可编程片上系统设计 何宾 2012.02.

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1 可编程片上系统设计 何宾

2 内容概述 本章主要对片上可编程系统设计技术进行了简要的 介绍： 在片上可编程系统概述部分介绍了软核和硬核处理
器，以及片上可编程系统的发展背景和片上可编程系 统技术的特点； 在片上可编程系统设计方法部分介绍了片上可编程 系统设计流程、通用片上可编程系统优化技术和专用 片上可编程系统优化技术； 在片上可编程系统芯片部分介绍了Xilinx公司支持 片上可编程系统设计的主要芯片的种类和性能。

3 可编程片上系统设计 基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate
Array, FPGA）的SOPC（System-on-a-chip），包含嵌入 式的软核或硬核处理器、存储器和硬件加速器。SOPC的 出现为设计者提供了设计高性能嵌入式系统和优化系统 的条件。

4 可编程片上系统设计 -软核及硬核处理器 Xilinx提供了将物理的处理其核集成到FPGA硅片上的硬核 处理器产品。
　　SOPC嵌入式处理器分为软核和硬核处理器两类。 Xilinx提供了将物理的处理其核集成到FPGA硅片上的硬核 处理器产品。 一个处理器使用专门的硅片实现称为硬核处理器， 比如： 1）Xilinx将PowerPC硬核集成到Virtex-II Pro到Virtex- 5系列的FPGA芯片中。 2）ARM Cortex-A9硬核集成到Zynq系列的FPGA芯片 中。 软核处理器是通过使用FPGA的通用逻辑实现的。软核 处理器通过HDL语言或网表进行描述的。软核处理器必须 进行综合才能使用。

5 在基于软核和硬核处理器的SOPC系统中，本地存储
可编程片上系统设计 -软核及硬核处理器 在基于软核和硬核处理器的SOPC系统中，本地存储 器、处理器总线、内部外设、外设控制器和存储器控制器 必须使用FPGA的通用逻辑实现。 下面给出Xilinx公司的软核和硬核处理器的性能。

6 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术的发展
由于持续的要求嵌入式系统具有更多的功能、更好的 性能和灵活性，因此传统上的设计方法已经不适应这种要 求。当设计人员试图通过高性能的嵌入式处理器得到更高 的性能时，遇到了吞吐量和性能方面的限制，而这种限制 源于系统和结构的瓶颈，以及存储器带宽的限制。 现在解决问题的方法是“专用”，即对某个嵌入式系统 的应用使用专门的解决方法。比如，数字信号处理器DSP 用于解决某一类专门的数字信号处理。对于一些高容量的 应用，设计人员可能还需要专门开发ASIC芯片。

7 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术的发展
现在FPGA广泛地应用在各个领域中。因此，很多 FPGA厂商将专用的嵌入式处理器Power、ARM等嵌入到 了FPGA芯片中。这种集成了嵌入式处理器的FPGA芯片被 定义成FPGA的平台。这种基于FPGA的嵌入式平台提供了 一个灵活的解决方案。 在这个解决方案中，一个单FPGA芯片上提供了大量 不同的IP软核和硬核资源。这些固件和硬件可以在任何时 间进行升级。这种可编程的结构特点，大大缩短了系统的 开发时间，而同一平台能应用在很多领域，提高了平台的 资源复用率。

8 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术的发展
这种结构同时还使设计人员可以优化系统吞吐量和开 发周期，提供前所未有的软件和硬件协同设计的灵活性， 这种灵活性主要体现在设计人员能够权衡软件和硬件设计 的实现方法。 这种协同性不同于传统的嵌入式系统的协同设计，虽 然以前也使用软件和硬件的协同设计，但是在实现级别上 基本上还是使用大量的分离的设计流程。比如，硬件设计 人员制定硬件设计规范，软件设计人员制定软件设计规 范。 这样就导致对问题截然不同的理解，而且对设计团队提 出了很高的要求。

9 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术的发展
更进一步的说，FPGA平台，即SOPC集成了传统的软 核和硬核处理器、片上总线、大量不同的I/O设备和借口 标准、定制的硬件加速处理器，以及混合的定制的总线或 点对点的拓扑结构，以提高系统的性能。

10 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术的发展
在SOPC的层次上，FPGA的应用领域已经大大扩宽 了，它不再是传统意义上用于连接不同接口设备的“连接 逻辑”。由于FPGA的容量和性能不断提高，因此它就逐步 地变成嵌入式系统的中心。 FPGA容量不断提高，已经将嵌入式处理器和大量I/O 集成在FPGA芯片内。当FPGA发展到SOPC的阶段后，设 计的复杂度也不断的提高，硬件和软件设计在FPGA平台 上都显得十分重要。而且由于FPGA集成了片上总线和存 储器，因此也需要系统设计和系统结构方面的经验。

