（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga的非标准pal数字信号vga转换器的设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于f p g a 的非标准p a l 数字信号v g a 转换器的设计 摘要 目前，兼容p a l 信号数字电视广泛采用p a l v g a 转换器来显示图 像，在一些特殊情况下，由非标准p a l 的c c d 捕获得图像是不能够用上 述转换器进行图像显示的。本课题基于s h a r p 公司的非标准p a lc c d 。 r j 2 4 6 1 捕捉的7 5 2 x 5 8 5 5 0 h z 活动图像，进行v g a 显示转换，使得显 示器点对点地显示c c d 上每一个像素，这种技术在指纹识别，高要求监 控系统中有广泛的应用；文中采用了x i l i n x 的s p a r t a ni i 系列 x c 2 s 3 0 0 e 芯片实现了非标准p a l v g a 转换器的设计，为今后设计大规 模的集成电路提供可直接利用的i p 核。 本文针对以下三个方面进行研究并取得一定的成果： ( 一) 单s d r a m 控制器的设计实现 首先对于这种实时的单位带宽内数据量大的特点选择了s d r a i v i ，在 对s d r a m 特性的熟悉之后，设计了基于f p g a 的单s d r a m 控制器，在仿 真正确后，下载到自己设计的硬件电路上进行调试，通过不断修正参数， 改变延时等方法最终实现了单s d r a m 控制器的设计；这样为下面双 s d r a m 控制器的设计做一个坚实的基础，同时也总结一些关键的调试经 验，试验证明这是比较合理的设计思路，节约了设计时间。 太原理t 大学硕士研究生学位论文 ( 二) 双s d r a m 主控制器的切换机制与读、写f i f o 模块的协调 文中设计了两个f i f o 模块，前一个f i f o 用来接收传过来的非标准 p a l 信号数据，以一定的规律放到外部的s d r a m 存储器中，前面d s p 的 输出像素时钟作为它的写入时钟；而后一个f i f o 用来接收从s d r a m 中 读出的数据，且以特定的时钟用来产生符合v e s a 标准的s v g a 格式的行、 场同步信号。前一个f i f o 不断的往s d r a m 里写数据，当写满一帧数据 就启动切换信号，使两s d r a m 的读写发生调换。 ( 三) 基于f p g a 的色空间转换的研究 由于经过前两步过来的数据是1 6 位y u v 4 ：2 ：2 格式数字信号， 而在显示器上显示的数据是2 4 位r g b 格式的模拟信号，所以我设计了- 一个升采样和色空问转换的模块，后再经过d a 转换成模拟信号输出显 示。 关键词：p a l ，v g a ，f p g a ，s d r a m ，y u v ，r g b n 奎堕堡王奎兰堡主里壅生兰丝迨壅 t h ed e s i g no f n o n s t a n d a r dp a l d i g i t a ls i g n a l v g ac o n v e r t e r sb a s e do nf p g a a b s t r a c t c u r r e n t l y , d i g i t a l t e l e v i s i o n s i g n a lc o m p a t i b l ep a l w i d e l y u s e d p a l v g ac o n v e r t e r st os h o wi m a g e sl i k et h a t i n s o m ee x c e p t i o n a l c i r c u m s t a n c e s ，n o n - s t a n d a r dp a lf r o mt h ec c dt oc a p t u r ei m a g e si sn o t e n o u g hf o rt h e s ec o n v e r t e r si m a g e ss h o w s h a r pc o m p a n i e sb a s e do nt h e t o p i c o fn o n - s t a n d a r dp a lc c dr j 2 4 6 1 c a p t u r ei m a g e so f7 5 2x 5 8 5 5 0 h za c t i v i t i e s ，v g ac o n v e r s i o n ，a l l o w i n gd i s p l a yo fd a t at os h o w t h a te a c hc c dp i x e l s ，t h i s t e c h n o l o g y i n f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ， d e m a n d i n ge x t e n s i v em o n i t o r i n gs y s t e ma p p l i c a t i o n s ；t h et e x ta d o p t e d