（信号与信息处理专业论文）医用x光机图像处理和控制单元的设计.pdf

摘要 医用x 光机是医疗、医学科研单位的先进设备，其中的图像处理和控制单元 负责对x 射线图像进行处理和分析，以便于进行临床诊断。x 射线图像是当前 临床应用最广泛的一种医学图像，从x 射线图像获得准确的信息，是提高诊断 技术水平的关键。 a l t e r a 公司的s t r a t i xi i 系列的e p 2 s 6 0f p g a 是一款高性能、高密度的f p g a 芯片，它支持n i o s1 i 嵌入式处理器。n i o si i 嵌入式处理器是a l t e r a 公司推出的 可配置的软核处理器，它允许用户根据设计需要任意配置系统外设，f p g a 和 n i o s 处理器的结合使用使得处理器、外设、存储器和i o 接口的组合更加合 理，同时降低了设计难度，提高了设计灵活度。论文工作研究了医用x 光机中 的图像处理和控制单元的结构和工作原理，提出了基于e p 2 s 6 0f p g a 和n i o si i 处理器实现图像处理和控制的设计方案。 设计方案中图像处理模块采用v h d l 语言实现了圆消隐、阴影校正、递归 滤波、边缘增强、g a m m a 校正等图像处理算法；系统控制模块基于n i o si i 处理 器，通过s o p cb u i l d e r 工具实现了n i o si ic p u 对p i o 接口、d d rs d r a m 控制 器、图像处理模块和网络模块等部分的控制。 论文工作完成了图像处理模块的算法设计、实现、仿真和下载以及系统控制 模块中n i o si i 处理器对d d rs d r a m 的读写控制软件的设计、下载和调试。实 验结果表明，本文设计的图像处理和控制单元能够满足医用x 光机中图像处理 的需要，且灵活性好、扩展性强。 关键词：医用x 光机，图像处理和控制单元，f p g a ， n i o si i 嵌入式处理器， v h d l a bs t r a c t m e d i c a lx - r a ym a c h i n ei so n eo ft h em o s ta d v a n c e de q u i p m e n t si nm e d i c i n e t r e a t m e n ta n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h 。t h ei m a g ep r o c e s s i n ga n dc o n t r o lu n i ti ni ti s r e s p o n s i b l ef o rp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gt h ex - r a yi m a g et om e e tt h en e e do fc l i n i c d i a g n o s i s x r a yi m a g ei so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dm e d i c a li m a g e si nm e d i c a l t e c h n o l o g y ，s og e t t i n ga c c u r a t ei n f o r m a t i o nf r o mx - r a yi m a g ei st h ek e yt e c h n o l o g y t oi m p r o v et h el e v e lo fc l i n i cd i a g n o s i s s t r a t i xi id e v i c e sa r et h ei n d u s t r y sl e a d i n gh i g h - p e r f o r m a n c e ，h i g h - d e r t s i t y f p g a s b u i l to nan e wi n n o v a t i v el o g i cs t r u c t u r et om a x i m i z ep e r f o r m a n c ea n d m i n i m i z ep o w e r , s t r a t i x d e v i c e si n c l u d eu pt o9 6d s pb l o c k so f f e r i n g3 8 41 8 - b i t 18 b i tm u l t i p l i e r st h a to p e r a t eu pt o4 5 0 m h z n i o si ip r o c e s s o rd e l i v e r st h ep e r f e c t f i te v e r yt i m ew i t hf u l l yc u s t o m i z a b l ef e a t u r e sa n dp e r f o r m a n c e ，l o wp r o d u c ta