（信号与信息处理专业论文）可重构技术在创新平台构架设计中的应用.pdf

摘要 摘要 蘧蕾群赣割耨静不薪发震，鬃藏翅薪滋经越来越藏受搴圭会 l 蓼滋窝 科技发展的推动力量。科学研究和教育培训中，集成创新也越来鹣被 广大盼稀骄与教学工传者所提僵。本文尝试将铷新必要条佟融瞬究觚 创新理论和设计方法的层阿发展簧4 对创新乎台层顾的研究和应用。针 对当前、韭群流行的可重拘技术和s o p c 技术，对创新研发平台形成的 必爱条 牛 乍了深入研究。基于可缡程逻辑器件的s o p c 设计平台，由 于其软硬件可编程的优势，成为了创新研发平台的必然选择。然而， 剖囊乎螽还应氇旗其它诲多内容，论文中都会毒援讨论。 本论文将实际经历的料研项目事敞现场处理平台和基于镏能 卡技术的生游特征谖嗣系统翡设诗过程与翻薪磷发平螽豹形成条俘 做了对应的比较，试图形成一套利用平台进行集成创新的有效策略。 论文中对翎新平台的讨论，成功姥应用弱革新公司s o p c 刨新素 质演练平台的产鼹规划中。随着产品的成功面世，验证了对创新警台 探索的正确性和可行性。 【关键字】：创新研发平螽，可熏构技术，f p g a ，掌纹特征识别 a b s t r a c t a l o n gw i t ht b eu n c e 鱼s i n gd e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i cf e s e a r c hi n n o v a t i o n ， 辆t e g f a 协娃 曩硅o v 艇i o bh 豁b e 雌g 糟d 毽馥l l y 毫c t b 鬈器ki 檬p e l l 缍gl 斑c ef o fs o c 砖 a n dt e c h n i c a ld e v e l o p m e n ta n di sa d v o c a t e db yl n o r e 柚dm o r es c i e n t i f i c 羚s e 墩h e f s 旺de d 畦c 粕砖攮氆e 虹f e s 炉c t i v e 巍e l 莲s ，鑫sw e l l 。弧巍氆e s 至s 曩| l e m p l s t oe x t e n dt h es t u d yo fi n n o v a t i o nn e c e s s 吖yc o n d i t i o n st ot h er c s e a f c ha n d 毳鞠l i c a t 沁狂o f 矗n o v 盎蛀o n 珙鑫重f o r mf 撼m 拖eo o 嶷臻。硅s t 稚d yo f 攮摊o v a l i 键壕毒o f y a n dd e s i g nm e t h o d i nv i e wo ft h ec u 玎e n t l yp o p u l a rr e c o n | x g i l r a b l et e c h n o l o g y 嚣珏ds o p e 挺c h b o l o g 冀l k 矗娃氆o d e v o | 。s 扔袅娃e e ps l 娃d yo f c e s s a f ye o 髓擞t b 盎s w h i c hc o n 晡b u t e st ob u i l dt h ei n n o v a t i o nr e s e a r c h d e v e l o p m e n tp l a t f o f m a n d s o 王cp l 毪臻强臣b 矗辩程。矗p 掷豁是撼m 酶圭el 键主cd e v i c e ，鞋辩鼋嘏镰娃y b e e o 撙e s | k i n e v i t a b l ec h o i c ea sar e s u l to fi t 8s o f t w a r ca n dh a r d w a r ep r o g r a m m a b l e s 鞋辨f b 蛙l y b e s 弱e s ，氆e 照载o v 鑫毫主。鑫瓣鬟瞧d 噻鑫l s oi 矗c 瓤嬉e s 趣襄矗ye 氆o fe 熊把鑫l s ， w h i c hw i l lb ed i s c u s s e db r i e n yo ri nd e t a i l si nt h i st h e s i s t h e8 珏堤o f 嘲雒e s 毫簿l c l 罐lp 蜒e e 鑫c c 圭连e n 垂。矬喃i | e 鼬建翔e 建p l 襄l 如强 a n dt h ed e s i g np f o g r e s so fb i o m e t r i ca u t h e n t i c a t i o ns y s t e mb a s e do ns m a nc a r d 重e o 轴鬈y ”w 酶激e 硼黥l o 珏s 蜘瓢羹莲i 鑫羲o v 硅耋i 瞳羚s e 蠢矗v e l o p 瑶e 罪t p l a t f o n n 粕da t t e m p t 8t 0w o ao u taf e a s i b l ep l a nf o rt h ep l a t f o r ma p p l i c a t i o m d 姒l s s 泌矗矗搀de | 两。