x i l i n x s p a r t a n i is e r i e sx c 2 s 3 0 0 ea c h i e v en o n s t a n d a r d c h i pd e s i g n p a l v g ac o n v e r t e r s f o rf i o mn o wo nw i l l d e s i g nt h eb i gs c a l et h e i n t e g r a t e dc i r c u i tp r o v i d e sm a yt h ed i r e c tu s ei pn u c l e u s w i t ht h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t so f t h i ss t u d ya n do b t a i ns o m er e s u l t s ： ( a ) s i n g l em e m o r yc o n t r o l l e rd e s i g na c h i e v e m e n t f o rt h ef l r s ts u c hr e a l t i m e i m a g e so ft h el a r g ev o l u m eo fd a t a m e m o r yc h a r a c t e r i s t i c sc h o s e ni nm e m o r yo f t h ef a m i l i a rc h a r a c t e r i s t i c s ，a i 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s i g nb a s e do nf p g as i n g l em e m o r yc o n t r o l l e ri ns i m u l a t i o nc o r r e c t l y , d o w n l o a dt h e i rd e s i g n st oh a r d w a r ec i r c u i t sf o rd e b u g g i n gt h r o u g hc o n s t a n t r e v i s i o np a r a m e t e r s ，c h a n g et h em e t h o do fe v e n t u a ll a p s es i n g l em e m o r y c o n t r o l l e rd e s i g n ；l i k et h i si su s e da so n es o l i db a s i sf o rt h eu n d e rp a i ro f s d r a mc o n t r o l l e rd e s i g n ，s i m u l t a n e o u s l ya l s os u m m a r i z e ss o m ek e y s d e b u g g i n ge x p e r i e n c e s ，t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h i si st h eq u i t er e a s o n a b l e d e s i g nm e n t a l i t y , s a v e dt h ed e s i g nt i m e ( b ) d o u b l em e m o r ym e c h a n i s m sa n dt h em a i nc o n t r o l l e ro ft h ec u to v e r r e a d i n ga n dw r i t i n gf i f om o d d e c o o r d i n a t i o n t w of i f om o d u l ed e s i g nt e x t ，t h ef o r m e rw a saf i f ou s e dt or e c e i v e d a t af r o mt h en o n - s t a n d a r dp a ls i g n a lt oc e r t a i nr u l e st oe x t e r n a ls d r a m m e m o r y , t h ed s pf r o n to ft h ec l o c ka si t so u t p u tp i x e l si nc l o c k ；t h e na f i f ou s e dt or e c e i v ed a t af r o mm e m o r y , r e a d ，a n dt om e e tt h es p e c i f i cc l o c k u s e dt op r o d u c et h ev e s as t a n d a r ds v g af o r m a t p r e c e d i n gf i f oi s u n c e a s i n gw r i t e st h ed a t at o w a r ds d r a m i n w h e