（控制理论与控制工程专业论文）基于niosⅡ的指纹识别系统应用研究.pdf

摘要 指纹识别是生物识别技术的一种，因其具有唯一性、稳定性、不可复制等特性， 现已发展成为应用最广泛的生物识别技术之一。随着信息技术飞速发展，人们对小型 移动式电子设备的安全性要求的同渐提高，指纹识别技术的应用研究成为当前热点问 题。传统的自动指纹识别系统移动性差、功耗体积大，由于指纹识别算法复杂、运算 量大、对系统性能要求较高，这些都限制了其向嵌入式系统移植，无法满足实际需求。 因此，研究满足嵌入式应用环境下的指纹识别系统具有现实意义和广阔的应用空间。 针对以上所述，本论文提出了一种基于f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 硬件平台的指纹识别系统设计方案。a l t e r a 公司的n i o si i 处理器是用于可编程逻辑器 件的可配置软核处理器，与a l t e r a 的低成本c y c l o n ef p g a 组合，具有很高的性价比。 同其它硬核系统相比n i o s l i 软核具有独特优势，n i o s i i 系统充分体现了s o p c ( s y s t e m o nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术思想，它配置灵活，适应性强。本文利用n i o s l i 软核 处理器的特性进行指纹识别系统的设计与实现，研究工作主要包括以下几方面： 1 概述了指纹识别技术发展现状，论述了嵌入式系统及其新技术发展趋势。在比 较了几种目前流行的嵌入式处理器各自特点的基础上，确立本课题研究的目标，采用 n i o s l i 软核处理器作为控制核心，实现嵌入式自动指纹识别系统。 2 对基于n i o si i 的指纹识别系统进行系统硬件及软件设计。系统硬件设计，主要 包括指纹采集传感器接口电路、外围接口电路、s o p c 系统生成等。系统软件设计， 主要包括指纹图像数据采集、指纹图像预处理算法实现、细节特征点提取、指纹匹配 虚盘 守。 3 深入研究现有指纹图像预处理识别算法。使在p c 机上经过验证的指纹识别算 法程序向n i o s l i 嵌入式系统移植，实现系统级设计和功能验证。对算法过程中的重复 性运算逻辑，使用n i o si i 定制指令和硬件模块复用加速算法的运行，优化系统整体 性能。 关键词：指纹识别、指纹图像预处理、定制指令、n i o s i i 、s o p c - i a b s t r a c t f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sa k i n do fb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y i th a sb e e na p p l i e dw i d e l ya sam o d e r nt e c h n o l o g yi nb i o m e t r i c sb e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e s o fu n i q u e n e s s ，u n i v e r s a l i t y , i r r e p r o d u c i b i l i t y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h ea p p l i e dr e s e a r c ho ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nh a sb e c o m ea h o ti s s u ew h i l e t h er e q u i r e m e n to fs a f e t yi nm i n i - e q u i p m e n ti si n c r e a s i n gd a yb yd a y t h et r a d i t i o n a l f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a i t i o ns y s t e mh a st h ed i s a d v a n t a g e so fp o r t a b i l i t ya n dc u b a g e i t s a l g o r i t h mi sc o m p l i c a t e d i th a sal a r g ea m o u n to fc o m p u t a t i o na n dh i g h e rp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so nt h es y s t e m a l lt h e s er e s t r i c tt h et r a n s p l a n t a t i o n o fa l g o r i t h mt ot h e e m b e d d e ds y s t e ma n dc o u l d n tm e e tt h ea c t u a ln e e d s t h a tp r o v i d e sah u g em a r k e ti nt h e r e s e a r c ho fe m b e d d e