11 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术的发展
在SOPC阶段，设计已经从以硬件描述语言HDL为中心 的硬件设计，转换到了以C语言进行功能描述为中心。所 以就形成了以C语言描述SOPC的功能，而用HDL语言描 述硬件的具体实现方法。这也是和传统的FPGA设计和嵌 入式系统设计最大的区别，即软件和硬件的真正的协同设 计。

12 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术特点
作为新的嵌入式系统的设计平台，使用SOPC进行嵌 入式系统设计具有以下几个方面的优点： 1、定制 基于FPGA的嵌入式系统的设计人员可以很灵活地选 择所要连接的外设和控制器。因此，设计人员可以设计出 一个独一无二的外设，这个外设可以直接和总线连接。对 于一些非标准的外设，设计人员很容易的使用FPGA嵌入 式平台实现。比如，设计人员很容易的在FPGA平台上设 计出具有10个UART接口的嵌入式系统。因此，在FPGA 系统中，向这样类似的配置是很容易实现的。

13 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术特点
2、延缓过时 一些公司，特别是为军方提供产品的那些公司，它们 产品的供货周期常常比标准电子产品的周期要长。电子元 器件的过时（停产）是一个非常严重的问题，会导致这些 公司无法继续提供其产品。由于软核处理器的HDL源代码 可以通过购买得到，因此基于FPGA的软核处理器是一个 非常好的解决方案，它可以充分的满足产品长期供货的要 求。

14 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术特点
3、降低元件成本 由于基于FPGA平台的嵌入式系统的功能多样性，以前 需要用很多元件才能实现的系统，现在可以使用一个 FPGA芯片实现。比如，辅助I/O芯片或协处理器与现有的 处理器之间的连接。减少在设计中所使用的元件的数量， 不但可以降低元件的成本，而且可以大大缩小电路板的尺 寸。

15 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术特点
4、硬件加速 选择基于FPGA的SOPC的一个重要的原因就是，SOPC 能在硬件和软件之间进行权衡，使嵌入式系统达到最大的 效率和性能。比如，当算法是嵌入式系统软件性能的瓶颈 时，一个使用FPGA定制的协处理器引擎能用来实现算 法，这个协处理器通过专用的，低延迟的通道与嵌入式处 理器连接。使用现代的硬件设计工具，很容易的将软件瓶 颈转向硬件处理。

16 可编程片上系统设计 -可编程片上系统技术特点
SOPC的出现给嵌入式系统设计带来了非常多的优点， 但是由于采用基于FPGA的嵌入式平台，这个平台集成了 软件和硬件的平台设计工具，因此设计比较复杂。 FPGA的嵌入式的软件设计工具比标准的传统的嵌入式 系统的软件设计要新，软件设计工具相对来说还不成熟。 但是随着SOPC技术的进一步发展，这个问题将会解决。 芯片的成本也是一个问题，采用专用的嵌入式平台比 采用基于FPGA的嵌入式平台成本要低，但是随着制造工 艺的不断更新和SOPC芯片的成本的降低，相信在不久的 将来，SOPC成本甚至还会低于采用专用的嵌入式平台。

17 可编程片上系统设计 -可编程片上系统设计与优化技术
SOPC设计技术不同于传统的嵌入式系统设计流程和设 计方法，其设计是软件和硬件的协同设计，同时又是基于 软件为中心的设计技术。下面首先介绍Xilinx的SOPC设计 流程，然后介绍以软件为中心的SOPC设计技术。

18 可编程片上系统设计与优化技术 -可编程片上系统设计技术
正如前面所说，基于SOPC的嵌入式系统的设计需要 软件和硬件的协同设计。下面给出Xilinx公司使用嵌入式 开发套件(Embedded Design Kit, EDK）进行嵌入式系统设 计的流程。 Xilinx公司的EDK工具包用于开发基于FPGA平台的嵌 入式系统，从图可以看出该工具支持传统的硬件和嵌入式 软件的设计流程。

19 -可编程片上系统设计技术 --可编程片上系统设计流程

20 -可编程片上系统设计技术 --可编程片上系统设计流程
EDK支持硬核PowerPC和软核Microblaze处理器（未 来增加对ARM处理器的支持）。并将设计的导入、创建 和IP核定制进行了流水化的处理。由于EDK知道平台 FPGA的硅片属性和选项，能自动的为其外设生成软件驱 动、测试代码和创建板级支持包BSP（Board Support Package）。这些BSP是常用的实时操作系统RTOS（Real- Time Operating System），比如VxWorks和嵌入式Linux提 供的设备驱动。