nw r i t e sa l lo v e ro n ed a t a o nt h es t a r tc u ts i g n a l ，r e a d - w r i t ec a u s e st w os d r a m t oo c c u re x c h a n g e s ( c ) b a s e do nt h ec o l o rs p a c ec o n v e r s i o nf p g a r e s e a r c h a f t e rt h ef i r s tt w os t e p so ft h ed a t ai sf i o m16y u v 4 ：2 ：2f o r m a t d i g i t a ls i g n a l s ，a n dd i s p l a y e di nt h ed i s p l a y o fd a t ai s2 4r g bf o r m a ta n a l o g s i g n a l ，s oid e s i g n e d ar i s i n gs a m p l em o d u l ea n dt h ec o l o rs p a c ec o n v e r s i o n i v 太原理工大学硕十研究生学位论文 m o d u l e s ，t h e nc o n v e r t e di n t oa na n a l o g u es i g n a lt h r o u g hd ae x p o r ts h o w k e yw o r d s ：p a l ，v g a ，f p g a ，s d r a m ，y u v ，r g b v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 惮 日期：2 一j 崞。洳 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 器掣 导师签名： 丛驻到 r i l l ：兰塑笸：坌：22 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章前言 1 1 课题研究的背景及意义 如今国际上显示设备种类繁多，标准也不尽相同，在众多显示设备之间传输数 据，音、视频信号都还没有统一的接口，为了满足这一巨大市场纷纷设计各自的转 换接口芯片。尽管如此，这一领域内还是有很大的发展空间，就p a l 、v g a 等显 示格式来说，由于它们显示格式不兼容，一种是隔行扫描，另一种是逐行扫描，为 了它们之间可以互相通讯，有些厂家就设计了标准p a l t l 】转v g a t l 】的专用芯片，如 台湾凌泰科技a l 2 6 0 就是一款功能强大的高端视频处理芯片，然而它也只是对标准 的p a l 转v g a 起作用，并且这样昂贵的高性能芯片用在这里并不经济。对于这种 非标准p a l 转v g a 的情况，一没有现成可利用芯片，- - i l p 使有也是功能非常复杂， 价格也很昂贵；所以我们提出了采用f p g a 技术实现菲标准的p a l 转v g a 的专门 控制器的设计方案，在f p g a 内部设计了几个处理模块，如s d r a m 控制切换模块， y u v f 2 】转r g b 2 1 等等，使得计算机显示器兼容输入的信号。实验表明采用f p g a 设 计方案，在降低系统功耗，缩短研发周期，提高系统可靠性方面取得了明显效果。 丽且，针对实时图像处理的特点，f p g a 具有先天的优势，延迟短，速度快，稳定 性能高；在非标准p a l 转v g a 时需要对色空间进行转化，这里用硬件描述语言编 写生成硬件逻辑，这样使系统在运行时更加便利、快速，达到了系统的实时性的需 要。通过大规模可编程逻辑器件的使用和对可编程专用集成电路技术的研究开发， 实现了系统的电路原理图与p c b 图，给出了实时转换器基于f p g a 的v i - i d l 语言 算法实现。 在过去十年中，随着多媒体技术飞速发展，对于计算机的声音和视频处理能力 也提出了更高的要求。图像是多媒体中携带信息的极其重要的媒体，据统计资料表 明，人们获取的信息7 0 来自视觉系统。由于要满足更大的图形容量和更高的图像 质量，导致数据量的迅速增大【3 l 。图像处理是信号与信息处理学科的一个部分，也 太原理工大学硕士研究生学位论文 是诸多计算机领域中最为活跃的领域之一。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、系统结构上，还是在应用以及普及程度上都取得了长足 的进展。而实时图像处理方面，随着可编程逻辑控制器和大规模超大规模集成电路 以及大规模可编程逻辑器件的发展，也得到了非常迅速的发展。数字系统的设计正 朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。推动该潮流迅猛发展的引擎就 是日趋进步和完善的a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t , 专用集成电路) 设 计技术 4 1 。a s i c 具有高集成度、高性能、高可靠性、高保密性及成本低、开发工具 先进等优点，基于它们的优点，可编程a s i c ，特别是高密度可编程逻辑器件f p g a 近年来发展迅速，已经在国内外计算机硬件、工业控制、智能仪表、数字电路系统、 航空航天设备等领域得到了广泛应用。 