（交通信息工程及控制专业论文）图像配准核心算法的硬件实现研究.pdf

y5 8 6 3 5 3 北京交通大学硕士学位论文 摘要 图像配准是图像处理的基本问题，是对同场景多图像分析的基础，是近 年来迅速发展的图像处理技术之一，其中基于变换域的图像配准方法是最基 本的傅立叶变换方法，研究其硬件实现具有重要的价值和现实意义。 大规模可编程逻辑器件是近年来为适应专用集成电路的设计需求而迅速 发展起来的一种新型可编程 a s i c器件，它的应用和发展以及超高速集成电 路硬件描述语言( v h d l ) 的出现， 使得电子设计的规模和集成度不断提高， 同 时也带来了电子系统设计方法和设计思想的推陈出新。 本文主要目的就是针对中国卫星跟踪系统中的图像模糊想象，研究如何 使用 f p g a实现图像配准系统中的核心算法二维 f f t ，并在此基础上， 设计一个基于f p g a的图像配准系统。 本设计回顾了快速傅立叶变换的各种算法，比较了算法的复杂性，对它 们是否适合硬件实现进行了讨论分析，对 f f 丁实现的硬件结构和误差问题进 行了研究。在 f f t算法设计过程中，采用基 4 和基 2 的混合算法，使用递归 结构和块浮点运算方式，解决了蝶形运算、数据传输和数据存储的协调一致 问题;并将双端口r a m，只读 r o m，控制单元，运算单元，地址生成单元 等全部内置在f p g a内部;整个设计过程采用自 顶向下的设计方法，遵循模 块化、规则化和局部化的原则，使用同步设计的思想，使整个系统的数据传 输和处理速度得到很大提高， 有效合理地解决了资源和速度相互制约的问题。 本文采用v h d l语言和图形输入混合的方法，利用a l t e r a 公司的芯片资 源和q u a r t u s 1 1 系列e d a开发软件，使用一片e p 1 k 1 0 0 2 0 8 芯片实现了 二维 f f t 算法，并进行了仿真验证。 本文搭建了一个验证系统，对 f p g a算法模块进行测试和数据分析，并 在此基础上， 设计了一个基于f p g a和d s p的图像配准系统， d s p作控制芯 片，f p g a主要进行高速、大规模的数字信号处理算法。通过对硬件快速算 法进行调试和验证，这种设计不但可以满足系统的实时性要求，也合理的解 决了资源、速度及价格之间的关系。 关键词: 图像配准图像处理 现场可编程门阵列 快速傅立叶变换 超高 速集成电 路硬件描述语言( v h d l ) 专用集成电 路( a s i c ) o 未经作者、 导9 +g l u i 忽 如奋幸芬布 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t i m a g e r e g i s t r a t i o n i s a f u n d a m e n t a l t as k i n im a g e p r o c e s s i n g . i t i s t h e b as i c s t e p f o r m u l t i - i m a g e a n a l y s i s o f t h e s a m e s c e n e a n d d e v e l o p s r a p i d l y i n r e c e n t y e a r s . t h e m e t h o d o f i m a g e r e g i s t r a t i o n b as e d o n t h e t r a n s f o r m e d s p a c e i s t h e f u n d a m e n t a l f o u r i e r t r a n s f o r m m e t h o d . t h e r e s e a r c h o n t h e i m p l e m e n t a t i o n o f h a r d w a r e o f t h e m e t h o d i s i m p o r t a n t a n d n e c e s s a ry. wit h t h e d e v e lo p m e n t o f a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t a n d t h e a p p e a r a n c e o f v e ry h i g h s p e e d i n t e g r a t e d c ir c u i t h a r d w a r e d e s c r i p t i o n , g r e a t p r o g r e s s h a s b e e n m a d e i n p r o g r a m m a b l e l a r g e s c a l e l o g i c d e v i c e s . t h e s c a l e a n d i n t e g r a t i o n o f e l e c t r o n i c s y s t e m a r e b e i n g e n l a r g e d c o n t i n u o u s ly . h e n c e t h e m e