21 -可编程片上系统设计技术 --可编程片上系统设计流程
EDK的设计流程就是一个软件和硬件协同处理和设计 的过程。软件流程完成C语言代码的编写、编译和链接的 过程。硬件流程完成HDL设计输入、综合、仿真和实现的 过程。XPS提供了一个Data2MEM工具，该工具能将C语 言生成的ELF（Executable and Linkable Format）文件代码 插入到生成后的FPGA的比特流文件中，将其生成能够下 载到FPGA中，并能启动的映像文件。通过这个过程设计 人员能够使软件开发和调试进行实时处理，而不需要额外 的时间开销。

22 -可编程片上系统设计技术 --可编程片上系统设计流程
Xilinx的JTAG连接技术，完成FPGA的下载、FPGA的 调试、C代码的下载和软件的调试。 XPS集成了软件和硬件调试工具，使它们之间可以相 互触发，这使得嵌入式系统内部变成“可见”，使嵌入式 设计者能很快地找到和发现问题，而无需知道这个问题 是软件还是硬件产生的。

23 -可编程片上系统设计技术 --基于软件的设计方法
SOPC设计中，一个好的开发工具提供对目标平台合 理的抽象，而这个抽象对设计人员来说是比较容易理解 的。 硬件抽象使得软件开发人员不需要从应用程序的开发 转向真实的硬件实现，事实上对于软件人员来说这也是不 可能的事情。但是软件开发人员在设计程序的时候开始将 并发性和基于消息驱动的硬件概念融入到程序设计中。

24 -可编程片上系统设计技术 --基于软件的设计方法
这个抽象允许软件设计人员创建、测试和调试应用 程序，同时促进开发人员使用程序设计方法使得目标系 统达到最大的性能。同时，好的开发工具还提供了将原 始的高级描述转换成优化过的低级的目标系统可加载和 执行的代码。

25 -可编程片上系统设计技术 --基于软件的设计方法
为了达到这两个要求，为自动的基于FPGA平台的硬件 生成工具主要目的是自动编译和优化问题，提出编程的 抽象模型、编程的方法。这些工具目的就是建立面向软 件的设计经验。

26 -可编程片上系统设计技术 --基于软件的设计方法
面向软件的编程、仿真和调试工具提供了对FPGA平台 的合理的抽象，允许系统设计人员在原型设计阶段，开始 应用的开发、实验，而不需要专门的硬件知识，这一点对 于原型设计阶段是非常重要的。如图1.2所示，通过使用 软件到硬件的设计方法和工具，传统的软件和硬件设计流 程能极大的得到改善。但是并不是说不需要硬件的技巧。 事实上，一个完整的和优化过的系统中只使用软件知识是 不可能实现的。通过软件和硬件设计技巧和使用现代设计 工具就能很快地建立工作原型。

27 -可编程片上系统设计技术 --基于软件的设计方法

28 -可编程片上系统设计技术 --基于软件的设计方法
面向软件的设计流程一个非常重要的特点就是在最合 理的平台资源中使用软件来描述设计规范。如果最合适的 平台资源是微处理器，那么事情就比较简单，只需要针对 这个处理器进行交叉编译（交叉编译就是在一个平台上生 成另一个平台上的可执行代码），但是如果是FPGA的 话，传统的设计流程要求用HDL语言重新书写RTL级的描 述，那是一件既耗时，又容易出现设计错误的事情。但是 使用面向软件的设计流程，只需要对最初的设计语言进行 简单的一些修改，而不需要关心目标系统的资源。

29 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
基于SOPC的嵌入式系统设计中，一个非常重要的问 题是优化问题。 虽然表1.1给出的SOPC的性能指标很高，但是设计者 往往发现很难达到表中的指标。这是由于设计人员没有很 好的使用基于FPGA嵌入式处理器的性能扩展技术。 FPGA的生产厂商会采用一切方法和手段使芯片的性能 达到预期的性能和指标，而对于熟悉标准微处理器性能优 化技术的设计人员来说必须熟悉针对FPGA嵌入式处理器 的优化技术，这样才能使他们设计出来的FPGA嵌入式系 统的性能指标达到FPGA厂商的设计指标。

30 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
FPGA嵌入式处理器设计比较复杂，复杂程度甚至使那 些有经验的设计人员在某些情况下都无能为力，因此为了 获得FPGA平台的优势必须进行权衡。下面给出一些在设 计FPGA的SOPC嵌入式系统时，会使用到的一些优化技 术。 这些优化技术并不是SOPC设计中特有的技术，而这些 技术在传统的嵌入式系统的设计中已经使用了这些技术。

