1. FPGA 和 SOPC 概述
1.1 FPGA的特点及最新进展
嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断的产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一次又一次的革新。虽然ASIC的成本很低，但设计周期长、投入费用高、风险较大，而可编程逻辑器件（Programmable Logical Device）设计灵活、功能强大，尤其是高密度现场可编程逻辑器件（FiELD Programmable Gate Array）其设计性能已完全能够与ASIC媲美，Xilinx公司最新推出的SpartanIII系列高性价比FPGA，其批量成本已经达到10美元 /100万门的成都，其性能价格比已足以与ASIC抗衡。因此，FPGA在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。
FPGA的基本结构由以下几个部分构成：
* 可编程逻辑功能模块CLB（Configurable Logic BLOCks）
* 可编程输入输出模块IOB（Input/Output Blocks）
* 可编程内部互连资源PI（Programmable Interconnection）
随着工艺的进步和应用系统需求，一般在FPGA中还包含以下可选资源：
* 存储器资源（Block RAM和Select RAM）
* 数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟）
* I/O多电平标准兼容（Select I/O）
* 算数运算单元（乘法器、加法器）
* 特殊功能模块（MAC等硬IP核）
* 微处理器（PPC405等硬处理器）
以FPGA为核心的PLD产品是近几年集成电路中发展得最快的产品。随着FPGA性能的高速发展和设计人员自身能力的提高，FPGA将进一步扩大可编程芯片的领地，将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。目前FPGA的发展趋势主要体现在以下几个方面：
* 向更高密度、更大容量的千万门系统级方向迈进
* 向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展
* IP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式
* MCU、DSP、MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心
随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将越来越模糊，未来的某些电路版上可能只有这两部分电路：模拟部分（包括电源）和一块FPGA芯片，最多还有一些大容量的存储器。Xilinx等公司最新一代FPGA：Spartan II/E、Virtex II Pro，尤其是SpartanIII及其相关IP Core的推出，使我们有理由相信， 可编程片上系统 （System on Programmable Chip）的时代已经离我们不远了。
1.2可编程片上系统（SOPC）的基本特征
可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。
SOPC结合了SOC和FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征：
* 至少包含一个以上的嵌入式处理器IP Core
* 具有小容量片内高速RAM资源
* 丰富的IP Core资源可供灵活选择
* 足够的片上可编程逻辑资源
* 处理器调试接口和FPGA编程接口共用或并存
* 可能包含部分可编程模拟电路
* 单芯片、低功耗、微封装
SOPC设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SOPC还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于SOPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而 BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪Chip Scope ILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具；而在应对复杂设计方面，诸如Xilinx公司的System Generator for DSP就是一个利用可编程硬件逻辑实现数字信号处理算法的强大辅助工具。
2. 基于Xilinx FPGA 的 SOPC 设计方法
2.1 FPGA基本开发流程与开发工具介绍
FPGA基本开发流程主要包括设计输入（Design Entry）；设计仿真（Simulation）；设计综合（Synthesize）；布局布线（Place & Route）；配置（Configuration）五个主要步骤。
设计输入主要有 原理图输入和HDL输入两种方式，一般开发商都同时支持两种输入方式。有些熟悉硬件设计的工程师开始喜欢利用原理图进行设计，这种方法非常直观，但基于可移植性和规范化方面的考虑，绝大部分深入FPGA设计和ASIC设计的工程师最终都将统一到HDL平台上来。
设计仿真包含功能仿真和时序仿真两项主要内容，功能仿真忽略了综合和布局布线导致的时延等因素，仅仅从逻辑上进行仿真，这对设计思路的验证是有帮助的，但必须通过时序仿真作进一步验证，发现并修正时序问题。