t h o d a n d i d e a o f e l e c t r o n i c s y s t e m d e s i g n i n g a r e i m p r o v e d fr o m t i m e t o t i m e . t h e t h e s i s i s d e v o t e d t o t h e r e s e a r c h p r o j e c t o f i m a g e r e g i s t r a t i o n t o o v e r c o m e t h e f a i n t n e s s o f i m a g e i n t h i s s a t e l l it e t r a c k i m a g e s y s t e m. i n w h i c h t h e m o s t d i ff i c u l t a l g o r it h m m o d u l e i s 2 - d f f t . t h e p u r p o s e o f t h i s p a p e r i s s t u d y i n g t h e h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n m e t h o d o f 2 - d f f t u s i n g f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ( f p g a ) a n d d e s i g n i n g a s y s t e m o f i m a g e r e g i s t r a t i o n b as e d o n f p g a . t h e m a i n k i n d s o f f f t a l g o r i t h m s a r e r e v i e w e d a n d w h e t h e r t h e y a r e s u i ta b l e f o r t h e i m p l e m e n t a t i o n o f f f t a r e s t u d i e d . t h e s t r u c t u r e a n d t h e e r r o r o f t h e h a r d w a re i m p l e m e n t a t i o n a r e a n a l y z e d . i n t h e c o u r s e o f t h e r e a l i z a t i o n , t h e a l g o r i t h m o f r a d i x 4 a n d 2 i s a d o p t e d , a s w e l l as t h e r e c u r s i v e s t r u c t u r e a n d g r o u p fl o a t p o i n t a r i t h m e t i c o p e r a t i o n s a r e a d o p t e d , w h i c h c a n m a k e b u tt e r fl y c o m p u t i n g , d a t a t r a n s f o r m a t i o n a n d m e m o ry c o i n c i d e , a n d a v o i d t h e b o tt l e n e c k . d u a l r a m r o m, c o n t r o l u n i t , c o m p u t e r u n i t , a d d r e s s g e n e r a t o r u n i t a r e b u i l t i n s i d e t h e f p g a . t h e s e m e t h o d s a c c e l e r a t e t h e o p e r a t i n g a n d r e as o n a b l y r e s o l e t h e m u t u a l l y r e s t r i c t i o n o f re s o u r c e s a n d s p e e d . e n t ry t o o l s i n c l u d i n g v h d l a n d s c h e m a t i c a r e u s e d i n t h e d e s i g n , t h e w h o l e d e s i g n o f 2 - d f f t i s i m p l e m e n t e d i n e p i k 1 0 0 2 0 8 d e v i c e r e li e d o n q u a r t u s i i s e r i e s s o f t w a r e o f e d a . f u r t h e r m o r e , i t i s s i m u l a t e d a n d v e r i f i e d . t h e p l