赫 主o ni 珏穗i s 氇e s 主sh 墨sb e p 峨主c 硪y 基潍基翻论氇e p r o d u c tp l 卸n i n go fi n n o v a t i o nm a k e - u p sr e s e a r c h d e v e l o p m o n tp l a t f o r mo f l h e 鹫v d 赫t b 髓翠韬擎黯yb 鑫姥d 髓s o p c a s 攮e 辫o d 嚣e 挺e o 越e 遮幻b e i 纛g ，| k c o r r e c t n e 8 s 柚d 如a s i b i l i t yo ft h es t u d yo fi 衄o v a t i o np l a b 珊h a s b e e np r o v e d 。 x 颦w 群峨s ：i n 菇o v a t i 秘糟s e 甜穗& 蠢e v e l o p 翔e 珏t 掰鼎程b 臻f e 蜓l 群l 氇麓e t e c h n o l o g y f p g a p a l m 巾r i n if e a t u r ei d t i f i c a i i o n 珏 y8 7 9 5 3 5 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京 交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已经 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名蕉墟 日期：乃。年j 月f s 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论 文被查阅和借阅；学校口j 以公布论文的伞部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文中所有创新和成果归北京交通大学计算机与信息技 术学院所有。未经许可，仟何单位和个人不得拷贝。版 权所有，违者必究。 本人签名： 翟拯 日封) ：! 塑年兰月三! 目 l 。锇耨蒜纂成创鞭 第一耄综述 1 1 翩掰憋秘类糨方式 “瓣攀技术怒第一生产力”，萋萼技劐赣飘缀成为攘麓聿圭会逐疹， 缀漭发矮的耱要羧索。 遴露皋淡，蠡主锱裁霹虢分必三秘形式，帮原戆剁耨、豢戏稍凝 秘孳| 滋瀵纯舞翻薪掰。 f 1 ) 爨戆稍耨楚密疆鬈笈糯秘琢戆发鞠渊。宅不仅镪捺纛大稀攀发 魏及技拳发骥，还霹辇走产黧在一黧小豹辩攀鞠技术镁域。 2 ) 寨残龟l 颓攒懿楚遥j 毫辩餐秘筏蠢鼓零鹣蠢效嶷藏，形成枣豢溺 巍争力豹产赫致纛耨必产簸渊。 f 3 孳l 避溺纯器镧鞭，簸楚零| 邀戏熬豹强避技零，在添蠢褒瑗霹技 零潦稿之上饿造瓣黝技拳秘市场空闺酮。 程蜜瓣戆秘磷邈凝中，疯该攘攥不鞫瓣祭臀零秘麓，遮簿会滚熬 锱耱澎式。 覆媲弼凝爨熬个黼家鬻力挺秀耨萃萼技毅袋豹壤本僳诞，麓寝该不 鞭潦求瓣缀终嚣凝；萼l 遴溪稼霉铡灏，怒缀长一羧辩溜瓠，中滚焱 激赣虢生存发簇瓣嫩愈线，凌予茭授瓷少，收效莰瀚特点渊，这逮麓 审，l 、众潼溅浓蠢囊发囊褥後了霹行熬灌黪；集藏剿凝，粼凌予其突穗 静德势，麓越淹大多数嵩梭教帮穰秘积摹隼褥院掰联接受。 j e 象交通大学礤士学位论文 1 2 集成创新的薰墼性 l 。2 。l 集成稍新的特煮释优势删 涟饕赣学秘发瀑麴麓憝藏熬巅：，溅贻裂糕越慕越毽鼹；舞羧浚 引避创新，港标不淤本，不熊从檄零上解决研发不力瓣局瑟；集成刨 掰瘙予眷瑗簸豹藏熬接寒终毙先导，密去了缀多兔潮磷发瓣精力。哭 婺熊够缀好溅理躺交叉学誊串多种技术融仓辩藏避糖援全凝嶷鼹的糗 会，蔻鸯爵熊遥遗穰小熬投入获褥艇大酌产爨的。 缀始剁凝麴姆煮怒，爨囊疆懿，蠡跫浚诗，蠡行露搐，爨藏镩系， 并程诧基础上努力争取获襻更多的科学发现和技求教明。它的优点 楚，毽激攀受专翻，菸受法簿缣妒。藏婕裂攒蠢鞘予开箍赣必产照及 其市场。不辩的方蕊是投资大，飙豫大，时问长。 嶷蔽翻灏瓣特焱楚，撼滋经羧攀攥静辩鼓瓷滚，憩捂爨翅搜拳躐 他剁技术，熬成越求，遵过兼容弗鬻，融会爨遥，放大效纛，薅戗 令藏多个新瓣辩学秘技寒躐凝的产懿秘产擞。 萼| 避溪织骧嫂菇铡裁静姆底是，程孳；遴黧辨技零豹基鹚上，经避 研究、消纯翻啜投，瓣剑造溺新的投术和产龆。它的傀煮爨，投资夺， 巯羧少，燕效捷。 从投入产蹬比的观点寒说，集成铷新的授入风除和产缸靛藏达瓣 了爱黟瓣平餐。奁投零努发羔，任雾季攀霞葶翼令入酃誉褥稳狻表新意技 术，键却可以按照市场最优他盼骧则，选撵嚣内外蠼念遣的技术，为 我掰怒，爨辫发震，影残鸯蠢搦巍擎力鹃产赫。 窑黪上，单疆技朱缀容耪掌握，瑕螫熬装予瑷技拳鬃戏怒寒形成 个系统，却不是髀容翁靛搴。焚灞静黼液罗登冀诗刘罄藤科学祭 2 综述 就曾明确地指出，阿波罗计划没荫一项技术是新的突破，都是对艨有 技术兹繁残闯。 1 2 2 集成创新的影响 ( 1 ) 集威创新对政策的影嚷 温家窳总理在2 0 0 5 年3 月2 8 日的国家料学技术奖励大会上指出： “必须加强原始创新、集成刨新和在引进技术消化吸收基础上的蒋创 新，在关键领域攀握更多的自主簸识产投，在科学藏沿和战赂高搜本 领域占有席之地”田。而国家中长期科技发展规划纲要中也特 捌提至l 了“竣瘦援嚣求为磐彝，瀵撬彝热强集戒剑藜”捌，霉显潮家 从政策上融经开始正式承认了集成创新的重要性。 ( 2 ) + 集交铺薪黯缎济窝嚣常生活瓣影瘸 创新必然对人们的日常生活和经济活动带来商利的改变，否则， 剖新就不能称之为创新。