SOPC及其技术 ，cpu
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2009-10-16
13:53:51
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SOPC 及其技术
SOPC 及其技术
微电子技术的近期发展成果，为 SOC 的实现提供了多种途径。对于经过验证而又具有批量的系
统芯片，可以做成专用集成电路 ASIC 而大量 生产。而对于一些仅为小批量应用或处于开发阶
段的 SOC，若马上投入流片生产，需要投入较多的资金，承担较大的试制风险。最近发展起来
的 SOPC 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。
可编程逻辑器件产生于 20 世纪 70 年代。其出现的最初目的是为了用较少的 PLD 品种替代种类
繁多的各式中小规模逻辑电路。在 30 多年的发展过程中，PLD 的结构、工艺、功耗、逻辑规
模和工作速度等都得到了重大的进步。尤其是在 20 世纪 90 年代，出现了大规模集成度的
FPGA，单片的集成度由原来的数千门， 发展到数十万甚至数百万门。芯片的 I/O 口也由数十
个发展至上千个端口。有的制造商还推出了含有硬核嵌入式系统的 IP。因此，完全可能将一个
电子系统集成 到一片 FPGA 中，即 SOPC，为 SOC 的实现提供了一种简单易行而又成本低廉的
手段，极大地促进了 SOC 的发展。
SOPC 技术是美国 Altrea 公司于 2000 年最早提出的，并同时推出了相应的开发软件 Quartus
II。SOPC 是基于 FPGA 解决方案的 SOC，与 ASIC 的 SOC 解决方案相比，SOPC 系统及其开发
技术具有更多的特色，构成 SOPC 的方案也有如下多种途径。
1．基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的 SOPC 系统
即在 FPGA 中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为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。尽管由这些器件构成的嵌入式系 统有很强的功能，但为了
使系统更为灵活完备，功能更为强大，对更多任务的完成具有更好的适应性，通常必须为此处
理器配置许多接口器件才能构成一个完整的应 用系统。如除配置常规的 SRAM、DRAM、Flash
外，还必须配置网络通信接口、串行通信接口、USB 接口、VGA 接口、PS/2 接口或其他专用
接口 等。这样会增加整个系统的体积、功耗，而降低系统的可靠性。但是如果将 ARM 或其他
知识产权核，以硬核方式植入 FPGA 中，利用 FPGA 中的可编程逻辑资 源和 IP 软核，直接利用
FPGA 中的逻辑宏单元来构成该嵌入式系统处理器的接口功能模块，就能很好地解决这些问题
对此，Altera 和 Xilinx 公司 都相继推出了这方面的器件。例如，Altera 的 Excalibur 系列 FPGA
中 就 植 入 了 ARM922T 嵌入 式 系 统 处 理 器 ； Xilinx 的 Virtex -II Pro 系 列 中 则 植 入 了 IBM
PowerPC405 处理器。这样就能使得 FPGA 灵活的硬件设计和硬件实现更与处理器的强大软件功
能有机地相结合，高效地实现 SOPC 系统。
2．基于 FPGA 嵌入 IP 软核的 SOPC 系统
将 IP 硬核直接植入 FPGA 的解决方案存在如下几种不够完美之处：
l.... 由于此类硬核多来自第 3 方公司，FPGA 厂商通常无法直接控制其知识产权费用，从而导致
FPGA 器件价格相对偏高。
l.... 由于硬核是预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，如总线规模、接口方
式，乃至指令形式，更不可能将 FPGA 逻辑资源构成的硬件模块以指令的形式形成内置嵌入式
系统的硬件加速模块（如 DSP 模块），以适应更多的电路功能要求。
l.... 无法根据实际设计需求在同一 FPGA 中使用多个处理器核。
l.... 无法裁减处理器硬件资源以降低 FPGA 成本。
l.... 只能在特定的 FPGA 中使用硬核嵌入式系统，如只能使用 Excalibur 系列 FPGA 中的 ARM 核，
Virtex-II Pro 系列中的 PowerPC 核。
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