a t f o r m o f t h e s y s t e m s i m u l a t i o n i s d e s i g n e d , o n w h i c h t h e h a r d w a r e r e c o g n i t i o n s y s t e m w as s i m u l a t e d a n d v a l i d a t e d , a n d o n t h e b ase o f t h i s , t h e s y s t e m o f i m a g e r e g i s t r a t i o n b a s e d o n f p g a a n d d s p i s d e s i g n e d , i n c l u d i n g t h e a c q u i s i t i o n , t r a n s m i s s i o n a n d p r o c e s s i n g s y s t e m o f i m a g e s i g n a l . t h e mo d u l e o f 北京交通大学硕士学位论文 f p g a i s c o n t r o l l e d b y d s p . a n d t h e a l g o r i t h m o f d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g w i t h h i g h s p e e d a n d l a r g e s c a l e i s m a i n l y im p l e m e n t e d . t h i s d e s i g n n o t o n l y c a n m e e t t h e r e q u ir e m e n t o f r e a l - t im e , b u t a l s o c a n r e s o l e t h e m u t u a l l y r e s t r i c t i o n o f r e s o u r c e s , s p e e d a n d p r i c e . k e y w o r d s : i m a g e r e g i s t r a t i o n , i m a g e p r o c e s s i n g , f p g a , f f t , v h d l , a s i c . 北京交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 人类获取外界信息可以有视觉、听觉、触觉、味觉等多种方法，但绝大 部分是来自 于视觉所接受的图像信息，视觉是人类重要的感知手段，而图像 是视觉的基础。 “ 图”是物体透射光或反射光的分布， “ 像”是人的视觉系统 对图的接收在大脑中形成的印象或认识。图像处理就是对图像信息进行加工 处理，以满足人的视觉、心理和实际应用的要求。 图像处理是信号与信息处理学科的一个部分 ” ， 也是诸多计算机应用领域 中一个最为活跃的领域。 它的发展己有4 0 余年的历史，在此期间，随着计算 机、集成电路等技术的飞速发展，图像处理无论在算法上、系统结构上，还 是在应用上以及普及的程度上都取得了长足的进展。时值今日，图像处理已 经发展成为一门应用广泛、内容丰富的综合性学科。图像处理的系统也经历 了图像大系统、图 像小系统和超级图像系统三个阶段。 图像处理技术和计算机技术密不可分，伴随着计算机技术的发展，数字 图像的分析和处理就得到了飞速发展，它的主要目的是让计算机按照人类的 视觉和理性要求对图象进行处理和加工。 数字图像处理， 就是利用数字计算机或其它高速、 大规模集成数字硬件， 对从图像信息转换来的数字信号进行某些数字运算或处理，以期提高图像的 质量或达到人们所要求的某些预期的结果。 数字图像处理技术历史虽然不长，但已迅速地发展成为一门独立的有强 大生命力的学科，开辟了全新的和十分广阔的道路，使得有可能根据人们的 需要对图像进行各种各样的加工或从图像中提取各种不同的信息。数字图像 处理成为心理学、生理学、计算机科学等诸多方面的学者研究视觉感知的有 效工具，在军事、遥感技术、医用图像处理、工业领域、气象等领域扮演着 越来越重要的角色，被不同程度的应用于几乎所有与成像有关的领域。 1 . 1选题背景 1 . 1 . 1图像配准的内容 图像配准是图像处理的一个基本问题，图像配准技术是近年来迅速发展 北京交通大学硕士学位论文 的图像处理技术之一2 1 配准就是将一幅图像进行线性或非线性变换，使之与参考图像在几何关 系上达到匹配， 匹配的标准一般是使两幅图像的 相似性达到最大【3 ) 。 相似性判 据有多种，有的直接基于原始灰度图像，有的基于从原始灰度图像提取的特 征图像，还有的基于外加在成像对象上的标志物。对于相同模态的图像，由 于图像特征基本相似，即相同灰度值代表的意义相同，这样直接基于原始灰 度图像确定相似性判据即可达到很好的配准效果;而对于不同模态的图像， 相同的组织结构各自 有不同的表达模式，图像特征大不相同，这给配准带来 很大的难度。 主要的解决办法就是提取不同模态图像之间的相似特征， 如边、 角等，并以这些特征为依据，寻找配准参数，使它们的相似度最大。 