基于SOPC技术的综合电子系统应用

文/李光学 孙宇伟 何雨昂 耿海龙

随着技术的发展，为适应电子系统任务处理能力的不断提升，提出了综合电子系统的设计方法。综合电子系统是将电子设备以及实现功能高度集成实现资源共享以及综合利用，实现自主管理的控制系统。其以高速总线，标准接口为特征，将各功能模块以标准结构形式通过标准接口综合到一台设备中，不仅可以大幅减少电子系统软硬件规模，降低成本，提升系统可靠性、维修性，还可提高设备的系列化、模块化、通用化水平。

随着FGPA的发展，其功耗的降低和逻辑资源大规模增长为实现高度复杂可编程片上系统（SOPC）开发开辟了道路，SOPC是以FPGA为载体进行芯片设计的片上系统，其结合了SOC和FPGA的优点，拥有强大的并行计算能力，高速通信总线，丰富的IP核资源，基于标准接口的IP复用，形成了一个基于单片芯片的综合电子系统，将SOPC技术用于综合电子系统开发刚好发挥了两者的优势，将两者结合进一步提升了设计的系列化、模块化、通用化水平，提高效率，降低成本，具有良好的发展前景。本文系统架构、通用部件、设计流程方面阐述SOPC在综合电子系统的应用。

1 基于SOPC的综合电子系统架构

综合电子系统设计一般按照模块化与开放式架构体系执行，首先将系统的各项功能进行分析和抽象综合，形成具有标准通用接口的功能模块，包括硬件与软件模块，作为综合电子系统的基本单元，在综合电子系统标准总线体系架构下，将各硬件模块通过标准总线进行互联，形成具有多种功能集成的综合电子系统设备，在外部总线和结构连接的基础上形成一个完整的综合电子系统，具体如图1所示，其中标准通用硬件模块能够涵盖不同系统大部分的功能需求，对于特殊的功能需求，通过设计专用的扩展模块实现。扩展模块可与标准通用硬件模块一样，遵循统一的硬件模块设计框架，通过设备内总线实现与标准通用硬件模块的通信。标准通用处理器模块一般包含SOPC单元，存储器，电源管理，模拟采集部件，驱动部件等。

2 标准通用SOPC部件架构设计

图1：基于SOPC的综合电子系统

图2：标准通用型SOPC架构

图3：SOPC设计流程

SOPC是一个包含软件与硬件的综合系统，至少包含一个嵌入式处理器内核，IP核资源，可编程逻辑资源，片内高速RAM资源，片上调试接口与编程接口。单芯片构成，采用微型封装，其具有集成度高、设计成本低，设计周期短、灵活性大的优点。传统的电子系统硬件平台通常采取处理器+FPGA的办法来构建，为适应电子系统任务功能的不断提升，在性能、接口、实时性、集成度等方面的要求越来越高，传统处理器+FPGA的架构的设计已不能满足，其数据传输率受到总线带宽及接口的限制很难得到提高，硬件平台不能进行灵活更改与升级，极大的限制了其应用范围，基于SOPC技术实现的控制系统可以在很大程度上克服这些弊端。集成在一片FPGA器件上的处理器核、总线控制器、外围接口、丰富的IP核等功能模块可以自由的加以扩充、裁减修改，提高了系统设计的灵活性。各个组成部分之间由芯片内部总线相连，片内数据的交换速率大幅度提高，进而缩短整个控制系统的处理时间，提升了系统的整体性能，减少了设计中使用芯片的数量，增加了设计的集成度，降低了硬件成本，提高了系统的稳定性。如图2所示，一个标准的通用性SOPC平台一般包括嵌入式软核IP，具体有片上RAM资源，计算处理单元，调试单元等；基于标准总线的外设IP，具体有定时器，看门狗，通用接口，通信总线等；用户自己根据功能需求定义的硬件逻辑（HDL）单元。

3 基于SOPC综合电子设计流程

SOPC设计流程可以分为需求分析、方案设计、仿真验证、制造生产、测试验证等阶段，具体如图3所示。

需求分析是指系统的各项功能进行分析和抽象综合，形成具有标准通用接口的功能模块，包括硬件与软件模块，分析满足功能需要的逻辑资源，RAM资源，存储资源，电源功耗等。

方案设计是根据需求分析的结果，进行整个系统架构的设计，包括软件架构与硬件架构。分析完成SOPC的功能和性能指标需求，完成整个控制电气系统基于SOPC的系统设计与分析。

仿真验证是依据系统需求，完成整个系统的建模，与设计完成的SOPC，实现整个系统仿真验证。

生产制造完成后，依据设计文件，生产文件，测试文件，调试文件，完成功能测试、环境适应性测试。

4 总结

完成基于SOPC的平台开发与生产，采用单片FPGA替代传统处理器加FPGA方案，解决了传统复杂系统下处理器与FPGA之间互连互通的时序匹配问题，GBIT的高速数据传输问题，验证了整个SOPC开发流程。该平台集成度，软硬件可配置、可复用，可方便实现系统二次开发，提高系统性能，缩短研制周期，提升功能密度，应用灵活。