（信号与信息处理专业论文）基于fpga的声纳图像处理卡的设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着声纳技术的发展和硬件处理能力的提高，声纳数据尤 其是声纳图像数据处理的运算量愈发增加，一个图像预处理硬件模块可以很 大程度上减轻主机处理器的运算负担。本文提出了一个声纳图像处理板的解 决方案，它具有运算效率高、通用性好等特点。 一个声纳系统的图像处理板承担着从数据采集设备接收图像数据，对这 些数据进行预处理，并上传至主机磁盘存储的任务。这一任务可细化为三大 功能模块，也是本文的主要研究工作三部分：载体图像处理板的硬件系 统设计，接口p c i 设备的驱动和接口程序设计，处理图像预处理算 法在f p g a 上的实现。 硬件系统方案选取f p g a 作为主处理器，职责是完成该图像处理卡所承 担的全部图像处理运算以及存储器、外围接口等的控制任务。针对图像声纳 系统数据率高的特点，硬件同上端p c 机的接口采用了p c i 局部总线设计， 此外还在处理板上设置了两片s d r a m ，以乒乓操作的形式保证了图像数据 流的连续、实时性。本文开发了p c i 设备在w i n d o w s 操作系统环境下的驱动 程序和应用接口程序，采用了d m a 传输方式保证了数据传输的速度和可靠 性，实现了人机交互和对板卡的控制操作功能。本文还讨论了图像预处理所 涉及到的主要算法及其运算特点，并在f p g a 实现了开闭处理和中值滤波这 两种具有代表性的算法。通过与p c 机的比较显示出f p g a 在图像预处理中 的优越性。 关键词：图像声纳；图像处理；f p g a ；p c i 啥尔滨t 程大学硕士学链论文 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e i m p r o v e m e n t o ft h es o n a rt e c h n o l o g ya n dh a r d w a r e p r o c e s s i n gc a p a c i t yi nr e c e n ty e a r s ，t h ec a l c u l a t i o no fs o n a rd a t a ，e s p e c i a l l ys o n a r i m a g ed a t ai sg r o w i n gq u i c k l y ，a ni m a g ep r e p r o c e s s i n gm o d u l ec a ne f f e c t i v e l y s h a r et h eb u r d e no ft h ec p u s as o l u t i o no fs o n a ri m a g ep r o c e s s i n gb o a r dw i t h g o o dc o m p u t i n ge f f i c i e n c ya n dg e n e r a l i t yi sp r o v i d e di nt h i sp a p e r t h et a s k so ft h ei m a g ep r o c e s s i n gb o a r di ns o n a rs y s t e mi n c l u d er e c e i v i n g a n dp r e p r o c e s s i n gi m a g ed a t af r o md a t ac o l l e c t i n gd e v i c e ，u p l o a dt o s t o r a g e i n t e r f a c e ，e t c t h e s et a s k sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a n sw h i c ha r ea l s ot h et h r e e a s p e c t sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ：c a r r i e r m h a r d w a r ec o m p o n e n to fi m a g ep r o c e s s i n g m o d u l e ，i n t e r f a c e - - d r i v e r a n d a p p l i c a t i o np r o g r a m ，p r o c e s s i n h ei m a g e p r e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m si m p l e m e n t a t i o no nf p g ap r o c e s s o r 。 f p g a , a st h ec o r ep r o c e s s i n gu n i t ，f u n c t i o n sn o to n l ya st h ei m a g ep r o c e s s o r ， b u ta l s oa st h es t o r a g e & v op o r tc o n t r o l l e r 。