从最初的占地170平方的第一代ENIAC计算机开始，计算机开始了不断集成化、小型化的发展之旅。现今在单一芯片内部已经能够集处理器，存储，各型协处理器等，从而形成的强大的单芯片的片上系统(SOC)，而这些片上系统已存在于生活的方方面面。
片上系统（System on Chip，SoC）是现代电子设计中的一个重要概念，它是指将处理器、存储器和各种外围设备集成在同一芯片上，形成一个功能完整的微型计算机系统。随着技术的发展，SoC已经在消费电子、通信、医疗、汽车等多个领域广泛应用。在FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）中实现SoC，可以提供高度定制化的解决方案，以满足特定的应用需求。
在FPGA中实现SoC，主要涉及以下几个关键组件：
1. **处理器**：处理器是SoC的核心，负责执行指令和控制整个系统。ALTERA公司的FPGA内部集成了名为NIOS II的软核处理器，它有三种不同类型的变体：高速型、标准型和经济型。高速型适合运行复杂的嵌入式操作系统和应用，支持MMU（Memory Management Unit）以支持虚拟内存；标准型是平衡性能和资源消耗的选择；经济型则适用于资源受限的场景。
2. **存储部件**：存储部件包括指令存储器和数据存储器，通常由FPGA的块RAM（Block RAM）提供。片内存储可以快速访问，而片外存储如SRAM或DDR可以提供更大的容量。在设计时，需要为处理器指定中断向量和复位起始位置的存储区。使用双端口RAM可以提高性能，因为它允许数据和指令同时读写。
3. **输入输出部件**：常见的输入输出设备是串行通信接口UART，用于标准的串行通信。在ALTERA的FPGA中，如果系统中没有内置的UART，可以通过JTAG-UART接口模拟串口功能，利用JTAG下载线进行交互。如果有多个UART，需要在板级支持包（BSP）中配置使用哪一个作为系统输出。
构建SoC系统时，ALTERA的Qsys工具提供了一个图形化的界面，可以方便地选择和连接IP模块。通过 Avalon 总线连接处理器和外设，然后分配地址和中断号，使得处理器能够正确地寻址和响应外设的请求。地址分配和中断配置是在sopcinfo文件中完成的，这个文件包含了硬件信息，用于生成system.h头文件，供软件开发使用。
在软件编程阶段，开发者需要编写运行在SoC上的应用程序，可以是一个简单的“Hello World”程序。如今，FPGA厂商提供的工具极大地简化了SoC的设计流程，但同时也可能掩盖了底层的工作原理。理解SoC的基本原理对于FPGA工程师至关重要，这样无论使用ALTERA的NIOS II，还是XILINX的microblaze，或是其他第三方软核，都能游刃有余地进行设计。
FPGA上的SoC设计结合了硬件和软件的灵活性，为系统集成提供了新的可能性。工程师可以根据实际需求选择不同的处理器核心，定制存储方案，并灵活配置输入输出接口，以创建高度定制的、高效能的嵌入式系统。通过深入理解SoC设计的各个方面，开发者能够更好地驾驭这一技术，创造出更多创新的解决方案。