集成副新，由予其集成了现有的不同技术， 那么在应用上，必然集成了与从前不同的应用，甚至会产缝全新的应 用方式，从而导致“l 2 的效应。这样一来，通过集成创新，就能够 绘人们的生产生活豢寒受多静便捌窝实惠。 ( 3 ) 集成创新对教学和科研的启发 采雳不阋豹剑凝形式蠹揍决定了我囊培养到鼗大方薅掰应该袋敬 的培养模式。集成创新对我们的科研和教学提出了更高的要求。酋先， 戳耨人才必缳其裔多学科和综会的稚识营策，这稀才有爵能综合务学 科的优势，完成集成创新；其次，创新人才必须贝有全新的创新理念 和创新恩想，借助全薪的设计方法和设计思路，才能完成创新活动； 最后，必须要有能够满足集成刨耨体系下金毅的创新平台的支持，使 得创新的思想能够借助平台得以实现和验证。 3 l & 索交避大学硕士学位论文 ( 4 ) 。集成刨耨对设计方法和设计理论的影响 集成创新对设计方法和设计理念提出了新的要求。传统的设计方 法窝设计理念农镂毅点熬选努上蓬于攀一；在实瑷懿手羧上，较、硬 体系分离；在验证的方式上过于繁琐。榘成创新需要全新的开发平台 秘设诗方法静攒导，这样就提穗了诸鲡s o ：帮发平台，l p 棱笈矮， 可重用絮构体系和可重用方法举，软硬件协同设计等一系列新概念。 实现集成创新的几个要素 从熊成创新的概念糟来，它是对各种现有技术的有效集成，以此 形藏有密场竞争力静产赫或者新静产鼗。要实现集成创新，至多应该 具有以下几个方面的条件要素： ( 1 ) 、政策上对集成铷新的重视 上文提到，国家从宏观政策导向中，已经越来越把集成铋掰提列 一个重溪的位鬣。科研和教育成该符合阉家的宏观政策导向，将集成 刨耨鲍素质壤莽秘耀应平台熬建设投入箍裹裂一定戆寒凌，这襻方戆 为培养复合型创新人才提供必要的条件。 ( 2 ) 、霹掰集残瓣各释鼓寒融合瓣可行毪，投入产密稳效益往译待 集成创新的察体，就是待集成的各种现有技术和应用。需要清楚 的一点怒，不愚任何的技术和应用简单拼凑到一起就是集成创新。在 设计初期，必须对技术融合的可行性，投入产出的效盏 生以及最终系 统的可实现性遴行总体评估，才能保证创新过稷的顺利进行。 圆、对攀 硬设计人员垒赫的要求 从集成创新的主体上来说，能够完成集成创新的设计人员必须具 鸯跑麸魏更毫懿要求。浚诗人爨努矮吴蠢多学秘豹专数鬻景，方骞霹 4 能应付技术集成时各学科对于相必技术的不同要求；设计人员必须具 蠢集成裁毅熬愿慧，才蠢鼙裁依据集成餐耨静滚程，竞袋剖藜；设诗 人员必须舆有对市场趋势的敏锐搬握和应用方式的准确理解，才商可 虢形成有市场竞争力的产晶。 梅莱铺新研发平台的依据 毹薪平台静稔絮要戳凌用鸯导淘，滋劝舷实瑰秀嚣禄，获不溺设 计的实现和验证为宗旨。具体来说，有以下几个方面： ( 1 ) 、应用决定功髓 所有的科研创新都应该为现实生活服务，只有报植于具体应用的 创新，才是有意义的创新，才是能够不断发展和可持续的创新。针对 熬体戆应潮领域、废强笾疆，才能完成功艟剑蓊数提出。功巍应该满 足应用场合的需骚，满足了新的成用，就能够被称作功能创新。 ( 勰、囊黢选释平惫 功能的实现依赖于实现的手段和方式，具体地说就是平台模式。 一定的功能要求选择一定豹平台。平台的选择有稀释方式，一静方式 题选择仅满足当前功能，选用适用、好用的最小化平台；另外一种是 蔚眼于长远的发媵，选择既满足现在的功能要求，又满砖日后升级要 求的乎套 选择既满足当藏应用，又能够支持日篮可能出现的其落的 创新应用的平台。 本论文爨要涎谂豹，藏是嚣囊能够渍是不溷霹麓，不嚣剁囊 应用、不同要求的功能实现和验证平台，即创新研发平螽。 ) 、平螽决定设谤 设计的实现方式、实溅手段、实现周期以及实现的便利与否，取 藏寒交逯大学顼士学夔论文 决于摊蠢蛉设诗平台。不同的平台应该聚取不阉的设计方法。 传统的基于通用处理器的平台，通常采用自顶向下，先硬件设计， 霉较磐设诗，最嚣联合淫试戆竣诗滚毽：嚣现在为大家获广泛接受熬 基于可编程逻辑器件的开发平台，通过将处理器软核集成到开0 a 等 冒编程逻辑器纬审，大爨采矮瓣复溺、较硬稃协露 曼计、叁磺向下 和自底向上混合设计的方法，在设计的过程中，边设计，边调试，边 验证。 所以，设计方法的敬进，全新设计理念的学习，必须要有全新的 创新平台的支持。 c 吣、设诗体现截叛 创新由设计来体现。创新的程度和力度，由设计的优化程度和简 纯程度寒薅褒；翻赣瓣概念应该傣瑷在凝令设诗过程静始终。瓢设诗 初，对系统的分析；设计过程中，对创新平台的利用程度和先进设计 愚憨懿攒导程发；荐餮设计后段，对系统弱验诞方法静设诗，帮应该 体现出创新的憩想。 ( 5 ) 、创新依赖乎台 最麟，总结成一句话，就是：创薪嚣要平台来承载。否则创新裁 成了无源之水，无本之术。从这个意义上来说，平台建设，尤其是能 够毒力支持剑毅方法设 窝剖瑟素质演练靛乎套戆建设，才是熬令镬 新过程中最重要和最迫切的。 餐薪研发平螽懿梅絮应该筑满足不鬻赣域、不藏建瘸懿设计，否 则就失去了创新平台的遇用化的要求。舆正意义上的创新平台，虚该 能够对不两的设计方案都能很静地支持实现，并且有着方便静调试、 验证的功能。 6 可以看出，创新研发平台的构架必须依赖于定的创新设计方法 和逻辑可编程器件技术的发展。在下面的章节中，论文将论述可重构 技术的特点，指出可重构技术对创新研发平台构架的重要作用。 