从广义上来说，图像配准是对不同图像相似性的确认，它是图像处理中 的一个基本问题， 有着广泛的应用背景。它源 自于多个领域的很多实际问题， 如不同传感器获得的信息融合;不同时间、条件获得图像的差异监测:成像 系统和物体场景变化情况下获得的图像的三维信息获取;图像中的模式识别 等。简单来说图像配准就是将同一场景的不同图像 “ 对齐”或进行广义的匹 配。对同一场景使用相同或不同的传感器，在不同条件下获取的两个或多个 图像一般说会有不同。同一场景的多幅图像的差别可以表现在:不同的分辨 率、不同的灰度属性、不同的位置、不同的比例尺、不同的非线性变形等。 多种成像模式产生的图像会表现出不同的分辨率、不同的灰度属性等差异， 它们通常被称为多模态图像口为了对场景进行深入分析，需要把两个或多个 多模态图像数据融合起来。实现这些图像的配准，则是最基本的一步。 图像配准的应用领域概括起来主要有以下几个方面:计算机视觉和模式 识别， 服务于目 标识别、形状重建、 运动监测和特征识别等;医学图像分析， 比如肿瘤检测、病变定位，大脑或血管造影、血细胞显微图像分类等;遥感 数据分析，农业、地理、海洋、石油、地矿勘探、污染、城市森林等:目 标 定位、测量、识别和分析等。 1 . 1 . 2图像配准的发展 图像配准方法在近年来已 经有了 很大的发展【们 ， 在飞行器导航、 目 标跟踪、 资源分析、文字识别等领域中具有极其重要的作用，产生了多种图象配准方 法。 在早期的研究中，一般使用图像中具有明显特征的点，如选择道路的交 叉点作为图像间配准控制点，这种选取基于手工算法，需要专业人员操作， 北京交通大学硕士学位论文 精度也收到限制，更谈不上速度了。目 前的研究工作主要致力于图像的自动 配准，即不考虑如何在灰度失真的情况下提取特征，首先对不同源的图像进 行灰度差分析和校正，使校正后的图像具有尽可能接近的灰度直方图分布， 进而解决这一问题，在一定程度上取得了较好的效果，但是如何选择合适的 线性系统模型及其参数的辨识方法却是一个难题。另一些研究者在试图寻求 一些对灰度不敏感的特征，如强边缘特征、分形特征、小波特征等。这些方 面的研究也取得了一定的进展。 目 前在图像配准的 应用上可以分为粗略的分为四 类1 : 多模态配准、 模板 配准、观察点配准和时间序列配准。 多模态配准:是同一场景上由不同传感方式的获得的图像的配准。常应 用在多传感图像的信息融合。通常需要建立传感模型和变换模型，由于灰度 属性或对比度可能有很大的差异，有时需要灰度的预配准:利用物体形状和 一些基准标志可以 简化问题，经常应用在医学图像领域和遥感图像领域等。 模板配准:在图像中为参考模板样式寻找最佳匹配，基于模式，预先选 定特征，己知物体属性，高等级特征匹配，常应用在在图像中识别和定位模 板样式，遥感数据处理，定位和识别定义好的或已知特征的场景。如: 地图、 物体、目 标物、飞机场、高速路、车站、停车场，模式识别，字符识别等。 观察点配准:对从不同观察点获得的图像进行配准，常应用视觉几何和 表面属性等的假设条件;典型的方案是特征相关，必须考虑阻挡问题。应用 例子有计算机视觉，目 标物运动跟踪，序列图像分析等。 时间序列配准: 对同一场景上不同时间或不同条件下获得的图像的配准。 需要容忍图像中部分内容的差异和形变对配准造成的影响，有时需要建立传 感噪声和视点变换的模型。常用在检测和监视变化或增长，应用例子有医学 图像处理、肿瘤检测，白内障检测、遥感数据处理，自 然资源监控等。 对于图像配准技术的分类和比较评判很困难，每一个配准技术通常是针 对某一个具体的应用而设计的，而对于那些特定的应用问题来说，并没有哪 一个技术是必须的和唯一的。它们唯一的共性就是每一个配准问题最终都是 要在变换空间中寻找一种特定的最优的变换，使得其中一幅图像变换后与另 一副达到某种意义上的匹配。 1 . 2选题依据 对于各种各样的配准定位方法，按其利用图像信息的不同，一般可划分 为两类，一类是直接基于图像灰度信息的配准定位方法:另一类是基于图像 北京交通大学硕士学位论文 特征空间信息的配准定位方法幻 。 基于特征的配准方法以图像中对光照、几何变换不敏感的像素点的特性 为依据，进行匹配。其特性包括:唯一性、几何特性，空间位置和其他特征 点的相对位置等。特征包括点特征、线特征和结构特征。这种配准算法虽然 特征数少，但其配准精度受特征提取的准确度影响，遗漏、噪声、遮蔽等因 素都会影响特征提取的完整性。 而基于局域灰度的图象配准以大块图像区域中像素灰度的特性为依据， 进行匹配。这些特性如:灰度相关性、灰度组合，频域分析等。这种方法中 由于和像素灰度值有密切关系，易受光照条件影响，且通常只能处理平移变 换，但是其算法简单，易于实现，可并行处理，可以用硬件算法提高运算速 度+7 这种配准方法通常应用在飞行器导航、目 标跟踪、航空航天等系统，不 但要求实时性强、运算速度要高，而且图像匹配的运算量非常大，如对较小 的3 6 x 3 6 的实时图和 1 5 0 x 1 5 0 的基准图，采用最大互相关算法进行全搜索 图像匹配，它的运算量高达1 7 1 4 万次乘法和1 7 1 4 万次加法以上。 