df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m f o rt h ea b o v e ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a i t i o na l g o r i t h mb a s e do n f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) a l t e r a sn i o si ip r o c e s s o ri sac o n f i g u r a b l es o f t c o r ep r o c e s s o rw h i c hc a nb eu s e db yap r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e t h en i o si ip r o c e s s o r c a no b t a i nh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t ，w h i c hp o r t f o l i o sw i t ht h es h o r td e v e l o p m e n t c y c l ea n dl o w c o s tc y c l o n e i if p g ao fa l t e r a c o m p a r e dw i t ho t h e rh a r d c o r e s y s t e m s , n i o si i s o f t c o r eh a sp a r t i c u l a ra d v a n t a g e s n i o si is y s t e m 向l l ye m b o d i e st h e s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) t h i n k i n g t h ea d v a n t a g ei so f i t sn e x i b i l i 谚a n d a d a p t a b i l i t y t h i sp a p e ru s e st h ep r o p e r t i e so fn i o si i s o f t , - c o r et od e s i g nf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a i t i o ns y s t e m i ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 i to u t l i n e st h ed e v e l o p m e n to ft h ef i n g e r p r i n tj i d e n t i f i c a i t i o na n dd e c l a r e st h e t e n d e n c yo ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n di t sn e wt e c h n o l o g y i nc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ep r e v a l e n te m b e d d e dp r o c e s s o ra tp r e s e n t ，w ee s t a b l i s ht h er e s e a r c hg o a lo ft h i st o p i c a n dd e c i d et od e s i g nf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a i t i o ns y s t e mb a s e do nn i o si is o f t - , c o r ep r o c e s s o r 2 i td e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a i t i o ns y s t e mb a s e do n n i o si i t h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g nm a i n l yi n c l u d e si n t e r f a c ec i r c u i to ff i n g e r p r i n t g a t h e r i n gs e n s e r ，p e r i p h e r yc i r c u i ta n dt h es o p cs y s t e m sg e n e r a t i o ne t c t h es y s t e m s o f t w a r ed e s i g nm a i n l ya c c o m p l i s h e st h ef i n g e r p r i n td a t ag a t h e r i n g ，, t h ep r e p r o c e s s i n go f f i n g e r p r i n ti m a g e , t h ea b s t r a c t i o na n dm a t c h o fd