设计综合将HDL语言生成用于布局布线的网表和相应的约束。综合效果直接导致设计的性能和逻辑门的利用效率，因此，许多可编程逻辑器件开发商都支持第三方综合和仿真工具，著名的有：Synplicity、Synopsys和ModelSim等。
布局布线工具利用综合生成的网表，在FPGA内部进行布局布线，并生成可用于配置的比特流文件。布局布线工具与可编程逻辑器件工艺及其布线资源密切相关，一般由可编程逻辑器件开发商直接提供。
随着可编程逻辑器件容量的不断增大和设计性能要求的不断提高，对传统的FPGA开发工具提出了挑战。以Xilinx公司为例，应IP Core开发和集成的需要，开发了IP Core使用工具Core Generator并内嵌了IP Core包装工具IP Capture；提供了模块化设计工具Modular Design用于超大规模设计的团队项目开发；用片内逻辑分析仪ChipScope ILA进行片内逻辑调试；Xpower则用于设计功耗分析并得出相应的解决方案；还有System Generator结合Simulink甚至可以简单地实现数字信号处理模型（如FIR滤波器和FFT等）的FPGA硬件实现。此外，一些有争议的设计工具，如基于C语言的FPGA开发工具DK1等为超大容量FPGA设计和复杂逻辑设计提供了值得尝试的途径。
2.2 处理器IP Core：Micro Blaze
将处理器IP Core嵌入到可编程逻辑器件是基于FPGA的嵌入式系统设计的前提条件，目前，国内外许多单位已成功的将51单片机、ARM和PPC等处理器内核嵌入各种可编程逻辑器件并进行了应用系统的设计，其中最著名的要数Xilinx公司的Micro Blaze和ALTEra公司的Nois了。Xilinx从Pico Blaze到Micro Blaze，再到PPC405，完成了从8位单片机到32位微处理器的逐步完善和性能提升。
Micro Blaze 是一个专门为Xilinx FPGA优化的RISC嵌入式软处理器，符合IBM Core Connect标准，能够与PPC405系统无缝连接，Micro Blaze软处理器内核的结构如图2所示，它具备以下基本特征：
* 32个32bit通用寄存器
* 硬件乘法器(仅限Virtex II系列)
* 32bit地址总线和32bit数据总线
* 三操作数32bit指令字，两种寻址模式
* 独立的片内程序32bit总线和数据总线
* 片内总线遵循OPB(On-chip Peripheral Bus)标准
* 通过LMB(LOCal Memory Bus)访问片内Block RAM
Micro Blaze是一个非常简化，但有具有较高性能的软处理器内核，他可以在性价比很高的Spartan II(-E)系列FPGA上实现，系统时钟频率为75MHz，仅占用400个Slice资源，相当于10万门FPGA容量的三分之一，而10万门的 Spartan II系列FPGA的批量目标市场价格仅为10美元左右，非常适合消费类嵌入式产品应用需求。
2.3 基于EDK3.2的SOPC软硬件开发
基于嵌入式处理器内核的SOPC系统开发是一个软硬件协同设计的过程，一方面，它极大地提高了系统设计的灵活性和快速的设计迭代周期，使整个开发过程变得更加可控；另一方面，一些新的调试和设计问题，如逻辑分析仪和数字示波器的接入等，对调试设备和调试手段提出了更高的要求，为了尽可能避免问题的产生，要求有更好的设计工具和集成开发环境，保证IP Core资源的可用性和设计实现的一致性，让设计工程师从烦琐的内部时序调试中解放出来。
Xilinx提供了针对Micro Blaze Core应用系统开发的集成开发环境EDK3.2，该开发环境包含了用于硬件描述和系统生成的Platform Generator、用于软件设计和编译的Micro Blaze IDE，GDB调试可通过FPGA配置JTAG接口进行，无需任何附加的调试硬件，配合Foundation ISE5.2和FPGA目标板即可进行全功能开发，EDK还包含了UART、GPIO、Watchdog、Timer/Counter、EMC和中断控制等基本处理器 外设库，用户可以添加兼容OPB总线标准的任意IP Core。Insight和依元素科技均提供了功能全面的Micro Blaze Core评估工具。
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PPC405 Core是一个高性能的处理器内核，它具有独立于 FPGA JTAG的调试端口和更加复杂的调试功能，我们甚至可以将基于PPC405 Core的 SOPC 调试直观地理解为基于IBM PPC405处理器和大容量FPGA的单板机调试，只不过这个单板机无需进行传统的PCB设计和调试，设计迭代过程全部在计算机上进行。PPC405 Core的软件集成开发环境支持传统的IBM PPC405开发环境，Xilinx提供了相应的系统集成开发环境和GNU软件开发工具包支持。第三方软件开发商Wind River和MontvISA已分别宣布其VxWorks和HardHat Linux实时操作系统（RTOS）及其集成开发环境支持Virtex II Pro 系列FPGA，Insight和Avnet已开始销售含有Virtex II Pro FPGA的高端评估板。依元素科技也推出了用于开发PowerPC系列处理器的GNU集成开发工具和利刃®系列调试工具，以及含有PowerPC处理器的原型评估板。
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