基于SOPC的软硬件协同设计平台的研究与实现

摘要

随着信息技术的高速发展，微电子工艺技术的不断革新和计算机体系结构理论的完善，嵌入式技术不断取得新进展，SOPC(System on Programmable Chip)作为SOC和CPLD/FPGA相结合的一项综合技术，集合了两者的优点，成为可编程技术发展到一定阶段的必然产物。对于嵌入式系统产品开发来说，SOPC技术缩短了开发周期，降低了产品开发的风险。 NiosⅡ嵌入式处理器是基于SOPC技术的一个32位软核微处理器，它是一个可变结构、通用的RISC型嵌入式处理器。整个NiosⅡ系统的设计过程充分体现了嵌入式系统软硬件协同设计，可重配置，面向用户，面向应用的SOPC技术设计思想。除此之外，应用与NiosⅡ相关的集成开发平台和辅助开发工具SOPC Builder使嵌入式设计者能非常方便地设计构造以处理器为基础的系统，加快NiosⅡ系统的设计与验证环节的开发速度，对于嵌入式系统的产品开发和应用，提供了极具优势的支持。 本文工作来源于武汉市科技计划项目“ASIC综合实验与应用开发系统研发”(项目编号：20043007077-19)，本项目的设计目标是针对本科教学过程中所涉及的计算机组成原理，单片机等课程的实验教学，为学生提供实验平台。文中主要讨论了SOPC软硬件协同设计这一方法学在项目设计过程中的应用，对SOPC系统开发部分中，所完成的设计进行了详细的阐述，这一系统开发完成了三部分内容： 1．开发板的原理图和PCB版图设计，开发板安装与调试； 2．硬件系统控制逻辑定制，包括NiosⅡ处理器及相关外设的IP核定制设计，并设计自定义外设的控制逻辑； 3．针对现有硬件资源，对操作系统μClinux进行模块化定制，设计集成在其开发环境中，并设计LCD液晶显示应用程序在系统上稳定运行。 项目实现了一个集ASIC分离元器件实验设计，单片机实验设计，CPLD/FPGA实验设计及SOPC实验设计为一体的实验装置，现已在江汉大学计算机学院硬件实验室投入稳定应用。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1SOPC设计技术产生的背景

1.2SOPC设计技术国内外发展现状

1.3本文的主要工作

第二章基本SOPC的软硬件协同设计方法研究

2.1传统的嵌入式系统设计方法的局限

2.2软硬件协同设计方法

2.2.1软硬件协同设计模型

2.2.2协同设计的系统分析与系统设计

2.2.3软硬件任务划分和软硬件接口

2.2.4仿真验证

2.2.5集成调试与综合实现

2.3基于SOPC的软硬件协同设计方法

2.3.1基于SOPC软硬件协同设计的发展过程

2.3.2基于SOPC软硬件协同设计的背景

2.3.3基于SOPC软硬件协同设计涉及的内容

2.3.4基于SOPC软硬件协同设计流程

2.4基于SOPC软硬件协同设计的优势

2.5支持SOPC软硬件协同设计的工具

2.6本章小结

第三章Altera的Nios II及其SOPC开发工具

3.1嵌入式软核处理器比较

3.1.1MICROBLAZE微处理器

3.1.2LatticeMico32微处理器

3.1.3Nios II微处理器

3.2Nios II CPU的结构

3.3Nios II微处理器的优势及应用领域

3.3.1Nios II微处理器的优势

3.3.2Nios II微处理器的应用领域

3.4Altera SOPC开发工具介绍

3.4.1QuartusII开发工作

3.4.2SOPC Builder系统集成

3.4.3Nios II IDE系统及软件开发平台

3.5本章小结

第四章系统平台的设计及调试验证

4.1系统设计概述

4.2系统硬件平台选型及单元电路设计

4.2.1电源电路

4.2.2FLASH接口电路

4.2.3SDRAM接口电路

4.2.4串行接口电路

4.2.5LCD液晶显示电路

4.3硬件系统调试

4.3.1Flash接口电路调试

4.3.2SDRAM接口电路调试

4.3.3串口调试

4.4系统总线结构及其扩展电路

4.4.1Avalon总线

4.4.2JTAG接口电路

4.4.3AS接口电路

4.5本章小结

第五章基于Nios II处理器的μClinux操作系统移植

5.1移植的概念

5.2μClinux的内核结构

5.2.1μClinux的内核架构

5.2.2μClinux的内存管理

5.2.3μClinux的多进程处理

5.2.4μClinux针对实时性的解决方案

5.2.5可执行文件格式

5.2.6μClinux采用的小型化方法

5.3硬件系统的定制

5.3.1开发环境的建立

5.3.2系统硬件模块化定制

5.4嵌入式操作系统μClinux的移植

5.4.1配置μClinux的内核

5.4.2内核的配置

5.4.3建立文件系统

5.4.4编写基于μClinux的应用程序

5.4.5下载μClinux到开发板上

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

附录