表 1 - 1采用互相关变换公式图像匹配运算周期数和时间 项 目公式公式卷积项 所占比 例 实时图参考图总运算周期 数 卷积项周期 数 约 需 时 间 ( ms ) 3 6x3 61 2 8 x 1 2 85 1 4 4 3 8 1 051 3 5 4 91 03 0 8 19 9 . 8 3 % 6 4x 6 41 2 8 x 1 2 88 9 3 6 2 9 9 28 9 3 0 8 4 4 65 3 6 29 9 . 8 3 % 3 6 x 3 6 1 5 0 x 1 5 07 7 4 2 3 2 5 27 7 2 9 1 4 5 84 6 4 59 9 . 8 3 % 6 4x6 41 5 0 x 1 5 01 6 0 0 7 8 8 0 01 5 9 9 9 4 0 5 09 6 0 59 9 . 9 5 % 由表 1 - 1 可见整个图像匹配过程具有很大的运算量，并且运算量主要为 大量重复进行的乘法和加法运算， 使一般的单c p u计算机结构难以甚至无法 满足要求，特别是在航空航天等高恶劣环境的嵌入式应用中，更是无法满足 高可靠性要求，因而必须采用高速灵活的计算机结构，才可能满足上述的要 求。由于这些运算具有高度并行性、简单性和重复性的特点，使它非常适合 于采用流水并行技术的f p g a设计。同时，图像配准理论和计算机并行结构 理论以 及现场可编程门阵列的飞速发展也为图像匹配的专用硬件实现方法提 供了理论和物质基础，使图像匹配的高速实时性得到进一步提高。 这种图像配准方法的意义很大，因为不同图像的信息具有互补性，它们 融合后的图像有效地应用于目 标识别和跟踪等。其目 标是找到能够适合计算 9 北京交通大学硕士学位论文 机处理的实时( 或准实时 ) 自 动图 像配准技术。 对这种算法的要求是: 适用于硬 件实现和并行处理，能 够适应图像间的比 较大的 平移、 旋转、和比 例缩放变 换等。 1 . 3课题的来源 在中国小行星上天可靠性分析中、在对太阳的天文观测及以卫星平台为 基础的空间对地观测中，高信噪比、高分辨率图像的获取，始终是以卫星平 台为基础的空间对地观测的追求目 标。但由于卫星运动引起的像移、大气扰 动和卫星姿态不稳定引起的望远镜主光轴的抖动，会造成图像模糊，降低望 远镜的空间分辨率，使图像可见度大大降低。而当望远镜观测目 标的曝光时 间长于图像抖动尺度时，影响就会更大。为了得到高信噪比、高分辨率的图 像，就需要有一个快速可靠的系统对图像进行配准处理，求出相关图像的位 移量，从而驱动摆镜使摄像机镜头锁定参考源，实现目 标的实时跟踪。 虽然目前有很多软件系统能够实现图像配准处理系统，而且十分灵活， 但速度都不够快，不能满足实时图像处理的要求;d s p方法简单灵活，速度 也比较高，单芯片就可实现高速实时处理系统，但对应用于尖端科技的这些 高速d s p 芯片， 西方发达国家对我国 采取禁售策略， 这使我国的某些科技领 域受到很大的制约，因此在我国必须另辟途径以避免禁售策略的制约。面向 算法的专用逻辑器件方法，采用大量的并行功能单元，速度高、可以满足嵌 入式应用中的高速实时计算要求，而且结构简单、软件编程简单、硬件实现 容易、体积小、 成本低， 特别适应我国国情。因此开发研究以专用可编程逻 辑器件组成的高速图像匹配计算机硬件实现结构具有重要的意义。 本文提出了 用现场可编程逻辑器件( f p g a ) 来实 现图像配准系统中的核g 算法来解决实时性的问题，进行研究，并设计一种快速实时的硬件处理系统 来进行验证，并在此基础上，设计基于f p g a 的图像配准系统。 1 . 4本论文的主要内容和工作安排 本文研究课题来自 中国 科学院国家天文台 卫星跟踪中的图像处理系统。 该系统针对卫星在抓拍图像过程中，因图像抖动和大气浮动引起的图像模糊 现象， 进行图像配准处理， 确定图像偏移的位置，作为控制相机摆动的依据， 从而很好的实现图像跟踪。 本文所做的工作是在对图像配准原理进行分析的基础上，针对其实时性 北京交通大学硕士学位论文 的要求，综合速率和资源、性价比等指标，对其中的核心算法二维f f t进行 分析，硬件设计和仿真综合， 最终用f p g a实现。在此基础上，设计了 验证 系统， 进行硬件电路调试， 并设计了一个基于f p g a和 d s p的图像配准系统。 论文的结构和安排如下。 第一章 绪论。介绍了论文的技术背景和选题意义，阐述课题的选题依 据，说明论文所作的工作和基本的篇幅安排。 第二章 介绍了可编程逻辑器件， 说明本论文选择使用 f p g a实现方案的 必要性和先进性。并对f p g a的构造、原理、设计方法进行分析。 第三章 算法分析。 对图像配准及其相关运算算法进行分析， 对其中的核 心算法f f t重点分析， 回顾比较了各种 f f t算法， 选择最适合硬件实现的算 法，在分析其实现结构的基础上，进行误差分析。 第四章 算法的硬件实现。 介绍硬件系统的设计结构和模块划分， 各个子 模块之间的关系和接口 情况:重要模块的实现方法和结构设计，给出仿真流 程和结果，资源利用情况。 第五章 系统的设计。 搭建硬件算法模块的测试系统，介绍调试过程和 结果分析，并在此基础上，设计一个基于f p g a和d s p的图像配准系统。 北京交 通大学硕士学位论文 第二章 可编程逻辑器件 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。信息高速 公路、多媒体电 脑、移动电 话系统、数字电视等都要用到数字集成电路 ih j 与此同时，数字集成电路本身也不断在更新换代。