n d i m p l e m e n t a t i o nc o s t s ，e a s eo fu s ea n da d a p t a b i l i t y a ni m a g ep r o c e s s i n ga n dc o n t r o lu n i tb a s e do nf p g aa n dn i o si ip r o c e s s o ri s d e s i g n e di nt h et h e s i s i na l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h ex r a yi m a g e ，8 a r i t h m e t i c si n c l u d i n gc i r c u l a rb l a n k i n g ，s h a d i n gc o r r e c t i o n ，r e c u r s i v ef i l t e r ， g a m m ac o r r e c t i o na n de d g ee n h a n c e m e n t ，a g c ，h i s t o g r a me q u a l i z a t i o na n d b l a c k w r i t ec o n v e r s i o na r ep r o p o s e da n dw e l lr e a l i z e db yv h d lh a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g ei ni m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h em o d u l ec a nw o r kw e l l a n dt h ew a yt ob u i l dt h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mc o n t r o l m o d u l ei ns o p cb u i l d e ri si n t r o d u c e dd e t a i l e d l y t h em o d u l ei n l u d e sn i o si ic p u ， d d rs d r a mc o n t r o l l e r ，c a nc o n t r o l l e r , p i oa n do t h e rp e r i p h e r a l s t h es o f t w a r eo f t h em o d u l ei sr e a l i z e di ncl a n g u a g e t h er e a da n dw r i t ec o n t r o lo fe x t e r n a ld d r s d r a mi sc o r r e c t l yr e a l i z e d a f t e rs i m u l a t i o na n dd e b u g g i n g ，t h ei m a g ep r o c e s s i n ga n dc o n t r o lu n i tb a s e do n f p g aa n dn i o si ii nt h ep a p e rc a nm e e tt h en e e do fm e d i c a lx m yi m a g ep r o c e s s i n g ， a n di th a sg o o df l e x i b i l i t ya n de x t e n d a b i l i t ya sw e l l k e yw o r d s ：m e d i c a lx r a ym a c h i n e ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dc o n t r o lu n i t ，f p g a ， n i o si ie m b e d d e dp r o c e s s o r , v h d l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名川斫粪鲜 签字日期： 肋7 年月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：何解 导师签名： 签字日期：忍刃7 年月2 7 日 移膨 签字日期：卫矿7 年f 月2 多日 第一章绪论 1 1 医学影像处理概述 第一章绪论 随着可视化技术的不断发展，现代医学已越来越离不开医学影像的信息处 理，医学影像在临床诊断、教学科研等方面正发挥着极其重要的作用【l 】。近年 来，随着计算机及其相关技术的迅速发展及图形图像技术的日渐成熟，使得该 技术逐步渗入医学领域中，开创了数字医疗的新时代。自2 0 世纪9 0 年代起，借 助计算机影像处理与分析、计算机图形学、虚拟现实和计算机网络等技术的医 学影像处理与分析，一直是国内外研究与应用的热点，也逐渐形成了具有特色 韵- - i 1 交叉学科【lj 。 