e t a i lf e a t u r ep o i n ta n ds oo n 3 b a s e do nt h er e s e a r c ho ff i n g e r p r i n ti m a g ep r e p r o c e s s i n gi d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m e x i s t i n g ，t h ep r o c e d u r eo ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a i t i o na l g o r i t h mw h i c hi sv e r i f e do np ci s t r a n s p l a n t e dt on i o si ie m b e d d e ds y s t e m i tr e a l i z e st h es y s t e m l e v e ld e s i g na n d f u n c t i o n a l v e r i f i c a t i o n b ya d o p t i n gt h en i o si i c u s t o mi n s t r u c t i o n sa n dr e u s i n gt h eh a r d w a r e m o d u l e ，i tq u i c k e n sr u n n i n gr a t eo ft h er e p e t i t i v ea r i t h m e t i cl o g i ci nt h ea l g o r i t h ma n d o p t i m i z e sh o l i s t i cc a p a b i l i t yo f t h es y s t e m k e y w o r d s ：f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，f i n g e r p r i n ti m a g er e p r o c e s s i n g ，, c u s t o mi n s t r u c t i o n s ， n i o s i i ，s o p c i i - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得内蒙古科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：牢筠! 么塞 日期：丝翌2 ：笸。! z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、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；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：翌鱼：强导师签名：童兰查日期：塑2 乏：兰兰 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 指纹识别技术概述 ， 随着网络与通信技术的飞速发展和人类物理与虚拟活动空间不断扩大，现代社会 对于人类自身身份识别的准确性、安全性与实用性提出更高要求。传统的身份识别方 法已经远远不能满足这种要求，人类必须寻求更为安全可靠、使用方便的身份识别 “新 的途径。于是，生物识别悄然兴起，并应运而生成为一种新的身份识别技术。 随着计算机与信息技术的不断发展，生物特征识别技术n 3 1 的研究受到了广泛的关注 和探讨。其中，指纹自动识别h 5 1 是当前最热门的生物识别技术研究与应用内容之一。 在众多的生物识别技术中，指纹识别技术以方便易用、高准确率和低成本等诸多优势 备受关注，已经成为身份认证3 的最有效手段，在电子商务m 、犯罪识别跚、信息安 全呻1 等领域得到广泛的应用。由于每个人的指纹具有唯一性，终身不变，因此指纹识 别是代替传统身份识别手段的最安全、最可靠、最方便的方法之一。 指纹n 们是指手指末端正面皮肤上凹凸不平产生的纹路，这些皮肤的纹路在图案、 断点和交叉点上是各不相同的，在信息处理中将它们称作“特征”。这些特征每个人、 每个手指都是不同的，而且这些特征自出生之日起终生不变这就是指纹的唯一性 和稳定性。基于指纹的这两个特性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过 比较他的指纹特征和预先保存的指纹特征，验证他的真实身份，因此便产生了指纹识 别技术。 指纹识别技术1 就是利用光电、模式识别和计算机图像处理技术，对活体指纹进 行采集、分析和比对，从而自动、迅速、准确地鉴别出个人身份。它是众多生物识别 技术中起步最早的n2 1 、最为实用的技术。由于指纹具有终生不变、不可丢失、唯一性 的特点，不存在损坏、丢失或替代等问题，所以指纹识别技术是目前最安全、最可靠、 最经济的身份识别和鉴定办法之一，它己广泛应用于公安、金融、证券等许多领域， 是极具法律效力的验证手段n3 1 ，同时也是目前技术最为成熟、实现最为简单的生物识 别验证技术。 1 2 国内外技术现状 近年来，国内外学者对自动指纹识别技术进行了深入和广泛的研究，取得了较大 的进展，研究的重点主要集中在如何提高识别的准确率和速度n 钊。目前，已经有很多 自动指纹识别的产品面市，并开始逐步在管理、门禁、金融、公安和网络安全等领域 得到应用。