大规模可编程逻辑器件f p g a 5 ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e sa r r a y , 现场可编程门 阵列) 具有类似门阵列的结构，这类器件具有用户可编程特性。f p g a 在图像领域有 着广泛的应用，形成图像处理器外围接口与控制，形成图像的通道，完成数字图像 的编码，产生专用的图形等。这些应用的最大特点是，产品的产量较大，生命周期 较短( 即更新换代较快) 。 本文就是针对现阶段国内无法找到将非标准的p a l 制式转换到v g a 的专用芯 片这一现状，我们利用的夏普的图像传感器r j 2 4 6 1 6 就是一种这样的非标准p a l ， 为了把它接收的图像数据传到我们常用的显示器上显示，我们设计了一种基于 f p g a 的专用转换器；对基于f p g a 的非标准p a l 转v g a 控制系统的硬件结构和 软件框架，进行了深入分析研究，并给出了运用双s d r a m 控制器的具体实现方案， 以及对p a l 转v g a 、转r g b 的算法【7 】进行硬件实现。 1 2 系统整体思路简介 随着c c d 制造工艺的发展，其分辨率越来越高，如果要实时显示c c d 采集到 的图像，则要求图像处理芯片具有较快的运行速度，但由于需要处理的数据量太大， 太原理工大学硕士研究生学位论文 一般的数字信号处理器很难直接输出分辨率为8 0 0 x 6 0 0 ，场频为6 0h z 的标准s v g a 信号i s l 。通常情况下，一般d s p 处理高分辨率图像的能力为每秒1 5 幅左右，其输 出不能直接在显示器上显示，这就需要对d s p 输出的图像数据进行处理，馒图像能 够在显示器上实时连续显示出来。如果是对于标准的p a l 制式的信号，现在有好多 厂家已经有了现成的集成芯片，如a l 2 6 0 ，p w l 2 2 5 等，在这些芯片上稍做改动就 可以直接在显示器上显示。可是如果对于特殊的非标准p a l 制式的信号我们就没有 现成的芯片加以利用，本文设计的转换器可以达到提升场频的功能，即可使输入分 辨率为7 5 2 5 8 2 ，场频为2 5 h z 的p a l 图像信号提升到场频为6 0 h z 的标准s v g a 格式的信号，同时产生符合v e s a ( 视频电子标准协会) 标准1 9 】的s v g a 格式的行、 场同步信号，输出信号经d a 转换后可直接输出到显示器接口，从而可使c c d 采 集到的图像数据信号能够在显示器上实时显示。 。r 随着微电子技术及其制造工艺的发展，可编程逻辑器件的逻辑门密度越来越 高，其性价比也越来越高，功能也越来越强，具有百万逻辑门的f p g a 器件已经出 现，由于f p g a 器件的可并行处理能力及其可重复在系统编程的灵活性，其应用越 来越广泛。随着微处理器、专用逻辑器件、以及d s p 算法以i pc o r e 核的形式嵌入 到f p g a 中，f p g a 可实现的功能越来越强，f p g a 在现代电子系统设计中正发挥 着越来越重要的作用。本文设计的转换器就是基于f p g a 而实现的。该系统硬件框 图如图1 - 1 所示。 图i - 1 系统硬件框图 f i g t t r e l - is y s t e mh a r d w a r ed i a g r a m c c d 采集到的原始图像数据，经过d s p 处理后，生成每秒1 5 幅的图像数据， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 该数据是分辨率为7 5 2 x 5 8 2 的y u v 格式的1 6 位图像数据，d s p 输出到f p g a 的信 号有像素时钟p c l k ，行、场参考，图像数据。f p g a 在输入的行、场参考都有效 时，在输入像素时钟p c l k = 1 4 2 m h z 的同步下，接收图像数据，并送入到s d r a m 中，同时从另一个s d r a m 中读取数据，配合产生的s v g a 标准行、场同步信号， 在输出像素时钟的同步下把图像数据送出，当s d r a m 中写满一幅图像数据时，控 制器对两个s d r a m 进行读写切换。由于写数据速率小于读数据速率，所以在往一 个s d r a m 写满一幅图像数据的时间内，控制器能够连续多次从另一个s d r a m 中 读出另一幅图像数据，从而实现了提高场频的目的。由于输入的数据是n 格式， 在输出到d a 之前必须对它进行色空间转换；在f p g a 里设计有一个模块，就是使 从s d r a m 里读出来的格式的图像数据转换成r g b 格式图像数据，并通过外 部d a 将数据转换成模拟信号，配合行、场同步信号可直接在显示器上显示。主时 钟m c l k 直接用个4 0 m h z 的晶振提供，用于对两个s d r a m 进行读写；同时这个 4 0 m h z 的时钟还作为输出像素时钟，用来产生符合v e s a 标准的s v g a 格式的行、 场同步信号。 