写在前面

工欲善其事，必先利其器。

在电子技术飞速发展的今天，熟练使用相关工具软件是学习SoC的必经之路。但是，由于SoC是一个完整的系统，既包含处理器核、总线、外设等硬件，也包含处理器需要执行的指令，所以对于“软件编程”和“硬件编程”的概念必须要区分清楚。关于“软件编程”和“硬件编程”的概念在很多基础课程（如C语言、数字设计等课程）中已有介绍，但在学习SoC时，由于“软件编程”和“硬件编程”的概念“混”在一起，并且一开始不熟悉工具软件，可能会感觉难以上手。

本文介绍在使用Arm DesignStart计划开放的处理器核搭建SoC并通过FPGA实现的过程中所用工具软件（不介绍如何操作），理清“软件编程”和“硬件编程”的概念，熟悉SoC设计的流程。

软硬件关系

在搭建SoC的过程中需要使用的工具软件有Modelsim，Vivado，Keil，实现流程如下图。

我们通过Arm DesignStart获取的是一个Verilog语言描述的软核，我们通过添加一些IP实现一个完整的描述SoC的工程。这些IP可以是用IP工具生成的，也可以是我们通过硬件描述语言（Verilog/VHDL）描述的。

Vivado负责将硬件描述语言（Verilog/VHDL）所描述的SoC编译、综合、实现，将FPGA内部本身无序的各种逻辑资源（如查找表、触发器、RAM等）配置成为有序的电路，实现SoC功能。而Keil负责将编写的软件编程语言（C/Assembler）编译成为机器码十六进制文件。将机器码作为RAM的初始化内容，即可进行仿真，在Modelsim软件中观察SoC工作时各个信号的波形。若将机器码通过工具下载到由FPGA实现的SoC中，那么就可以让SoC执行编写的程序，通过FPGA开发板观察执行结果。

从流程中也可以理解“软件编程”和“硬件编程”的区别，“软件编程”编的其实是一条条的指令，描述的是硬件的“动作”，而“硬件编程”编的是一个个的门电路和它们的连接关系，描述的是是硬件的结构。

以下对这三个工具做详细的介绍。

Modelsim

Modelsim主要用于硬件描述语言（Verilog，VHDL等）的仿真，并且支持VHDL和Verilog混合仿真。仿真分为前仿（RTL级仿真）和后仿（综合后门级仿真），这里使用Modelsim仿真属于前仿，也就是功能仿真，主要目的是通过看输出波形图，验证硬件逻辑是否正确。

Modelsim既可以独立使用，也可以和Intel Quartus Prime，Xilinx Vivado软件协同使用。

在官网上可以下载免费版本。

Vivado

Vivado是一个用于FPGA实现的综合工具，由FPGA厂商Xilinx提供，如果使用Intel（Altera）公司的FPGA，需要使用Quartus Prime软件。

从前述内容中知道，Vivado负责将硬件描述语言（Verilog/VHDL）所描述的SoC编译、综合、实现，将FPGA内部本身无序的各种逻辑资源（如查找表、触发器、RAM等）配置成为有序的电路，实现SoC功能。

Vivado的软件界面如下图。最上方为工具栏，左侧为设计流程各个的步骤，中间是文件管理和代码编辑的区域，下方为调试信息和输出的一些报告，使用时需注意阅读，以免被一些只报warning但很“神奇”的错误坑了。

Keil

Keil MDK是用于一系列基于Arm Cortex-M的微控制器设备的一个完整的软件开发环境。界面如下图所示，与Xilinx Vivado软件类似，主界面也是由工具栏、工程目录、代码编辑、调试信息组成。Keil软件的主要作用是将C语言/汇编语言写的程序编译成机器码，在进入调试模式时，通过调试器下载机器码到RAM中，CPU启动后，开始一条条地从存储器中取指执行。

调试界面可以看到的信息更多，包括执行过程中的寄存器状态信息、反汇编代码，还可以通过右下角的窗口看到运行过程中系统内部一些信号的值，如下图。调试过程中可以设断点，也可以单步运行。

最后祝大家学习愉快！