c o n s i d e r i n gt h eh i g hd a t ar a t e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep r o c e s s i n gm o d u l ei n t e r f a c e sw i t hp cb yp c ib u s ，t h e r e r et w o s d r a m st og u a r a n t e et h ec o n s i s t e n c ya n dr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o no ft h ed a t a s t r e a m as y s t e md r i v e ra n da ni n t e r f a c ea p p l i c a t i o np r o g r a ma r ed e v e l o p e d ，w i t h d m at r a n s m i s s i o n ，t h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t ya r ee n s u r e d ，h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ni sa l s oi m p l e m e n t e d i nt h i sp a p e r , s o m ec o m m o na l g o r i t h m si ni m a g e p r e p r o c e s s i n ga n dc h a r a c t e r i s t i c so fw h i c ha r ed i s c u s s e d ，s o m et y p i c a la l g o r i t h m s l i k eo p e n c l o s ea n dm e d f i l t e ra r et h e ni m p l e m e n t e do nf p g ap r o c e s s o r 。t h e a d v a n t a g eo fi m a g ep r e p r o c e s s i n go nf p g ai ss h o w na f t e rc o m p a r i s o nw i t hp c k e yw o r d s ：i m a g es o n a r ；i m a g ep r o c e s s i n g ；f p g a ；p c i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。，对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：王描乍 日期：死唧年弓月。锣日 | 。 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：互辅叮 - 9 i ! j i t i ( 签- 7 - ) ：自 日期：易1 年弓月哆日一年琴月罗日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 立题背景 地球表面7 1 的面积被水覆盖，在这片辽阔的水面之下，蕴藏着极为丰 富的生物和矿产资源。2 1 世纪是海洋的世纪，对于拥有1 8 万公里海岸线和 3 0 0 万平方公里海洋国土的我国来说，有效地开发海洋、利用海洋，深入探 索海洋的内在规律，对我国的经济、国防等领域都具有十分重要的价值和意 义： 电磁波在水中传播的衰减十分迅速，声波在水中传播不仅在作用距离上 远远大于电磁波，而且它还携带有反射目标的相关信息，通过对这些回波信 号的分析，我们就可以得到关于目标的存在性、位置以及其他许多特征信息。 因此，基于声波的探测成为水下获取信息的最佳途径。声纳是利用声波来判 别水下物体存在、位置及类型的方法和设备u 1 。在实际应用中，常常需要对 未知区域进行探测，此时不仅难以布放测量基阵，在目标上安装应答器更是 难上加难。图像声纳较普通多波束声纳相比具有更高的分辨率，从而不会将 水下目标视为点目标，利用图像声纳进行主动探测就可以从目标的回波中分 析出海底、海水中的情况细节，最终绘制出所测量区域或者物体的直观图像。 配备了图像声纳的智能水下机器人能够应付水下恶劣多变的海洋情况，到达 人无法达到的深度从而代替人类完成海洋勘探、侦查、导航、水下设备监测 和救捞等危险而复杂的工作。 图像声纳因其功能和用途，有数据量大，实时性高等特点，目前常用的 图像声纳发送的数据都是原始的图像数据，或者只能进行有限的操作，如果 需要对其进行进一步处理，必须将数据上传到主机磁盘之后再进行。因此， 对原始图像数据进行处理为计算机系统提出了一个新的要求。图像数据的数 据量较一般的数据要大得多，尤其是实时显示对数据率要求就更为苛刻。如 果这些数据使用该机的中央处理器进行处理，将会严重的占用主控计算机的 处理器资源，并且常常难以达到数据运算和实时显示的吞吐量要求。