设计流程与支持

12．4　SoPC设计流程与支持Nios II的FPGA器件

12．4．1　SoPC设计流程

在采用Nios II处理器设计嵌入式系统时，一般遵循以下流程：

（1）分析系统需求说明，包括功能需求和性能要求等；

（2）建立Quartus II工程，建立顶层实体；

（3）调用SoPC Builder，生成一个用户定制的系统模块（包括Nios II及标准外设模块）；

（4）将SoPC系统模块集成到硬件工程中，并添加一些模块，可以是Altera公司提供的LPM模块、第三方提供的或用户自己定制的模块；

（5）在顶层实体中，将SoPC系统模块、Altera的LPM或用户自定义的模块连接起来；

（6）分配引脚和编译工程，编译生成系统的硬件配置文件．sof和．pof文件；

（7）下载工程，将配置文件下载到开发板上进行验证；

（8）软件开发，开发可以使用IDE开发环境，也可以使用SDK Shell；

（9）编译软件工程，生成可执行文件．elf；

（10）调试程序，将硬件配置文件下载到开发板，将可执行文件下载到RAM，直到软硬件协同工作。

在上面的过程中，用到的软件有Quartus II、Nios II SDK shell或Nios II IDE、ModelSim等，如果进行DSP的开发，还会用到Matlab和DSPBuilder。

Quartus II用来建立硬件的系统包括SoPC Builder工具，SoPC Builder用来建立SoPC系统模块，Quartus II支持多种设计方式，如原理图、硬件描述语言等，硬件描述语言支持VHDL和Verilog等方式。

软件开发使用Nios II SDK shell或Nios II IDE，IDE开发环境采用图形化的开发环境，使用方便直观。而SDK shell采用命令窗口的方式进行程序的调试。

ModelSim是HDL编译仿真软件，用于对设计的硬件系统进行RTL级的仿真。

DSP Builder是Altera公司推出的数字信号处理开发软件，用来实现算法和硬件实现的无缝过渡，用户可以在Matlab的Simulink中完成算法模型的仿真、验证，然后通过SignalCompiler将模型文件转换成硬件描述语言的文件。

12．4．2　支持Nios II的FPGA器件

支持Nios II的FPGA器件有Cyclone和Cyclone II系列、Stratix和Stratix II系列、HardCopy器件、HardCopy II、HardCopy Stratix、HardCopy APEX三代。

1．Cyclone和Cyclone II系列

Cyclone系列器件基于1．5V、0．13μm及全铜SRAM工艺，Cyclone系列FPGA的容量为2 910～20 060个逻辑单元（LE），拥有288K位的RAM，如表12．4．1所示。Cyclone系列FPGA的最大特点是低成本，Cyclone系列FPGA是成本敏感大批量应用的最佳方案。如果需要进一步进行系统集成，可以考虑密度更高的Cyclone II FPGA和Cyclone III FPGA。Cyclone系列巩固了Altera在大批量、低成本应用方案中的领先优势。

Cyclone FPGA是目前ASIC应用的低成本替代方案。利用其系统级集成功能，Cyclone系列FPGA避免了ASIC昂贵的NRE负担，降低了订购量和产品推迟带来的风险。

Cyclone系列FPGA的价格和功能满足了市场对创新的需求，通过产品迅速面市来确定领先优势。消费类、通信、计算机外设、工业和汽车等的低成本大批量应用市场都可以使用Cyclone系列FPGA。

表12．4．1　Cyclone系列产品的主要性能

续表

Cyclone II是Altera公司在第一代Cyclone系列的基础上开发的第二代FPGA系列器件，如表12．4．2所示。Cyclone II采用了全铜层90nm低k绝缘工艺，1．2VSRAM工艺设计。Cyclone II具有很高的性能和极低的功耗，而价格和ASIC相当。它的应用领域和Cyclone系列相似，是对成本敏感的应用大批量的产品解决方案，是消费类、通信、计算机外设、工业和汽车、视频处理等终端市场解决方案的理想选择。

