【正文】 CPLD芯片數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)往往有限，對產(chǎn)品開發(fā)階段的技術(shù)設(shè)計人員要求較高。在研究的基礎(chǔ)上提出了基于Nios II（SOPC）的軟硬件協(xié)同設(shè)計、軟硬件協(xié)同劃分的方法和基于Nios II的軟硬件協(xié)同的開發(fā)流程。在不久的將來，隨著軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)研究的深入，支持FPGA設(shè)計實(shí)現(xiàn)的功能強(qiáng)大的軟硬件協(xié)同設(shè)計平臺將會出現(xiàn)，并加速推進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)進(jìn)程。研究研發(fā)功能強(qiáng)大的軟硬件協(xié)同設(shè)計平臺，是這一技術(shù)逐漸走向成熟的標(biāo)志，而基于FPGA實(shí)現(xiàn)的Sopc技術(shù)，比基于ASIC實(shí)現(xiàn)的SoC技術(shù)提供了一種更靈活而成本低廉的系統(tǒng)級芯片設(shè)計方式。早期的軟硬件協(xié)同設(shè)計工具僅僅支持協(xié)同驗(yàn)證，大多數(shù)工具都只有在體系結(jié)構(gòu)層設(shè)計基本完成后才能仿真硬件和軟件模塊的相互作用。有關(guān)協(xié)同仿真的研究項(xiàng)目中，Berkeley大學(xué)的Ptolemy是最有影響的。主要EDA廠家（Candence， ALTERA）目前已經(jīng)推出部分支持軟硬件協(xié)同設(shè)計的工具，并將軟硬件協(xié)同設(shè)計作為下一代的系統(tǒng)級EDA工具的關(guān)鍵技術(shù)。MP3音頻可以按照不同的位速進(jìn)行壓縮，提供了在數(shù)據(jù)大小和聲音質(zhì)量之間進(jìn)行權(quán)衡的一個范圍。正是因?yàn)镸P3體積小，音質(zhì)高的特點(diǎn)使得MP3格式幾乎成為網(wǎng)上音樂的代名詞。它是在1991年由位于德國埃爾朗根的研究組織FraunhoferGesellschaft的一組工程師發(fā)明和標(biāo)準(zhǔn)化的。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點(diǎn)點(diǎn)的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設(shè)計直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)。一般而言，嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分成四個部分：處理器、存儲器、輸入輸出（I/O）和軟件（由于多數(shù)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)都是緊密結(jié)合的，在這里我們對其不加區(qū)分，這也是嵌入式系統(tǒng)和Windows系統(tǒng)的最大區(qū)別）。例如Palm之所以在PDA領(lǐng)域占有70％以上的市場，就是因?yàn)槠淞⒆阌趥€人電子消費(fèi)品，著重發(fā)展圖形界面和多任務(wù)管理；而風(fēng)河的Vxworks之所以在火星車上得以應(yīng)用，則是因?yàn)槠涓邔?shí)時性和高可靠性。 在這個定義上，可從以下幾方面來理解嵌入式系統(tǒng)： 　　1. 嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到我們生活中的每個角落，工業(yè)、服務(wù)業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域……，而恰恰由于這種范圍的擴(kuò)大，使得“嵌入式系統(tǒng)”更加難于明確定義。軟硬件協(xié)同設(shè)計強(qiáng)調(diào)在整個設(shè)計過程中，以最優(yōu)化設(shè)計為目標(biāo)，可以調(diào)整軟/硬件之間的界限。第二種方法是在超大規(guī)模的集成處理器核上使用軟件的方法實(shí)現(xiàn)設(shè)計功能。 軟硬件協(xié)同設(shè)計SOPC的設(shè)計過程是一項(xiàng)非常復(fù)雜且極具挑戰(zhàn)性的工作，沒有一套有效的設(shè)計方法很難保證芯片的正確、高效。硬IP所有的驗(yàn)證和仿真工作都已完成，用它可以直接產(chǎn)生硅片，系統(tǒng)設(shè)計者不能再對它進(jìn)行修改。在這二十多年的發(fā)展過程中，F(xiàn)PGA的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件開發(fā)工具都在不斷的完善，日趨成熟?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是一種半導(dǎo)體器件，可以在制造完成后進(jìn)行編程。數(shù)字集成電路本身在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代。由于核心器件及一些知識產(chǎn)權(quán)的成本居高不下，一些電子產(chǎn)品的售價讓消費(fèi)者望而生畏。 