而使用 硬件图像处理系统对图像进行处理，再将处理结果上传就可以解决此问题。 本论文基于这点考虑，为图像声纳设计一个数字图像处理模块。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 图像声纳系统与图像处理板概述 1 2 1 图像声纳技术简介 图像声纳又名成像声纳，这类声纳设备可以对譬标进行二维或三维戚像。 传统声纳主要以远程目标的距离和方位探测为主，常将目标视为是一个 点，因此多采用一维线阵，这种声纳仅仅能够在水平或垂直单方向上形成指 向性，如莱要得到图像燹| j 需要进行机械扫描，将得到的数据进行拟合；电子 预成多波束阵扫描法同线阵法相比，它的电路结构更复杂、功耗更大，但是 裁像的速度很快，并且具有很高的精度，这种方法从缕采上看，要臻显优于 线阵法，因为后者在精度方面的缺陷是难以弥补的硬伤，而电子预成多波束 法随着电子技术的发展，其电路规模和功耗将会呈现一个持续下降的趋势弘1 。 此类型的典型产品有：丹麦r e s o n 公司的6 0 1 2 型模拟声纳、8 1 2 5 型数字声 纳、加拿大i m a g e n e x 公司出品的d e l t at 系列图像声纳等。 哥前，水下技术的发展，尤其是智能水下机器入( a u v ) 的发展，为海洋、 海底探测提出了越来越高的精度和速度要求，此时单纯二维的成像声纳已经 无法满足，三维成像声纳随之出现。利用二维匾阵可以直接获褥磊标在水平 ( x ) 方向、垂直( y ) 方向、距离( z ) 方向的分辨能力，这种方法的特点同前面提 到的电子预成多波束阵扫描法类似，在成像时具有速度优势，偃匿为采用了 面阵，因此所需的基阵阵元数和通道数都较线阵相比有了几何级数的增加。 典型的三维成像声纳产品有英国c o d ao c t o p u s 公司研制的e c h o s c o p e1 6 0 0 b 系歹| j 图像声纳等。 近年来，出现了- - ； d e 基于声透镜完成波束形成从而实现空间指向性的新 型声纳。这种声纳系统较以往的声纳有着很大区别，它采用了霞光学透镜聚 焦十分类似的原理p ，将某一方向的声波进行聚焦，将换能器接收基元布放 于焦平面上，就可以实现对各个方商的声信号豹采集。声透镜的聚焦示意图 如图1 1 所示： 2 晗尔滨工程大学硕士学位论文 镁 图1 1 声透镜聚焦示意图 透镜声纳的研究目前刚刚起步”，已经出现的试验型声纳有g l a c i s 声 纳、a b i s 声纳、美国高校研制的l i m i s 手持透镜成像声纳等”1 。 一个典型韵输出视频图像的声纳包括前端的接收、发射基阵、a d 变换 电路和波束形成电路，数据传输和参数传递单元，系统控制单元和外部数据 接口单元等，整个声纳系统的结构框图如图1 2 所示： 图1 2 典型图像声纳结构图 1 2 2 声纳系统中的图像处理板 许多成像声纳都带有视频输出功能如图1 2 虚线部分所示因此这类 声纳也有一个执行图像处理的单元，但这种图像处理单元是厂商为了实现声 纳图像视频输出和显示而设计开发的，在产品设计完成之后功能就已经固定 了，用户很难依照自己的需要而灵活修改。以往通常的做法是，将声纳图像 数据直接输入计算机，利用计算机的c p u 对数据进行处理。可是tc p u 是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通用处理器，在设计时不是专门为图像处理或密集的数字信号处理而设计的， 处理的效率不高；并且这种运算对实时性要求较高，将会一直占据c p u 资源， 会对计算机执行其他功能操作产生影响。因此，进行图像处理运算，设计专 门的处理设备来完成该任务成为一个普遍接受的解决方案。 出于对于自己技术保密的考虑，声纳设计和生产厂商通常不会提供外部 数据接口所匹配的数据采集处理单元的技术细节，从而在进行声纳应用时， 使用者必须依照自身的需要而订制适合自己的数据处理设备。 图像处理板的基本结构包括：数据输入接口单元、数据缓冲单元、控制 单元、处理单元、数据输出接口单元等诤。处理板需要实现两个方向的接口： 同声纳数据采集设备输出端的接口，以及同数据存储或显示设备( 通常是p c 机) 的接口。数据采集设备的常用输出接口有光纤、同轴电缆、网络接口等， 输出常用p c i 总线接口，控制单元和处理单元所采用的实现方法包括：专用 集成电路a s i c 、嵌入式通用处理器、专用处理器如d s p 、f p g a 等方式p 1 。 目前针对于成像声纳系统的图像处理板还不多见，因此下面对图像处理 板目前的国内外研究现状进行介绍。 1 3 图像处理板的国内外研究现状 图像处理板已经广泛应用于医疗、航空、半导体检测等许多领域，目前 已经有许多公司和机构推出了他们的产品。 台湾丽台科技( l e a d t e kr e s e a r c h ) 开发出了配备有东芝微处理器 “s p u r s e n g i n e ”的图像处理板卡“w i n f a s tp x v c l l 0 0 ”，并在2 0 0 8 年9 月 3 0 日起举办的“c e a t e cj a p a n2 0 0 8 上进行了展示。配备有1 2 8 m b 的 x d r 存储器，通过p c i e x p r e s s 接口连接个人电脑等。价格约为3 万日元。 