31 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
1. 代码控制 一些可以使用的优化技术影响应用程序代码。一些技 术影响代码如何编写，而一些技术影响编译器如何处理代 码。

32 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
1、优化级别 在Xilinx的XPS中的GCC编译器中可以选择编译的优化 级别。编译器的优化级别有0、1、2、3和代码长度优化 共五级优化。下面给出这四种优化级别的说明。 0级优化：不进行任何优化操作。 1级优化：执行跳转(JUMP)和出栈(POP)优化。 2级优化：这一级优化执行几乎所有的优化操作，但是 不包括速度和空间的权衡，所以可执行代码的长度不会增 加。编译器不执行循环的解开操作，函数嵌入和严格的别 名优化操作。这是对程序配置的标准优化操作。

33 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
3级优化：最高级优化。这级优化增加了更多的可选 项，其中包括增加代码尺寸。在一些情况下，3级优化后 的代码效率比第2级优化后的代码效率要低，所以要谨慎 使用第3级优化。 长度：长度优化。优化目标是产生较小的代码长度。

34 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
2、使用FPGA厂商的优化指令 Xilinx提供了一些为Xilinx的嵌入式处理器定制的指 令。比如：xil_printf。这个函数功能和printf基本是一样 的，但是存在下面的一些不同之处：不支持实数类型，不 支持64位。由于这些改动使xil_printf函数只有2953个字 节，比printf的函数的代码长度（51788字节）要小得多。

35 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
3、汇编 在GCC编译器中支持嵌入的汇编。对于任何处理器来 说，在一些对时间要求比较苛刻的应用场合，汇编语言是 非常有用的。在一些编译器中，如果在文件中使用了汇编 语言，编译器是不会优化剩余的C代码的。

36 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
4、混杂 当优化FPGA嵌入式处理器时，一些与代码相关的优 化也被考虑在其中，主要包括：参考位置、代码分析、 变量的定义、小数据区的使用策略、明智的使用函数调 用减少入栈和出栈帧、循环长度等。

37 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
2. 存储器的使用 处理器提供访问快速的本地存储器的能力，以及与 慢速的二级存储器的接口。FPGA的嵌入式处理器也提 供了这样的功能。 使用存储器的方法对系统性能会产生重要的影响。其 它处理器那样，在FPGA内的嵌入式处理器对存储器的 使用可以通过一个链接脚本进行操作。

38 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
1、只用本地存储器 最快的存储器的选择是将所有的代码放在本地存储器 中。Xilinx的本地存储器由大容量的块RAM（BRAM）组 成。嵌入式处理器以单总线周期访问BRAM。由于在 MicroBlaze构成的嵌入式系统中，处理器和存储器运行在 相同的时钟频率，存放在BRAM中的指令能够以处理器的 频率执行。 在MicroBlaze系统中，BRAM本质上的性能和L1高速缓 存的性能一样。在PowerPC的嵌入时系统中，处理器运行 频率比总线要高，并且存在L1高速缓存，因此BRAM的性 能与L2高速缓存的性能一致。在Xilinx的FPGA中，BRAM 的性能是不一样的。

39 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
2、只用外部存储器 如果将所有程序放在外部存储器中，将使系统的性能降 到最低。Xilinx提供了与外部不同存储器的接口。这些存 储器接口与处理器的外设总线连接。Xilinx的存储器控制 器支持三种易失性存储器SRAM、SDRAM和DDR SDRAM。在FPGA内的SRAM控制器结构是最简单和最小 的，但SRAM是三种存储器中最贵的。FPGA内的DDR控 制器结构是最复杂和最大的，但是所需要的FPGA引脚是 非常少的，每兆字节的DDR存储器成本是最低的。

40 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
此外，对外部存储器的访问存在时间延迟。在 MicroBlaze中，存储器控制器与OPB（On-chip Peripheral） 总线相连。比如，OPB总线的SDRAM控制器需要4-6个时 钟的写操作延迟，8-10个时钟周期的读操作延迟。

41 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
3、高速缓存 在建有PowerPC处理器的FPGA硅片上建立了的指令和 数据高速缓存。使其对处理器总保持性能优势。而在 MicroBlaze处理器没有专门在硅片上建立指令和数据高速 缓存。对于MicroBlaze处理器来说，高速缓存是可配置的 选项。当需要高速缓存时，使用BRAM建立高速缓存。与 本地存储器相比，由于高速缓存需要在BRAM中保存地址 映射机构，因此高速缓存会使用更多的BRAM资源。

