毕业设计基于SOPC的娱乐系统Word文档格式.docx

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NiosII；

SOPC；

集成电路IP

Abstract

ThisprojectdesignedaFPGA-basedmultimediaentertainmentplatform.ItusedthedevelopmentboardofAlteraCorporation,takenfulladvantageoftherichresourcesofFPGAlogicdevicesandtheflexibledesignfeaturesofNiosIIsoftcore’sreconfigurability,combinedwithcustomusercommands,customperipheralsandsoftwaredesignarchitecture,theobject-orientedsoftwaredesigninganddevelopingtechnologywasused.fourfunctionshavebeenrealized,includingSDcardmusicplayback,karaokeOK,picturebrowsingandelectronicclock,thesystemhashighlevelsofintegrationandgoodstability.

Keywords：

Multimediaentertainmentplatform;

FPGA;

NiosII;

SOPC;

IntellectualProperty

第1章绪论

目前，电子产品的生命周期越来越短，许多消费类电子产品的生命周期只有一年左右，所以必须缩短产品的开发周期。

逻辑器件是数字电子领域中三种基本的器件之一，它提供了器件间的接口、数据通信、信号处理、数据显示、时序和控制操作以及系统运行等各种特定功能，可分为两大类：

固定逻辑器件和可编程逻辑器件，而可编程逻辑器件与固定逻辑器件相比，可大大缩短开发周期。

随着集成电路制造工艺的进步，可编程逻辑器件的设计水平不断提高，其成本已经降低到可以在消费类电子产品中大量使用的程度。

从当前技术发展的趋势来看，可编程逻辑器件以其强大的优势将逐渐替代大部分的固定逻辑器件。

软核处理器的出现以及可编程逻辑器件片上存储容量的增大，使得可编程逻辑器件可以覆盖数字电子领域中的所有应用。

Altera公司推出的片上可编程系统（SystemOnaProgrammableChip,SOPC）以及目前使用最为广泛的软核处理器—NoisII软核处理器进一步证实了这一观点。

本次设计所用到的开发板是Altera公司针对大学教学及研究机构推出的FPGA多媒体开发平台。

该开发板为用户提供了丰富的外设及多媒体特性，并具有灵活而可靠的的外围接口设计，它能够帮助使用者迅速理解和掌握实时多媒体工业产品设计的技巧，并提供系统设计的验证，可靠性很高。

1.1FPGA概述

现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA），它是在PAL、GAL、CPLD等可编程逻辑器件的基础上发展起来的，是一种高性能的可编程逻辑器件。

作为专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC）中的一种半定制电路，不仅解决了定制电路功能相对固定的不足，而且也克服了原有可编程器件门电路数目有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列这样一个概念，内部包括可编程逻辑单元、I/O单元、布线互联资源、嵌入式RAM块、底层嵌入式功能单元和内嵌专用硬核等6个基本组成部分。

FPGA是基于查找表的结构原理。

随着FPGA性能的不断提高，FPGA将在可编程逻辑器件中占更大的比重，目前FPGA的发展趋势主要体现在：

向高密度、大容量的门电路设计迈进；

向低成本、低电压、微功耗、微封装工艺方向发展；

知识产权核（IntellectualProperty，IP）复用将成为主要的设计方式；

MCU、DSP等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心。

随着处理器以IP核的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将更加模糊，片上可编程系统将成为FPGA最为主要的发展方向。

1.2SOPC技术概述

SOPC是在一个可编程芯片上实现一个电子系统的技术。

SOPC是可编程逻辑器件技术和SOC（SystemOnChip，片上系统）技术发展与融合的产物。

为了让SOC技术得以推广，美国Altera公司于21世纪初推出SOPC的新技术和新概念。

SOPC是基于可编程逻辑器件PLD（FPGA或CPLD）可重构的SOC。

SOPC集成了硬核或软核CPU、DSP、锁相环（PLL）、存储器、I/O接口及可编程逻辑功能，可以灵活高效地解决SOC方案，而且设计周期短，设计成本低。

一般只需要一台配有SOPC开发软件的PC机和一台SOPC试验开发系统（或开发板），就可以进行SOPC的设计与开发。

SOPC技术主要应用以下三个方向：

1）基于FPGA嵌入IP硬核的应用。

2）基于FPGA嵌入IP软核的应用。

3）基于HardCopy技术的应用。

本设计是SOPC的第二种应用。

这种SOPC系统应用是指在FPGA中植入软核处理器，如：

NIOSII核等。

用户可以根据设计的要求，利用相应的EDA工具，对NIOSII及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。

目前，SOPC已成为倍受众多中小企业、研究所和高等院校青睐的设计技术。

1.3IP核

基于SOPC的设计在很大程度上依赖于利用集成电路IP（IntellectualProperty，知识产权的简称），是那些己验证的、可重利用的、具有某种确定功能的IC（集成电路）模块，分为软IP（softIPcore）、固IP（firmIPcore）和硬IP（hardIPcore）。