w i n f a s tp x v c l l 0 0 的耗电超过2 0 w 加拿大d a l s a 公司于2 0 0 6 年推出了a n a c o n d a 系列实时图像处理卡。 这块基于p c i x 的图像处理卡不仅具有高速图像采集功能，而且配备有用户 可编程的f p g a 和p o w e r p c t mc p u ，可在单插槽平台上实现实时图像处理功 能。通过将用户的专用处理算法与数据控制和事件管理功能相结合，a n a c o n d a 系列图像处理功能也很强大。 加拿大著名的图像显示卡生产厂商m a t r o x 公司于2 0 0 7 年推出了o d y s s e y 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 x p r o + 图像视频处理卡。该处理卡使用了p c i x 长板形设计，配有一片g 4 p o w e r p 以及一片高性能f p g a 协处理器，以及两片m a t r o x 自行研发的 a s i c 图形处理芯片，板载2 g b 的d d rs d r a m ，视频采集速度可达8 0 0 m b s ， 处理速度超过1 g b s 。 s b s 公司于2 0 0 3 年推出了基于a l t e r a 的s o p c 的影像处理开发平台名为 “t s u n a m i ”。该平台基于6 4 b i t 6 6 m h z 的p c i 总线，配有5 1 2 m b 的s d r a m 以及n i o s 嵌入式软件开发工具。在单c p c i 底板平台上数据输入速率可达到 3 g b s 。 1 4 论文的主要研究内容 本文研究的是为图像声纳的主机设计并实现一个具有扩展接口的数字图 像处理模块，并为该硬件模块设计w i n d o w s 下的设备驱动程序和应用接口程 序，还在f p g a 上实现了若干数字图像处理算法，并对图像处理的仿真技术 进行了探讨。具体包括如下方面： 1 数字图像处理板硬件设计。具体包括：整体结构、主要芯片的选择、 原理图设计、电路板设计等，此外还探讨了p c b 设计过程中的电磁兼容设计 的问题。 2 w i n d o w sx p 下驱动程序及接口程序的设计。具体包括操作系统介绍、 驱动程序开发方案的选择、驱动程序的实现、结合底层硬件和操作系统原理 阐述驱动程序的安装、接口程序的调试过程和故障分析。 3 基于f p g a 的图像处理算法设计。首先探讨了f p g a 的结构与算法特 点以及图像处理的运算特点，二者相结合给出了为完成图像处理运算而对 f p g a 提出的任务要求。随后将两个典型的图像处理算法在f p g a 上进行了 设计实现方案的讨论，给出了算法特点和子模块设计过程，并在每节的最后 给出了处理结果，并与基于p c 机进行同样运算进行了对比，最后介绍了利 用f p g a 进行图像处理运算的仿真问题。 啥尔滨t 器大学琰七学像论文 第2 章图像处理板硬件系统设计与实现 硬件系统是整个图像处理板设计解决方案的硬件载体，本章将从硬件系 统总体设计开始，对器件选择、接叠电路设计、数据缓冲设计、p c b 电路设 计与e m c 等各个方面，详细叙述图像处理板硬件系统的开发流程。 2 1 图像处理板总体设计 硬件设计的目标为实现一块应用于声纳系统的声纳图像处理卡，硬件部 分为一块符合p c i 总线规范的处理设备，该设备提供了声纳图像采集同水上 主机之间的硬件连接和实时处理的接口。 硬件系统框图如隧2 。重所示： 图2 1 硬件系统框图 该图像处理卡以片f p g a 为主处理芯片，它承担着对采集设备上传的 声纳图像数据的处理任务，与此同时，f p g a 还控负着对p c i 总线接墨芯片、 两片板级动态随机存储器、扩展接口芯片等器件的逻辑控制。 数据流为：声纳图像数据从光纤或同轴电缆输入，该数据速率依不同声 纳设备而异。数据在f p g a 的控制下，通过两片s d r a m 进行乒乓缓冲，在 f p g a 处理之后，经由p c i 总线上载至p c 机进行存储或进一步处理。 数据经由s d r a m 进行乒乓缓冲：数据首先被存入s d r a m 。a 中，待 s d r a m a 存满或达到一定容量时将后续数据存入s d r a m b 中，与此同时 f p g a 对s d r a m a 中的数据进行处理；处理完华后将数据回传至a 中暂存， 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f p g a 转为处理b 中的数据，运算结果送回b 中暂存，与此同时将a 中暂存 的数据进行上传，完毕后上传b 中的数据。如此完成了一个数据收发周期的 操作。 需要注意的是，这个过程中，p c i 局部总线的利用率取决于主机p c i 总 线的占用情况，还取决于f p g a 的处理速度，如果f p g a 的处理加上结果的 暂存速度高于一片s d r a m 的数据下载速度，则可以认为f p g a 对局部总线 的传输没有瓶颈作用。处理与传输速度恰好匹配的效果如图2 2 所示： 数据输入 f p g a 动作 数据上载 下载到a下载到b下载到a 处理b 中数据处理a 中数据处理b 中数据 上传b 数据上传a 数据上传b 数据 同 i一 图2 2 数据处理与传输协同示意图 由此一来，如果要确保数据传输和处理的速度匹配，f p g a 的处理速度 就成为了数据流中关键的一环。 