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制式电路设计的应用电子系统不易达到最佳，特别是固件特性更是具有相当大的分散性。
对于SoC来说，从SoC的核心技术可以看出，使用SoC技术设计应用电子系统的基本设计思想就是实现全系统的固件集成。用户只须根据需要选择并改进各部分模块和嵌入结构，就能实现充分优化的固件特性，而不必花时间熟悉定制电路的开发技术。固件基础的突发优点就是系统能更接近理想系统，更容易实现设计要求。 3.嵌入式系统是SoC的基本结构
在使用SoC技术设计的应用电子系统中，可以十分方便地实现嵌入式结构。各种嵌入结构的实现十分简单，只要根据系统需要选择相应的内核，再根据设计要求选择之相配合的IP模块，就可以完成整个系统硬件结构。尤其是采用智能化电路综合技术时，可以更充分地实现整个系统的固件特性，使系统更加接近理想设计要求。必须指出，SoC的这种嵌入式结构可以大大地缩短应用系统设计开发周期。 4.IP是SoC的设计基础
传统应用电子设计工程师面对的是各种定制式集成电路，而使用SoC技术的电子系统设计工程师所面对的是一个巨大的IP库，所有设计工作都是以IP模块为基础。SoC技术使应用电子系统设计工程师变成了一个面向应用的电子器件设计工程师西叉欧。由此可见，SoC是以IP模块为基础的设计技术，IP是SoC应用的基础。
1.1.5 SoC的实现
微电子制造工艺的进步为SoC的实现提供了硬件基础，微电子技术的近期发展成果又为SoC的实现提供了多种途径，而EDA软件技术的提高则为SoC的实现创造了必要的开发平台。Soc可以采用全定制的方式来实现，即把设计的网表文件提交给半导体厂家流片就可以得到，但采用这种方式的风险性高，费用大，周期长。还有一种就是以可编程片上系统SoPC(System on a Programmable Chip)的方式来实现。
对于经过验证而又需要批量生产的SoC芯片，可以做成专用集成电路ASIC大批生产。而对于一些仅为小批量生产应用或处于开发阶段的SoC，若马上投入流片生产，需要投入较多的资金，承担较大的试制风险。近几年来发展起来的SoPC技术则提供了另一种有效的解决方案，即用大规模可编程器件FPGA来实现SoC的功能。
目前，大规模可编程器件FPGA的单片集成度，已经由原来的数万门发展到数十万门甚至数百万门，芯片的I/O口也由原来的数十个发展到上千个，有的制造商还推出了含有硬核嵌入式系统的IP。因此，完全可以将一个复杂的数字系统集成到一片FPGA（即SoPC）中，从而使得所设计的电路
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系统在其规模、可靠性、体积、功耗、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现最优化，为SoC的实现提供了一种简单易行而成本低廉的手段。
1.2本文所做的工作
本论文要设计一个系统，本系统基于Altera Cyclone II 系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核，代替传统DSP芯片或高性能单片机，实现了基于FFT的音频信号分析。并在频域对信号的总功率，各频率分量功率，信号周期性以及失真度进行了计算。并在FPGA中嵌入了8阶IIR切比雪夫
（Chebyshev）II型数字低通滤波器，代替传统有源模拟滤波器实现了性能优异的音频滤波。配合12位A/D转换芯片AD1674，和前端自动增益放大电路，使在50mV到5V的测量范围下，单一频率功率及总功率测量误差均控制在1%以内。通过本系统的设计，主要对QuartusⅡ和Nios Ⅱ 软件的用法有跟好的理解和掌握。更深一层的理解和掌握A\\D转换器、低通滤波器、快速傅里叶变换（FFT）。 对音频信号和数字信号处理的方法进一步巩固
2 FPGA开发技术概述
2.1 FPGA技术特点
FPGA是英文Field Programmable GateArray（现场可编程门阵列）的缩写，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic CellArray）这样一个 新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input OutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲，FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数
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据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。
FPGA可以用VHDL或verilogHDL来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、
再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。 2.2 FPGA开发流程
FPGA的设计流程就是利用EDA开发软件和编程工具对FPGA芯片进行开发的过程。FPGA的开发流程一般如图1所示，包括电路设计、设计输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现、布线后仿真、板级仿真以及芯片编程与调试等主要步骤。
图1 FPGA开发的一般流程
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1． 电路功能设计
在系统设计之前，首先要进行的是方案论证、系统设计和FPGA芯片选择等准备工作。系统工程师根据任务要求，如系统的指标和复杂度，对工作速度和芯片本身的各种资源、成本等方面进行权衡，选择合理的设计方案和合适的器件类型。一般都采用自顶向下的设计方法，把系统分成若干个基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接使用EDA元件库为止。 2． 设计输入