42 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
此外，使能高速缓存还会消耗通用逻辑资源用来建立高 速缓存控制器。比如在Spartan-3中建立8KB的数据高速缓 存和32M的外部存储器被缓存，将需要12位的地址标记， 使用124个逻辑单元和6个BRAM资源。而建立8KB的本地 存储器只需要4个BRAM资源。多出的2个BRAM用于保存 地址标记。

43 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
此外，当使能高速缓存后，系统地最高频率也会降低。 比如，一个没有高速缓存的系统工作频率可以达到 75MHz，如果使用高速缓存，工作频率只有60MHz。使能 高速缓存控制其将增加逻辑和设计复杂度，在布局和布线 时，将降低系统频率。所以在软核处理器中使用高速缓存 会降低整个系统的性能。

44 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
经过谨慎的考虑，在低系统工作频率下使能指令高速 缓存将其高系统性能。比如，60MHz的系统使用指令高速 缓存比75MHz不使用高速缓存的系统，带来150%的性能 提高。当数据和指令高速缓存全部使用时，将带来308% 的性能提高。

45 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
4、分配代码到内部存储器、外部存储器和高速缓存中 正如前面所提到的只有把所有代码放到本地存储器中， 才能提供最好的性能。由于程序经常会超出本地存储器可 使用的容量，所以实际上是不可能将所有代码存放在本地 存储器中的。而另一方面，从外部存储器运行程序会有很 大的时间延迟。在PowerPC系统中，使用高速缓存是一个 非常好的选择。在MicroBlaze对外部存储器使用高速缓存 会改善结果，但是采用其它方法可以提供更优化的结果。

46 -可编程片上系统设计与优化技术 --通用的可编程片上系统优化技术
在MicroBlaze系统中，最好的方法是合理的分配程序 代码，使系统的频率和本地存储器容量达到最大。关键 指令、数据和堆栈放在本地存储器中。不要使用数据高 速缓存。如果本地存储器不能保存所有的指令，那么就 要考虑使用指令高速缓存用于在外部存储器中保存指 令。

47 专用的可编程片上系统优化技术 --提高FPGA工作频率
1、逻辑优化 如果设计中没有在外部存储器中保存和运行指令，那么 就不要连接指令一侧的外设总线。将处理器的指令和数据 一侧连接到一个总线上会产生一个多主系统，在这样的系 统中要求仲裁器。在总线上只存在一个主设备将优化系统 性能。

48 专用的可编程片上系统优化技术 --提高FPGA工作频率
已经全部调试后，要从系统中去除这些调试逻辑，这样可 以提高系统的性能。比如，去除FSL加速通道上的MDM （MicroBlaze Debug Module）模块将节省950个逻辑单元。 在MicroBlaze中使能高速缓存，调试逻辑作为关键路径将 降低系统地工作频率。

49 专用的可编程片上系统优化技术 --提高FPGA工作频率
用于连接外部SRAM和Flash存储器的OPB外部存储器控 制器，产生32位地址线（即使这些地址不会完全使用）。 Xilinx提供了总线裁减外设的功能，用于删除不需要的地 址位。这样就会减少布线和引脚。 Xilinx提供了一些GPIO外设。GPIO提供了双通道、双 向功能和中断能力。这些功能需要更多的资源，会影响时 序。如果设计中只使用简单的GPIO，那么就使用GPIO最 基本的版本，或者关闭那些没有使用的功能。

50 --专用的可编程片上系统优化技术 ---面积和时序约束
当设计者给出布局和布线导向时，Xilinx的布局和布线 工具将能更好的工作。在Xilinx工具中，设计人员指定期 望的工作频率、引脚位置和逻辑元素的位置。通过提供这 些详细的信息，设计工具将能自动的、更好的在硬件设计 实现上进行权衡。 一些外设可能需要其它约束，用来保证其操作的正确 性。比如，DDR SDRAM控制器和10/100以太网控制器。 设计人员在使用时，必须认真地阅读相关外设的数据手 册，并遵循推荐的设计规则。

51 --专用的可编程片上系统优化技术 -硬件加速
1、使用硬件除法器和桶型移位寄存器 MicroBlaze能定制使用硬件除法器和桶型移位寄存器， 而不需要使用软件实现这些功能。使能这些处理器的功能 会消耗额外的逻辑资源，但是能提高系统性能。比如，使 能硬件除法器和桶型移位寄存器会额外使用414个逻辑单 元，但是会使性能提高18.1%。