2 2f p g a 器件的选择 在本设计中，硬件系统控制和运算的绝大部分工作都是通过f p g a 编程 实现的，它完成了几乎全部的逻辑控制功能，数据的运算和传输亦然。它不 仅提高了设计的效率，而且简化了设计的过程，f p g a 正愈发强势地展现着 数字信号处理算法实现的一个新方向。 f p g a 即现场可编程门阵列惮1 ，是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的 缩写，它是一种新型的高密度p l d ，采用c m o s s r a m 工艺制作。f p g a 其 内部由许多独立的可编程逻辑模块组成，逻辑块之间可以灵活地相互连接。 f p g a 作为专用集成电路a s i c 领域中的一种半定制电路，既解决了定制电 路结构和功能上的不足，又克服了原有可编程器件门电路资源有限的缺点。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在数字电路设计中，开发者既可以通过传统的原理图输入法，也可以利用 h d l 语言进行设计开发。软件仿真可以在设备生产之前预先验证设计的正确 性。在p c b 完成以后，还可以利用f p g a 的在线修改能力，随时修改设计而 不必改动硬件电路。由此一来，设计时间和p c b 面积资源可以得到大量节约， 开发速度得以提高， 2 2 1f p g a 同其他处理器的比较 单片机一1 是集成了c p u ，r o m ，r a m ，和i o 口的微型计算机。它有很 强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器( m c u ) 。 d s p 又叫数字信号处理器研。顾名思义，d s p 主要用于数字信号处理领 域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。现在已经广泛应 用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医 疗设备等领域。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设 计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器，基本是3 2 位单片机的 行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，四个 功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。 然而f p g a 作为可编程器件，具有如下特点2 。： 1 修改软件程序即可改变硬件：由于f p g a c p l d 可以通过软件编程对 该硬件的结构和工作方式进行重构，修改软件程序就相当于改变了硬件，这 是非常有用的。软件可以使用自顶向下的设计方案，而且可以多个人分工并 行工作，这些年来i p 核产业的崛起，将若干软核结合起来就可以构成一个完 整的系统，这一切极大地缩短了开发周期和上市时间，有利于在激烈的市场 竞争中抢占先机。 2 速度快，可靠性高m c u ，d s p ，a r m 都是通过串行执行指令来实现 特定功能，不可避免低速，而f p g a c p l d 则可实现硬件上的并行工作，在 实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面，f p g a c p l d 器件在功能开 发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。而m c u ， d s p ，a r m 芯片在强干扰条件下，尤其是强电磁干扰下，很可能越出正常的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工作流程，出现p c 跑飞现象。e d a 的高可靠性克) l i t 它们这先天不足。 2 2 2f p g a 的选择及配置方案 系统丰富的外围设备、大量数字信号运算和大量内部数据缓存等特点要 求了所选f p g a 有丰富的i o 、d s p 核、比较丰富的m e m o r y 资源以及比较离 的性价比等特点。 v i r t e x - 4 系列转越f p g a 是x i l i n x 公霹新近推出的，将高级硅片组合模块 ( a s m b l t m ) 架构于种类繁多的功能相结合，大大提高了可编程逻辑设计能 力。v i r t e x 。4 器件是用于高性麓设计的理想平台，其逻辑结构及内建模块都 可工作在5 0 0 m h z 的时钟频率。例如，在逻辑结构利用查找表( l o t ) 实现的 许多功能，如计数器、加法器和存储( r a m r o m ) 等都可在此时钟速率下运行。 内建的模块( 存储器和d s p ) 也被设计为可在同样的速度下运行。选择该系列 f p g a 基于其以下几个功能结构特点1 1 引： 1 逻辑结构：v i r t e x 。