IP模块具有相对独立并可以重复利用的电路模块或子系统，例如CPU、运算器、存储器、放大器等都可以是IP模块，还具有知识含量高、占用芯片面积小、运行速度快、功耗低、工艺容差性大等特点，可重复用于SOC、SOPC或复杂ASIC设计中。

并且丰富的IP内核模块库为快速地设计专用集成电路和单片系统以及尽快占领市场提供了基本保证。

1.4SOPCBuilder

SOPCBuilder是Altera公司实现SOPC概念的一款工具软件，为建立SOPC设计提供了标准化的图形环境，包含在QuartusII软件中,在该软件中，每一个SOPCBuilder的系统对应一个QuartusII的工程，用Tools/SOPCBuilder菜单启动。

SOPCBuilder可以帮助设计者以与传统SOC设计方法相比在非常短的时间内来完成由处理器、存储器和外设等组件组成的SOPC系统，能够自动完成系统的集成工作。

SOPCBuilder库中可供用户直接使用的组件主要有：

（1）NiosII处理器；

（2）微控制器外设；

（3）定时器；

（4）通用异步接收器等串行通信接口；

（5）通用输入输出接口；

（6）存储器接口；

（7）总线和总线桥；

（8）数字信号处理（DSP）内核。

可以使用SOPCBuilder构建由CPU、存储器接口和I/O等组成的嵌入式微处理器系统，也可生成不包括CPU的数据流系统。

SOPCBuilder可以建立具有多个主机和从机的系统拓扑结构。

其提供的可用于下载的组件库包括NiosII处理器、UART、定时器、PIO、Avalon三态桥、多个简单存储器接口和OS/TROS内核。

SOPCBuilder生成的系统包含一个系统说明文件（.ptf），该文件中保存了所有在SOPCBuilder中输入的设置、选项和参数。

此外，每个组建具有相应的.ptf文件，在系统生成期间，SOPCBuilder使用这些文件为系统生成源代码、软件组件和仿真文件。

SOPCBuilder软件自动生成所有必要的总线逻辑，用以将处理器、外设、存储器、仲裁器、IP功能以及系统外逻辑和存储器接口由Avalon交换架构连接在一起，并建立将组件捆绑在一起的HDL源代码，该软件用于在QuartusII软件中设置系统编译所需的所有文件。

1.5NiosII

NiosII是Altera公司2004年6月推出的第二代软核（Soft-Core）处理器，也是SOPC技术的核心。

相对于Nios，NiosII性能更高，占用FPGA的资源更少，而与之配套的开发环境更先进，有更多的资源可供用户使用。

NiosII处理器系列包括三种内核：

快速型（NiosII/f）、标准型（NiosII/s）和经济型（NiosII/e），每一型号都针对价格和性能范围进行了优化。

NiosII处理器的最大特点使其可配置性能，即用户可以根据自己的标准定制处理器，按照需要选择合适的外设、存储器和接口还可以轻松集成自己专有的功能，使设计具有独特的竞争优势。

NiosII软核处理器系统的开发任务主要包括两个方面：

定制NiosII处理器系统和软件开发。

定制NiosII处理器系统的工作由Altera提供的系统设计工具SOPCBuilder完成；

QuartusII软件通过SOPCBuilder工具定制NiosII处理器系统，在设计中对NiosII处理器系统进行例化，并自动生成该处理器系统的部分底层驱动程序。

NiosII集成开发环境（IDE）是NiosII系统嵌入式处理器的主要开发工具，在NiosIIIDE中可以完成所有NiosII的软件开发任务。

第2章设计概述

2.1项目设计应用前景

消费电子是嵌入式系统重要的应用领域。

随着电子信息技术的发展，人们生活质量不断提高，娱乐电子正逐渐走进百姓生活，电子娱乐产品的市场前景十分广阔。

本设计就是基于SOPC设计的一款功能全面的消费类电子产品—多媒体娱乐平台。

多媒体技术作为当今信息技术领域发展最快的、最活跃的技术之一，其发展的方向也是极其的多样化，所以在人们日常生活中，几乎随处可见其身影。

本设计是在开发板上构建的一个功能全面的多媒体娱乐平台，集SD卡音乐播放、卡拉OK、图片浏览和电子钟等功能于一身。

2.2Altera公司FPGA器件的优势

（1）利用Altera器件设计SOPC系统，可以降低系统的成本，使用和配置更加方便，打破了传统的MCU+DSP芯片的数字信号处理系统的设计方法，将微处理器、DSP模块整合到一片FPGA中去，使得整个系统更加稳定。

（2）Altera公司向开发者提供了丰富的软件开发资源。

SOPCBuilder使我们可以方便的定制NiosII处理器、外设、存储器和I/O口等，用于构建SOPC系统。

MatlabSimulink和DSPBuilder可以帮助我们更加有效地进行数字信号处理部分的开发。

（3）Altera公司的开发板上提供了产品设计所需要的许多硬件资源，如高性能FPGA、SDRAM、Flash、SD读卡器、VG