1 1 1 医学影像技术的发展 德国物理学家威廉康拉德伦琴在1 8 9 5 年发现x 射线的同时也发现了人工产 生x 射线的方法。在其后的几十年中，x 线摄影技术有不少的发展，包括使用 影像增强器、增感屏、旋转阳极x 线管等【2 1 。x 射线图像是当前临床应用最广泛 的一种医学图像，如何从x 射线图像获得更多的信息，是提高诊断技术水平的 一个重要方向。x 射线图像建立在当x 射线透过人体时，各种脏器与组织对x 射线的不同吸收程度的基础上，因而在接收端将得到不同的射线强度。接收端 射线强度的变化，如被记录在底片上就变成灰度的变化，如通过影像增强管， 则就变成了灰度的变化。基于这个原理，所得的x 射线图像是把三维结构的人 体在二维空间中投影成像的技术，是人体内各层结构重叠后的图像。因此，处 理的基本目的是要在图片上把特定的脏器轮廓从周围的结构中分离出来。几十 年来，x 射线技术的发展可以说大都是为了提高x 射线图像的分辨能力。例 如，各种x 射线照片的处理技术( 包括前处理，增强，分割，识别等) ，x 射线断 层摄影技术，x 射线c t 技术，x 射线减影技术等。此外，也要尽可能减少病人 和医生所受到的x 射线辐射剂量【3 】。 从2 0 世纪5 0 年代，医学影像技术进入革命性的发展时期，新的成像系统相 继出现。6 0 年代末到7 0 年代初以来，随着计算机与微电子技术的飞速发展，一 大批全新的影像技术进入医学应用领域，如超声、c t 、d s a 、m r 、s p e t 、p e t 等【z j ，其中计算机断层技术( c t ) 是图像处理在医学诊断领域最重要的应用之一， 第一章绪论 由g o d f r e yn h o u n s f i e l d 先生和a l l a nm 。e o r m a c k 教授发明，断层技术可以得到人 体内部器官的断层图像，准确地确定病灶位置，为诊断和治疗疾病带来了极大 的方便。这些技术不仅极大地丰富了形态学诊断信息的领域和层次、提高了形态 学的诊断水平，同时实现了诊断信息的数字化f 4 j 。 x 光机、c t 的发明曾引发了医学影像领域的一场革命，如今，医学影像技 术已成为医学技术中发展最快的领域之一，；使临床医生对人体内部病变部位的 观察更直接、更清晰，确诊率也更高。 1 1 2 医学影像处理的意义 医生在判读医学图像时，要把图像与其解剖学、生理学和病理学等知识进行 对照，还要根据他的经验来捕捉图像中具有重要意义的细节和特征，用工程上的 语言来说，就是进行模式识别和特征抽取。所以要从一幅或几幅医学图像中判断 出是否有异，或属于什么疾病，并不是件容易的事，而是一种高级的脑力劳动。 人的记忆在容量和时间上都有限，而且不尽精确。依靠医学影像处理能快速自动 地进行参数测量、特征提取、图像识别、二维和三维重建等可以大大地提高医生 对图像解读的速度与准确性p 】。 医学影像处理与分析是近几年兴起的新兴交叉学科，正方兴未艾。借助图形、 图像技术的有力手段，医学影像的质量和显示方法得到了极大的改善，使得诊疗 水平大大提高。这不仅可以基于现有的医学影像设备来极大地提高医学临床诊断 水平，而且能为医学培训、医学研究与教学、计算机辅助临床外科手术等提供数 字实现手段，为医学的研究与发展提供坚实的基础，具有不可估量的价值。 因此，目前世界上有不少国家的研究机构开始致力于这个领域的研发工作， 并且研究出一些面向临床的、功能简单的医学影像处理与分析系统。这些系统虽 然仅能提供有限的临床所需的功能，但在临床研究中已经发挥重要的作用。正是 由于医学影像处理与分析对临床医学的发展有着巨大的促进作用。因而，医学影 像处理与分析的研究正逐步受到世界许多国家的重视。 我国人口众多，医疗手段和诊断水平的高低直接关系到我国十几亿人口的切 身利益，提高我国的医疗水平势在必行。2 0 世纪9 0 年代中期，我国已基本上形 成了现代医学影像学体系，近年又有不少新的进展。但整体上与国际先进水平仍 有较大差距。我国的医院在过去十多年间，引进大批先进的医学影像设备，对提 高诊断水平起了重要的积极作用。但由于进口设备操作不便，价格昂贵，灵活性 差，而一些医生缺乏临床经验和专业知识，诊断水平不够理想。因此，开发具有 自主知识产权的、灵活性好、性价比高的医学影像设备势在必行【l 儿引。 2 第一章绪论 1 1 3 医学影像处理的研究内容 医学影像数据在计算机上实现无误读取后，如何从中提取我们所关心的数据 并实现数据的计算机显示是一个关键问题。医学图像处理技术对影像数据进行各 种处理，以期得到最好的显示效果。常用的图像处理技术有滤波、增强、恢复、 插值以及缩放、旋转、平移等几何变换技术( 6 】啊。几何变换可以方便用户从不同 角度、多方位地观察图像。滤波、增强、恢复操作可以消除影像数据中的噪声， 提高图像的质量，譬如对x 射图像等进行滤波处理，以消减图像数据中的噪声， 突出感兴趣的生物组织【l 】。 1 2 医用x 光机的组成 医用x 光机已经普及到各级医疗卫生单位，成为医疗、科研不可缺少的先进 设备【3 】【5 】。