SOPC系统设计简介
孟伟荣 201222250226
在二十世纪九十年代末，可编程逻辑器件（PLD）的复杂度已经能够在单个可编程器件内实现整个系统，完整的单芯片系统（SOC）概念是指在一个芯片中实现用户定义的系统。在一个SOC设计中，将涵盖到包括微处理器、DSP芯片、存储器件、I/O、控制逻辑、混合信号模块(Mixed-Signal Blocks )等在内的许多部分。
在系统设计复杂度不断的提高及新产品市场周期不断缩短的压力下，把FPGA及微处理器的核心内嵌在同一芯片上，构建成为一个可编程的SOC系统体系框架结构，建成所谓的可编程芯片系统SOPC(System on a Programmable Chip)，从而为系统设计者提供了又一灵活快捷的设计方法与途径。
SOPC是一种新的系统设计技术，也是一种新的软硬件综合设计技术。通过它，可以很快地将硬件系统（包括微处理器，存储器，外设以及用户逻辑电路等）和软件设计都放在一个可编程的芯片中，以达到系统的IC设计。这种设计方式，具有开发周期短以及系统可修改等优点。设计完成的SOPC可以通过HARDCOPY转为ASIC芯片，从而可以实现快速量产。
SOPC系统设计流程
（1） 构件开发阶段
IP开发者经常会希望拿一个现成的具有微处理器总线接口的逻辑模块，然后转换成SOPC Builder的IP模块。这需要如下的三个主要步骤：
1. 建立一个名为class.ptf的简单文本文件（通常这个过程可以简化，比如通过复制一个类似IP模块的class.ptf文件，然后修改其中的某些参数）。
2. 实现IP模块的所有文件（HDL文件、软件
支持文件（.c 和.h），等等），连同 class.ptf文件，放置在同一个目录下。
3. 将上述的目录及文件复制到SOPC Builder的搜索路径下，设定目录名与该IP模块的正式名称相同。
商业的IP核，上面的步骤可以通过传统的软件安装程序（如：InstallShield）来完成。
(2) 添加阶段
用户可以在模块池内双击 IP 模块名、按下 Add 按钮或从系统菜单中选择
Add Module，来添加一个IP模块。每添加一个 IP 模块，一个新的模块行会出现在模块表格内，并有一个临时的模块名。
在添加阶段的开始，SOPC Builder会在系统PTF文件中建立一个新的MODULE节，并将class.ptf文件MODULE_DEFAULTS节中的所有内容复制到这个新的MODULE节中。因此，IP模块即使没有Add_Program程序，也可以通过
MODULE_DEFAULTS 节提供添加阶段所需的部分或全部信息。例如一个IP模块的数据宽度总是16位，则不需要编写Add_Program程序，用来在系统PTF文件中设置数据宽度。直接设置class.ptf文件MODULE_DEFAULTS节中的参数更容易些。
此后，SOPC Builder会运行IP模块声明的Add_Program程序，并通知Add_Program程序如何找到新建立的MODULE节。SOPC Builder以命令行参数的方式把这个信息传递给Add_Program程序。
Add_Program程序可以修改新MODULE节内的任何节或参数，比如WIZARD_SCRIPT_ARGUMENTS和SYSTEM_BUILDER_INFO部分，也可能还有其他部分。
（3）编辑阶段
模块很可能在添加阶段只配置一次，然后不再修改了。但大部分 SOPC Builder 的 IP 模块都提供一个编辑工具，用来在模块添加到系统之后重新改变它的参数。用户双击代表系统中某一模块的那一行，就可以对其编辑了。但如果模块class.ptf文件中只有一个空的Edit_Program程序参数，则什么也不会发生。
Edit_Program程序也可以通过命令行方式调用，命令行参数与 Add_Program
程序相同，以便它能找到相应的系统PTF文件和新建立的MODULE节。通常，Edit_Program程序和Add_Program程序提供了相同的图形用户界面来配置模块，它们往往就是同一个程序。
和Add_Program程序一样，Edit_Program程序也可能会修改新MODULE节内的任何节或参数，比如有WIZARD_SCRIPT_ARGUMENTS 和 SYSTEM_BUILDER_INFO部分，也可能还有其他部分。
（4）系统配置阶段
至少一个 IP 模块添加到系统中后，用户就可以通过 SOPC Builder 图形用户界面来配置系统了。地址映射表，主/从端口连接，甚至 System Generation 标签页的选项等等，都会影响系统的布局布线。
（5）绑定阶段
绑定阶段用来提供Add/Edit_Program程序之外的参数设定。绑定阶段在系统配置阶段之后，所以可以重新设定与整个系统模块相关的选项。除非用户返回到前面的阶段，否则模块和它们的互连关系不会改变。
绑定阶段所做的选择可能包括：从列表中选择特定类型的模块；选择中断映射；还有一些其他的操作，等等。这些操作最好不要通过模块的向导来执行，因为用户添加不同模块的顺序可能是不确定的。
（6）SDK生成阶段
SOPC Builder生成Nios CPU的同时，会生成一个SDK目录。SOPC Builder 为每一个CPU 创建SDK目录的步骤可以简短地总结如下，这个过程由名为
mk_custom_sdk 的脚本来完成.