52 --专用的可编程片上系统优化技术 -硬件加速
2、软件瓶颈转换为硬件处理 定制的硬件逻辑可以减轻FPGA嵌入式处理器的负担。 当遇到软件瓶颈时，设计人员可以使用定制的硬件实现这 些算法。定制的软件指令可以操作硬件协处理器。 MicroBlaze和PowerPC存在访问处理器的低延迟访问 点，因此可以很好的将定制的处理器硬件和嵌入式处理器 连接。Virtex-4中为PowerPC增加了APU（Auxiliary Processing Unit）单元，使得协处理器可以和嵌入式处理 器直接连接。在MicroBlaze中提供了低延迟的FSL（Fast Simplex Link）总线。FSL总线包含大量的专用的、单向的 32位通道。由于这些通道时专用的，因此不需要进行总线 仲裁机构。

53 --专用的可编程片上系统优化技术 -硬件加速
将软件瓶颈转换为硬件处理看上去是一件比较困难的事 情。传统上，当软件设计人员发现瓶颈后，让硬件设计人 员编写HDL代码建立协处理器。但是，这个过程可以简 化，因为可以使用工具将C语言转化为FPGA硬件。这样 一个工具就是CoDeveloper。这个工具使熟悉C语言的设计 人员，通过使用CoDeveloper的C语言库生成一个定制的 FPGA协处理单元。可以使用硬件协处理的算法有：DCT 变换、FFT变换、MP3解码器、DES和AES、矩阵等。通 过使用硬件协处理，可以使性能提高数十倍或数百倍。

54 Xilinx可编程片上系统芯片 适合进行SOPC设计的FPGA芯片低端产品有Spartan系 列，高端产品有Virtex系列。
Spartan系列FPGA可以使用MicroBlaze软核处理器设计 SOPC，Virtex系列FPGA可以使用PowerPC硬核处理器设 计SOPC。 MicroBlaze软核处理器均可在Xilinx的高端和低端 FPGA芯片上使用。Spartan系列的FPGA平台用于SOPC设 计主要使用Spantan-3系列。Virtex系列的FPGA平台用于 SOPC设计主要使用Virtex-II pro，Virtex-V，Virtex-VI系 列。下面给出了主要的SOPC设计平台。设计人员可以根 据这些FPGA平台的不同性能，在设计SOPC进行选择，以 达到所需要的设计要求。

55 Xilinx可编程片上系统芯片 - Spartan-3系列FPGA
Spartan-3基于Virtex-II FPGA架构，采用90 nm技术，8 层金属工艺，系统门数超过5百万，内嵌了硬核乘法器和 数字时钟管理模块。从结构上看，Spartan-3将逻辑、存储 器、数学运算、数字处理器处理器、I/O以及系统管理资 源完美地结合在一起，使之有更高层次、更广泛的应用。 Spartan-3系列FPGA主要特性如下：

56 Xilinx可编程片上系统芯片 - Spartan-3系列FPGA
1）采用90nm 工艺，密度高达74880逻辑单元； 2）最高系统时钟为340MHz； 3）具有专用乘法器； 4）核电压为1.2V，端口电压为3.3V、2.5Ｖ、 1.2V，支持24种\I/O标准； 5）高达520k分布式RAM和1872k的块RAM； 6）具有片上时钟管理模块（DCM）； 7）具有嵌入式Xtrema DSP功能，每秒可执行3300 亿次乘加。

57 Xilinx可编程片上系统芯片 - Spartan-6系列FPGA
Spartan-6系列的FPGA是Xilinx公司于2009年推 出的最新一代的FPGA芯片，该系列的芯片功耗低， 容量大。逻辑单元的容量为3, ,000，但功耗 只有以前Spartan芯片的一半，并且有更快的，更复 杂的连接性能。该系列芯片基于45nm的铜处理技术 工艺。该系列的芯片提供了6输入的查找表逻辑。 spartan-6芯片的特点主要包括：

58 Xilinx可编程片上系统芯片 - Spartan-6系列FPGA
(1) 18KB的RBAM； (2) 第二代的DSP48A1 Slice； (3) SDRAM控制器； (4) 扩展的混合模式的时钟管理模块； (5) SelectIO技术，功耗优化的高速串行接收发送器 模块； (6) PCI-E端点模块； (7) 高级的系统级功耗管理模式； (8) 自动检测配置选项； (9) 使用ASE和DNA保护的扩展的IP安全性。

59 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-4 系列FPGA
Xilinx 的 Virtex-4 系列将高级硅片组合模块 (ASMBL™) 架构与种类繁多的灵活功能相结合，大大 提高了可编程逻辑设计能力，从而成为替代 ASIC 技术的 强有力产品。 Virtex-4系列FPGA主要有三个系列 - LX/SX/FX的产品。 Virtex-4 LX用于高性能逻辑应用解决方案。Virtex-4 SX用 于高性能数字信号处理 (DSP) 应用解决方案。Virtex-4 FX 用于高性能全功能嵌入式平台应用解决方案。Virtex-4系 列FPGA采用了下面的技术： 1）Xesium™ 时钟技术，包括：数字时钟管理器 (DCM) 块；附加的相位匹配时钟分频器 (PMCD)；差分全 局时钟