医用x 光机的基本组成可分为两大部分：电气部分和机械部分【8 】其 中电气部分主要由四个单元组成，即x 线成像单元、图像处理和控制单元、存 储单元和图像显示单元【9 】，如图1 1 所示。 1 2 1x 线成像单元 图1 1 医用x 光机基本组成方框图 x 射线是最早应用于成像的电磁辐射源之一【6 1 。医用x 光机中x 光片的获取 过程是利用x 射线穿过物体会产生衰减这一特性。x 射线的衰减程度与物体的 厚度以及物体对x 射线的衰减系数有关。 设入射线强度为厶，物体厚度为x c m ，则有： 第一章绪论 i = i oe x p ( 一i x ) 其中，j 为穿出物体后x 射线的强度，为衰减系数。 人体的骨骼、皮肤、肌肉等组织由于构成的成分不同，它们的衰减系数 相差很大，因此j 人体各组织以及背景在x 射线图像上表现出不同的灰度值， 这就为我们做进一步的图像处理提供了基础【1 0 1 。 x 线数字影像有四种获取方式，即胶片数字化仪【5 1 、电荷耦合装置c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 【1 1 】、计算机照相术( c o m p u t e rr a d i o g r a p h y ，c r ) 【8 】 和数字化照相术( d i g i t a lr a d i o g r a p h y ，d r ) 1 1 2 。其中c c d 是利用电荷耦合元 件，将影像增强器上的图像转换为数字信号后，输入计算机重建形成图像。 常见的x 线成像单元包括x 射线管、影像增强器、光学系统( 光圈) 和c c d 视频摄像机等部分，如图1 2 所示【9 1 【1 1 】【1 2 】： 明：耻皿0 图1 2x 线成像单元结构示意图 其中，x 射线管产生x 射线，照射在病人身上，经过人体衰减的x 射线通 过影像增强器转化为可见光，光学系统和c c d 视频摄像机将可见光转化为电信 号并编码为视频信号，输出x 射线图像的数字矩阵。 1 2 2 存储单元 数字图像可以看成是由图像矩阵中的像素( p i x e l ) 组成的【7 】。在本文的医用 x 光机中，一幅x 射线图像的像素数为1 0 0 0 x 1 0 0 0 ，每个像素的灰度级采用 1 2 b i t ( 灰度图像) 信号表示，因此每幅图像的数据量为1 0 0 0 x 1 0 0 0 x 1 2 = 1 5 m b ，实 际应用中要求存储单元可以存储多达6 4 幅处理图像，即1 5 m b x 6 4 = 9 6 m b ，如 此大的数据量给存储、传输和处理都带来了巨大的困难。 本文采用将大容量d d rs d r a m 、s s r a m 、f l a s h 相结合的方式实现存储单 元，其中d d rs d r a m 负责存储图像数据，s s r a m 用于存储暂时性系统参数、 算法参数等小容量数据，f l a s h 用于存储系统的程序数据。 4 第一章绪论 1 2 3 图像显示单元 图像处理的最终目的是为人或机器提供一幅更便于理解和识别的图像。因 此，图像输出也是图像处理的重要内容之一【6 1 。医用x 光机中的图像显示单元包 括模拟图像和数字图像两种模式。 1 高分辨率模拟视频输出 图像显示单元包括2 路模拟视频输出端：显示器l 和显示器2 。其中，显示 器1 既可以显示实时视频图像又可以显示存储单元中的图像；显示器2 只能显示 存储单元中的图像。两路显示器采用相同的视频标准，即1 0 4 9 隔行扫描模式【1 3 】。 2 l v d s 数字信号输出 图像显示单元包含一路数字视频信号输出端，数字视频信号输出时采用低压 差分信号l v d s 【1 4 】( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 信号输出。l v d s 是一种 低摆幅的差分信号技术，它使得信号能在差分p c b 线对或平衡电缆上以几百 m b p s 的速率传输，其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。 数字信号输出端共有1 5 对l v d s 信号输出，包括1 2b i t 视频数据信号、lb i t 数据有效信号v i d d ( 即数据同步信号) 、1b i t 行有效信号v i d h ( 即行同步信号) 和1b i t 帧有效信号v i d v ( 即帧同步信号) 。图1 3 是数据有效信号v i d d 、行 有效信号v i d h 和帧有效信号v i d v 的时序关系示意图。 一 - - - - - _ 卜_ r b l a a k m 2 一 二u 解越l 汝s i ，；l i n e s ： ； 坜萄v i 教d 信v 号r 一一l 厂一 - jl i 荇有v t 蔑d 信h 霉f 1 1 1 几1 1 1 f 1 几1 f l n f l 门f 1 ：栅：兀f 1 1 1 几f l f l f l f l 1 f l f l a ) 盼同步信昌和行同步信号。 数据v 再i d 效i ：，号 厂 1 几nl。