另外，创新平台对于科研和教育两个方面有着重要的作用，当平 台应用于科研开发时，我们称之为创新研发平台；当平台应用于教育 培养时，我们称之为创新演练平台。本文中，对这两个概念不加区分。 4 论文的组成及特色工作 嵌入式系统的广泛深入发展，已经深刻地影响了人们生活的方方 面面。对于接触嵌入式系统设计最前沿的设计开发人员来说，设计复 杂度高和设计时间短的矛盾越来越突出。另外，由于各应用方案的日 趋成熟，创新的应用点越来越少，这也要求设计开发人员在创新方面 花费更多的心思。 应对嵌入式系统设计发展的新局面，我们应该有全新的设计思想 和创新的开发平台的全面支持。 论文针对嵌入式系统的发展和创新素质培养的需求，对可重构技 术和创新演练平台的建立，做了全面的阐述；系统地总结了可重构技 术和f p g a 开发的特点；结合自身两届嵌入式系统设计大赛的成功经 验，从系统设计和平台建设的角度论证了基于可重构技术构架的创新 演练平台的建立对创新思想和设计能力培养的重要意义。 论文的主要创新点和特色性工作主要有以下几个部分： 1 、对可重构技术的理解，划分成可重构平台和可重构架构，着 重对可重构平台和可重构架构对科研开发的作用做了阐述，系统论证 了可重构平台和可重构架构的重要作用和现实意义。 j 寰交遁大学硬士学位论文 2 、究成了槐架交邋察故现场处理平台的系统设计，共饭掇嵌入 式系统设计的常规方法从反面验证了可霪构技术的优越性。 3 、列恩基予可重秘技术教捌赣乎螽，对嵌入式系绕设诗方法擞 出新的改进，并以智能卡生物特征识别系统的集成创新成果验诚了上 述平台靛谯越戆。 4 、参与设计了革新公司创新素质演练平台的设计方案整敬，现 革薪公司已经裁功裁稚疆基手冒编程逻辑箍俘的创新素矮演练平台。 这表明我们对创新平台的探索融有了实质性的产晶。 针辩上述的内容，论文组织结构安排如下： 第一章概述：分绥了创撅的基本形式，并提出集成越蔌黪捷势 和重要影晌。针对实现集成创新时平台的重要作用，指出可重构技术 慰剖囊磺发乎念瓣支持。第二豢奔绍了霹垂橡技术纛霹耋秘蘩搀： 并且从可重构平台和可厘构架构两个相互连接的层面分别讨论了其 瓣餐薪索震形成麴终焉。其中，霪点讨论了可黧梅平台豹特点。第三 章基于即g a 的可重构技术架构方法。由于可疆构创新平台依赖于 逻辑可编程器件，此章集中介绍基于弹g ，c p i 的嵌入式系统设计 的流程、基本原则和常用设计思想，并藤l 此引出了s o p c 的设计理念 和相关的设计方法。第龋章平台模块他思想的应用实例：针对基于 糍o s 熬枣敬瑗璐处理乎食酶系绕实理，详细分缨了事赦臻场处理平 台的设计过程，并且基于平台模块化的设计思想分析了创新平台对系 统羧计麓实瑷懿重要终麓。第纛牵集戒镬蓑产赫设谤鹃瘦雳实镧： 针对基于智能卡的生物特征识别系统的设计与实现，分析了集成创新 设计完成静过程，并置校据霹重梅翻薪平台的特点对集成宦l 薪设计俸 晶进行了翅j 分和分析。第六章论文小缝与展望对论文的工作做了小 综述 结和展望，针对两个系统设计中总结的经验、教训以及创新平台正确 使用和可重构技术对系统设计的指导意义做了分析和对比。从“国家 中长期科技发展纲领”的启示中展望了科技创新平台的重要性。并 且简单介绍了参与设计规划的革新公司创新素质演练平台的特点，由 此证明了论文论证的创新平台实现的可能性和现实意义。 9 3 b 塞变避犬学硕士学位论文 第二章可重构技术和可重构计算平台 1 可重构技术简介 可麓构技术还没有一个权威的定义，比较得到大家认可的怒，可 霪捣鼓本必绥惫食至少溪令方甏豹内器：霹重稳平台秘霹重擒絮捧。 可重构平台，以可编程邂辑器件为基础，充分利用可编瑕逻辑器件的 较、硬僚帮霹编程豹特瞧，麓入对各种懿理器芯孩静支持，疆及越来 越丰富的接口规范，为嵌入式开发提供丁全新的有力支持。可熏构架 构敬可爨用设计方法为指导，与可重构计算平台配合，就能够遗速有 效地完成系统的设计、实现、骏涯，修敬等一系列设计活动。 1 1 可重用设计方法 随著芯片制造工艺的变化，芯片的设计方法也发生了巨大的变化。 传统的方法是兔写出所有模块的r t l 编码，髯将这些子模块集成到 一个共阅的顶层设计下，最后进蟹综合，这秘方法对于复杂芯片设计 醴不再通用。现在s o c 设计所关注的焦点，不荐是某个新功能的设计 实现，露楚懿筵去译售、验涯帮嶷或多个基经存在麴软疆薛模块。设 计方法的改变从本质上来说，就是要完成一个转变从以功能设计 为基礴瓣传统瀛程转交剿| 三i 功麓蟹装为蒸疆静全新流翟翻。萁审霹复 用坤技术的使用是最关键的要索之一弘螂，是设计的基础。而当前系 统设计和i c 设计领域高度的复条魔蚕墩和越来越短的周期性要求， 决定：f 传统的软、硬件攀独设诗，联合调试鲍方法誊辫熊满建设计需 可重构技术和可重构计算平台 要，软硬件协同设计方法应运而生。 1 1 1i p 复用技术伫4 】 i p ( h t c l l i g e n tp r o p e n y ) ，是具有知识产权的、已经设计好并经过 验证的、可重复利用的专利算法和专项应用模块。依据设计层次的不 同，口分为软核、硬核和固核三种。具体来说，软核为能综合的h d l 描述，硬核为芯片版图，固核为门级h d l 描述。软核包括逻辑描述 ( r 1 阻和门级v c r i l o g h d l 或v h d l 代码) 、器件内部连线表和可测 性设计。软核可经用户修改，以实现所需要的电路系统设计。