FPGA研发之道(20)-片上系统

从最初的占地170平方的第一代ENIAC计算机开始，计算机开始了不断集成化、小型化的发展之旅。现今在单一芯片内部已经能够集处理器，存储，各型协处理器等，从而形成的强大的单芯片的片上系统（SOC），而这些片上系统已存在于生活的方方面面。因此FPGA内部支持片上系统，也算不上是新奇的事情了。ALTERA和XILINX已各自推出了各自应用片上系统（FPGA领域称之为SOPC，因此其片上系统可以根据业务需求来定义）。

只需几K的资源，就能实现一个SOC的最小系统，对于FPGA工程师来说，没什么比这个更有吸引力了。那么，作为一个片上系统来说，其最小系统应该包含哪些：其至少需要三个部件，执行部件（处理器），程序执行部件（内部存储器），输出部件（输入输出单元）。（其分别相当于PC上的CPU、内存条，键盘鼠标显示器）。下图所示在ALTERA的QSYS上实现NIOS的最小系统所需部件。

（1）       处理部件：NIOSII为ALTERA器件中所专有的软核处理器，而xilinx所对应的为microblaze的软核。通过在Qsys的界面工具中提供许多IP，而NIOSII也提供三个版本提供使用，分别是高速型，标准型，以及经济型。如果FPGA内部逻辑有限，可选择的经济型，其占用资源较少。如果需要内部资源丰富又需要运行嵌入式操作系统uclinux等复杂软件。则建议选择高速型，而要运行linux等操作系统，则在NIOSII高速型中配置MMU则是必须的。如无具体需求，则使用标准型即可。值得一提的是，NIOSII为哈佛型体系结构，即数据和指令分开，从Qsys可以看出，其接口分为指令接口和数据接口。

（2）       存储部件:对于在FPGA内部实现SOC来说，片内的块RAM就是实现SOC内部程序与数据的存储空间。也可以使用片外的存储区，如片外SRAM或者DDR等。也可以作为程序和数据的存储空间。对于NIOSII处理器来说，只有选取了片内存储区或者片外存储区，才能设定程序中断向量和复位起始位置的存储区。另外，虽然AVALON总线支持数据总线和地址总线通过片上互联同一接口访问单端口RAM。但建议使用时，例化为双AVALON接口的双端口RAM，一则是因为一般存储区所需RAM深度够大，一般支持真双端口RAM，另一方面，数据和指令分开，能够提升系统的性能。

（3）       输入输出部件：通常在嵌入式SOC系统中，最常用的输入输出部件就是串口（UART）。常常被应用于（打印printf（），scanf（））函数的输入输出。如果系统设计了串口（一般为SOC系统中所必须的），则例化系统中的支持avalon接口的串口即可，如果系统中不幸没有，那么ALTERA公司提供了JTAG-UART接口提供给用户输入输出交互接口。即通过复用JTAG下载线来模拟串口的操作。如果系统中有多个输出输出设备，如有多个UART，则在编程时，需在BSP的环境中设定，选择使用哪个UART作为系统的输出。

使用ALTERA的Qsys工具可以方便的在FPGA上构建SOC系统。只需选择相应的IP（可以是系统自带，也可以使用自己构建支持avalon-mm接口的IP）。通过系统的互联从而构成一个片上系统。图形化的界面只需通过avalon总线连接信号将NIOSII和外设连接在一起即可。连接完毕后，还需要下面操作：

（1）                 为每个外设设定地址，例如上图中RAM和JTAG-UART，每个外设都需要一个地址范围，可以点击系统中自动地址分配，也可以手动分配一个区间。只有为每个外设分配地址后（相当于整个系统的门牌号），处理器才能根据地址来访问各个外设。

（2）                 如外设有中断，则为外设分配中断号，也可自动或者手动完成。如不分配中断的话，那么处理器访问外设，只有查询一种交互方式了。中断方式使用可以减少处理器的负载。

在ALTERA的QSYS工具中，硬件信息全部存储在sopcinfo。主要是包括各个外设的地址信息等，用于产生system.h。也就是说，作为软件和硬件的交互的渠道是每个外设的基地址，中断，和内部寄存器等信息。系统构建结束后，剩下的就可以软件编程了，运行在搭建的SOC系统上的第一个“hello world”的程序。

 对于现在FPGA上的SOC设计，厂商为了其方便易用，做了大量的工作，只需按照其指南一步步，就可以实现相应的设计，但同时，也限制了对其基本原理的深入的理解。什么事情都有其两面性，作为FPGA工程师，SOC的原理则应该能够重点关注，这样不论是ALTERA还是XILINX其基本原理也是一致的。如不使用厂家的处理器核（NIOSII、microblaze），也可以使用其他的软核（如51等，ARM）在FPGA上实现SOC系统。只不过原来工具做的工作，就需要手动来完成了。