我们采用了s v g a 进行显示处理，标准的s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ，6 0 h z ) 接口需要 提供以下几组信号：3 个r g b 模拟信号、行同步信号h s 和场同步信号v s 。它的 信号时序如图1 - 2 所示。 1 一场消隐仁= = = 6 0 0 行有效数据二= = = = j v s iil 咒司f 几i 几几门几 f 几几几几 图l - 2v g a 信号时序i i t f i g u r e l - 2 v g as i g n a lt i m i n gs e q u e n t 上图是计算机显示的时序，消隐信号是在行扫描和场扫描的逆程，需要消隐信 号控制图像不进行输出，它是通过对时钟和行同步信号的计数值产生的。通过对时 太原理工大学硕士研究生学位论文 钟周期的计数，产生行扫描的消隐信号，通过对行同步周期的计数产生场扫描的消 隐信号，然后把行扫描消隐信号与场扫描消隐信号合成为一个消隐信号b l a n k 。 与p a l 制式的电视监视器的显示原理相似，不同之处在于p a l 使用隔行扫描，它 的计数值少，计算机显示器使用逐行扫描，它的计数值多。上面所有这些工作都基 于一个好的开发平台的支持，我所用是我们自主开发的f p g a 开发平台，其中f p g a 是关键器件，是我们平台的核心，下面小节就简单的叙述一下f p g a 技术。 1 3f p g a 设计流程与开发工具 1 3 1f p g a 设计流程 f p g a 设计可以分为设计输入、综合、功能仿真( 前仿真) 、实现、时序仿真 ( 后仿真) 、配置下载等六个步骤【姗。设计流程如图1 3 。 ， f i g u r e1 - 3f p g ad e s i g nf l o wd i a g r a m f p g a 基本开发流程主要包括： 设计输入( d e s i g ne n t r y ) ； + 设计综合( s y n t h e s i z e ) ； + 设计仿真( s i m u l a t i o n ) ； 设计实现( i m p l e m e n t ) ： ， 时序分析( a n a l y z et i m es e q u e n c e ) ； o 配置( c o n f i g u r a t i o n ) 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 设计输入 设计输入包括使用硬件描述语言h d l 、状态图与原理图输入三种方式。h d l 设计方式是现今设计大规模数字集成电路的良好形式。h d l 语言描述在状态机、 控制逻辑、总线功能方面较强，使其描述的电路能在特定综合器作用下以具体硬件 单元较好地实现；而原理图输入在顶层设计、数据通路逻辑、手工最优化电路等方 面具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点。常用方式是以h d l 语言为主，原 理图为辅，进行混合设计以发挥二者各自特色。在进行混合设计时，设计者应当严 格遵循自顶向下和自底向上的结构化设计方法。自顶向下是指设计小组在设计之初 对系统进行充分的分析，明确技术条件指标，并将这些指标提炼为算法，转化为结 构描述，然后将系统划分为容易实现的子系统，划分之后在进行时序调度和资源分 配，不断深入，直至最终解决问题。自底向上则是指设计小组在系统划分的基础上 按模块进行设计。每个小组成员独立的完成各自的模块设计，进而构成整个f p g a 。 小组成员中可能各自习惯的h d l 语言不同，但对整体而言并无影响，模块在调用 时只需要将被调用模块视作黑箱，无需关心其具体设计。 设计综合 综合，就是针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速度、功耗、 成本及电路类型等，通过计算机进行优化处理，获得一个能满足上述要求的最优或 者接近最优的电路设计方案。综合包括分析、综合和优化三个步骤。以h d l 描述 为例，分析是采用标准的h d l 语法规则对h d l 源文件进行分析并纠正语法错 误；综合是以选定的f p g a 结构和器件为目标，对h d l 和f p g a 网表文件进行 逻辑综合；优化则是根据用户的设计约束对速度和面积进行逻辑优化，产生一个优 化的f p g a 网表文件，以供f p g a 布局和布线工具使用。 综合与优化可以分两步独立进行，在两步之间进行约束指定，如时钟的确定、 通路与端口的延时、模块的算子共享、寄存器的扇出等。如果设计模型较大，可以 采用层次化方式进行综合，先综合下级模块，后综合上级模块。在进行上级模块综 合里设置下级模块为d o n tt o u c h ，使设计与综合过程合理化。综合后形成的网表可 导入f p g a 设计厂商提供的可支持第三方设计输入的专用软件中，就可进行后续的 6 太原理t 大学硕士研究生学位论文 f p g a 芯片的实现。综合完成后可以输出报告文件，列出综合状态与综合结果，如 资源使用情况、综合后层次信息等。 仿真验证 从广义上讲，设计验证包括功能与时序仿真和电路验证。仿真是指使用设计软 件包对已实现的设计进行完整测试，模拟实际物理环境下的工作情况。