它主要 用于接口、编码、译码、算法和信道加密等对速度性能要求范围较宽 的复杂系统。硬核的设计与工艺已完成而不能更改。用户得到的硬核 产品仅是产品功能而不是产品设计，因此，硬核的设计与制造商能对 它实行全权控制，它的知识产权保护也较简单。常用的硬核有存储器、 模拟器件和总线器件等。固核是一种介于软核与硬核之间的i p 。它既 不独立，也不固定，可根据用户的要求作部分修改。固核允许用户重 新定义关键的性能参数，内部连线表有的可以重新优化，其使用流程 与硬核相同。软核的开发工作量相对低，因此一般开发成本比较低， 柔性大，如可增加特性和选择工艺并容易从一个工艺向另一个工艺转 移，且性能可提高，但可预测性相对差。硬核的开发成本最高，柔性 小，但性能一定并具有可预测性，易于使用。固核介于硬核与软核之 间。 下面简要介绍可复用i p 的设计流程，如图2 1 所示1 0 】： j e 京交逶犬学殒士学链论文 羹诗阶段蓠要任务 阿了可o 习r 隧；攀i 辫：。，卜一翼薏糟的首要搬标和可 臣二- 。童- 羔_ | l _ 图玉1 可复用i p 设计流程 l 。1 2 软矮终爨瓣设诗 针对嵌入式系统设计面临的问题，研究者们提出了种新的设计 方法：软硬释秘霹设诗。它支持并行工箨馥减少设计弼麓；采翅设计 自动或举自动化技术以及集成可靠的软硬件组件的方法以提高设计 质量；鞠验证测评技术及早发现设计错误嗣。 嵌入式系统软硬件协同设计一般是从一个绘定的系统任务描述羲 手，通过有效地分析系统任务和所需的资源，采用一系列变换方法并 遵锤特定的准则爨动生成簿合系绞功能鎏求蛇、棼合实现代馀约素熬 慝一零 可重构技术和可重构计算平台 硬件和软件架构舢。这种全新的软硬件协同设计思想需要解决许多问 题，如系统的描述方法、对包含软件和硬件的系统功能的验证，以及 如何对软件实现和硬件实现作自动划分。 由于软硬件协同设计不是本论文所重点讨论的内容，所以具体的 协同设计的方法在此就不做赘述。 1 2 基于可编程逻辑器件的可重构平台 1 2 1 可编程逻辑器件的发展 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。数 字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、 小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路f v l s i c ，几万门以上1 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，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。 系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，而且希望 a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 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u ) ) ，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 ) 。 f p g a ( 现场可编程门阵列) 与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是 可编程逻辑器件，它们是在p a l g a l 等逻辑器件的基础之上发展起 来的。同以往的p a l g a l 等相比较，f p g c p l d 的规模比较大， 它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。这样的f p g c p u ) 实际 上就是个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员 的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了 北京交通大学硕士学位论文 多种可编程逻辑器件，比较典型的就是) ( i l i 麟公司的鞠g a 器传系列 和m t c r a 公司的c p i d 器件系列，它们汗发较举，占有了较大的p l d 枣场。 对用户而言，c p l d 与卯g a 的内部结构稍有不同，但用法一样， 掰鼓多数情嚣下，不热菝嚣分。宅粕涂了其畜a s 憋静特瘫之舞，还 具有以f 几个优点： ( 1 ) 、随着v i s l ( v e r yb r g es c a l ei c ，超大瓣模集成嘏路) 工艺的不 断提商单一芯片内部可以容纳上百万个鼯体管，f p g 蝴i d 蕊片的 规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功 能也越来越强，同时也可以实现系统集成。 ( 2 ) 、即g c p u ，憝片在出厂之前都做过酉分之百的测试，不需 要设诗人员承撵毁片鼹除露费麓，设诗久员只爨在叁己豹实验塞莹藏 可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以， 行粼p o 静资金投入夸，节省了许多潜在静花费。 ( 3 ) 、用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情 况下用不同软件就可实现不同的功能。所l 三l ，用f p 蝴l d 试制样 片，能以最快的速度占领市场。野g 州p l d 软l 牛包中蠢各秘输入工 县和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员 在攫短豹对瓣蠹裁霹完戏毫路黪蟪入、缡译、毯纯、傍爽，壹至爱螽 芯片的制作。当电路有少量改动时，更能恩示出f p g 腑u ) 的优势。 毫鼹设诗久员繁霜释g 脚l 避幸亍毫潞设诗辩，不需要吴各专门的 i c r 集成电路) 深层次的知识，f p g c p l d 软件易学易用，可以使设 计入员楚能集中精力进行电路设计，快速将产晶推商市场。 1 2 2 可编程逻辑器件对处理器旗核的支持 1 4 可重构技泰和霉黧构计箕单叁 渡界强大f p g a 器 牛提供商) ( i 娃瓤和烈托f a 都相继发霉了基于囊 己f p g a 产品的软核处理器并且不断更新和完善。x i l i n x 公司的m i c m b l 戴。亵越e 辍公霹瓣n i o s 款棱处理器针踺备鑫戆鞠泓器穆豹特意， 有着各自不同的优势和应用领域。 ( 1 ) 潲稍款梭憝瑾器绱奔1 霹： a j t e r a 新近发布的n i o s 系列识括3 种产品，分别是；n i o si 搬 ( 快速) 最高的系统性能，中等f p g a 使用量；n i o sl 糯( 标准) 赢性能，低f p g a 使用量；n i o si i e ( 经济卜低性能，最低的 f p c 陡使用擐。这3 种产品县有3 2 位处理器的基本结构单元3 2 位攒令大小，3 2 位数据和地蛙路径，3 2 位遴用寄存戆和3 2 个岁 郏巾 断源；使用同样的指令集架构( i s a ) ，1 0 0 二进制代码兼梅，设计 者瑟疆撮搭系统需求豹交诧瑟改c v ，选爨满足牲鼹农裁本戆最建方 案，而不会影响己谢的软件投入。 特稍是，n i o s 珏系列支持使用专用指令。专用攒令是羯户灞热酌 硬件模块，宦增加了算术逻辑单元( a l u ) 。用户能为系统中使用的 每个n i o sn 处理器创建多遮2 5 6 个专用指令，这使得设计者能够细 致地调整系绫硬件以满足性能目标。同时，n i o sl i 系列支持6 0 多个 外设选项，开发者能够选择合适的外设，获得最合邋的处理器、外设 秘按日缝合，瑟不必支健校零不镬瘸兹硅冀功能。 n i o si i 系列能够满足任何应用3 2 位嵌入式微处理器的需要，客 户霹竣将第一代嚣i o s 赴理器设计移植到菜耱n i o sl i 楚瑾器上，越t e f a 将长期支持现有即g a 系列上的第一代n i o s 处理器。另外，a l t e r a 提供了一键式移植逸项，可驻升级楚n i o s 妊系剜。n i o si i 处理器墩 能够在h a r d e o p v 嚣件中实现，a n e r a 还为纂于n i o si l 处理器的系绫 j 8 索交逶犬学颈学位论文 提供a s l e 的移植方式。 n j o si i 处理器具有鬼善的软件开发套件，包括编译器、集成开发 矮壤( 蕊) 、l 鼢感调试爨、实瓣操馋系统( 糊s ) 鼹粥彰搿谤议 栈。设计者能够用a l t e r aq u a n u si i 开发软件中的s o p cb u i l d e r 系统 开发工獒疆容荔蘧嫠建专焉静笼瑾器系统，并熬够禳蠢系统豹嚣求添 加n i o si i 处理器核的数鼹。 使瘸n i 0 sh 软件开发工其能够为n i o s 系统褐建软件，潮一键 式自动嫩成适用于系统硬件的专用c c + + 运行环境。n i o si l 集成开发 环境( 1 d 匹) 掇供了许多软件模板，简化了项目设置。此外，n i o s 开发褰件毯援两个第三方实时操终系绕( 舢) m i c r o c o s * i i ( m i c r i u m ) ， u c l e u sp l u s ( 盯孙4 e n t o r ) 以及供网络应 震使露熬硼耍刀窜穆议竣。 长期以来，a l t e r a 一直推行嵌入式处理器战略的原因是，随着应 糟餐a s 配开发霾盏受器j 藏本静困扰，0 e 麓嚣渐转向种g a 来褐建 自己的系统。这姥系统中绝大多数需要一个处理器，而舢t e r a 正是为 设诗者提供了为f p g a 优化的爱活的嵌入式处理器方案，可以满足 1 6 位和3 2 位嵌入式处瑷器市场的嚣求。 ( 2 ) m i c r o b i 舵e 软核处理器简介嗍： m 渊孀l 曩z e 是基于凇扛找公霞磅馘懿微姓理器耢竣，帮其它 外设球核一起，可以完成可编程系统芯片( s o p c ) 的设计。m i c m b l 踞e 楚蓬爨采爱r 嚣c 絮丰每帮潦耱结稳懿3 2 位指令秘数据憩线，霄汉全速 执行存储在片上存储器和外部存储器中的程序，并和其窀外设i p 核 一超，w 戳完成可编程系绕芯片( s o p c ) 酌设计。m i c f o b l a z c 处理器采 用r i s c 架构和赡佛结构的3 2 像指令秘数据总线，可以众这执行存储 1 6 可重构技术和可重构计算平台 在片上存储器和外部存储器中的程序，并访问其中的数据。 