4 逻辑元件壶一个4 输入l u t 和个触发器，具有 独特的r a m 模式提供了非常高效的小型存储器结构。 2 d s p 性能：v i r t e x - 4 提供了比其它器件趸多的d s p 专用模块，具有 1 8 x 1 8 位乘法器、4 8 位累加器、用于复数乘加运算的集成加法器。 5 0 0 m h z x t r e m e d s p 模块( s l i c e ) n - l 提供更高的性能、更低的功耗、以及功能更 多的运算单元。 3 。片上r a m ：每个v i r t e x - 4b l o c kr a m 可存储1 8 k b 的数据，内置流水 线可以保持5 0 0 m h z 时钟，可以字节为单位写入，独特的可配置f i f o 和r a m 结构。 霹。数字时钟管理模块( d c m ) ：精密耐钟去歪斜和相移，灵活的频率组合， 配套相位时钟分频器模块，增加了相移监测器。 5 。s e l e c ti o 技术：广泛的f o 标准选择范围，低电容影o ，高达6 0 0 m b s 的h s t l 和s s t l 、1 g b s 的l v d s ，支持d d r 、d d r 2 、q d r l l 和r l d r a m i i 等存储器接口。 本设计选用了该系列f p g a 的x c 4 v l x l 5 型号，该型号f p g a 含有1 3 8 2 4 个逻辑单元，8 6 4 k b 的b l o c kr a m 资源，4 个d c m ，3 2 个x t r e m e d s ps l i c e ， i o 资源3 2 0 。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 基于s r a m 工艺f p g a 都需要在每次上电后对f p g a 进行配置编程。 v i r t e x 4 f p g a 的基本配置方式有三种：主动串行方式( a c t i v es e r i a l c o n f i g u r a t i o n ) ，被动串行方式( p a s s i v es e r i a lc o n f i g u r a t i o n ) ，j t a g 方式4 1 ： 另外，针对x c f x x p 系列f l a s h 芯片，还具有两种并行配置模式：主动并行 方式( m a s t e rs e l e c t m a pm o d e ) ，被动并行方式( s l a v es e l e c t m a pm o d e ) 。本设 计中采用了主动并行方式和j t a g 方式两种配置方式。主动并行方式的配置 在系统上电后由目标f p g a 来主动输出控制和同步信号给专用的配置芯片， 自动加载相应配置芯片的内容，完成配置过程。j t a g 配置方式在系统掉电 后，配置的内容丢失，主要用于系统的在线调试。f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的r a m 进行编程。 加电时，f p g a 芯片将f l a s h 中数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够反复使用。 2 3 总线接口选择与设计 2 3 1p c i 总线 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t1 1 l t e r c o i u l e c t ) 意为“外部设备互连习”，i n t e l 公司 于1 9 9 1 年提出了p c i 总线概念，随后，i n t e l 联合i b m 、h p 等多家公司于1 9 9 3 年联合提出了p c i 总线标准，目前p c i 规范己经修订到2 3 版本。 p c i 总线是一种高性能的局部总线，其总线宽度是3 2 位，可以升级到6 4 位宽度，地址数据总线复用、可重复猝发读写，并具有访问延迟时间短的特 点。目前p c i 总线工作在3 3 m h z 上，传输率为1 3 2 m b s ，而2 0 0 1 年提出的 2 3 版p c i 规范支持6 4 b i t 位宽、高达1 3 3 m h z 的总线传输速率可高达 1 0 6 4 m b s 。 p c i 总线支持数据线性突发传输方式，可确保总线不断满载数据，减少 无谓的地址操作。总线设计有配置空间，用来存储p c i 总线设备的信息，因 此p c i 总线支持设备的即插即用。并且p c i 总线与处理器无关，它的占用权、 仲裁权不是由c p u 管理，而是由专门的p c i 芯片组完成。同时，p c i 总线具 有存储器管理功能，任何c p u 要访问共享存储器都必须经过p c i 总线的允许。 另外，p c i 具有良好的扩展性。如果需要把许多设备连接到总线上，而 1 0 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 总线驱动能力不足时，可以采用多级p c i 总线连接，这些总线上都可以挂接 设备。并且p c i 总线支持5 v 和3 3 v 工作电压，将来可达到2 7 v ，增强了扩 展卡的灵活性和通用性q 。 