前仿真是指 仅对逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能否满足原设计的要求，仿真过程 没有加入时序信息，不涉及具体器件的硬件特性，如延时特性；而在布局布线后， 提取有关的器件延迟、连线延时等时序参数，并在此基础上进行的时序仿真称为后 仿真，它是接近真实器件运行的仿真。 设计实现 实现是利用f p g a 厂商的实现工具把综合后逻辑映射到目标器件结构的资源 中，决定逻辑的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能连接的布线通道进行连线，并 产生相应文件( 如配置文件与相关报告) 通常可分为如下五个步骤。 ( 1 ) 转换( t r a n s l a t e ) ：将多个设计文件进行转换并合并到一个设计库文件中。 ( 2 ) 映射( m a p ) ：将网表中逻辑门映射成物理元素，即把逻辑设计分割到构成可编 程逻辑阵列内的可配置逻辑块与输入输出块及其它资源中的过程。 ( 3 ) 布局与布线( p l a _ c ea n dr o u t e ) ：布局是指从映射取出定义的逻辑和输入输出块， 并把它们分配到f p g a 内部的物理位置，通常基于某种先进的算法来完成； 布线是指利用自动布线软件使用布线资源选择路径试着完成所有的逻辑连接。 可以使用约束条件操作布线软件，完成设计规定的性能要求。在布局布线过程 中，可同时提取时序信息形成报告。 ( 4 ) 时序提取( t i m e s i m ) ：产生一反标文件，供给后续的时序仿真使用。 ( 5 ) 配置( c o n t i g ) ：产生f p g a 配置时的需要的位流文件。 时序分析 在设计实现过程中，在映射后需要对一个设计的实际功能块的延时和估计的布 线延时进行时序分析：而在布局布线后，也要对实际布局布线的功能块延时和实际 布线延时进行静态时序分析。静态时序分析允许设计者详尽地分析所有关键路径并 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 得出一个有次序的报告，而且报告中含有其它调试信息。静态时序分析器可以用来 检查设计的逻辑和时序，以便计算各通路性能，识别可靠的路径，检测建立和保持 时间的配合。 ； 配置 下载是在功能仿真与时序仿真正确的前提下，将综合后形成的位流下载到具体 的f p g a 芯片中，也叫芯片配置。因f p g a 大多支持1 e e e j o l 的j t a g 标准，所 以使用芯片上的j t a g 口是常用下载方式。将位流文件下载到f p g a 器件内部后 进行实际器件的物理测试即为电路验证，当得到正确的验证结果后就证明了设计的 正确性。电路验证对a s i c 最后的投片生产具有较大意义。 在以上几个主要开发步骤当中，属于验证的有功能仿真和时序验证两个步骤， 由于前仿真和后仿真涉及验证环境的建立，需要耗费大量的时间，而在s t a ( s t a t i c t i m i n ga n a l y s i s ) 中对时序报告进行分析也是一个非常复杂的事情，因此验证在整 个设计流程中占用了大量的时间，在复杂的f p g a i c 设计中，验证所占的时间估计 在6 0 7 0 之间。相比较而言，f p g a 设计流程的其他环节由于需要人为干预的 东西比较少，例如综合、布局布线等流程，基本所有的工作都由工具完成，设置好 工具的参数之后，结果很快就可以出来，因此所花的时间精力要比验证少的多。一 般而言，在验证的几个内容中功能验证最受重视，研究讨论得最多，特别是现在 f p g a i c 设计都朝向s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 1 1 1 】的方向发展，设计的复 杂都大大提高，如何保证这些复杂系统的功能是正确的成了至关重要的闯题。功能 验证对所有功能进行充分的验证，尽早地暴露问题，保证所有功能完全正确，满足 设计的需要。任何潜在的问题都会给后续工作作带来难以极大的困难，而且由于问 题发现得越迟，付出的代价也越大，这个代价是几何级数增长的。 1 3 21 o p d o w n 设计方法 传统的f p g a 设计手段是采用原理图输入的方式进行的，如图l _ 4 【1 习所示。 8 一t 。 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 图l - 4 传统f p g a 设计方法 f i g u r e l - 4t r a d i t i o n a lf p g ad e s i g nm e t h o d o l o g y 。 通过调用f p g a 厂商所提供的相应物理元件库，在电路原理图中绘制所设计 的系统，然后通过网表转换产生某一特定f p g a 厂商布局布线器所需网表，通过 布局布线，完成设计。原理图绘制完成后可采用门级仿真器进行功能验证。 实际上工程师的最初设计思想是从功能描述开始的。设计工程师首先要考虑规 划出能完成某一具体功能、满足自己产品系统设计要求的某一功能模块，利用某种 方式( 如h d l 硬件描述语言) 把功能描述出来，通过功能仿真( h d l 仿真器) 以验证设计思路的正确性。当所设计功能满足需要时，再考虑以何种方式( 即逻辑 综合过程) 完成所需要的设计，并能直接使用功能定义的描述。实际上这就是自顶 而下设计方法。 