以指纹为代表的生物识别技术的发展和应用，不仅可以开发相关的系列产 品，获得巨大的经济效益，还可以带动图像处理n 羽、模式识别n 制、光学、电子、生理 内蒙古科技大学硕士学位论文 学和计算机应用等相关学科的发展，具有很高的学术价值，会产生巨大的社会效益。 以指纹为代表的生物识别技术的发展和应用已被公认将会给身份识别领域带来一场 革命，并已经成为各国学术界和工业界研究的热点之一【1 7 ，1 8 1 。 目前，基于通用p c 机进行指纹识别的技术已经很成熟，并且已经开始大规模推 广n 9 1 。许多大公司有专门的机构从事该项技术的研究、开发、应用，包括i b m 、i n t e l 、 m i c r o s o f t 、d i g i t a l p e r s o n a 、i d e n t i x 、m o t o r o l a 、韩国现代、朝鲜培富士、法国t h o m s o n c s f 、台湾a e t e x 公司、v e r i d i c o m 、b a c 等啪1 。在技术上，基于w i n d o w s 操作 系统的指纹识别软件和通过u s b 接口瞳u 与p c 机相连的指纹采集器已经非常普遍。 另一方面，基于嵌入式系统口乞z ”的指纹识别技术，无论是在硬件设计还是算法软 件方面都才刚刚起步，在p c 机上性能优秀的算法并不一定就能简单的移植到嵌入式 系统中。然而，便携式设备的推陈出新，指纹识别技术在今后将被更多的应用于嵌入 式设备。因此，基于嵌入式平台 2 印实现指纹识别对于拓展嵌入式系统的应用领域， 让指纹识别从依赖于p c 机向脱机使用以及提高系统灵活性、实时性、性价比都具有 重大意义。 1 3 课题研究内容 近几年，随着电子商务迅速发展和消费类电子产品的广泛普及，越来越多的领域 需要用到指纹识别系统。虽然基于d s p 口引、a r m 汹1 的独立式指纹识别系统已经成功 应用在考勤、门禁、安检等领域，但由于目前消费类产品( 如手机、p d a ) 的日趋小型 化，而人们对此类移动设备的安全性的要求不断提高，现有的指纹识别系统移动性较 差、体积较大的缺点就显现出来，已不能满足人们的实际需要。因此指纹识别产品不 断向便携式、小型化发展，而社会对于这类产品的需求也是不断加大。所以研究应用 在这些小型消费类产品中的指纹识别系统，将具有很强的现实意义和广阔的市场空 间。 随着现代电子设计技术的飞速发展，各种新器件、新技术层出不穷，为电子设计 工程师们提供了更为便捷、高效的设计思路和设计方法。其中最具代表性的是e d a 技术凹1 的逐渐普及和广泛应用，为设计师们降低技术难度、缩短设计周期提供了更为 便捷的设计工具和实现手段。本课题希望在深入研究指纹识别算法的基础上利用基于 f p g a 的s o p c 技术提出一套自动指纹识别系统的设计方案，希望该方案能够充分发 挥s o p c 技术优势，实现指纹识别系统功能，最终达到用f p g a 实现嵌入式指纹识别 系统设计。 基于上述目标，本课题研究的主要工作包括： 1 深入了解指纹识别处理过程，分析满足嵌入式应用环境下的系统需要，提出一 套基于f p g a 的指纹识别系统设计方案。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 搭建硬件电路平台，设计并验证各部分功能模块，分步实现指纹识别系统功能， 最终实现指纹识别系统设计。 3 在f p g a 硬件平台搭建的n i o s l i 嵌入式系统上，移植指纹识别算法，对某些算 法中的重复性运算采用h d l 硬件描述语言实现，发挥f p g a 硬件资源优势，实现算 法硬件化处理。其目的是期望用其并行处理优势提高系统的处理和响应速度。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 指纹识别及其相关技术介绍 2 1 指纹识别的基本原理 生物识别技术( b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ) 是利用人体生物特征进行身 份认证的一种技术。常见的生物识别技术主要有指纹、脸型、虹膜、视网膜、手写体、 声音、掌纹、手形和脸部热谱图9 种。其中指纹识别是生物识别技术中最为人们所关 注、最为成熟的技术之一。近年来，国内外学者对自动指纹识别技术进行了深入和广 泛的研究，取得了较大的进展，研究的重点主要集中在如何提高识别的准确率和速度。 目前，已经有很多自动指纹识别的产品面市，并且开始逐步在企业考勤、门禁、金融、 公安和网络安全等领域得到应用。 自动指纹识别系统的工作模式可以分为2 类：验证模式( v e r i f i c a t i o n ) 和辨识模 式( i d e n t i f i c a t i o n ) 。验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进 行一对一的比对( o n e t o o n em a t c h i n g ) ，来确认身份的过程。辨识则是把现场采集到 的指纹同指纹数据库中的指纹逐一比对，从中找出与现场指纹相匹配的指纹，这也叫 做“一对多匹配( o n e t o m a n ym a t c h i n g ) ”。自动指纹识别系统的工作模式过程如图 2 1 所示。指纹识别算法体系主要包括指纹图像采集、图像数据预处理、指纹特征提 取与匹配几个部分组成。 指纹采集的过程本质上是指纹成像的过程。其原理是根据嵴与峪的几何特性、物 理特征和生物特性的不同，以得到不同的反馈信号，根据反馈信号的量值来绘成指纹 图像。 