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基于FPGA的嵌入式系统设计
摘要：可编程片上系统设计是一个崭新的、富有生机的HYPERLINK"http://embed.chinaitlab.com"\t"_blank"嵌入式系统设计技术研究方向。本文在阐述可编程逻辑器件特点及其发展趋势的基础上，探讨了智力产权复用理念、基于HYPERLINK"http://embed.chinaitlab.com"\t"_blank"嵌入式处理器内核和xilinxFPGA的SOPC软硬件设计技术，引入了基于英特网可重构逻辑概念并提出了设计实现方法，为基于FPGA的嵌入式系统设计提供了广阔的思路。
1概述
1.1FPGA的特点及其发展趋势
嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断的产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一次又一次的革新。虽然ASIC的成本很低，但设计周期长、投入费用高、风险较大，而可编程逻辑器件（ProgrammableLogicalDevice）设计灵活、功能强大，尤其是高密度现场可编程逻辑器件（FieldProgrammableGateArray）其设计性能已完全能够与ASIC媲美，而且由于FPGA的逐步普及，其性能价格比已足以与ASIC抗衡。因此，FPGA在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。
FPGA的基本结构由以下几个部分构成：可编程逻辑功能模块CLB（ConfigurableLogicBlocks）
可编程输入输出模块IOB（Input/OutputBlocks）
可编程内部互连资源PI（ProgrammableInterconnection）
随着工艺的进步和应用系统需求，一般在FPGA中还包含以下可选资源：HYPERLINK"http://www.storworld.com/"\t"_blank"存储器资源（BlockRAM和SelectRAM）
数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟）
I/O多电平标准兼容（SelectI/O）
算数运算单元（乘法器、加法器）
特殊功能模块（MAC等硬IP核）
微处理器（PPC405等硬处理器）
以FPGA为核心的PLD产品是近几年集成电路中发展得最快的产品。随着FPGA性能的高速发展和设计人员自身能力的提高，FPGA将进一步扩大可编程芯片的领地，将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。目前FPGA的发展趋势主要体现在以下几个方面：向更高密度、更大容量的千万门系统级方向迈进向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展IP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式MCU、DSP、MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将越来越模糊，未来的某些电路版上可能只有这两部分电路：模拟部分（包括电源）和一块FPGA芯片，最多还有一些大容量的HYPERLINK"http://www.storworld.com/"\t"_blank"存储器。Xilinx等公司最新一代FPGA：SpartanII/E、VirtexIIPro及其相关IPCore的推出，使我们有理由相信，可编程片上系统（SystemonProgrammableChip）的时代已经离我们不远了。
1.2可编程片上系统（SOPC）的基本特征
可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。
SOPC结合了SOC和FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征：至少包含一个嵌入式处理器内核具有小容量片内高速RAM资源丰富的IPCore资源可供选择足够的片上可编程逻辑资源处理器调试接口和FPGA编程接口可能包含部分可编程模拟电路单芯片、低功耗、微封装SOPC设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SOPC还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于SOPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接HYPERLINK"http://softtest.chinaitlab.com"\t"_blank"测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪ChipScopeILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具。
2IP资源复用理念与IPCore设