文/李光學(xué) 孫宇偉 何雨昂 耿海龍

隨著技術(shù)的發(fā)展，為適應(yīng)電子系統(tǒng)任務(wù)處理能力的不斷提升，提出了綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計方法。綜合電子系統(tǒng)是將電子設(shè)備以及實(shí)現(xiàn)功能高度集成實(shí)現(xiàn)資源共享以及綜合利用，實(shí)現(xiàn)自主管理的控制系統(tǒng)。其以高速總線，標(biāo)準(zhǔn)接口為特征，將各功能模塊以標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式通過標(biāo)準(zhǔn)接口綜合到一臺設(shè)備中，不僅可以大幅減少電子系統(tǒng)軟硬件規(guī)模，降低成本，提升系統(tǒng)可靠性、維修性，還可提高設(shè)備的系列化、模塊化、通用化水平。

隨著FGPA的發(fā)展，其功耗的降低和邏輯資源大規(guī)模增長為實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜可編程片上系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)開辟了道路，SOPC是以FPGA為載體進(jìn)行芯片設(shè)計的片上系統(tǒng)，其結(jié)合了SOC和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，擁有強(qiáng)大的并行計算能力，高速通信總線，豐富的IP核資源，基于標(biāo)準(zhǔn)接口的IP復(fù)用，形成了一個基于單片芯片的綜合電子系統(tǒng)，將SOPC技術(shù)用于綜合電子系統(tǒng)開發(fā)剛好發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，將兩者結(jié)合進(jìn)一步提升了設(shè)計的系列化、模塊化、通用化水平，提高效率，降低成本，具有良好的發(fā)展前景。本文系統(tǒng)架構(gòu)、通用部件、設(shè)計流程方面闡述SOPC在綜合電子系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 基于SOPC的綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)

綜合電子系統(tǒng)設(shè)計一般按照模塊化與開放式架構(gòu)體系執(zhí)行，首先將系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行分析和抽象綜合，形成具有標(biāo)準(zhǔn)通用接口的功能模塊，包括硬件與軟件模塊，作為綜合電子系統(tǒng)的基本單元，在綜合電子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線體系架構(gòu)下，將各硬件模塊通過標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行互聯(lián)，形成具有多種功能集成的綜合電子系統(tǒng)設(shè)備，在外部總線和結(jié)構(gòu)連接的基礎(chǔ)上形成一個完整的綜合電子系統(tǒng)，具體如圖1所示，其中標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊能夠涵蓋不同系統(tǒng)大部分的功能需求，對于特殊的功能需求，通過設(shè)計專用的擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)展模塊可與標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊一樣，遵循統(tǒng)一的硬件模塊設(shè)計框架，通過設(shè)備內(nèi)總線實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊的通信。標(biāo)準(zhǔn)通用處理器模塊一般包含SOPC單元，存儲器，電源管理，模擬采集部件，驅(qū)動部件等。

2 標(biāo)準(zhǔn)通用SOPC部件架構(gòu)設(shè)計

圖1：基于SOPC的綜合電子系統(tǒng)

圖2：標(biāo)準(zhǔn)通用型SOPC架構(gòu)

圖3：SOPC設(shè)計流程

SOPC是一個包含軟件與硬件的綜合系統(tǒng)，至少包含一個嵌入式處理器內(nèi)核，IP核資源，可編程邏輯資源，片內(nèi)高速RAM資源，片上調(diào)試接口與編程接口。單芯片構(gòu)成，采用微型封裝，其具有集成度高、設(shè)計成本低，設(shè)計周期短、靈活性大的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)硬件平臺通常采取處理器+FPGA的辦法來構(gòu)建，為適應(yīng)電子系統(tǒng)任務(wù)功能的不斷提升，在性能、接口、實(shí)時性、集成度等方面的要求越來越高，傳統(tǒng)處理器+FPGA的架構(gòu)的設(shè)計已不能滿足，其數(shù)據(jù)傳輸率受到總線帶寬及接口的限制很難得到提高，硬件平臺不能進(jìn)行靈活更改與升級，極大的限制了其應(yīng)用范圍，基于SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)可以在很大程度上克服這些弊端。集成在一片F(xiàn)PGA器件上的處理器核、總線控制器、外圍接口、豐富的IP核等功能模塊可以自由的加以擴(kuò)充、裁減修改，提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。各個組成部分之間由芯片內(nèi)部總線相連，片內(nèi)數(shù)據(jù)的交換速率大幅度提高，進(jìn)而縮短整個控制系統(tǒng)的處理時間，提升了系統(tǒng)的整體性能，減少了設(shè)計中使用芯片的數(shù)量，增加了設(shè)計的集成度，降低了硬件成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖2所示，一個標(biāo)準(zhǔn)的通用性SOPC平臺一般包括嵌入式軟核IP，具體有片上RAM資源，計算處理單元，調(diào)試單元等；基于標(biāo)準(zhǔn)總線的外設(shè)IP，具體有定時器，看門狗，通用接口，通信總線等；用戶自己根據(jù)功能需求定義的硬件邏輯（HDL）單元。

3 基于SOPC綜合電子設(shè)計流程

SOPC設(shè)計流程可以分為需求分析、方案設(shè)計、仿真驗(yàn)證、制造生產(chǎn)、測試驗(yàn)證等階段，具體如圖3所示。

需求分析是指系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行分析和抽象綜合，形成具有標(biāo)準(zhǔn)通用接口的功能模塊，包括硬件與軟件模塊，分析滿足功能需要的邏輯資源，RAM資源，存儲資源，電源功耗等。

方案設(shè)計是根據(jù)需求分析的結(jié)果，進(jìn)行整個系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計，包括軟件架構(gòu)與硬件架構(gòu)。分析完成SOPC的功能和性能指標(biāo)需求，完成整個控制電氣系統(tǒng)基于SOPC的系統(tǒng)設(shè)計與分析。

仿真驗(yàn)證是依據(jù)系統(tǒng)需求，完成整個系統(tǒng)的建模，與設(shè)計完成的SOPC，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。

生產(chǎn)制造完成后，依據(jù)設(shè)計文件，生產(chǎn)文件，測試文件，調(diào)試文件，完成功能測試、環(huán)境適應(yīng)性測試。

4 總結(jié)

完成基于SOPC的平臺開發(fā)與生產(chǎn)，采用單片F(xiàn)PGA替代傳統(tǒng)處理器加FPGA方案，解決了傳統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)下處理器與FPGA之間互連互通的時序匹配問題，GBIT的高速數(shù)據(jù)傳輸問題，驗(yàn)證了整個SOPC開發(fā)流程。該平臺集成度，軟硬件可配置、可復(fù)用，可方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)二次開發(fā)，提高系統(tǒng)性能，縮短研制周期，提升功能密度，應(yīng)用靈活。