SOPC大規(guī)模可編程專用集成電路的快速開發(fā)

引言

在通常情況下，專用集成電路(ASIC)是大批量高性能應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計師的理想方案。但是，設(shè)計ASIC需要昂貴的設(shè)計工具，這樣開發(fā)成本很高，當(dāng)要把產(chǎn)品及時地推向市場時就會承擔(dān)很大的風(fēng)險。據(jù)初步統(tǒng)計，超過60%的ASIC設(shè)計至少要進行一次以上的重制，導(dǎo)致產(chǎn)品面市推遲、成本預(yù)算超支。

HardCopy II體系結(jié)構(gòu)建立在被稱為Hcell的精細(xì)粒度晶體管陣列上。 Hcell支持從Stratix FPGA的無縫移植，具有ASIC技術(shù)那樣的密度、成本、性能和功耗優(yōu)勢。使用HardCopy器件，利用原有的FPGA開發(fā)工具，將成功實現(xiàn)于FPGA器件上的SOPC系統(tǒng)通過特定的技術(shù)直接向ASIC轉(zhuǎn)化，從而克服傳統(tǒng)ASIC設(shè)計中普遍存在的缺點，如開發(fā)周期長、產(chǎn)品上市慢、一次性成功率低、有最少投片量要求、設(shè)計軟件工具繁多且昂貴、開發(fā)流程復(fù)雜等，是快速開發(fā)大規(guī)?？?strong>編程專用集成電路(ASIC)前景最看好的發(fā)展方向。

Hardcopy II器件和Stratix II FPGA器件引腳完全兼容。在芯片正式投產(chǎn)之前，設(shè)備制造商可以使用FPGA進行設(shè)備小規(guī)模生產(chǎn)，采用Stratix FPGA對設(shè)計進行測試，然后，設(shè)計中心將設(shè)計無縫移植為低成本、功能等價、引腳兼容的HardCopy II ASIC器件。

1 基于SOPC技術(shù)的Stratix FPGA的開發(fā)

采用Stratix FPGA實施高密度邏輯設(shè)計，無論設(shè)計是在單個器件中進行ASIC原型開發(fā)，還是面向批量生產(chǎn)，都能夠很方便地使用Stratix FPGA來實現(xiàn)，一旦需要便可以移植為HardCopy結(jié)構(gòu)化ASIC。

最新推出的Stratix V及HardCopy ASIC采用高性能28 nm工藝制造，是高端密度的領(lǐng)軍者。

Stratix FPGA的開發(fā)基于Quartus II 軟件進行系統(tǒng)硬件設(shè)計，Quartus II 軟件在高密度FPGA設(shè)計中能夠?qū)崿F(xiàn)最佳效能，以最快的速度完成設(shè)計。Quartus II 軟件是在統(tǒng)一設(shè)計環(huán)境下，一套完整的綜合、優(yōu)化和驗證工具，使用漸進式編譯功能，與傳統(tǒng)的高密度FPGA流程相比，設(shè)計迭代時間縮短了近70%，顯著提高了設(shè)計的效率。

Quartus II用來建立硬件的系統(tǒng)，主要使用SOPC Builder工具。SOPC Builder用來建立SOPC系統(tǒng)模塊，Quartus II支持多種設(shè)計方式，如原理圖、硬件描述語言等，硬件描述語言的方式支持VHDL和Verilog。SOPC Builder提供大量基于Avalon總線的IP外，它還是一個開發(fā)的IP集成環(huán)境，用戶可以很容易地將自己設(shè)計的IP集成到SOPC Builder中，實現(xiàn)設(shè)計重用。若嵌入DSP系統(tǒng)，

可使用MATLAB/DSP Builder進行DSP模塊設(shè)計，經(jīng)由MATLAB/DSP Builder設(shè)計的DSP模塊或其他功能模塊可以成為單片F(xiàn)PGA電路系統(tǒng)的一個組成部分，實現(xiàn)一定的功能。另一方面，可以通過MATLAB/DSP Builder，為嵌入式處理器設(shè)計各類加速器，并可以以指令形式加入到Nios II的指令系統(tǒng)，從而成為Nios II 系統(tǒng)的一個接口設(shè)備，與整個片內(nèi)系統(tǒng)融為一體。即利用DSP Builder和Nios II CPU，用戶可以根據(jù)項目的具體要求，隨心所欲地構(gòu)建自己的DSP處理器系統(tǒng)。

SOPC Builder提供3種Nios II 處理器軟核，即經(jīng)濟型、標(biāo)準(zhǔn)型和快速型內(nèi)核，供使用者根據(jù)設(shè)計具體情況來選擇。Nios II嵌入式處理器是一種面向用戶的、可以靈活定制的通用RISC(精簡指令集架構(gòu))嵌入式CPU。它是一款具有廣闊應(yīng)用前景的處理器，融入了許多新的設(shè)計方法和理念，其SOPC概念體現(xiàn)在以下兩個方面：