图2 1 自动指纹识别验证和辨识过程框图 4 内蒙古科技人学硕十学位论文 指纹传感器。州( 又称指纹s e n s o r ) 是实现指纹自动采集的关键器件。指纹传感器 按传感原理，即指纹成像原理和技术，分为光学指纹传感器、半导体电容传感器、半 导体热敏传感器、半导体压感传感器、超声波传感器和射频r f 传感器等。 1 ) 光学指纹采集技术。其原理是利用光的全反射( f t i r ) ，成像区域大，功耗 高，成本高。 2 ) 超声波指纹采集技术，它被认为是指纹采集技术中最好的一种，获取的图像 是实际指纹纹路凹凸的真实反映，图像质量非常好，但成本很高，目前还处于实验室 研究阶段。 3 ) 半导体指纹采集技术，根据采用传感器的不同，可分为3 种：硅电容指纹传 感器，通过电子度量来捕捉指纹图像；半导体压感式传感器，指纹的外表地形( 凹凸) 压在具有弹性的压感介质材料，转化为相应的电子信号，产生具有灰度级的指纹图像； 半导体温度感应传感器，通过感应压在设备上较近脊线和较远谷线的温度的不同获得 指纹图像。半导体指纹采集优点是成像区域小、功耗低、成本低、集成度高，更适合 于嵌入式应用环境的指纹采集及其识别，是目前最为流行的指纹采集技术。 大规模集成电路技术的快速发展，对人们设计更小化、更智能的传感设备提供了 条件。半导体电容采集技术就是一个芯片式的集成电路。在不足0 5 平方厘米的面积 上，可以布满成千上万个半导体阵列以及相关控制电路和接口电路。 半导体电容式指纹采集的原理是根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成 的电容值大小不同，来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其工作过程是通过对每个像 素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半导体电容传感器表 面上，因为峭是凸起的、峪是凹下，根据电容值与距离的关系，会在嵴和峪的地方形 成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同，所以 其放电的速度也不同。嵴下的像素( 电容量高) 放电较慢，而处于峪下的像素( 电容量低) 放电较快。根据放电率的不同，可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹图像数据。 指纹采集器采集到的指纹是低质量的、存在较多噪声的指纹图像。通过指纹图像 预处理，将采集到的指纹灰度图像通过滤波、方向图计算、二指化、细化等操作转化 为单像素宽的脊线线条二值图像，基于此二值图像对对指纹的中心参考点，以及细节 特征等进行提取。指纹图像预处理是自动指纹识别系统基础，是进行指纹特征提取和 指纹识别不可缺少的重要步骤。好的预处理方法可以使得到的二值图像更接近被提取 者的指纹，能够更准确地反映被提取指纹的特征。 指纹的特征点分为全局特征( 如奇异点、中心点) 和局部特征( 指纹细节点) 。 指纹的细节特征可以有1 5 0 种之多，但这些特征出现的概率并不相等，很多特征是极 其罕见的。一般在自动指纹识别技术中只使用两种细节特征：纹线端点与分叉点。大 量统计结果和实际应用证明，这两类特征点在指纹中出现的机会最多、最稳定，而且 内蒙古科技人学硕士学位论文 比较容易获取。更重要的是，使用这两类特征点足以描述指纹的唯一性。通过算法检 测指纹中这两类特征点的数量以及每个特征点的类型、位置和所在区域的纹线方向是 特征提取的任务。 指纹匹配是通过对2 枚指纹的比较确定它们是否同源的过程，即2 枚指纹是否来 源于同一手指。指纹匹配主要是依靠比较2 枚指纹的局部特征和相互关系决定指纹的 唯一性。 随着指纹识别产品的开发和生产，指纹识别技术应用己非常广泛，遍及诸多领域。 主要用于个人身份鉴定，可广泛用于考勤、门禁控制、p c 登录认证、私人数据安全、 电子商务安全、网络数据安全、身份证件、信用卡、机场安全检查，刑事侦破与罪犯 缉捕等，它的推广将具有很大社会效益和经济效益，具有广阔的市场应用前景。随着 计算机技术的飞速发展，其应用范围将越来越广泛，因此，有必要对其进行深入研究， 开发出更加高效、实用。安全的新型指纹自动识别系统。 2 2 嵌入式系统 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当前最热门、最有发展前途的i t 应用领域之 一。嵌入式系统用在一些特定专用设备上，通常这些设备的硬件资源( 如处理器、存 储器等) 非常有限，并且对成本很敏感，有时对实时响应要求很高等。特别是随着消 费家电的智能化，嵌入式系统更显重要。像我们平常见到的手机、p d a 、电子字典、 可视电话、m p 3 播放器、数码相机( d c ) 、数码摄像机( d v ) 、机顶盒、智能玩具、 交换机、数控设备、或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等 都是典型的嵌入式应用系统1 1 。 所谓嵌入式系统，实际上是“嵌入式计算机系统 的简称，是相对于通用计算机 系统而言的。根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义：嵌入式系统是用来控制 或监视机器、装置或工厂等的大规模的设备。此定义是从应用方面考虑的，嵌入式系 统是软件和硬件的综合体，是软件和硬件设计的完美结合。国内一般定义为：以应用 为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗有 严格要求的专用计算机系统。