（7）模块生成阶段
每一个CPU的SDK目录生成之后，SOPC Builder接下来会逐个地为系统列表中的每一 个模块执行相应的生成程序。
SOPC Builder的IP模块会在 class.ptf 文件中指定自己的生成程序，如果
class.ptf 文件中Generator_Program参数值为空值（“”），则 SOPC Builder
包含的缺省生成程序会执行。缺省生成程序执行一些为创建一个新模块所需的简单合理的操作，使得模块在系统中可以看得到。这些操作在模块class.ptf文件的 DEFAULT_GENERATOR 节中被参数化。
如果某一个 IP 模块显式地指定 Generator_Program 参数值为 none，则在它的模块生成阶段什么也不会发生（这不影响其他模块的生成）。
模块的生成程序可能会非常简单（如缺省生成程序，仅仅拷贝一些文件），也可能非常复杂。许多SOPC Builder的IP模块的HDL代码实现直接由生成程序来产生，而不是简单从库里拷贝。
每一个模块的生成程序以命令行执行时，带有一系列的参数，用来指定系统名称和生成的MODULE节的名称。
class.ptf文件中有一个特殊的部分名为DEFAULT_GENERATOR，用来给缺省生成程序设置相应的参数。这个部分仅对缺省生成程序有用。如果Generator_Program参数没有指定缺省生成程序，很显然，这一部分的内容就被忽略掉了。
缺省生成程序产生HDL和完成系统综合和布局布线的准备工作等，缺省生成程序主要完成以下三个操作：
• 模块重新命名并封装
• 拷贝实现文件到工程目录
• 整理用于综合的某些文件
（8）总线生成阶段
SOPC Builder 为系统生成所有实现总线互连逻辑的HDL代码（VHDL或Verilog）。一个完整的系统PTF文件包含有足够的信息，为每一个系统主设备和从设备生成地址解码器、数据选择器、共享从端口的仲裁器、中断逻辑和总线时序逻辑等。
SOPC Builder的今后版本，也要求总线互连逻辑的实现必须符合 Avalon 总线规范或AMMB-AHB规范。IP模块的开发者不能根据特殊的总线逻辑实现，但可以根据符合规范的接口来开发IP。图1-5以较高的抽象级显示了一个总线逻辑的内部实现。
系统S有三个主模块 X，Y 和 Z。假定 X 和 Y 都有一个名为 m 的主端口，而 Z有两个主端口，m1和m2。系统中还有三个从模块，A，B和C，每一个都仅有一个从端口s。用户创建完系统后，要配置哪个主模块可以访问哪个从模块。
目前的SOPC Builder版本会在每一个模块的主或从端口处生成一个独立的总线逻辑模块。无论这些模块是否真正包含一个仲裁器，它们都被称为仲裁模块。这个例子中共有7个仲裁模块。这些模块中生成的逻辑都用来保证给相应主/从端口提供信号和协议。
所有实现总线逻辑的HDL代码都写入了系统HDL文件中。系统HDL文件的名称与生成的系统名称相同。例如，用户用VHDL生成的系统名称为fan_control_processor，则所有总线生成逻辑就写入文件fan_control_processor.vhd中。在顶层模块生成阶段，更多的内容会写入系统HDL文件中。在总线生成阶段，系统PTF文件不会有任何改变。
（9）顶层模块生成阶段
在这一阶段，SOPC Builder 把系统顶层模块的定义写入系统 HDL 文件中。顶层模块的定义包括：系统所有I/O端口的声明、系统中每个模块的实例、包含总线逻辑的仲裁模块的实例、以及各个模块间的互连逻辑。
SOPC Builder还在系统HDL文件中定义了一个测试模块（一般命名为
test_bench）。测试模块包含一个系统模块的实例（命名为 DUT），还有系统时钟和复位输入的激励源。SOPCBuilder还产生一个原理图文件（.bsf），使得系统模块可以在 Quartus 的图形编辑方式下使用。
（10）工程文件生成阶段
SOPC Builder为快速模拟系统，会生成一个ModelSim工程目录：
• 与每一个模块 CONTENTS 节内容相应的存储器初始化文件
• 名为
• 一个名为create_
ModelSim命令可以让用户按需要重新创建ModelSim工程文件。此文件很少直接使