t o p - d o w n 设计方法如图1 - 5 1 1 2 l 所示，其核心是采用h d l 语言进行功能描 述，由逻辑综合( l o g i cs y n t h e s i s ) 把行为( 功能) 描述转换成某一特定f p g a 的工艺网 表，送到厂商的布局布线器完成物理实现。在设计过程的每一个环节，仿真器的功 能验证和门级仿真技术保证设计功能和时序的正确性。 与传统电原理图输入设计方法相比，t o p - d o w n 设计方法具体有以下优点： l 、完全符合设计人员的设计思路，从功能描述开始，到物理实现的完成； 2 、功能设计可完全独立于物理实现； 3 、设计可再利用：， 4 、易于设计更改； 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 、易于设计、处理大规模、复杂电路； 6 、设计周期缩短，生产率大大提高，产品上市时间提前，性能明显提高，产品竞 争力加强。据统计，采用t o p - d o w n 设计方法的生产率可达到传统设计方法的2 到 4 倍。 图1 - 5t o p - d o w n 设计方法 f i g u r e l - 5t o p d o w nd e s i g nm e t h o d o l o g y 1 3 3x i l i n xi s e 6 1 i 与m o d e l s h n ) ( ei i5 7 c x i l i n x i s e6 1 i 简介 i s e ( i n t e g r a t e d s o f t w a r ee n v i r o n m e n t ) 6 1 i 是x i l i n x 公司集成开发的e d a 工具【1 3 】。i s e6 1 i 支持所有x i l i n x 的芯片，i s e6 1 i 采用自动化的完整的集成设计 环境。通过i s e6 1 i 的项目管理器，设计者可以轻松的用h d l 代码创建模块，并 将各个模块连接到顶层h d l 设计。使用f p g a 首先要取得一套好的设计软件工具， x i l i n x 的i s e 是一套完全免费的f p g a 入门工具；我们所用的是i s e 6 1 i ，它是x i l i n x 公司推出的一种集成e d a 开发工具，i s e 6 1 i 可以集成使用需要的第三方工具，如 文本输入工具u l t r a e d i t 、c o d e w r i g h t 等，以及s y n p l i f y 、s y n p l i f yp r o t 还可以安装 c h i p s c o p e ( 片内逻辑分析仪) 工具。 i s e 6 1 i 设计流程 i s e6 1 i 主要由设计输入器、设计综合器与功能仿真器和设计实现器与验证工 具组成。i s e6 1 i 项目管理器( p r o j e c tm a n a g e r ) 集成了x i l i n x 设计输入、实现工 具和验证工具。项目管理器控制设计流程的所有方面。通过项目管理器可以访问不 同设计入口和设计执行工具，也可以访问与设计项目有联系的文件和文档。p r o j e c t 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 n a v i g a t o r 是i s e 所有集成工具的连接纽带。工程管理器的主要功能是创建一个用户 工程，并按照f p g a 设计流程调用相应的工具，完成从电路设计与输入、功能仿真、 综合、综合后仿真、实现、饰线后仿真、生成配置文件与配置f p g a 等设计步骤【1 4 】。 图1 - 6 是i s e 6 1 i 项目管理器的界面。 图1 - 6x i l i n xp r o j e c tn a v i g a t o r 界面 f i g u r e l - 6 i n t e r f a c eo f x i l i n xp r o j e c tn a v i g a t o r 项目管理器分为三个主要的子窗口。左边是设计层次浏览器，显示项目设计 中包括的元件。右边是一组标记，每个标记可弹出不同的工具窗口。项目管理器 下面的窗口是信息控制台，显示状态信息、错误和警告，并在项目操作器件进行 刷新。 不管设计者选用什么样的器件，x i l i n xf p g a 设计的基本方法包括三个步骤： l 、设计输入使用x i l i n x 支持的原理图、硬件描述语言h d l 或者状态机建 立设计； 2 、设计实现一通过对设计分割、布局、布线，把在设计输入阶段建立的设计文 件转换为位流( b i t s t r e a m ) 文件，以便对x i l i n x 器件编程； 3 、设计验证使用仿真器或者在实际开发板上用x i l i n x 下载电缆加载位流文件， 测试设计，确保实现后的设计能够按照预定的功能和恰当的时序 正常工作。 太原理工大学硕士研究生学位论文 m o d e l s i mx e1 1 5 7 e m o d e l s i mx e1 1 5 7 e t l 5 】也是一个第三方工具，用来对设计的工程进行软件仿真实 验，能够直观的查找出设计错误，有相应的纠错提示，使我们更好的进行修改。基 于i s e 系列软件的f p g a 设计开发，主要包括设计输入、功能仿真、综合、实现、 时序仿真和下载配置等几个阶段，如图1 7 所示。