l_l-ju l - jl j 帧可效信号厂一 v i d v 一 一 厅嚣敏偎写一 1 v i d h l l f b ) 每帧每始粒结吏时旷同步信号 图1 3 三种同步信号之间的时序关系示意图 第一章绪论 如图所示，v i d d 、v i d h 和v i d v 有如下时序关系： 数据有效信号、行有效信号、场有效信号的频率均保持不变 只有在v i d d 的下降沿，信号v i d v 和v i d h 才会发生改变： 只有在v i d h 的下降沿，信号v i d v 才会发生改变。 1 2 4 图像处理和控制单元 图像处理和控制单元是医用x 光机的核心部分，主要功能是对x 线成像单 元输出的1 2 b i t 、l k xl k 、3 0 帧秒的数字视频信号进行处理，得到高质量的医学 视频图像，包括两个主要模块： 1 、图像处理模块： 负责对输入的数字图像进行各种图像处理，包括圆消隐、阴影校正、递归滤 波、自动增益控制a g c 、边缘增强、直方图均衡、g a m m a 校正、图像反转等算 法，图像处理模块是图像处理和控制模块的核心部分； 2 、系统控制模块： 主要功能是控制图像处理模块的操作模式，实现图像处理和控制单元与x 线成像单元、存储单元、显示单元以及p c 机、状态显示灯等部分的连接和参数 传递，实现c p u 对外部接口和存储器等部分的控制。 1 3 本文工作及论文结构 1 3 1 本文工作 图像处理和控制单元是医用x 光机的核心部分，论文的主要工作是基于 f p g a 和n i o si i ，完成了图像处理和控制单元的硬件设计和算法实现，主要包括 以下几个方面： l 、通过广泛研究医用x 光机中图像处理和控制单元的特点和性能要求，确 定本文图像处理和控制单元的硬件结构和设计方案。 2 、提出了多种图像处理算法的流程，采用v h d l 语言实现了所有算法，并 在q u a r t u si i 软件工具中进行编译、综合和仿真，实现了图像处理模块。 3 、搭建了基于n i o si i 嵌入式处理器的系统控制模块，采用c 语言实现了 n i o si ic p u 对外部d d rs d r a m 的读写操作。 4 、在n i o si i 开发板上对f p g a 的硬件设计程序和软件设计程序进行下载和 调试。 第一章绪论 1 3 2 论文结构 全文共分为六章。 论文第一章为绪论，主要包括医学影像处理技术的概述、医用x 光机的组成、 x 线成像单元、存储单元、显示单元和图像处理和控制单元的性能和工作参数以 及论文的主要内容和结构。 第二章说明了采用v h d l 语言设计数字电路的优点以及s t r a t i x1 1 系列f p g a 的性能特点，详细介绍了n i o si i 嵌入式处理器的工作原理、设计步骤以及s o p c b u i l d e r 、q u a r t u s1 i 、n i o si ii d e 的设计流程。 第三章分析了医用x 光机中的图像处理和控制单元的性能要求，提出了五种 设计方案，通过对比，选择采用f p g a 和n i o si i 相结合的方式实现图像处理和 控制单元，给出了整体的硬件设计框图并详细介绍了选用的e p 2 s 6 0 f 6 7 2 c 3 n 型 f p g a 的参数和内部功能划分。 第四章主要介绍了图像处理模块的设计，针对x 线图像的特点提出了圆消 隐、阴影校正、递归滤波、边缘增强、g a m m a 校正等算法，详细介绍了各算法 的工作流程和采用v h d l 语言实现这些算法的方法和步骤，给出了各算法占用 f p g a 资源的统计结果以及算法的功能仿真和时序仿真结果，并对仿真结果进行 了分析。 第五章提出了基于n i o s 嵌入式处理器开发系统控制模块的方法，说明了系 统控制模块的组成结构以及其中d d rs d r a m 控制器的软件设计流程。 第六章介绍了n i o si i 开发板的元件组成以及f p g a 的硬件配置程序和软件程 序的下载和调试方法，说明了论文的调试结果和调试过程中遇到的问题及解决的 方法。 在论文的结束语中给出了总结和今后工作的方向。 第二章f p g a 器件和n i o su 嵌入式处理器 第二章f p g a 器件和n i o su 嵌入式处理器 2 1 数字系统硬件设计方法概述 2 1 1 传统的系统硬件设计方法 在计算机辅助电子设计出现以前，人们一直采用传统的硬件设计方法来设 计系统的硬件。这种硬件设计方法主要有以下几个主要特征。 采用自下至上( b o t t o mu p ) 的设计方法 自下至上的设计方法的主要步骤是根据系统对硬件的要求，详细编制技术规 格书，并画出系统控制流图；然后根据技术规格书和系统控制流图，对系统的功 能进行细化，合理的划分功能模块，并画出系统的功能框图；接着就是进行各功 能模块的细化和电路设计：各功能模块电路设计、调试完成后，将各功能模块的 硬件电路连接起来再进行系统的调试，最后完成整个系统的硬件设计。具体设计 过程是从选择具体元器件开始的，并用这些元器件进行逻辑电路设计，完成系统 各独立功能模块设计，然后再将各功能模块连接起来，完成整个系统的硬件设计。 采用通用的逻辑元器件 在传统的硬件电路设计中，设计者总是根据系统的具体需要，选择市场上能 够买到的逻辑元器件，来构成所需要的逻辑电路，从而完成系统的硬件设计。