① Nios II符合工業(yè)技術(shù)的發(fā)展潮流，即硬件設(shè)計軟件化。采用Nios II能有效地降低人力和物力成本，提高產(chǎn)品競爭力;硬件設(shè)計軟件化還能方便對硬件進行仿真、驗證，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)字邏輯化設(shè)計使得驗證工作可通過仿真軟件順利地實現(xiàn)，可以掌握詳細(xì)、清楚的信息;減少了硬件設(shè)計的錯誤，使得對硬件接口不是很熟悉的人也可以進行系統(tǒng)平臺的集成。

② Stratix FPGA的軟件開發(fā)使用Altera公司的系列FPGA開發(fā)的集成軟件開發(fā)環(huán)境Nios II EDS。Nios II系統(tǒng)是嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具。所有軟件開發(fā)任務(wù)都可以在Nios II IDE下完成，包括編輯、編譯、程序調(diào)試、下載和運行。Nios II IDE具有編碼生成環(huán)境以及可選RTOS和TCP/IP庫集成。它還提供構(gòu)建管理工具，使用GNU編譯器作為其支撐技術(shù)。此外，Nios II IDE還具有片內(nèi)閃存編程器功能。

Nios II軟核及其開發(fā)平臺(Nios II IDE)幫助開發(fā)者將大部分模塊構(gòu)建好，卻又不失靈活性，對大多數(shù)外設(shè)開發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動程序。對于特殊要求的設(shè)計，Nios II開發(fā)平臺提供了以下工具：

對時間要求苛刻的軟件算法可以采用用戶定制指令或C2H編譯器進行加速;可以方便的把實時操作系統(tǒng)μC/OSII移植到Nios II處理器;支持用戶定制外設(shè)，創(chuàng)建定制的SOPC元件，需要更新時可以使用元件編輯器對整個元件進行再次編輯。

Stratix FPGA總體開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 Stratix FPGA總體開發(fā)流程

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2HardCopy系列器件及產(chǎn)品開發(fā)

HardCopy系列器件體系結(jié)構(gòu)建立在被稱為Hcell的精細(xì)粒度晶體管陣列上。Hcell支持從FPGA的無縫移植，具有ASIC技術(shù)那樣的密度、成本、性能和功耗優(yōu)勢。

HardCopy系列器件可以利用原有的FPGA開發(fā)工具，將成功實現(xiàn)于FPGA器件上的SOPC系統(tǒng)通過特定的技術(shù)直接向ASIC轉(zhuǎn)化，從而克服引言中提到的ASIC設(shè)計普遍存在的缺點。

HardCopy ASIC具有獨特的FPGA前端設(shè)計方法，實現(xiàn)了業(yè)界風(fēng)險最低、產(chǎn)品面市最快的解決方案。采用Stratix FPGA對設(shè)計進行測試，然后，Altera的HardCopy設(shè)計中心將設(shè)計無縫移植為低成本、功能等價、引腳兼容的HardCopy器件。此外，由于Altera公司在HardCopy設(shè)計中心進行所有的測試設(shè)計工作，因此，不需要插入測試或者生成測試向量。典型開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 HardCopy ASIC開發(fā)流程

最新上市的HardCopy IV ASIC具有24個收發(fā)器、2?8M~13.3M的可用ASIC邏輯門以及6.3 ~16.8 Mb的片內(nèi)存儲器，滿足了多種應(yīng)用的需求。HardCopy IV ASIC提供兩種40 nm型號產(chǎn)品：

◆ HardCopy IV GX器件主要面向需要高速收發(fā)器的應(yīng)用;

◆HardCopy IV E器件面向需要大量邏輯、存儲器以及數(shù)字信號處理(DSP)功能的應(yīng)用。

最新發(fā)布的HardCopy V采用28 nm工藝制造，性能得到進一步提高。

總之，Altera HardCopy IV ASIC為滿足定制邏輯需求提供總成本最低、風(fēng)險最低與產(chǎn)品面市最快、收益最快的解決方案。

3 結(jié)論

采用HardCopy ASIC規(guī)劃的系統(tǒng)實現(xiàn)了真正的硬件和軟件協(xié)同設(shè)計，大大縮短了系統(tǒng)面市時間，能夠盡快獲得收益。Altera的Quartus II軟件工具使用簡單，結(jié)合Altera及其合作伙伴的知識產(chǎn)權(quán)(IP)，幫助用戶同時進行FPGA和ASIC設(shè)計。只要在Quartus II軟件中選擇合適的Stratix系列FPGA和HardCopy輔助器件就可以啟動設(shè)計，非常簡單。

短期內(nèi)設(shè)計出超大規(guī)模集成電路的商業(yè)壓力在逐漸增加?；贗P復(fù)用的SOPC技術(shù)是近幾年來FPGA系統(tǒng)開發(fā)的方向。Stratix FPGA便是基于以上優(yōu)勢進行開發(fā)的，可以獨立地使用FPGA進行設(shè)備小規(guī)模生產(chǎn);在需要大規(guī)模生成時，在短時間內(nèi)，通過Altera的HardCopy設(shè)計中心將基于Startix FPGA設(shè)計無縫移植為低成本、功能等價、引腳兼容的HardCopy II結(jié)構(gòu)化ASIC，成為高性能、低功耗、總成本低、產(chǎn)品開發(fā)周期短的ASIC。這正是未來高端復(fù)雜可編程大規(guī)模ASIC產(chǎn)業(yè)最看好發(fā)展的方向。