它由早期的电子管、晶体 管、小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路发展到超大规模集 成电路以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发 展，已经要求设计者、制造者设计开发自己的专用集成电路芯片，并且希望 设计的周期短，最好能在实验室里就设计出合适的 a s i c芯片，并且立即投 入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件 ( f p l d) ，其中应用最广 泛的当属现场可编程门阵列 ( f p g a) 和复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) . z . 1专用集成电路 ( a s i c ) 2 0 世纪后半期，随着集成电路和计算机技术的发展，数字系统也得到了 飞速发展，现代电子产品日益增加，一个电子系统可能由数万个中小规模集 成电路构成，体积大、功耗大、可靠性差。 2 0 世纪 8 0 年代后期至 9 0 年代后期出 现的a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e d c ir c u i t s ， 专用集成电 路) 有效解决了 这一问 题， 为了 提高系统的可 靠性与通用性， 微处理器和专用集成电路 ( a s i c ) 逐渐取代了通用l s i 电路， 而在这二者中， a s i c以其体积小、重量轻、 功耗低、 速度快、保密性好而脱 颖而出。 a s i c按设计方法，包括全定制和半定制、可编程逻辑器件法 if 等。 设计全定制 a s i c时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工 艺规则， 最后将设计结果交由i c厂家制造完成。 这样芯片可以获得最优的性 能，即面积利用率高、速度快、功耗低。但是设计周期一般较长，而且芯片 费用昂贵，如果设计失败，往往造成很大的时间和资金的浪费。 半定制 a s i c的设计方法是按预制的门阵列去做的，只有芯片上的接触 孔、互连线、通孔是按照电路的功能专门设计制造的。用户根据自己 定义的 功能，按照一定的模式去连接。用户的电子工程师能选择阵列中的与非门、 触发器、缓冲器、 r a m单元、互连导线等器件资源来构成自己的逻辑设计。 半定制设计有门阵列设计法和标准单元设计法，它们的区别是使用各自的库 北京交通大学硕士学位论文 单元。门阵列设计的最大门数、1 1 0口数、布线通道的间距确定， 而标准单元 的单元数和 i / o口数取决于设计要求，通道间距可变。它们的设计流程图分 别见图2 - 1 和图2 - 2 。门阵列半定制设计的特点是:开发周期短、多品种小批 量生产成本较低，集成度高、功耗低;标准单元设计的特点是:芯片面积利 用率高，布通率高，可保持延迟的均匀性，投资大、成本高。这两种方法都 是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来 缩短开发时间。 而可编程逻辑设计的 a s i c则将设计从半导体工艺师手中，转移到电路 设计师手中。 利用可编程a s i c ，电子系统设计师可在办公室或实验室中设计 出所需要的专用 i c ，实现系统的集成，从而大大缩短了产品的开发、上市时 间，降低了产品的开发成本和设计风险。 可编程 a s i c种类繁多，早期的现场可编程阵列，低密度、2 0引脚的可 编程阵列逻辑/ 通用阵列逻辑。2 0 世纪 8 0 年代中期出现了复杂可编程逻辑器 件，这类器件通常被称为可编程专用i c 。而前面介绍的a s i c称掩膜a s i c o 可编程a s i c与掩膜a s i c相比，不同在于前者具有用户可编程特性。 以f p g a和c p l d为代表的 大规模可编程逻辑器件自 八十年代中 期问 世 以来取得了迅猛发展，并有逐渐把中、小规模集成电路驱逐出数字系统设计 历史舞台之势。 2 . 2复杂可编程逻辑器件 ( c p l d) 近年来为适应专用 i c设计需求而迅速发展起来的大规模可编程逻辑器 件，主要包括复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 和现场可编程门阵列 ( f p g a ) 两大类，它们的设计流程见图2 - 3 0 它们构成了可编程专用集成电路的两大主要分支器件。具有以下好处: 1 ，缩短研制周期。可编程a s i c相对于用户而言，可以按一定的规格型 号像通用器件一样在市场上买到，其功能实现独立于 i c工厂，采用先进的 e d a工具， 可编程a s i c的设计与编程均十分方便， 用户在实验室或办公室 就可设计完成，而不像掩膜 a s i c需要较长的样片设计时间，缩短了产品研 制周期，有利于产品的快速上市。 2 ，降低设计成本。制作掩膜a s i c的前期投资费用较高，动辄数万元， 只有生产批量很大的情况下才有价值。这种设计方法还需承担很大的风险， 因为一旦设计中有错误或设计不完善，则全套掩膜便不能再用。