广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称 为嵌入式系统，如各类单片机和d s p 系统。但由于它们没有操作系统，管理系统硬 件和软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。我 们现在所说的嵌入式系统主要是指那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，并将操作 系统嵌入进去的嵌入式系统。 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，因此嵌入式处理器的技术指标如功耗、体积、 成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等均受到应用要求的制约，嵌入式处理 器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键。一般地，软件要求固化存储，有时称为 内蒙古科技人学硕士学位论文 固件( f i r m w a r e ) ，软件代码要求高质量、高可靠性，大部分应用的系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求。嵌入式系统与通用计算机系统形成了鲜明的对比，首先它们 存在一些共同点，即其组成都包含了硬件和软件，但它们所完成的工作却截然不同。 嵌入式系统往往只是一个大系统中的某个组成部分，控制大系统的工作，其价值在于 它所控制的大系统，一般不取决于内嵌的处理器的性能指标。而通用计算机的功能和 价值体现在“计算 上，计算能力、存储能力等是通用计算机的基本指标。不管什么 型号的计算机，衡量它们的指标相同。随着嵌入式系统不断深入到人们生活的各个领 域，嵌入式处理器得到了前所未有的飞速发展，目前据不完全统计，全世界嵌入式系 统品种总量已超过1 5 0 0 多种，流行体系结构有5 0 多个系列。 虽然8 位微控制器( 主要是51 系列单片机) 仍然占据和继续领导标准低端嵌入 式产品市场，以8 位为核心的嵌入式技术不断发展，性能也在不断提高，但由于其性 能的局限性，已无法满足高性能嵌入式技术的发展和提高。因此，以3 2 位处理器作 为高性能嵌入式系统开发的核心，已是嵌入式技术发展的必然趋势。 比较流行的高性能嵌入式r i s c 处理器主要有a r m 公司的a r m 系列，i b m 公 司的p o w e r p c 、m i p s 公司的m i p s 、s u n 公司的s p a r c 等。嵌入式操作系统主要有 v x w o r k s ，w i n d o w sc e ，l i n u x 、p s o s ，e p o c ，p a l mo s ，q n x ，b e o s ，v r t x ，r t c o s ， l a c l i n u x 等。 目前，基于嵌入式指纹识别系统的硬件平台主要有： 1 基于高速d s p 处理器：比如，电子科技大学的顾良以c 6 7 1 1 bd s p 芯片为主处 理器设计的d s p 自动指纹识别系统平台b 2 1 ：沈阳工业大学的张健等设计的以 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为硬件平台的自动指纹识别系统3 3 ；南京大学的庄建军、骆峰等设计 的以t m s 3 2 0 v c 3 3 为硬件平台的自动指纹识别系统b 叫等。 2 基于a r m 硬核处理器：最近几年删处理器广泛应用于嵌入式控制、消费 电子、网络通信、移动式应用等领域，国内也有单位开始以a r m 处理器为硬件平台 进行指纹识别系统丌发，武汉大学的支华、巢佰崇等人以集成a i w 7 t d m i 处理器内 核的a t 9 1 5 5 8 0 0 a 芯片为核心开发了指纹识别平台副：上海交通大学的张广成、陶金 等以集成a r m 7 微处理器的s 3 c 4 4 8 0 x 芯片为硬件平台设计开发了指纹采集及传输系 统蚓。 3 基于n i o s l i 软核处理器：a l t e r a 公司推出了s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l e c h i p ，片上可编程系统) 技术和用于可编程逻辑器件的n i o s l i 软核处理器后，嵌入式 研究有了一个新的开发平台。n i o s l i 软核处理器以其灵活性、可裁减性、可升级性等 特点著称，s o p c 技术和n i o s l i 软核处理器的应用成为近几年新兴的应用热点。北京 航空航天大学的李莹和艾明晶设计了基于n i o s l i 的自动指纹识别系统口 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 3 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件棚随着微电子制造工艺的发展从早期地只能存储少量数据，完成 简单逻辑功能的可编程只读存储器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存储器( e p r o m ) 和电 可擦除只读存储器( e e p r o m ) ，发展到能完成中大规模的数字逻辑功能的可编程阵列 逻辑( p a l ) 通用阵列逻辑( g a l ) ，今天已经发展成为可以完成超大规模的复杂组合逻 辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程逻辑器( f p g a ) 。