当我们设计输入综合通过后，就 需要进行仿真调试，首先功能仿真有三个环节： 1 、创建一个测试矢量波形原文件； 2 、初始化计数器的输入； 3 、生成预期的输出响应 根据产生的预期结果，我们现在可以用m o d e l s i m 进行仿真，包括功能仿真和 布局布线后仿真( 仿真软件界面如图1 8 ) 。 ( h d l 娄篙黩h 、图形、状态图) il 功能坊真综合 ， ， t i实现( i m p l e m e n t a t i o n ) b r r 文件7 实现报告仿真网表 上 下载配置时序坊真 图l _ 7 基于i s e 的f p g a 设计滴程 f i g u r e l - 7f o r t h ei s ef p g ad e s i g nf l o w 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 8m o d e l s i m 仿真的界面 f i g u r e1 - 8m o d e l s i ms i m u l a t i o ni n t e r f a c e 1 3 4v h d l 硬件描述语言简介 v h d l ( v c r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是一 种面向设计的多领域、多层次的i e e e 标准硬件描述语言【1 6 l ，是目前十分流行的硬 件描述工具，并被大多数e d a 工具支持。v h d l 语言的描述能力强、覆盖面广、 抽象能力强，具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模 描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性。所以本设计工作 中的转换控制器采用v h d l 语言作为硬件模型建模。 技术的飞速发展使得集成电路的设计规模日益增大，复杂程度日益增高。伴随 着设计规模的增大，传统的自下而上的、采用通用逻辑元器件的硬件描述方法变得 过于复杂，不易于使用。随着大规模专用集成电路( a s i c ) 的开发和研制，为了提高 开发的效率，增加己有开发成果的继承性以及缩短开发时间，各a s i c 研制和生产 厂家相继开发了用于各自目的硬件描述语言o d l 卜一可以描述硬件电路的功能， 信号连接关系及定时关系的语言，它能比原理图更有效地表示硬件电路的特性。其 中最有代表性的是美国国防部开发的v h d l 语言( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o n 太原理工大学硕士研究生学位论文 l a n g u a g e 超高速集成电路硬件描述语言) 。v h d l 语言具有以下特剧1 7 1 ： 1 v h d l 语言可以支持自上而下( t o pd o w n ) 和基于库( l i b r a r y b a s e d ) 的设计 方法，而且还支持同步电路、异步电路及其它随机电路的设计。其范围之广使其它 h d l 语言所不能比拟的。 ， 2 v h d l 语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统的数学模型 直到门级电路；支持大规模设计的分解和设计重用，支持传输延迟和惯性延迟，可 以更准确的建立复杂的电路硬件模型。 3 在用v h d l 语言设计系统硬件时，没有嵌入与工艺有关的信息，这样在工 艺更新时，就无需修改原设计程序，只要改变相应的映射工具即可。可见，无论修 改电路还是修改工艺，相互之间不会产生什么不良影响。 4 v h d l 语言已作为一种i e e e 的工业标准，设计成果便于复用和交流，这 样又进一步推动v h d l 语言的推广和完善；另外，v h d l 语言的语法比较严格，给 阅读和使用都带来了极大的好处。 5 v h d l 语言具有并发性，体现在两个方面：首先使用v h d l 语言进行数字 电路设计时存在并发性，即v h d l 语言支持设计分解，可使被分解的各子部分的设 计并行完成，这些子部分的设计r h _ - - 部分组成：定义实体确定模型与环境的接 口；定义结构体完成模型的功能描述：定义测试部分为模型生成测试向量， 并捕获模型输出信号状态以供分析。其次，v h d l 语言在执行上具有并发性，很适 合描述电路的并发性特点。 1 3 5v h d l 语言的三种描述方式 v h d l 语言的所谓自上而下的设计方法，就是从系统总体要求出发，自上而下 地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在利用v h d l 语言的硬件 设计方法【培】中，设计者自上而下分为三个层次对系统硬件进行设计： 第一层次是行为描述。行为描述实质上是对整个系统的数学模型的描述。一般 来说，对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段，通过对系统行为 描述的仿真来发现设计中存在的问题。在行为描述阶段，并不考虑其实际的操作和 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 算法用什么方法来实现，考虑更多的是系统的结构及其工作过程是否能达到系统设 计规格书的要求