2 3 2p c i 总线接口芯片选择与应用 接口电路作为p c i 总线同设备进行通讯的桥梁7 1 。连接p c i 总线的设备 根据在数据交换中的地位，可以分为主设备和从( 目标) 设备两类。目前， 实现p c i 接口的方案大体分为：可编程逻辑器件( f p g a 等) 和专用的接口芯片 两种。 由于p c i 总线接口对信号的同步性要求很高，并且还必须有许多配置寄 存器。使用可编程器件开发的周期长，难度也较大，对于一般的应用来说， 通常采用专用接口器件，不失为一种经济而高效的好方案丌。通用的p c i 接 口芯片不仅能够极大减少开发时间、降低成本，使用这些专用p c i 接口芯片， 设计者只需要使用地址线、数据线以及少数几个读写控制信号，就能实现p c i 总线与p c i 用户设备之间的连接。 c y 7 c 0 9 4 4 9 p v a c 川( 以下简称为9 4 4 9 ) 是c y p r e s s 公司推出的p c i d p 系列的p c i 接口控制器，它提供了的p c i 主从接口可使之与众多流行的微处 理器直接相连接。9 4 4 9 内部配备了大量共享资源，便于p c i 总线同局部总线 的数据交换，值得一提的是9 4 4 9 内部1 6 k b 的双口r a m ，这片r a m 既可 以被p c i 总线访问，又可以被本地设备访问到。该新器件支持p c i 2 3 版本规 范，因此可以做为p c i 总线的主设备，在不需要c p u 参与的情况下，通过 d m a 将双口r a m 的数据发送到p c 机的物理内存，又可以从p c 机物理内 存中以d m a 方式将数据读入到片内的r a m 中去。此外，9 4 4 9 内部有4 个 f i f o 单元同样可以被两侧的总线访问到，当1 2 0 消息功能启动时，这4 个 f i f o 和资源邮箱寄存器、1 2 0 中断寄存器都可以实现消息的传递。c y 7 c 0 9 4 4 9 结构如图2 3 所示： 啥尔滨工程大学硬士学位论文 - _ _ _ _ 、 1 2 8 k b 毅强j 壹如钶 ， 卜 奠 广1 、r _ 1 西 硒， 线 钯接 令= = = 刊；：。溺怒；专臻孽元降= = = 专 颡翻 瓣 总池 爿掇搏奄存瑟瑟s 线 ! 。 o 版 匿2 3c y 7 9 4 9 p v a c 基本结构框鍪 9 4 4 9 提供的双口删是一种同步r a m ，即所有的存取等操作都是在唯 一的时钟信号盼触发沿实现的，上升沿到来时检测时穿电路中的各个控制信 号的状态，判断主、从设备是否准备好数据的传输，进而控制完成数据的读、 写操作。图2 4 给出了个基本的b u r s t 读操作的时序逻辑框图： 0 ：兰= f 。b w ：1 0 。0 d 0 0k y 垤。择1 1 1 5 0 j l 广一_ 莎n 广_ 、 7 _ 、 、r 、飞 ，、 、，o 1 ，= )厂 ， 、l | ll f ，|l 、一 ，|厂 lr - - (懵擗 x ，互x ) 匹# x = ) (xr 百互) c j ，i 。 x ，_ _ xx ，一x 。 图2 4c y 7 c 0 9 4 4 9b u r s t 读操作时序图 从上图中可以看出，操作时序是以c l k i n 为控制基准的( 9 4 4 9 支持最 大频率为5 0 m h z ) 。基本的本地处理器总线传输一个地址期、以及若干数据 期组成。接口信号通常分为地址期信号( a l e ，s t r o b e # ，s e l e c t # ，r e a d # ， w r i t e # _ 以及a d r 1 4 ：2 ) 和数据期信号( r d y i n 誊，r d y _ i n ，b l a s t # ， 啥尔滨工程大学硕士学位论文 b e # 3 ：0 】以及d q 3 1 ：0 ) 。9 4 4 9 驱动r d yo u t # 来发出本地处理器总线的等 待状态信号，著且在9 4 4 9 的读操作时也作为d q 3 1 ：0 数据线有效的标志位。 注意到9 4 4 9 的一些局部总线信号是低电平有效的：6 此，s t r o b 酣，b l a s t # ， r d y o u t # ，并且r e a d # 和w r i t e # 也有一些特殊的组合使用方式，在本设 计中没有使用r e a d # 信号，只使用w r i t e # 的高低来控制读写操作。在整个 数据的操作期间，s e l e c t # 信号必须始终保持有效。 地址期后是等待期和数据期，当c l k i n 的上升沿时，如果r d yi n 纸 r d y i n 和r d yo u t 都有效就进入数据期；反之当c l k i n 的上升沿时， 如果r d yi n # ，r d yi n 和r d yo u t 任簿一个无效，就进入等待麓，直到 它们全有效再进入数据期。若要中止数据传输，首先将b l a s t # 置o ，这标 志着露前传送的数据是最后一个。 2 4 同步动态随机存储器 常见的存储器分为只读存储器r o m ( r e a do n l ym e m o r y ) 和读写存储器 r a m ( r e a da c c e s sm e m o r y ) 有些地方r a m 也称为r w m ( r e a dw r i t em e m o r y ) ， 因为r w m 读的时候不好发音，逐渐被r a m 这一稼呼所取代。