目前常用 的可编程逻辑器件主要有简单的逻辑阵歹l j ( p a l g a l ) ，复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程逻辑阵歹i j ( f p g a ) 等三大类。 f p g a 与c p l d 都是在p a l 、g a l 等逻辑器件的基础上发展起来的。与以往的 p a l 、g a l 等相比较，f p g 刖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 a c p l d 实际上就是一个子系统部件。尽管f p g a 、c p l d 与其 他类型p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起来，是由三大部分组成的：二维的 逻辑块阵列构成p l d 器件的逻辑组成核心；输入输出块；连接逻辑块的互连资源。 连线资源：由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，用于逻辑 块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。 对用户而言，c p l d 与f p g a 的内部结构稍有不同，但是用法一样，所以多数情 况下不加以区分。f p g a c p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，除了具有a s i c 的特点 之外，还具有一下几个优点： 1 随着超大规模集成电路( v e r yl a r g es c a l ei c ，v l s i ) 工艺的不断提高，单一芯 片内部可以容纳上百力个晶体管，f p g a c p l d 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑 门数已达到上百万门，所能实现的功能越来越强，同时还可以实现系统集成。 2 f p g a c p l d 芯片在出厂之前1 0 0 都做过测试，不需要设计人员承担投资风 险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就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，f p g a c p l d 的资会投入少，节省了许多潜在的花费。 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。因此，用f p g a c p l d 试制样本，能以最快的速度占领市场。 f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具、仿真工具、版图设计工具及编程器等全线产 品，使电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至 最后芯片的制作。 当电路有少量改动时，更能显示出f p g a c p l d 的优势。电路设计人员使用 f p g a c p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的i c ( 集成电路) 深层次的知识， f p g a c p l d 软件易学易用，可以使设计人员集中精力进行电路设计，快速将产品推 向市场。 可编程逻辑器件的发展趋势： r 内蒙古科技大学硕士学位论文 下一代可编程逻辑器件硬件上的四大发展趋势m 1 是：最先进的a s i c 生产工艺将 被更广泛的应用于以f p g a 为代表的可编程逻辑器件；越来越多的高端f p g a 产品 将包含d s p 或c p u 等处理器内核，从而f p g a 将由传统的硬件设计手段逐步过渡为 系统级设计平台；f p g a 将包含功能越来越丰富的硬核( h a r di pc o r e ) ，与传统a s i c 进一步融合，并通过结构化a s i c 技术加快占领部分a s i c 市场；低成本f p g a 的密 度越来越高，价格越来越合理，将成为f p g a 发展的中间力量。 当前的半导体工艺水平已经达到了深亚微米，正在向1 0 0 n m 以下发展，芯片的 集成度达到千兆位，时钟频率也正向千兆赫以上发展，数据传输位达到每秒几十亿次， 即3 g 时代。因此，未来的集成电路技术的发展趋势，是把整个系统集成到一个芯片 上去，这种芯片称为片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 。 2 4s o c s o p c 技术 软硬件协同设计是电子系统复杂化后的一种设计新趋势，其中s o c 和s o p c 是 这一趋势的典型代表。 2 4 1s o c 的定义及其特点 深亚微米技术的出现，使得整个计算机系统集成到一个芯片，即单片系统( s y s t e m o n a c h i p ) 成为可能。单片系统又称为系统级集成电路s l i ( s y s t e ml e v e li c ) ，是指在单 一硅片上集成数字和模拟混合电路，包括嵌入式核、存储器、专用功能模块、i o 接 口模块等多种功能的模块。