表12．4．2　Cyclone II系列产品的主要性能

Cyclone II为在FPGA上实现低成本的数字信号处理系统提供了一个理想的平台，用户可以单独使用Cyclone II或者作为数字信号处理协处理器使用。Cyclone II器件含有经过优化的多种DSP特性，为Altera全面的DSP流程提供支持。

Cyclone II DSP支持包括：多达150个的18×18乘法器；1．1M位的片内嵌入式存储器；外部存储器高速接口；DSP IP内核。68 416个逻辑单元（LE）提供了嵌入式18× 18位乘法器、专用外部存储器接口电路（最高速率可达668Mb／s）、4K位嵌入式存储器块、最多为4个的增强型锁相环等。

2．Stratix和Stratix II系列

Stratix FPGA是Altera公司的第一代Stratix系列器件。Stratix系列器件是Altera公司的大规模高端FPGA，于2002年推出，采用0．13μm的工艺，1．5V内核供电，容量为10 570～79 040个逻辑单元、具有7M位的RAM。Stratix器件具有22个DSP块和176个9×9位嵌入式乘法器，同时器件还具有多种高性能的I／O接口、层次时钟结构和12个锁相环，如表12．4．3所示。第一代Stratix FPGA依然是军用和航空航天领域所选用的FPGA，在这些应用中需要较宽的工作温度范围。

Stratix II和Stratix III器件由于采用了创新性的逻辑结构，不但具有前代Stratix器件的所有特性，而且功耗更低、性能更好。Stratix II与Stratix相比，运行速度提高50%，逻辑容量提高1倍，而成本更低。Stratix III器件是功耗最低、性能最好的FPGA之一。

表12．4．3　Stratix系列产品的主要性能

Stratix II器件于2005年推出，在Stratix架构的基础上做了一些适合于90nm工艺的改进，采用1．2V、90nm、9层金属走线、全铜SRAM工艺制造。Stratix II器件在Stratix的基础上增加了新的特性：采用了全新的逻辑结构——自适应逻辑模块（ALM）；增加了源同步通道的动态相位校准（PDA）电路和对新的外设存储器接口的支持；采用了128位AES密钥对配置文件进行加密。

Stratix II FPGA采用等效逻辑单元高达179 400个，嵌入式存储器达到9M位，最大可用管脚数达到1 173个，高度优化的数字信号处理模块中18×18位嵌入式乘法器数量达到384个，如表12．4．4所示。

表12．4．4　StratixII系列产品的主要性能

3．HardCopy器件

HardCopy就是利用原有的FPGA开发工具，将成功实现于FPGA器件上的SoPC系统通过特定的技术直接向ASIC转化，从而克服传统ASIC设计中普遍存在的问题（如开发周期长、产品上市慢、一次性成功率低、有最少投片量要求、设计软件工具繁多且昂贵、开发流程复杂等）。HardCopy II体系结构建立在被称为Hcell的精细粒度晶体管阵列上。Hcell支持FPGA的无缝移植，具有ASIC技术那样的密度、成本、性能和功耗优势。

HardCopy II结构化ASIC具有独特的FPGA前端设计方法，实现了业界风险最低、产品面市最快的解决方案。Altera公司的HardCopy设计中心将设计无缝移植为低成本、功能等价、引脚兼容的HardCopy II器件。

Altera公司率先推出40nm工艺的FPGA，Straitix IV和HardCopy IV超越了ASIC的平均密度。它们的性能和功耗都有很大改善，高密度，具有22．4Mbits嵌入式存储器和1 360个18×18乘法器。

Stratix IV比市场上的其他高端FPGA功耗低50%。

Stratix IV FPGA和HardCopy IV ASIC相结合，同时具备了FPGA的优势和ASIC的优势。HardCopy IV ASIC为满足定制逻辑需求提供了风险最低、总成本最低、产品面市最快、收益最快的解决方案。