采用可编程 a s i c为降低投资风险提供了合理的选择途径， 它不需要掩膜制作费用。 如果 北京交通大学硕士学位论文 育 - -iiiiiiiftitibtt5iiii7fgtt5?vlriiii ia9ih7iiififthilii id jt 3 ft- -一 一 l i=1fi -la a gcpkpg书一 _ _ _ 建立库单元 设计输入修改 逻辑模拟、时序分析 预布局 逻辑模拟、时序分析 可测性分析与测试生成 生产加工 图2 - 2用标准单兀设计a s i c 的流程 图2 - i 用门阵列设计a s i c 的流程 1 4 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 3 c p l d / f p g a 设计的流程 要转入大批量生产，由于已 用可编程 a s i c进行了原型验证，也比直接设计 掩膜a s i c费用小、风险低。 3 .提高设计灵活性。可编程 a s i c是一种由用户编程实现芯片功能的器 件，与由工厂 “ 编程”的掩膜 a s i c相比，具有更好的设计灵活性。可编程 a s i c在设计完成后可立即对编程进行验证， 可及早发现设计中的问题， 改进 设计;可编程 a s i c中大多数器件均可反复多次编程，为设计修改和产品升 级带来了方便; 基于s r a m开关的现场可编程门阵列f p g a具有动态重构特 性， 硬件的功能可象软件一样通过编程来进行修改， 使得电子系统具有更好的 灵活性和适应性。 复杂可编程逻辑器 c p l d，规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范 围。 c p l d主要是由 可编程逻辑宏单元围绕中心的可编程互联矩阵单元组成。 宏单元逻辑结构较复杂，并具有复杂的 i / o单元互连结构，可由用户根据需 北京交通大学硕士学位论文 要生成特定的电路结构，完成一定的功能，c p l d 内部采用固定长度的金属 连线进行各逻辑块的互连，设计的逻辑电 路具有时间可预测性，避免了分段 式互连结构时序不完全预测的 缺点叫 。 c p l d可分为三块结构:宏单元，可编程连线和i / 0控制块。宏单元是 p l d的基本结构，由 它来实现基本的逻辑功能。可编程连线负责信号传递， 连接所有的宏单元。 1 / 0控制块负责输入输出的电气特性控制，比如可以设定 集电极开路输出，三态输出等。 c p l d的集成度一般可达数千甚至数万门 ， 能够实现较大规模的电 路集 成。 近年来， c p l d 的发展更为迅速， 复杂可编程逻辑器件已经成为可编程 a s i c的主流产品， 在整个 a s i c市场占 有了较大的份额。 较常用的有 a l t e r a 和 l a tt i c e 公司的c p l d , x i l i n x公司的e - p l d / c p l d. 2 . 3现场可编程门阵列 ( f p g a ) f p g a是现场可编程门阵列。由于门阵列中每个节点的基本器件是门， 用门来组成触发器而构成电路和系统， 其互连比p l d的与、 或加触发器的结 构复杂，所以在构造f p g a时改用了单元结构。即在阵列的各个节点上放的 不再是一个单独的门， 而是用门、 触发器等做成的逻辑单元， 或称逻辑元胞 并在各个单元之间预先制作了许多连线。 f p g a通常包含三类可编程资源; 可编程逻辑功能块， 可编程i / o块和可 编程互连: iq 。可编程逻辑功能块是实现用户的基本单元， 它们通常排列成一 个阵列，散布于整个芯片;可编程 1 / 0块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接 口，常围绕着阵列于芯片四周，可编程内部互联包括各种长度的线段和编程 互联开关，它们将各个可编程逻辑块或 i / 0块连接起来，构成特定功能的电 路。不同厂家生产的 f p g a在可编程逻辑块的规模，内部互连线的结构和采 用的可编程元件上存在较大的差异。 较常用的是x i l i n x 和a l t e r a 公司的f p g a 器件。 f p g a一般采用l u t 查找表结构， l u t 本质上就是一个r a m。 目前f p g a 中多使用 4 输入的l u t ，所以每一个l u t可以看成一个有4 位地址线的 1 6 x1 的r a m。 当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电路以后， f p g a 开发软件会自 动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入r a m, 这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地 址对应的内容，然后输出即可。 北京交通大学硕士学位论文 近年来， 现场可编程门阵列 ( f p g a )以它的逻辑密度高、 通用性强和随 机可编程等特性而得到广泛应用，将其用于系统设计的研究阶段，缩短了大 规模集成电路的开发时间，降低了成本， 并且可以反复修改原设计。 f p g a 既 适用于短研制周期、小批量产品开发，也适用于大批量产品的样品研制，且 项目开发所需费用低，具有诱人的前景。 