也就是，可将现有的专用标准集成电路( a s s p ) 、专用集成 电路( a s i c ) 、存储器、逻辑电路、模拟电路、可编程逻辑器件( p l d ) 等全部做在一个 芯片上，甚至包括相应的嵌入式软件( 包含嵌入式操作系统、嵌入式网络协议栈和嵌 入式应用软件等) ，实现一个嵌入式计算机系统的功能，这样就可以将原来需要几个、 几十个乃至上百个i c 电路组成的印制电路板全部集成在一个芯片上，因此，它也称 为片上系统。 2 1 世纪，微电子技术领域在芯片级上的必然发展方向就是集成电路( i c ) 向集成系 统( i n t e g r a t e ds y s t e m ，i s ) 发展，系统由一个或少数几个芯片构成，狭义的i s 就是s o c ， 广义的i s 则指类似微电子机械系统( m e m s ) 和微光机电系统( m o e m s ) 等的微系统。 s o c 从整个嵌入式系统的角度出发，把模型算法、芯片结构、各层次电路甚至器件 的设计紧密结合起来考虑，在单个芯片上一次性完成整个计算机系统的功能。 从外观上看，s o c 是一个芯片，通常是客户定带i j ( c s i c ) ，或是面向特定用途的标 准产品( a s s p ) ；从组成和功能上看，s o c 是一个嵌入式计算机系统。 s o c 的特点h 叫是： ( 1 ) s o c 芯片的结构通常以总线结构( 单总线多总线) 为主，目i j 存在多种片上总 9 内蒙古科技人学硕十学位论文 线规范( 如a m b a 、c o r e c o n n e c t 、w i s h b o n e 、a v a l o n 等) 相互竞争，其技术要求与一 般计算机的总线有类似之处，也有不同之处。 ( 2 ) s o c 芯片以m p u m c u d s p 为核心，通过总线与其他模块相互连接，实现数 据交换和通信控制等功能，形成一个完整的计算机系统。 ( 3 ) 软件存储在f l a s hr o m 等非易失r o m 中，由m p u m c u d s p 解释、执行、 完成相应的处理功能。 ( 4 ) 在s o c 芯片中，既有m p u m c u d s p 等数字集成电路，也可以根据应用需要 加入a d c 、d a c 、电源管理等模拟集成电路或收发器( t r a n s c e i v e o 等射频集成电路。 因此s o c 芯片是一个数模混合电路的芯片。 ( 5 ) s o c 芯片是一个软硬件统一的产物，根据需要，一部分功能可以由硬件实现， 另一部分功能可以由软件实现，设计时需要考虑软硬件功能划分的问题。 2 4 2s o c 设计技术 从s o c 的组成来看，s o c 中含有软件和硬件。首先需要从嵌入式系统角度定义 其功能范畴；然后，根据应用的性能要求，确定系统功能的软硬件划分实现。软件按 照嵌入式软件工程的方法实现，硬件按照v l s i 集成电路设计方法实现，或者采用软 硬件协调设计的方法进行设计。最后，进行系统的集成验证与测试。s o c 是以超深 亚微米工艺、i p 核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ，知识产权核) 复用技术、软硬件协调设计 技术和相应的e d a 工具为支撑而形成。因此，超深亚微米物理设计与分析、i p 核或 芯核的复用和s o c 的设计与验证( 包括软硬件协调设计与验证、仿真、一致性验证、 时序和功耗分析等) 是当前s o c 设计研究的三个主要问题。 ( 1 ) 超深亚微米集成电路设计 由于s o c 芯片主要采用超深亚微米工艺制造，因此，s o c 设计必须解决超深亚 微米工艺带来的自身乃至设计中的一系列问题。例如，版图御线的负荷已成为主要的 时序影响因素，当生产工艺小于0 3 5 微米以下时，因为布线而造成的时序差异和延 迟常常超出模块中电路设计的差异和延迟；超深亚微米工艺很小的线间距和层间距带 来的线间和层问的信号耦合作用，以及很高的系统工作频率，产生天线效应( a n t e n n a e f f e c t ：当走线过长时产生的天线效应会对电路的时序产生影n p j ) 、电磁干扰、信号串 扰( c r o s st a l k ：当两条平行的走线非常靠近的时候，它们之间的耦合效应会产生交叉 干扰) 等互连效应问题，需要更精确的器件与连续模型。 ( 2 ) i p 核的生产及复用 i p 即知识产权，在集成电路设计中，i p 指可以重复使用的具有自主知识产权功 能的集成电路设计模块。i p 可分为软i p 、硬i p 和固i p 。软i p 是用计算机高级语言 的形式描述功能块的行为，但并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。软i p 内蒙古科技人学硕七学位论文 的最终产品基本上与通常的应用软件大同小异，开发过程与应用软件也十分相像，只 是所需的开发软、硬件环境，尤其是工具软件要昂贵很多。固i p 是完成了综合的功 能块，有较大的设计深度，以网表的形式提交给客户使用。硬i p 提供设计的最终产 品掩膜。随着设计深度的提高，后续工序所需要做的事情就越少，灵活性也就越 少。 由于芯片设计的复杂性和产品面市时间对于保证终端市场的成功率至关重要，设 计师不断寻求缩短设计周期的方法，以及更有效的设计方式。随着我们步入系统级芯 片时代，利用i p 内核和可编程逻辑进行设计复用显得目趋重要。i p 资源复用( i p r e u s e ) 是指在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买所需的智力产权内核， 然后再