尽 管随着微处理器的出现，在由微处理器及其相应硬件构成的系统中，许多系统的 硬件功能可以由软件功能来实现，从而在较大程度上简化了系统硬件电路的设 计，但是这种选择通用的元器件来构成系统硬件电路的方法并未改变。 在系统硬件设计的后期进行仿真和调试 在传统的系统硬件设计方法中，仿真和调试通常只能在后期完成系统硬件设 计以后才能进行。因为进行仿真和调试的仪器一般为系统仿真器、逻辑分析仪和 示波器等，因此只有在硬件系统已经构成以后才能使用，从而导致系统设计时存 在的问题只有在后期才能较容易发现。 主要设计文件是电原理图 在用传统的硬件设计方法对系统进行设计并调试完毕后，所形成的硬件设计 文件主要是由若干张电原理图构成的文件，该文件是用户使用和维护系统的依 据。大量的电原理图给归档、阅读、修改和使用都带来了极大的不便。 8 第二章f p g a 器件和n i o si i 嵌入式处理器 传统的硬件电路设计方法已经沿用几十年，是目前广大电子工程师所熟悉和 掌握的一种方法。但是，随着计算机技术、大规模集成电路技术的发展，采用硬 件描述语言的硬件电路设计方法已经兴起。 2 1 2 利用硬件描述语言( 印) l ) 的硬件电路设计方法 硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是可以描述硬件电路的 功能、信号连接关系和定时关系的语言，它能比电原理图更有效的标识硬件电路 的特性。利用v h d l 语言设计系统硬件的方法，归纳起来有以下几个特点。 一采用自上至下( t o p d o w n ) 的设计方法 一 自上至下的设计方法就是从系统总体要求出发，自上至下逐步将设计内容细 化，最后完成系统硬件的整体设计。设计者可采用三个层次对系统硬件进行设计。 第一层次是行为描述，即对整个系统的数学模型进行描述。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。 第二层次是寄存器传输级r t l ( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) 描述，将行为方式 描述的h d l 语言程序改写为r t l 方式描述的程序，导出系统的逻辑表达式，才 能进行逻辑综合，得到硬件的具体实现。 第三层次是逻辑综合，利用逻辑综合工具，将r t l 方式描述的程序转换成用 基本逻辑元件标识的文件( 门级网络表) 。此后，可以由自动布线程序将网络表 转换成相应的a s i c 芯片的制造工艺，做出a s i c 芯片；也可以将网络表转换成 f p g a 的编程码点，利用f p g a 完成硬件电路设计。 系统中可大量采用a s i c 芯片 采用h d l 语言设计电路时，可以根据硬件电路设计需要，设计自用的a s i c 芯片或可编程逻辑器件，这样最终会使系统电路设计更趋合理，体积也大为缩小。 采用系统早期仿真 由自上至下的设计过程可知，从总体行为设计开始到最终逻辑综合，形成网 络表为止，要进行三级仿真，即行为层次仿真、r t l 层次仿真和门级层次仿真， 也就是系统数学模型的仿真、系统数据流的仿真和系统门电路电原理的仿真，这 三级仿真贯穿系统硬件设计的全过程，从而可以在系统设计早期发现设计中存在 的问题，从而大大缩短系统硬件的设计周期。 降低了硬件电路设计的难度 主要设计文件是使用h d l 语言编写的源程序 资料量小，便于保存；而且继承性好，阅读方便。 9 第二章f p g a 器件和n i o su 嵌入式处理器 2 1 3 利用v h d l 语言设计硬件电路的优点 v h d l ( s i c 瑚) l ) 语言是一种面向设计的多层次、多领域且得到一致认 同的标准的硬件描述语言。v h d l 语言和其他瑚) l 语言相比有如下特色。 设计技术齐全、方法灵活、支持广泛 v h d l 语言可以支持自上至下( 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、f p g a 以及其他随即电路的设计。 系统硬件描述能力强 v h d l 语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，另外，高层次的行为描述 可以与低层次的r t l 描述和结构描述混合使用。 v h d l 语言可以与工艺无关编程 v h d l 语言标准、规范，易于共享和复用【1 5 】。 2 2f p g a 器件简介 2 2 1f p g a 的发展 现场可编程门阵列器件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 ) 是x i l i n x 公 司于1 9 8 5 年首家推出的，它是一种新型的高密度可编程逻辑器件，采用 c m o s s r a m 工艺制造【l6 ，内部包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i c b l o c k ) 、输入输出模块i o b ( i n p u to u 印u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分【1 7 】。