设计输入是将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来，并输入给EDA工具的过程。常用的方法有硬件描述语言（HDL）和原理图输入方法等。原理图输入方式是一种最直接的描述方式，在可编程芯片发展的早期应用比较广泛，它将所需的器件从元件库中调出来，画出原理图。这种方法虽然直观并易于仿真，但效率很低，且不易维护，不利于模块构造和重用。更主要的缺点是可移植性差，当芯片升级后，所有的原理图都需要作一定的改动。目前，在实际开发中应用最广的就是HDL语言输入法，利用文本描述设计，可以分为普通HDL和行为HDL。普通HDL有ABEL、CUR等，支持逻辑方程、真值表和状态机等表达方式，主要用于简单的小型设计。而在中大型工程中，主要使用行为HDL，其主流语言是Verilog HDL和VHDL。这两种语言都是美国电气与电子工程师协会（IEEE）的标准，其共同的突出特点有：语言与芯片工艺无关，利于自顶向下设计，便于模块的划分与移植，可移植性好，具有很强的逻辑描述和仿真功能，而且输入效率很高。 3． 功能仿真
功能仿真，也称为前仿真，是在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延迟信息，仅对初步的功能进行检测。仿真前，要先利用波形编辑器和HDL等建立波形文件和测试向量（即将所关心的输入信号组合成序列），仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形，从中便可以观察各个节点信号的变化。如果发现错误，则返回设计修改逻辑设计。常用的工具有Model Tech公司的ModelSim、Sysnopsys公司的VCS和Cadence公司的NC-Verilog以及NC-VHDL等软件。虽然功能仿真不是FPGA开发过程中的必需步骤，但却是系统设计中最关键的一步。 4． 综合
所谓综合就是将较高级抽象层次的描述转化成较低层次的描述。综合优化根据目标与要求优化所生成的逻辑连接，使层次设计平面化，供FPGA布局布线软件进行实现。就目前的层次来看，综合优化（Synthesis）是指将设计输入编译成由与门、或门、非门、RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接网表，而并非真实的门级电路。真实具体的门级电路需要利用FPGA制造商的布局布线功能，根据综合后生成的标准门级结构网表来产生。为了能转换成标准的门级结构网表，HDL程序的编写必须符合特定综合器所要求的风格。由于门级结构、RTL级的HDL程序的综合是很成熟的技术，所有的综合器都可以支持到这一级别的综合。常用的综合工具有Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro软件以及各个FPGA厂家自己推出的综合开发工具。
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5． 综合后仿真
综合后仿真检查综合结果是否和原设计一致。在仿真时，把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。但这一步骤不能估计线延时，因此和布线后的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。目前的综合工具较为成熟，对于一般的设计可以省略这一步，但如果在布局布线后发现电路结构和设计意图不符，则需要回溯到综合后仿真来确认问题之所在。在功能仿真中介绍的软件工具一般都支持综合后仿真。 6． 实现与布局布线
实现是将综合生成的逻辑网表配置到具体的FPGA芯片上，布局布线是其中最重要的过程。布局将逻辑网表中的硬件原语和底层单元合理地配置到芯片内部的固有硬件结构上，并且往往需要在速度最优和面积最优之间作出选择。布线根据布局的拓扑结构，利用芯片内部的各种连线资源，合理正确地连接各个元件。目前，FPGA的结构非常复杂，特别是在有时序约束条件时，需要利用时序驱动的引擎进行布局布线。布线结束后，软件工具会自动生成报告，提供有关设计中各部分资源的使用情况。由于只有FPGA芯片生产商对芯片结构最为了解，所以布局布线必须选择芯片开发商提供的工具。 7． 时序仿真与验证
时序仿真，也称为后仿真，是指将布局布线的延时信息反标注到设计网表中来检测有无时序违规（即不满足时序约束条件或器件固有的时序规则，如建立时间、保持时间等）现象。时序仿真包含的延迟信息最全，也最精确，能较好地反映芯片的实际工作情况。由于不同芯片的内部延时不一样，不同的布局布线方案也给延时带来不同的影响。因此在布局布线后，通过对系统和各个模块进行时序仿真，分析其时序关系，估计系统性能，以及检查和消除竞争冒险是非常有必要的。在功能仿真中介绍的软件工具一般都支持综合后仿真。 8． 板级仿真与验证
板级仿真主要应用于高速电路设计中，对高速系统的信号完整性、电磁干扰等特征进行分析，一般都以第三方工具进行仿真和验证。 9． 芯片编程与调试
设计的最后一步就是芯片编程与调试。芯片编程是指产生使用的数据文件（位数据流文件，Bitstream Generation），然后将编程数据下载到FPGA芯片中。其中，芯片编程需要满足一定的条件，如编程电压、编程时序和编程算法等方面。逻辑分析仪（Logic Analyzer，LA）是FPGA设计的主要调试工具，但需要引出大量的测试管脚，且LA价格昂贵。目前，主流的FPGA芯片生产商都提供了内嵌的在线逻辑分析仪（如Xilinx ISE中的ChipScope、Altera QuartusII中的SignalTapII以及SignalProb）来解决上述矛盾，它们只需要占用芯片少量的逻辑资源，具有很高的实用价值。
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