（通信与信息系统专业论文）基于i2c总线的视频信息采集系统的ip核设计.pdf

浙江工业大学 学位论文原创性声明 z7 4 9 6 8 g 本人郑重声明：所提交的学位沦文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本沦文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：壶芎芬 日期：讪心年芎月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：虚葛琴 导师签名：多别浏 日期：m 哆年 日期：矽蛑 f 月谚日 马万日 浙江，i ：业大学硕十学位论文 基于1 2 c 总线的视频信息采集系统的i p 核设计 摘要 本论文介绍了用于多媒体通信的视频信号采集的原理和关键技术，提出了一 种基于1 2 c 总线的视频信息采集系统的设计方案。视频信息采集系统是全数字实 时无线多媒体传输系统中的前端处理部分它采集的视频信号输出通过视频雎缩 可以达到比较理想的可以用于无线传输的视频信号。论文提出了基于1 2 c 总线的 i p 核的总体设计方案，在v h d l 高级综合系统( t o p d o w n ) 的设计方法的支持下， 给出了各模块的设计过程及相应的h d 。语言缟程，给出了在a i t e r a 公司的 m a x + p l u s 软件平台中进行e d a 的综合结果与时序仿真图。视频信号采集系统设 计是利用a l t e r 公司的a c e x i k 系列e p l k 3 0 t c l 4 4 芯片对0 v 7 6 2 0 摄像芯片仞始化 和配置，输出视频数据格式可以根据实际情况修改程序，进而改变0 v 7 6 2 0 芯片工 作方式，以达到符合自己需要的视频数据格式。论文设计程序中，设置的视频数 据格式符合c c i r 6 5 6 标准，为1 6 比特y c r c b 格式、窗口3 2 0 2 4 0 的视频数掘 输出。 关键词：1 2 c 总线视频采集f p g av h d ly c r c b 格式 c c i r 6 5 6 协议 浙江1 业人中硕+ 学位论文 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fv i d e oc o l l e c t i o ns y s t e m i pc o r eb a s e do n1 2 cb u s a b s t r a c t t h i sp a p e rg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h ep r i n c i p l ea n dk e y t e c h n o l o g yo fv i d e os i g n a ld i g i t a l i z a t i o n ，w h i c hj san e c e s s a r yp a r to f m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ad e s i g no fr e a l t i m ev i d e oc a p t u r ew a s g i v e n ，w h i c hi sa p p l y i n gv i d e oc o n f e r e n c i n g ，v i d e om a i la n ds oo n 。t h e v i d e os i g n a lc o l l e c t i o ns y s t e mi st h ef r o n tp a r to ft h ed i g i t a lr e a l - t i m e w i r e l e s sm u l t i m e d i as y s t e m i t sv i d e os i g n a lc a na t t a i ni d e a ls i g n a lt h a t c a nb eu s e df o r t h ew i r e l e s st r a n s m i tb yc o m p r e s s e d ，ag e n e r a ld e s i g n s c h e m eo fl pc o r eb a s e do ni i cb u sw a sg i v e n ，s u s t a i n e db yv h d ls e n i o r s y n t h e s i ss y s t e m ，t h ed e s i g np r o c e s so fm o d u l ea n dh d lp r o g r a m m e c o e e r s p o n d e di sg i v e n 。t h er e s u l to fs y n t h e s i so nm a x + p l u ss o f t w a r e f l a tr o o fp r o v i d e db ya l t e rc o a n dt i m i n gs i m u l a t i o ni sg i v e n 。