现场可编程门阵列是新一代的数字逻辑器件，规模比较大，适合 于时序、组合等逻辑电路应用场合，可替代几十甚至上百片通用中等规模以上 的i c 芯片【1 6 】。f p g a 利用传输门通过编程控制组成逻辑功能块，允许通过编程 对这些逻辑门进行互连。它不仅具有很高的速度和可靠性，而且具有用户可重 复定义的逻辑功能，即具有可重复编程的特点。因此，现场可编程门阵列使数 字电路系统的设计非常灵活，并且显著缩短了系统研制的周期，缩小了数字电 路系统的体积和所用芯片的种类【8 1 。在生物医学工程领域，得益于现场可编程 门阵列的发展，现代医学仪器设计用现场可编程门阵列取代中小规模芯片做逻 辑控制，在医学信号采集与处理、图像获取与处理、便携式医学仪器设计等方 面得到了应用i l6 1 。 2 2 2f p g a 的基本特点 现场可编程门阵列f p g a 的基本特点有： 1 0 第二章f p g a 器件和n i o si i 嵌入式处理器 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户无需投片生产即可得到合用的芯片。 f p g a 可作其他全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 f p g a 内部有丰富的触发器和i o 弓1 脚。 f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之 一o f p g a 采用高速c m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t 。电平兼容。 f p g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片 风险和费用，设计人员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。 用户可以反复的编程、擦除、使用，在外围电路不动的情况下，采用不 同的软件，即可实现不同的功能【1 9 1 。 2 2 3s t r a t i xi i 系列f p g a 性能简介 本文采用的f p g a 芯片是a l t e r a 公司推出的s t r a t i xi i 系列f p g a ，s t r a t i xu 系列f p g a 芯片采用创新性的逻辑结构，使得f p g a 的平均性能和逻辑容量大幅 度提高，具有多达1 8 0 k 个等效逻辑单元l e ( l o g i ce l e m e n t ) 和9 m b 的r a m ， 而成本却大大降低，其性能特点主要有： 新型逻辑结构：基于自适应逻辑模块c a l m ) ，面积更小、速度更快、 功耗更低；专用的算法结构可以高效的实现加法树( a d d e rt r e e ) 及其他复杂算 法功能，提高数字信号处理的性能。 高速o 接口：具有1 5 2 个接收器和1 5 6 个发送器通道，优化的l v d si o 接 口提供高性能和良好的信号完整性。 外部存储器接口：支持各种最先进的存储器接口，包括单数据速率s d r s d r a m 、双数据速率d d rs d r a m 、d d r 2s d r a m 、r l d r a mi i 、四数据速率 q d r i is r a m 等。 可集成多种i p 宏功能控制器核。 t r i m a t r i x 存储器：为了更好的补充s t r a t i xi if p g a 的高性能逻辑架构， a l t e r a 提供了可靠的t r i m a t r i x 存储器结构用来访问片内高带宽存储器，包括三种 大小的嵌入式r a m 块：5 1 2 b 的m 5 1 2 块，4 k b 的m 4 k 块和5 1 2 k b 的m - r a m 块，每个 块可以配置支持各种特性，能够实现复杂设计中的各种存储功能。 数字信号处理( d s p ) 块：s t r a t i xi i 器件提供了多达9 6 个数字信号处理 ( d s p ) 功能块，并针对高性能d s p 应用进行了优化，提供了专用乘法器、加法 器、减法器、累加器和求和单元，每个d s p 块能支持不同的乘法器( 包括9 x 9 、 1 8 x1 8 、3 6 x 3 6 ) 和操作模式( 包括乘法、复数乘法、乘累加以及乘加) ，提供了 第二章f p g a 器件和n i o s1 1 嵌入式处理器 实现高性f l 皂d s p 功能的有效手段。 n i o si i 嵌入式处理器：支持n i o si i 嵌入式软核处理器，降低设计难度、降 低系统成本，提高系统设计的灵活度1 8 1 2 们。 2 3n i o si i 嵌入式处理器 n i o si i 嵌入式处理器是a l t e r a 公司于2 0 0 4 年6 月推出的第二代用于可编程 逻辑器件的可配置的软核处理器，性能超过1 0 0 d m i p s 。n i o si i 是基于哈佛结构 的r i s c 通用嵌入式处理器软核，能与用户逻辑相结合，编程至a l t e r af p g a 中。 