Hardware/software Codesign不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 II 目錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 可編程片上系統(tǒng) 1 軟硬件協(xié)同設(shè)計 2 嵌入式系統(tǒng) 2 MPEG Layer 3 3 國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 4 論文研究內(nèi)容 5第2章 SOPC技術(shù)及軟硬件協(xié)同方案 6 FPGA器件基本原理 6 Sopc設(shè)計技術(shù) 6 軟硬件協(xié)同技術(shù) 9 本章小結(jié) 10第3章 MP3播放器硬件系統(tǒng)設(shè)計方案 11 MP3原理 11 MP3播放器的系統(tǒng)需求 11 MP3播放器的軟硬件劃分及組成模塊介紹 12 MP3解碼硬件電路方案設(shè)計及實(shí)現(xiàn) 12 I2C總線協(xié)議及應(yīng)用 14 SD卡簡介及FAT16文件系統(tǒng)構(gòu)成介紹 16 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 21 基于Nios II的軟硬件協(xié)同設(shè)計策略 21 本章小結(jié) 23第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實(shí)現(xiàn) 24 系統(tǒng)整體程序流程圖 24 各功能模塊設(shè)計方案 24 讀取SD卡方案 24 LCD16027液晶模塊顯示 25 播放MP3音樂方案 26 通過I2C總線與STA013通訊 28 本章小結(jié) 28第5章 系統(tǒng)設(shè)計的實(shí)現(xiàn)及調(diào)試 29 SOPC Builder下定制系統(tǒng)模塊 29 DE2資源 29 系統(tǒng)的定制及生成 30 硬件系統(tǒng)編譯 31 FPGA的配置 37 Nios II下的程序開發(fā) 37 本章小結(jié) 40結(jié)論 41致謝 42參考文獻(xiàn) 43附錄A 44附錄B 49附錄C 53附錄D 54千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。s DE2 development platform using the SD card on the board as store equipment to achieve functions like MP3 playing,txt file reading and LCD displaying.Hardware design is pleted in Sopc Builder, Through adding the processor、memory and other IP cores of the peripherals to their own customized SOPC control system , generating a Nios II softcore systems of customized pletely. Combined with Quartus II EDA tools, we can precisely meet the demand of the customized system after download the core into the FPGA design of the software part was pleted in the Nios II IDE environment, and functions like reading the TXT and MP3 files stored in the SD card,LCD displaying,MP3 music playing and buttons controlling can be achieved. All of this can be programmed by C.This thesis Emphasize on the following key techniques in hardware/software codesign, it is the integration of specification, synthesis and simulation of hardware and software with unified design tools. By using hardware/software codesign, the design cycle can be shortened and design efficiency can be improved. On the other hand, designers can choose hardware or software implication method for system functions according the characteristic of function and the design constraints, in order to achieve high performance, low cost design.Through applying the SOPC design concept into the process of designing digital products, period of the development process can be shortened. Needs of the upgrading technology can be met at the same time. It39。軟硬件協(xié)同設(shè)計協(xié)調(diào)軟硬件開發(fā)過程并行開展，一方面可以縮短設(shè)計周期，極大地提高設(shè)計效率；另一方面可以根據(jù)系統(tǒng)各個部分的特點(diǎn)和設(shè)計約束，選擇軟件或者硬件實(shí)現(xiàn)方式，得到高性能，低成本的優(yōu)化設(shè)計方案。硬件設(shè)計主要利用SOPC Builder，將處理器、存儲器和其它所需的外設(shè)IP核添加進(jìn)去，生成一個完整的自己定制的Nios II軟核系統(tǒng)。