t h e s o l u t i o ni sc o n f i g u r eo fo v 7 6 2 0b ye p1k 3 0 t c14 4 t h eo u t p u tv i d e o d a t af o r m a tc a nb ec h a n g e db ym o d i f y i n gt h ep r o c e d u r ea c c o r d i n gt ot h e a c t u a lc i r c u m s t a n c e m o d i l y i n gt h ep r o c e d u r ew i l lc h a n g eo v 7 6 2 0c h i p w o r km e t h o d ，t h e nt h ev i d e od a t af o r m a tm a t c h e so n e s e l fn e e d s ot h e p r o c e d u r ei sv e r yu s e f u l i nm yg r a d u a t i o nd e s i g n ，t h ev i d e oi sy c r c b 16 b i t3 2 0 2 4 0d i g i t a lo u t p u tf o r m a ta n dc o n f o r mt oc c i r 6 5 6s t a n d a r d k e y w o r d s ：i i cb u s ，v i d e oc o l l e c t i o n ，f p g a ，v h d l ，c c t r 6 5 6 ，y c r c b 浙江一业人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 视频一词源自英文v i d e o 。视频是与静止图像相对的一个概念，视频指活动图 像f 或运动图像) 。我们看到的视频信息实际上是由许多连续的单一画面组成的。 每一副画面称为一帧。由于人眼的视觉惰性，每秒2 4 帧的电影画面就使人感觉到 是连续活动的影像。视频信息具有确切、直观、具体生动；效率高、应用广等诸 多优点，但最重要的，它是最能为人们所接受的信息形式。视频技术研究的问题 包括视频信号的数字化、处理、压缩、传输和存储等。视频技术在多媒体技术中 占有重要的地位。 近年来。随着互联网和通信技术的飞跃发展，人们也不再满足于只用简单的 文字、声音进行交流，而更加倾向于使用图、文、声并茂的动画和多媒体进行交 流，如视频会议、电子商务、远程医疗和远程监控等都是视频图像应用的一个热 点。可以预见，二十一世纪将是视频图像广泛应用的世纪。但是由i i ： ：视频图像本 身具有庞大的数据量，给传输和存储带来了困难，从而极大的制约了视频图像应 用的发展速度。例如，按c c i r6 0 1 建议，普通质量的电视信号数字视频的码率约 为2 1 6 m b s ，而高清晰度电视h d t v 贝u 在1 2 g b s 以上，如果没有高教率的压缩技术 真是难以传输和存储 为了满足用户对视频图像不断增长的业务和应用需求，视频技术得到了突飞 猛进的发展，从广播电视、家用录像系统的普及，逐步过渡到数字视频技术的应 用，数字视频通信技术也发展得如火如茶。计算机技术、集成电路、通信技术的 发展为信息的获取和传输提供了丰富的手段，越来越多的应用和研究都与视频数 据相关，例如远程监控、可视电话、会议电视、电。警察、指纹识别和视频j ! i i 缩 算法研究等等，都以视频信息的获取为前提，然后再对获取的数字图像进行后续 处理。视频采集系统是数字图像获取的最基本手段，随着科技的发展和人们对视 频图像需求的激增，对高性能视频采集系统的研究将成为一个热点。各种图像和 视频新的压缩标准相继提出，如h 2 6 3 “1 ，h 2 6 4 。”，m p e g 2 “i ，m p e g 4 ”1 和j p e g 2 0 0 0 “ 等等。 本视频图像采集系统是全数字实时无线多媒体传输系统的前端部分。将多媒 体信息数字化后经压缩编码、复用、调制以后送无线信道传输，然后通过解压缩、 解复用、解调后送到液晶屏进行显示，整个过程采用的是全数字处理技术，由于 采用了数字信号处理技术与前向纠错技术( f e c ) ，可使其具有较高的信号接收灵 敏度并能保证信号的可靠传输，适应在恶劣环境中的应用i 基于f p g a * d s p 技术的 浙江i 业人学硕十学f f 7 ：论文 全数字实时无线多媒体传输系统除了具有优越的抗干扰性能，保持图象信息清晰 稳定以外，还具有设备小巧不需附带其他设施、价格适中等优点，通过适当的地 址编码控制，它可以实现点对点、点对多点、单向和双向实时的多媒体通信。可 以广泛地应用于公寓式、别墅式家庭、大型会议室、多媒体教室等，只要增加信 令功能，即可把此项技术应用于无线可视电话系统，应用前景非常，。阔。 1 2 视频信息采集技术现状 为了有效的实现各类图像处理算法，许多用于视频图像采集和处理的芯片也 随之应运而生，芯片的处理功能也越来越强大，使用也越来越方便。随着人们对 各种图像国际标准的研究，新的算法不断提出，算法的易实现性和处理结果成为 评价一种新算法的标准。 视频图像采集系统的实现是进行数字图像处理、多媒体和网络传输的前提， 它可以为各种图像处理算法提供待处理的原始数字图像。 