m i c r o b l 拢e 内部有3 2 个3 2 位通用寄存器和2 个3 2 位特殊寄存器 _ p c 指针和m s r 状态标志寄存器。为了提高性能，m i c r o b l 北e 还具 有指令和数据缓存。所有的指令字长都是3 2 位，有3 个操作数和2 种寻址模式。指令按功能划分有逻辑运算、算术运算、分支、存储器 读写和特殊指令等。指令执行的流水线是并行流水线，它分为3 级 流水：取指、译码和执行。 m i c r o b l a z e 是一种大端存储系统处理器。 m i c r o b l a z e 可以响应软件和硬件中断，进行异常处理，通过外加 控制逻辑，可以扩展外部中断。利用微处理器调试模块( m d m ) i p 核，可通过j i a g 接口来调试处理器系统。多个m i c m b l a z e 处理器可 以用1 个m d m 来完成多处理器调试。 m i c r 0 b l a z e 处理器具有8 个输入和8 个输出快速单一链路接口 ( f s l ) 。f s l 通道是专用于单一方向的点到点的数据流传输接口。 f l s 和m i c r o b l a z e 的接口宽度是3 2 位。每一个f s l 通道都可以发送 和接收控制或数据字。 m i c r ob 1 a z e 支持c o r e c o n n c c t 技术。c o r e c o i l l l e c t 是由i b m 开发 的片上总线通信链，它使多个芯片核相互连接成为一个完整的新芯片 成为可能。c o r e c o n n e c t 技术使整合变得更为容易，而且在标准产品 平台设计中，处理器、系统以及外围的核可以重复使用，以达到更高 的整体系统性能。) ( i l i l l ) 【将为所有嵌入式处理器用户提供i b m c o r e c o l l l l e c t 许可，因为它是所有) ( i l i n x 嵌入式处理器设计的基础。 m j c r o b l a z e 处理器使用了与i b m p o w e r p c 相同的总线，用作外设。 应用e d k ( 嵌入式开发套件) 可以进行m i c r o b l a z ei p 核的开发。 北京交遥犬学硬士学健论文 工具包中集成了硬件平螽生产器、软件平台产生鼹、仿真模型生成器、 软件编译器和软件调试工具等。e d k 中提供一个集成开发环境x p s ( 礤l i 然平台工终室) ，叛埂使用系统提供蛇爨毒工具，完成嵌入式 系统开发的整个流程。e d k 中述带有一燎外设接口的i p 核，如l m b 、 b 慧线接强、擦罄存辕控毒l 器、s d 耗茂醚控镶器、u a r t 、审薮控 制器、定时器等。利用这些资源，可以构建一个较为完替的嵌入式微 处理器系统。 另外，现在的f p g a 器件都提供对常用的加m 处理器和d s p 的 支持。 1 2 3 霹编程逻辗器件j l 垂各静微控憩i 器接口熬支掩 现在的可编程逻辑器件对几乎所有常用的部件和接口都有支持 f 1 4 l 。 常用的部件有存储器类，包括程序存储器m r o m 0 1 1 p r o m 肥p 歉0 m 麟豫o m 羽a s h 释数据存德器s 兔镇瞒璜蝴s 黜m ；驽枣行 接口类，包括u a r t 、s p l 、1 2 c 、o 蝌、i r 、e t h e m e l 、h d l c 有 并行接西类，包括c e n t # o n i c s 、p c i 、i d e 、g p l o 等；肖定时和聍钟 类，包摄t i m e r g o u n t 凯r t & w a t c h d o g 、a o c k l ；有专用和外 阑接臼燮，包括c o m p a 州比较器) 、a d c 、d a c 、l c d 控制器、d m 扎 p w m 、魁。 对于比较特殊的接阴，就需鼹设计者自行分析接口类型和特点， 壤摆软狻楚理嚣熬特豫熬慧线要求嚣接鞠标准，蠡行设诗接舀浚裁模 块。这也是f p g a 设计中非常冀要的手段之一。 可重构技术和可重构计算平台 2 可重构平台的相关技术 2 1 可重构计算的产生 传统的计算平台中，处理器和专用集成电路( a s i c ) 一直是两大 主流n 】。伴随着应用领域特别是嵌入式环境对系统的性能、能耗、上 市时阃等指标需求的不断提高，传统的计算平台暴露出了种种弊端。 可重构计算平台集中了处理器和专用集成电路的优势，能够提供高效 灵活的计算能力，自上世纪九十年代以来越来越受到业界的重视。 如何实现一个应用，软件和硬件设计者会采用不同的方法。软件 设计者会使用编程语言编写一段代码，将其编译后在处理器上执行； 硬件设计者则会利用原理图或者硬件描述语言进行设计，然后以专用 集成电路的方式实现。处理器和专用集成电路已经成为了传统计算平 台的两大主流，但是随着应用的日趋复杂，两种平台的弊端也渐渐显 露出来。 处理器( 包括通用处理器和各种专用的嵌入式处理器) 计算平台 的特点在于它具有各自的指令集，通过执行指令集中的相关指令来完 成计算，改写软件指令就能改变系统实现的功能，而不用去改动底层 的硬件环境。但处理器的运算速度要比a s i c 慢很多，这主要是因为 处理器必须从存储器中读取每条指令，将其译码后再执行，因而每个 独立的操作具有更高的执行开销。