f p g a与p a l . g a l器件相比， 它的 优点是可以实时地对外加或内 置的 r a m或e p r o m编程， 实时地改变器件功能， 实现现场可编程或在线重配置。 是科学试验、样机研制、小批量产品生产的最佳选择器件。 f p g a 与c p l d 相比， 它们的逻辑单元的大小不同， f p g a 中的c l b 是逻辑 块， 其逻辑单元是小单元，每块芯片中有几十到几千个这样的单元。而c p l d 中的逻辑块单元则比较大，通常有数十个输入端和十几个输出端，每个芯片 只分成几块，有些集成密度较低的干脆不分块。 f p g a 和c p l d 的互连结构不同， c p l d 使用的是集总总线， 其总线上的任 意一对输入端和输出端之间的延时相等， 且可以预测o f p g a 互连的方式很多， 有分段总线、 长线和专用互连等方式， 通过配置将不同位置的单元连接起来， 一对单元之间的互连路径有多种，其传输延迟也不同，延时不可预测。 f p g a 和c p l d 应用的范围不同， f p g a 的逻辑块粒度小，输入、输出变 量少，正与数据密集型系统的少变量、 逻辑简单相吻合。同时， f p g a 的互联 是分布式的，数据处理能力强，可以将相关数据紧密地排列在一起，使互联 的路线缩短， 有利于系统的互联速度提高;另外，f p g a中逻辑弱，而寄存器 多， 与数据密集型系统所需要的数据处理能力强相适应， 因此f p g a 适合数据 密集型系统。 控制密集型系统要求多路输入、输出，而且实现的逻辑功能复 杂， 而c p l d 是大逻辑单元结构， 在一个大块c l b 中实现复杂的逻辑关系要优 越于由f p g a 中的许多c l b 级联组成的关系，同时，c p l d 的集中布线结构能 使各逻辑块互联的延迟时间相等， 从而提高整个逻辑系统的互联速度; c p l d 的逻辑强，寄存器少，这些结构的特点决定了c p l d 适合控制密集型的系统。 此外，f p g a规模较大，最高达百万门，适合大的系统级开发，资源利 用率比较高，具有在线调试功能，方便使用和调试。c p l d的规模较小，最 大数万门， 资源利用率比较低; f p g a编程类型为r a m型， 须与存储器连用， c p l d 的编程方式为r o m型; f p g a 的信息可随时重构， c p l d 则为固定方式。 鉴于上述特点， 本论文选择f p g a 芯片来实现大规模数字信号处理的高速 算法。 北京交通大学硕士学位论文 2 . 4 v h d l语言 v h d l语言即是超高 速集成电 路硬件描述语言52 1 ，它非常适用于可编程 逻辑器件的应用设计， 并正在得以 普及。 在5 0 0 到1 0 x 1 0 门的大容量c p l d 和 f p g a的应用设计中，工程师若采用以往的布尔方程或门级描述方式，难 以快速和有效地完成设计。而v h d l却能够提供高级语言结构使工程师很方 便的描述大型电路， 促进产品的快速上市。 它支持设计单元库的创建。 v h d l 是一种i e e e 1 0 7 6 规定的标准语言， 在综合和模拟之间， v h d l代码具有可移 植能力，可用不同的器件来实现。采用 v h d l ，实现一个设计从可编程器件 向a s i c的转换也是便利的。 对于小规模的p l d ，传统的设计技术，诸如卡诺图，常用来生成在p l d 中实现设计功能的设计方程，使用具有一定语法规则的简单语言来形成组合 和寄存形式方程，设计者首先以数据文件的格式着手设计方程，然后由软件 来进行方程的组合，最后形成一个用于p l d器件编程的数据文件。 对于采用c p l d , f p g a或者a s i c的大型系统， 上述的传统设计方法是 行不通的，传统设计的生成逻辑方程的方式既费时、又易出错，且在方程式 中查找也很困难。 图形输入方式有很多优点，例如:可以提供设计的图形观察，具有支持 图形阶层结构的软件工具，使设计构成模块化形式。但对于大规模复杂的设 计， 纯图形输入却有如下弊端15 21 : 原图的保持比 较困难， 在设计实现过程中， 经常需要对设计进行修改，同时， 在实现过程中，设计构图的形式也会改变; 图的方式经常需要附一个文本来描述其设计构思和功能;图形输入的设计环 境是专用的，这使得设计者在某个图形输入环境中工作的某个项目 设计的图 或子图， 无法在另一个图形输入环境中进行另一个项目设计时重新调用; p l d 图形输入工具支持的模拟环境下不一定适合系统设计环境，设计验证往往是 困难的。 使用v h d l语言可以快速的描述和综合5 千门、1 万门、2 万门及其更 大门数的电路，另外v h d l 语言语法比 较严谨，有较强的描述能力和严谨的 规范设计。与其他语言相比主要有以下几个优点: 1 . 支持门级到系统级的多层次、多结构的混合描述，适应面宽， 通用性 强，使得系统的原始描述能够方便地反映设计者的意图; 2 . 支持自 底而上的设计，也支持自 顶而下的设计，既支持模块化设计， 也支持层次化设计，并且描述与实现功能无关; 3 . v h d l为强类型语句， 支持多种数据类型， 用户可以自 定义数据类型; l 吕 北京交通大学硕士学位论文 4 . v h d l语言标准、规范，便于组织和管理设计，设计成果易于