60 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-4 系列FPGA
2）XtremeDSP™ Slice技术，包括：18 x 18 位带补数 功能的有符号乘法器；可选流水线级数；内置累加器（48 位）和加法器/ 减法器； 3）Smart RAM 存储器层级技术，包括：分布式 RAM；双端口 18 Kb RAM 块；可选流水线级数；可选的 可编程 FIFO 逻辑将 RAM 信号自动再映射为FIFO 信号； 高速存储器接口支持 DDR SDRAM、DDR-2 SDRAM、 QDR-II 和 RLDRAM-II； 4）SelectIO™ 技术，包括：1.5V 到 3.3V I/O 工作电 压；内置 ChipSync™ 源同步技术；数控阻抗 (DCI) 有效 终端；细粒度 I/O 组布局（在一个组中配置）；

61 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-4 系列FPGA
5）灵活的逻辑资源； 6）安全芯片 AES 比特流加密； 7）90 nm 铜 CMOS 工艺； 8）1.2V 核电压； 9）倒装片封装，包括无铅封装选择； 10）RocketIO™ 622 Mb/s 到 6.5 Gb/s 千兆位级收发器 (MGT) [ 仅 FX]。 11）IBM PowerPC RISC 处理器核（仅 FX系列），包 括：PowerPC 405 (PPC405) 核；辅助处理器单元接口（用 户协处理器）；多个三态以太网MAC （仅 FX系列）。

62 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-5系列FPGA
Virtex-5 系列采用第二代ASMBL™（高级硅片组合模块） 列式架构，包含五种截然不同的平台（子系列），比此前 任何 FPGA 系列提供的选择范围都大。每种平台都包含不 同的功能配比，以满足诸多高级逻辑设计的需求。

63 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-5系列FPGA
Virtex-5系列包含LX、LXT、SXT、TXT 和 FXT 五个 平台。 Virtex-5 LX主要用于高性能通用逻辑应用。 Virtex-5 LXT主要用于具有高级串行连接功能的高性 能逻辑。 Virtex-5 SXT主要用于具有高级串行连接功能的高性 能信号处理应用。 Virtex-5 TXT主要用于具有双密度高级串行连接功能 的高性能系统。 Virtex-5 FXT主要用于具有高级串行连接功能的高性 能嵌入式系统。

64 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-5系列FPGA
1）跨平台兼容性，LXT、SXT 和 FXT 器件使用可调 稳压器，同样封装中引脚兼容； 2）最先进的最佳利用率高性能 FPGA 架构，其中包 括： 真 6 输入查找表 (LUT) 技术； 双 5-LUT 选项； 改进的布线减少了中间连线； 64 位分布式 RAM 选项； SRL32/ 双 SRL16 选项；

65 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-5系列FPGA
3）强大的时钟管理模块 (CMT) 时钟控制技术，其中包 括： 具有零延迟缓冲、频率综合和时钟相移功能的数字时 钟管理器模块； 具有输入抖动滤波、零延迟缓冲、频率综合和相位匹 配时钟分频功能的 PLL 模块； 4）36 Kb Block RAM/FIFO，其中包括：真双端口 RAM 模块；；增强的可选可编程 FIFO 逻辑；可编程高 达 36 倍的真双端口宽度；高达 72 倍的简单双端口宽度； 内置可选纠错电路；可选择将每个模块作为两个独立的 18 Kb 模块进行编程；

66 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-5系列FPGA
5）高性能并行 SelectIO 技术，其中包括：1.2 到 3.3V I/O 运行；使用 ChipSync™ 技术的源同步接口连接；数控 阻抗 (DCI) 有效终端；灵活的细粒度 I/O 分组；支持高速 存储器接口； 6）高级 DSP48E Slice技术，其中包括：25 x 18 补码乘 法运算；可选加法器、减法器和累加器；可选流水线功 能；可选按位逻辑功能；专用的级联连接； 7）灵活的配置选项技术，其中包括：SPI 和并行 FLASH 接口；专用的回读重新配置逻辑，可支持多比特 流；自动总线宽度检测功能； 8）所有器件都有系统监视功能，其中包括：片上/ 片 外热特性监视；片上/ 片外电源监视；通过 JTAG 端口访 问所有监视量；