xx大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文基于Nios II系統(tǒng)的MP3播放器的設(shè)計摘要近年來，數(shù)碼產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度很快，從當(dāng)初的分立元件到現(xiàn)在的集成芯片，產(chǎn)品體積越來越小，而所展現(xiàn)出來的功能則日益強(qiáng)大。本文提出一種基于Nios II處理器的MP3播放器的具體實(shí)現(xiàn)過程，系統(tǒng)基于Altera公司的DE2 開發(fā)平臺進(jìn)行設(shè)計，并利用板上的SD卡作為存儲設(shè)備，在Nios II處理器上實(shí)現(xiàn)MP3的播放、TXT文件的讀取以及LCD液晶顯示等功能。整體設(shè)計對SOPC系統(tǒng)軟硬件協(xié)同的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了初步研究。關(guān)鍵詞　SOPC（片上可編程系統(tǒng)）；Nios II；MP3；軟硬件協(xié)同設(shè)計；Nios II System Based on the Design of MP3 PlayersAbstractIn recent years, digital electronic products renew very fast. From the original discrete ponents to the current integrated chips, these products showing us with much powerful functions while decreasing their sizes. They provides us a great help for daily life.Sopc(System on a programmable Chip)is a flexible and efficient SOC solution proposed by Altera Corporation. It put modules that are necessary like processor,memory,input/output interface,LVDS and CDR together into a PLD device. As a result, the system can be cut、expand、upgraded at our will, hardware and software are programmable insystem at the same time.This paper presents a Nios II processorbased MP3 Players, the system is based on Altera39。 MP3 。各式各樣的數(shù)碼產(chǎn)品，它們不僅體積小巧，而且功能強(qiáng)大，這些產(chǎn)品在我們的生活中扮演著重要的角色，因?yàn)樗鼈冐S富并改善著我們的生活。 可編程片上系統(tǒng)當(dāng)今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會。系統(tǒng)設(shè)計師們更愿意自己設(shè)計專用集成電路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的設(shè)計周期盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPLD），其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）。FPGA是一類高集成度的可編程邏輯器件，起源于美國的Xilinx公司，該公司于1985年推出了世界上第一塊FPGA芯片。根據(jù)IP核描述的所在集成電路的設(shè)計層次，或者說根據(jù)核優(yōu)化的程度，IP可分為硬IP、軟IP和固核IP。SOPC（System On a Programmable Chip）是Altera公司于2000年提出的一種靈活高效的SOC解決方案，SOPC利用可編程邏輯技術(shù)把整個電子系統(tǒng)集成在一個單片上，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。第一種方法稱為基于核的設(shè)計（Corebased design），它將系統(tǒng)的功能劃分為不同的核，采用IP （Intellectual Property）核以完成特定的設(shè)計功能。在系統(tǒng)設(shè)計的初期考慮軟硬件劃分，根據(jù)特定的標(biāo)準(zhǔn)，將一部分系統(tǒng)功能采用IP核實(shí)現(xiàn)，而另一些功能采用軟件實(shí)現(xiàn)。 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。不過上述定義并不能充分體現(xiàn)出嵌入式系統(tǒng)的精髓，目前國內(nèi)一個普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。所以，介入嵌入式系統(tǒng)行業(yè)，必須有一個正確的定位。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。而且SOC具有極高的綜合性，在一個硅片內(nèi)部運(yùn)用VHDL等硬件描述語言，實(shí)現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng)。是當(dāng)今較流行的一種數(shù)字音頻編碼和有損壓縮格式，它設(shè)計用來大幅度地降低音頻數(shù)據(jù)量，而對于大多數(shù)用戶來說重放的音質(zhì)與最初的不壓縮音頻相比沒有明顯的下降。而且還非常好的保持了原來的音質(zhì)。MP3是一個數(shù)據(jù)壓縮格式。 國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目前軟硬件協(xié)同設(shè)計領(lǐng)域的研究十分活躍，Berkeley， Princet