC是以不同模型的电路集成、不同工艺的集成作为支持基础的。所以，要实现SOC，首先必须重点研究器件的结构与设计技术、VLSI设计技术、工艺兼容技术、信号处理技术、测试与封装技术等，这就需要规模较大的专业设计队伍，相对较长的开发周期和高昂的开发费用，并且涉及到大量集成电路后端设计和微电子技术的专门知识，因此设计者在转向SOC的过程中也面临着巨大的困难。SOC面临上述诸多困难的原因在于SOC技术基于超大规模专用集成电路，因此，整个设

4、计过程必须实现完整的定制或半定制集成电路设计流程。美国Altera公司在2000年提出的SOPC（SystemOnProgrammableChip）技术则提供了另一种有效的解决方案，即用大规模可编程器件的FPGA来实现SOC的功能。SOPC与SOC的区别就是FPGA与ASIC的区别。SOPC是SOC发展的新阶段，代表了当今电子设计的发展方向。其基本特征是设计人员采用自顶向下的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，最后系统的核心电路在可编程器件上实现。本文将以Altera公司最新推出的NiosII嵌入式软核

5、为载体，介绍基于NiosII的SOPC开发概念和开发过程。2．关于SOPC技术2.1SOPC的实现方式SOPC技术实现方式一般分为三种。(1)基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统。目前最常用的嵌入式系统大多采用了含有ARM的32位知识产权处理器核的器件。这样就能使得FPGA灵活的硬件设计和硬件实现与处理器强大的软件功能结合，高效的实现SOPC系统。(2)基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统。在第一种实现方案中，由于硬核是预先植入的，其结构不能改变，功能也相对固定，无法裁减硬件资源，而且此类硬核多来自第三方公

6、司，其知识产权费用导致成本的增加。如果利用软核嵌入式系统处理器就能有效克服这些不利因素。最具有代表性的嵌入式软核处理器是Altera公司的NiosII软核处理器。-1-http://www.paper.edu.cn(3)基于HardCopy技术的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设计中普片存在的问题。从SOPC实现方式上不难看出，IP核在SOPC系统设计中占有极其重要的地位，IP核设计及IP

7、核复用成为SOPC技术发展的关键所在。在SOPC设计中，每一个组件都是一个IP核。基于FPGA嵌入IP软核的SOPC解决方案如图1所示，本文主要围绕此种SOPC实现形式展开介绍。图1基于FPGA的SOPC解决方案2.2SOPC系统的开发步骤SOPC系统的开发流程一般分为硬件和软件两大部分，如图2所示。硬件（按照习惯说法，将一个SOPC系统中的NiosIICPU和外设等统称为硬件，虽然它也是由软件来实现的；而在这个系统上运行的程序称为软件）开发主要是创建NiosII系统，作为应用程序运行的平台；软件开发主要是根据

8、系统应用的要求，利用C/C++语言和系统所带的API函数编写实现特定功能的程序。这其中用到的主要工具是Altera公司的QuartusII和NiosIIIDE以及SOPCBuilder。图2SOPC开发流程图-2-http://www.paper.edu.cn3．NiosII处理器与Avalon开关总线架构3.1NiosII处理器概述NiosII是采用流水线技术和哈佛结构的通用RISC