67 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-5系列FPGA
9）PCI Express 集成端点模块，支持LXT、SXT、TXT 和 FXT 平台；符合 PCI Express 基本规范 1.1；每模块支 持 1 倍、4 倍或 8 倍通道宽度；与 RocketIO™ 收发器配合 使用； 10）三态 10/100/1000 Mb/s 以太网 MAC，支持LXT、 SXT、TXT 和 FXT 平台；可以将 RocketIO 收发器用作 PHY，也可以用多种软 MII（媒体独立接口）方案将其连 接到外部 PHY； 11）100 Mb/s 到 3.75 Gb/s 的 RocketIO™ GTP 收发 器，支持LXT 和 SXT 平台；

68 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-5系列FPGA
12)150 Mb/s 到 6.5 Gb/s 的 RocketIO GTX 收发器，支 持TXT 和 FXT 平台； 13)PowerPC 440 微处理器,仅支持 FXT 平台，特性包 括：RISC 架构；七级流水线；包括 32 KB 的指令和数据 缓存；优化的处理器接口结构（纵横机）； 14)65 nm 铜 CMOS 工艺技术； 15)1.0V 内核电压； 16)可选择标准或无铅的具有高度信号完整性的倒装芯 片封装；

69 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-6系列FPGA
性。使用第三代高级硅片模组（Advanced Silicon Modular Block，ASMBL）结构。该系列包含LXT和SXT两个子系 列。除了高性能的逻辑互联外，还包含了很多内建的系统 级模块，其中包括：

70 Xilinx可编程片上系统芯片 - Virtex-6系列FPGA
(1) 36kb的块RAM/FIFO； (2) 第三代的DSP48E1； (3) 内建数字控制阻抗的SelectIO技术； (4) ChipSync源同步接口模块； (5) 系统监控功能； (6) 扩展的混合模式的时钟管理模块； (7) 高级配置选项； (8) 功耗优化的高速串行收发器模块； (9) PCI-E兼容的集成化的模块和三模式以太网MAC接口。

71 Xilinx可编程片上系统芯片 - Zynq-7000 系列FPGA
Zynq-7000 系列是 Xilinx 推出的首款可扩展式处理平 台 (EPP)。这种新型产品将业界标准的 ARM双核 Cortex- A9 MP处理系统与 Xilinx 一体化28nm 架构完美整合在一 起。 这种以处理器为核心的架构不但能够实现 FPGA 的 高度灵活性和可扩展性，同时还能带来类似于 ASIC 的 高性能和低功耗，以及 ASSP 的易用性。

72 Xilinx可编程片上系统芯片 - Zynq-7000 系列FPGA
Zynq-7000 EPP 系列的四款器件使设计人员能够用 统一平台满足低成本和高性能应用需求，充分发挥业 界标准工作的作用。 处理系统与可编程逻辑的紧密集成使设计人员能够 构建加速器和外设，以将关键功能的速度提升高达10 倍。 ARM 架构和生态系统能够帮助软硬件开发人员最 大限度地提高工作效率，进而简化开发工作。 如图1.3所示，Zynq-7000 系列的主要特点有：

73 Xilinx可编程片上系统芯片 - Zynq-7000 系列FPGA

74 Xilinx可编程片上系统芯片 - Zynq-7000 系列FPGA
(1) 双核ARM Cortex-A9 高达 800MHz； 可通过 NEON Extension 及单和双精度浮点单元进行增强； (2) 32kB 指令及 32kB 数据 L1 高速缓存和 512kB L2 高速 缓存； (3) 256kB 片上存储器； (4) DDR2、DDR3 以及 LPDDR2 动态存储控制器； (5) QSPI、NAND Flash 以及 NOR 闪存控制器； (6) 2 个 USB2.0 (OTG)、2 个 GbE、2 个 CAN2,0B、2 个 SD/SDIO、2 个 UART、2 个 SPI、2 个 I2C、32b GPIO；

75 Xilinx可编程片上系统芯片 - Zynq-7000 系列FPGA
(7) 用于实现安全启动和安全配置的 AES 和 SHA 256b 加 密引擎； (8) 双通道 12 位 1Msps 数模转换器； (9) 高级可编程逻辑： - 30,000 至 235,000 个逻辑单元（约 560,000 至 4,700,000 个同等的 ASIC 门电路）； - 240kB 至 1.86MB 的可扩展式 Block RAM； - 80 至 760 个 18x25 DSP Slice （58 至 912 GMACS 的 DSP 峰值性能）； (10) PCI Express Gen2x8（最大型器件中）； (11)134 至 404 个用户 IO（多路复用和 SelectIO）； (12) 4 至 12 个 10.3Gbps 收发器（最大型器件中）；