现在市面上 常见的可读写存储器根据存储结构划分，有s r a m ( 静态存储器) 和s d r a m ( 同步动态存储器) 两种。不丽速度的存储器的操作方式有很大的区别明。 2 4 1s d r a m 结构 s r a m 在所有的存储器中速度最快、工馋最稳定、操作起来瞧最方便， 但是由于其成本非常高，一般静态存储器只适用于存储容量小，存储速度疆 求高的场合。两s d r a m 相对于s r a m 成本低很多，随着技术的进步，s d r a m 的速度越来越快，容量越来越大，稳定性也越来越好。如果使用的时候调度 待当，也能达到很高的数据通讯速率。这些特点使其在p c 和消费类电子产 品中得到了极其广泛的应用。 本设计选择的w i n b o n d 公司的w 9 8 1 2 g 6 g h 的结构见下图： 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5s d r a m 结构图 s d r a m 主要接口叫1 如下： 1 时钟接口：c k e ，c l k c l k 接口为s d r a m 提供同步信号，该信号由f p g a 提供的系统时钟驱 动。s d r a m 内的控制和数据信号都以此时钟为基准；c k e 为c l k 使能信号， 当c k e 为低时，时钟信号无效并且s d r a m 进入省电模式。 2 命令接口：c s # ，w e # ，c a s 撑，r a s # c s # 是片选信号，如果为高，则s d r a m 所有信号都是无效的；w 酣，c a s # ， r a s # 的组合信号配合地址线的编码描述了所有对s d r a m 的命令。 3 地址接口：a 0 - 1 1 ，b s 0 ，b s l 本设计采用的是2 m bx4 b a n k sx1 6 b i t 结构。在芯片设计时，为减少 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接口引脚的数量，对地址采用分时复用的方式；系统利用b s 0 ，b s l 两条线 选择对哪个b a n k 进行操作。 4 数据接口：d 0 0 1 5 ，u d q m ，l d q m 1 6 b i t 数据线，每8 位配一根d q m 信号，该信号在数据i o 时对该8 位 数据完成屏蔽控制，可以避免数据i o 发生错误。 5 其他接口 数字高电平、数字低电平、电源接口、地线接口等，为了将来扩展方便， 还留有若干悬空接口。 2 4 2s d r a m 的逻辑设计 s d r a m 的基本逻辑动作如下： 1 上电初始化 首先加载v c c 和v c c o ；完成上电后的2 0 0 微秒时间里，s d r a m 处于 初始化停顿状态，随后所有b a n k 进行预充电。 2 设置模式寄存器 c s # ，w e # ，c a s # ，r a s # 信号在系统时钟的上升沿时采到低电平，则激活 模式寄存器设置命令。详细设置需要地址总线接口参与，并参考芯片手册。 3 b a n k 激活 在读写操作开始之前，必须完成b a n k 激活操作。被激活的行地址由地 址线确定，具体激活哪个b a n k 由b s 0 和b s l 确定。一个b a n k 的一行被 激活之后必须经过预充电关闭该行之后才能继续激活同一b a n k 的另一行。 4 读写操作 b a n k 激活之后，由w e # 的电平高低确定操作是读是写。在己激活的 b a n k 内读写不同行时，该b a n k 必须经过再次执行b a n k 激活命令以及 一次预充电；当多个b a n k 被激活时，就可以执行b a n k 交叠读写。 5 预充电 用于关闭一个已经打开的行，并指令该行在t 。，时间之后回到空闲状态。 6 自动刷新 由于s d r a m 是采用电容方式存储数据，为了不让数据因为电容放电而 丢失，必须在信号减d , n 不可分辨之前读出，再重新写进去。每次间隔为6 4 哙尔滨工程大学硕士学位论文 毫秒，本设计采用的s d r a m 由于有1 2 根行地址线，因此需要在6 4 毫秒期 闻刷耨如9 6 次。 7 自刷新 有别于麴动刷新，该操侔是当外部时钟不工作时，存储器进行自刷新用 以保存数据的一个手段。此时s d r a m 依靠自己内部产生的时钟进行计数工 作。 2 5p c b 设计与e m i 控制 2 。5 王元器件布局 元器件布局是设计p c b 的一个重要环节，它的好坏可以直接影响p c b 的布线效果，正确布局不但可以增加p c b 的视觉美感，还可以提高产品的电 磁兼容水平。布局一般来说可分为自动布局和手工布局两种，自动布局利用 e d a 软件进行布局；手工布局是由电路设计人员人工进行，在进行整体东揭 时要遵循以下的原则嘲蠲： 1 低电平信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线，包括能 产生瞬态过程的电路 2 应该将低电平的模拟电路和数字电路分开 3 。高、中、低速逻辑电路在p c b 上要采用不同的区域安排 4 按照电信号的流向来安排各功能电路单元位置，便于信号流通并尽可