CN107526707A - 可编程片上系统 - Google Patents

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杨尚罡
杨平
李国�
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Abstract

可编程片上系统，涉及集成电路技术，本发明包括FPGA和SOC部分，FPGA的slave端口、master端口、int端口和config端口与SOC部分中的高速并行系统总线矩阵直接连接，FPGA的IO端口连接IO复用模块。本发明充分发挥CPU子系统和FPGA各自的技术优势。内置的FPGA等效逻辑规模大，工作频率高。CPU核主要负责顺序执行的逻辑操作和事务管理；FPGA负责大规模的复杂、并行运算。CPU和FPGA的任务都可以通过编程实现，大大扩展芯片的适用范围。

Description

可编程片上系统
技术领域
本发明涉及集成电路技术。
背景技术
SoPC(System-on-a-Programmable-Chip，可编程片上系统)在国内外的技术路线主要有两种：一是FPGA嵌入CPU硬核，二是FPGA嵌入CPU软核。
FPGA嵌入CPU硬核的技术方式以XILINX为代表。最初XILINX以V5FX系列为代表，在FPGA中嵌入了PowerPC硬核。随着技术的进步，XILINX开发了Zynq-7000All ProgrammableSoC系列的SoPC芯片，它采用了SoC+FPGA的新架构。这种架构的SoPC中SoC与FPGA完全独立，内部通过高效的各种总线互联。它采用高性能的嵌入式处理器，并且在不占用FPGA逻辑资源的前提下，集成专用硬件通用外设。采用这种架构，可以释放大量的FPGA资源供用户使用；强大的CPU可以完成更为复杂的控制与运算；硬件的通用外设可以使SoPC芯片更方便、迅速地与系统中的其他芯片或设备进行通讯。
FPGA嵌入CPU软核的技术方式以Altera为代表。它主要是通过在FPGA器件中直接嵌入CPU软核的方式来实现，这类SoPC器件依然以FPGA为主，内嵌一些较为简单的专用CPU软核。这些CPU功能单一，性能较低，仅能承担一些简单的控制任务，无法完成复杂的功能，限制了整个SoPC芯片的性能发挥。
通过两种技术路线的对比发现，FPGA嵌入CPU硬核的技术路线无论在功能上，还是性能上都具有绝对的优势。然而，现有技术中，FPGA嵌入CPU硬核的缺点是FPGA和CPU之间互联结构单一，数据通路少，数据总线带宽小，效率和灵活性都不够。FPGA子系统和SoC子系统之间无法均作为master相互访问对方。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种SoPC中FPGA与SoC的总线互联技术，具有较高的系统架构灵活性和效率。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，可编程片上系统，其特征在于，包括FPGA和SOC部分，FPGA的slave端口、master端口与SOC部分中的高速并行系统总线矩阵直接连接，FPGA的数据端口连接IO复用模块。
IO复用模块用于FPGA与SoC子系统之间的IO复用的对外输入/输出，其int端口用于FPGA子系统向SoC子系统发送中断请求，config端口用于SoC子系统对FPGA子系统的上电bit数据配置。
本发明采用FPGA和CPU子系统相互独立，但通过多种总线接口互联的架构，从而充分发挥CPU子系统和FPGA各自的技术优势。内置的FPGA等效逻辑规模大，工作频率高。CPU核主要负责顺序执行的逻辑操作和事务管理；FPGA负责大规模的复杂、并行运算。CPU和FPGA的任务都可以通过编程实现，大大扩展芯片的适用范围。
附图说明
图1为现有技术中上一代SoPC结构示意图。
图2现有技术中新一代SoPC结构示意图。
图3本发明的结构示意图。
具体实施方式
参见图3。
本发明的可编程片上系统包括FPGA和SOC部分，FPGA的slave端口、master端口、int端口和config端口与SOC部分中的高速并行系统总线矩阵直接连接，FPGA的数据端口连接IO复用模块。数据端口可以由用户根据实际需求选择其IO功能，例如UART的TXD和RXD与FPGA的IO复用同一个IO PAD，当用户选择其UART功能时，通过软件配置IO复用模块的功能选择寄存器来选择本IO PAD的UART功能属性。
依据本发明，FPGA作为SoC系统的master访问内存和其他外设的总线(AHB/AXI)。通过此总线的互联，将让FPGA变得非常灵活，它在总线互联矩阵中将享有与CPU同等的地位，可以访问SoC系统中任意的外设和内存。用户可以在FPGA中任意重构各种主控设备，比如DMA，CPU等等。
同时，FPGA作为SoC系统的slave被SoC系统中的master访问，使FPGA在总线互联矩阵中将享有与SoC系统中其他slave的同等地位，可以被SoC系统中的各种master访问。用户可以在FPGA中任意重构各种slave设备，比如SPI、UART、Timer、GPIO等等。
FPGA中用户重构电路的中断信号端口(int)直接接入高速并行系统总线互联矩阵，通过将中断信号送给SoC中的CPU，方便全芯片的软件管理。
FPGA中各种IO与SoC子系统的IO复用，节省全芯片的管脚数量。
本发明的FPGA的上电bit流配置接口(config)直接接入高速并行系统总线互联矩阵。SoPC芯片上电后，首先让SoC子系统Boot成功，然后CPU将存放在NandFlash(或者SDcard)的FPGA的bit流配置数据按照协议写进FPGA中，实现FPGA的上电自动配置，从而省去专门的FPGA配套存储器。
通过以上五类总线和接口将FPGA完美的集成到SoC子系统中，从而实现当前世界先进的SoPC。FPGA与SoC完全融为一体，可以通过总线相互访问，极大地提高了系统架构的灵活性和效率。

Claims (1)

1.可编程片上系统，其特征在于，包括FPGA和SOC部分，FPGA的slave端口、master端口、int端口和config端口与SOC部分中的高速并行系统总线矩阵直接连接，FPGA的IO端口连接IO复用模块。
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