n i o si i 嵌入式处理器具有3 2 位指令集，3 2 位数据通道和可配置的指令以及 数据缓冲。它特别为可编程逻辑进行了优化设计，也为可编程片上系统s o p c 设 计了套综合解决方案【2 1 1 。 n i o si i 处理器支持2 5 6 个具有固定或可变时钟周期操作的定制指令，允许 n i o si i 设计人员利用扩展c p u 指令，通过提升那些对时间敏感的应用软件的运 行速度来提高系统性能口2 1 1 2 3 1 。 2 3 1n i o si i 内核 n i o si i 处理器系列包括三种内核一高速内核( n i o si i f ) ，标准内核( n i o si f s ) 和经济内核( n i o s e ) ，每一种都针对特定的价格和性能范围进行了优化，如 表2 1 所示。设计中应针对不同的性能范围和系统成本选择合适的内核 1 s j r 2 4 。 表2 1n i o s 系列处理器成员 特性 n i o si f f ( 快速)n i o si f s ( 标准)n i o si i e ( 经济) 针对最大性能针对最少逻辑占用 说明平衡性能和尺寸 进行优化进行优化 流水线6 级5 级i 级 乘法器1 周期3 周期软件仿真 分支预测 动态 静态无 指令高速缓冲可配置 可配置 无 数据高速缓冲可配置无无 定制指令高达2 5 6 条高达2 5 6 条高达2 5 6 条 1 2 第二章f p g a 器件和n i o s 嵌入式处理器 2 3 2n i o si i 处理器的外围接口 n i o s 嵌入式处理器包括一个常用外围设备及接口库，这个库在a l t e r a f p g a 中可免费使用。用户开发的外围设备和接口可以通过引入向导轻松的引 入到n i o si i 处理器系统中，为设计再利用提供了一种简便的方法。 1 ) 标准外围设备 标准外围设备为即用型设计模块，它可以用v e r i l o gh d l 和v h d l 源代码方 式交付使用，其中包括简单系统集成所必需的所有软件子程序。表2 - 2 列出了包 括在n i o s i i 开发套件中的外围设备接口。 表2 2n i o s 外围设备接口 外围设各接口说明 用户逻辑模块将片内用户逻辑或片外器件连接至u s o p cb u i l d e r 生成的系统中 c o m p a c t f l a s h 接口 提供大容量存储支持 。 提供通用串行接口，具有可变波特率、奇偶检验、停止和数据 u a l 位及可选的流量控制信号 间隔时钟提供3 2 比特时钟，可作为周期脉冲发生器或系统看门狗时钟 并行i o 口提供1 比特到3 2 比特的并行i o 口( 输入、输出、边缘采样) 串行外围设备接口( s p i )实现工业标准串行外围设备接口，支持主设备或从设备协议 d m a 控制器与存储器进行批量数据交换，减轻c p u 的负担 提供一个简单a v a l o n 接口，与片外的s d r a m 沟通，支持8 、1 6 、 s d r a m 控制器 3 2 和6 4 比特数据宽度 包括：片内r o m 和r a m ，s d r a m 、s r a m 和f l a s h ，a l t c r a 的 存储器接口 串行配置器件 包括：1 0 1 0 0 兆比特每秒s m s cl a n 9 1 c 1 1 1 单芯片以太网控制 以太网接口器，提供轻量级的i p t c p i p 协议栈的软件支持，已经包含在n i o s i i 开发套件中 通过内嵌在a l t e r af p g a 内部的联合测试行动组( j t a g ) 电路， j t a gu a r t 在p c 主机和s o p cb u i l d e r 系统之间进行串行字符流通信 2 ) 用户定制外围设备 用户可以创建自己的外围设备，并通过用户逻辑接口向导将其集成到n i o s i i 处理器系统中。这种自动化工具能够检验v h d l 源代码，识别顶层端口并将 这些端口连接到合适的处理器总线信号上，整个过程用户介入很少。这种高 第二章f p g a 器件和n i o si i 嵌入式处理器 效、节省时间的方法创建的定制外设和定制指令可以像其他组件一样正常工 作。用户还可以通过反复设计，轻松得出优化系统的最好方式【1 引。 2 3 3n i o si i 嵌入式处理器的软、硬件开发流程 图2 1 所示为创建一个完整的n i o si i 系统的全部开发流程，图中包括创建一 个工作系统的软、硬件的各项设计任务。 标准系统 组元件 u a r t ， p i o， d m a 等 用户定义 的元件， 定制的外 设和处理 器指令 d 初期工作： 争析系统需求( 性能及要完成的功能) 乏义n i o si i 处理器子系统( c p u 、外围器件、存储系统、d m a 通道等) 硬件开发 用s o p cb u i k 定义n i o s i i 处理 系统 用q u a r t u si i 勒 件配置器件、分蕺 引脚并编译到硬件 将硬件程序 载到开发板上 成定制的fn o 速硬件r 一 软件开发 l s 开始c c l 程序开