另外，处理器的指令集是由处理器 自身体系结构决定的，没有用专门指令实现的操作，只能使用已有的 指令组合来处理，这样就更增加了执行的开销。 a s i c 针对某一特定应用专门设计的硬件电路。a s i c 计算平台的 特点在于用硬件来实现特定应用。因为针对特定应用设计，所以在执 1 9 北京交避犬学硬士学位论文 行相关j 菠用时舆宥报浅鲍速度、效率和糖度。但其缺陷在于开发周期 太长，代价太商。而且硬件电路一旦制作好以厝是不能够被随意改动 豹。这鹱意味着鳃巢功黢懿嚣裳发生了变化，就嚣要熏凝设诗帮重豢 加工新的a s i c 芯片。哪怕只怒芯片上的很小一部分线路需要修改， 毽要耄凝毒l 揍熬令芯冀。磐票镑对各秘不霹懿寝雳都专门竣诗专焉静 电路芯片，就会带来高昂的成本。 由j l 髦可冕，现有的主流计算平台孛存在静主要问题惩：处缓器方 式能够爱活地实现各种应用，假却在性能上有缺陷；而硬件逻辑实现 性能茧然高，但灵滔性却徽差。可重构计算( 鼢c o n f i g i l r a b l e e o m p u t i 鸩) 乎仓的出现，正是为了在诗算性能秘实现灵活性上骰一 个很好的权衡。 三秽计算孚台瓣 l 较熬图2 。2 瑟示耩1 l ： 菇；蠢 l 集成电髂u 据l 藕丽 ；压稠 图2 2 三种计算平台的比较 可黧梅计算的概念晕在上个擞纪六屯十年代戡鸯学嚣| 筮不阕豹表 述方式掇出过。目前比较权威的定义是“设立物理控制点，定制硬件 渡魏舞王终，遴逑改动这些控裁悫，蠖粥声能够镶震攘麓戆褒终执嚣 不同的艨用，1 1 。 可重构技术和可重构计算平台 2 2 可重构计算体系的结构 可重构计算系统最常用的结构是由一个或多个可重构逻辑器 件以协处理器的方式和一个通用处理器耦合而成，如图2 3 所示叫。 图2 3 可重构计算系统的体系结构 这里的可重构逻辑器件可以是系统定制的，也可以是商业化的部 件( 如即g a 芯片) 。对可重构逻辑器件进行的配置可以使它实现相 应的功能，能够以准a s i c 的计算速度对应用中的计算密集部分给予 加速执行以提高整个应用的执行性能。系统中的通用处理器主要负责 对可重构逻辑器件进行资源管理和任务调度。另外，应用中存在的那 北京交通大学硕士学位论文 些不能够采用硬件逻辑实现或者采用硬件实现也不会带来很大性能 收益的部分也需要在通用处理器上编程实现，例如递归操作。因为每 一层递归都需要使用相同的资源，而递归的层数又往往不能预先知 道，硬件无法预留够充足的资源，所以此类操作适合在通用处理器上 实现。 可重构计算技术对可重构逻辑器件的开发有着极强的依赖性。正 是由于可重构计算系统中使用了可编程逻辑器件，才使得它能够高效 灵活地实现多种应用。伴随着超大规模集成电路技术的不断进步，集 成在芯片上的门电路数目可以做到“数以百万计”，甚至更多。这使得 业界能够设计出功能强大结构复杂的可重构逻辑器件，也预示着可重 构计算技术发展的大好时机。 当前的很多商业化可重构逻辑器件具备有充足的可编程逻辑资 源，有的芯片上还集成了乘法器、r a m 等结构，在最近的高端产品 上更是集成了处理器核来增强系统的功能和性能。这样，可重构计算 系统的体系就能够简化为图2 4 所示。 可重构技术和可重构计算平台 图2 4 集成处理器核的f p g a 平台体系结构 2 3 可重构计算的发展 2 3 1 可重构计算的应用方式 在过去的研究中已经发现，很多嵌入式应用，例如多媒体应用、 加解密应用以及通信应用等都具有它们固有的执行特征唧。 多媒体应用具有较多的整数算术指令，这主要是因为大多数多媒 体应用中执行的都是定点数据上的算术密集型信号处理操作。 加解密应用中主要是位运算操作，而且在执行过程中极少出现分 j b 索交通大学硬士学使论文 支指令，位运爨操作可以通过移位操作和逻辑运算来实现。 通信应用的特征是使用大量的分支指令，遮主要是由通信威用中 复杂黪控截漉黪熬豹，瞧其中较少使嗣零算术稷移位餐操终。 可以看到，这几类廉用都魃属于计算密集型应用，可以利用硬件 宓瑟速诗冀核心懿撬孬寒提高整个应舞静瞧蕤。缀蕉串较少使焉爨浮煮 算术操作，这一点也正好适合利用硬件实现。在多媒体和通信应用中， 大量豹搛作郡怒锌对宽度为一个或多个字节鹃数据迸杼的，稳在加， 解密应用中主要处理的是宽度为l 的位数据。针对应用巾的这些蓑异， 当前的商业化可重构逻辑器件巾提供了大量的不同粒度的资源来支 持不同数据宽度的计算，粒度是指可熬槐处理攀元鲍搡 乍数的宽度 i 拥。因此，上述在嵌入式领域中的主流腹用都非常适合利用可黛构计 冀技术实瑷。 2 3 2 可廉构计辣的发展方向 鹭瓣，可耋梅诗冀援零煞磷究焦煮簌予动态可重掏锼术特潮是运 行时( r u n t i m e ) 可重构技术【n l 。所谓动态可重构技术，是相对于静 态可重构技术丽言的。静态可冀构技术怒指在可重构计簿系统开始执 行任务时，一次憔将可黧构逻辑器件配鬟为系统所需盼浆个或几个功 能。这贱配置好的功能巍整个任务执行期间不会被改交。直到祭统完 戏该任务轰，霹熏槐逻瓣器件才霹以被怒置为其德兹功戆去完成刘夔 任务。动态可重构技术与此相反，在任务执行过程中可熬构逻辑器件 蠡冬凌缝霹滋被熬辩改变。 运彳亍时可重构技术建立在动态可重构技术的基础之上，它能够在 器件上懑有任务正常执行翡丽辩对器 串的空阂资源进行新的配鬻。运 行时可黧构技术可以根搬应用宴现中的实际需求，对可黧构逻辑器件 可重构技术和可重构计算平台 一k 的资