视频采集是解决视频信息的获取问题由于数字化信号的诸多优点，我们更 愿意得到的是数字信号。数据采集主要包括模拟信号的获取，模拟信号的数字化， 以及数字信号的必要处理。对视频通信来说，模拟信号的获取由摄像头柬完成， 实际完成的是一个光信号到电信号的转换，当f j l 这个工作主要由c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ：电荷耦合器件) ，或c m o s 器件来完成。 现代计算机系统广泛采用总线结构。总线是计算机各个部分之间传送信息代 码的公共通道。随着半导体芯片制造技术的不断提高，计算机结构的更新与工作 速度大幅度提高，全新的扩展总线不断涌现。从早期的p c x t 总线丌始，发展了 i s a 总线( 又叫a t 总线) 、e a s a 总线、m c a 总线、v e s a ( v 【。) 总线以及目6 f 广。泛 使用的p c i 总线、u s b 总线和刚刚崭露头角的i e e e l 3 9 4 总线。1 。 随着g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e 图形用户界面) 、多媒体等技术在p c 机上的应用。传统的p c 总线( 如i s a 、e i s a 总线、m c a ) 由于其带宽的限制，已 不能满足系统工作的要求。为此，在9 0 年代初，由视频电子标志协会( v e s a ) 和i n t e l 公司分别提出了v l b u s 和p c i 这两种先进的局部总线规范。它们都为 系统提供了一个高速的数据传输系统，从而很好地解决了数掘传输的瓶颈问题。 现代的视频信息采集技术发展迅速，各种基于is a 、pci ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 外部部件互联) 等总线的图形采集卡己能在市场上买 到，但是价格比较昂贵并且处理功能简单。对于特殊需要不能很好满足，往往 需要加上后续处理部分，这给特殊需要的用户带束了不便。采用现场可编程芯片 及dsp 处理芯片构成的图像采集系统，可以根据不同的需要进行现场编程，具 有通用性好、价格相对便宜等特点。 浙江小业人学硕十学位论文 1 3 视频信息采集系统总体框架的提出 随着数字多媒体技术的不断发展，数字图像处理技术被广泛应用j 。可视宅 话、电视会议、监控系统等各种民用、商用及工业生产领域中。但在这些数字图 像处理系统中，一个突出的阀题就是数据量庞大，特别是在图像帧率及分辨率要 求比较高的场合下，仅用专用的视频压缩芯片( v i d e oa s i c ) 、专用的视频信号 处理器( v i d e od s p ) 或通用的高性能数字信号处理芯片( d s p ) ，均无法获得令人 满意的效果。为此，人们提出了多种解决方案，其中比较有代表性方案有以下 两种： 。是在中央控制器的调度下，两片或多片图像处理主芯片并行对图像进行 处理。主要难度在于如何使这些处理器协同工作，如何进行工作任务的调度与分 配。 二是整个图像处理系统由图像采集系统和图像压缩系统组成，其中图像采 集系统负责接收原始的图像数据并对其进行一定的预处理；图像压缩系统负责接 收图像采集系统预处理后的数掘并进行压缩。 本文将基于第二种方案，分析其中图像采集系统的控制逻辑设计思想；并结 合图像压缩算法的需求，着重介绍图像数据预处理的控制流程及实现方法：图l l 为视频信息采集方案。 托斜嚼传太小 颇色等信息 圈1 一l 视频信息采集方案 与图象爪缩 系统接口 本系统的核心控制部分m 。片fp oa 占h ( 从7 公：f 的 ( j i i ( ：l 一1 4 一匕 片j 实现。设训r 基于i i c 总线的视频数据采集方案，l i c 总线在i # 端同步与时 钟等控制f 实现对视频数据的采集，并将数据送入剐像压缩系统。i “j 二fp ga 芯片具仃赢速、商可靠性、开发周期短的特点，詹h s t5 以根掘观场的需嫂进编 程、n 。撩下j 多次，j 酬m 填何极犬的力髓性、随行蠼4 引，z 的摊南。卷拥l 的成 浙江i ：业人学硕十学位论文 本矿r 极大的降低可靠盹也订保i ：，芯片的人小和功耗部f j 钍毒尺f i j 降低。i ) v 7 6 2 0 链荚 qo m r l iv is i o n 公c ，j 的c m o , ki 割象f 0 感，匕j | 它也女i ) “，1 x1 9 2 的感) j 己两 列感光阵列扫描输出原始的r 、g 、b 彩色嘲象信号经模拟处理f l _ _ l 路进行曝 光、g a m l l l a 校正、白电平调整等处理后根据输出要求还可转换成y u v 等多种信 垮输：“形式。其模拟视频信号经 l l i 路1 0 任说颂a d 转换后 “h 札蜘! 接输m 提供 标准数：；= = = 砚劫! 图缘信号。 奉系统中的外幽 乜路设汁枉 划简，尊、，r f 青，l i 蠖j ：f i ，“a 卡v i i i ) 1 。语，i 砑的 特点，系统麒有较好的扩鹾性，在监测和控制系统 l 也具宵1 定日j 通 j 性 1 - 4 本论文的研究意义与主要工作 视频信息采集系统是全数字实时无线多媒体传输系统中的前端处理部分。它 采集的数字视频信号输出通过视频压缩可以达到比较理想的可以用于无线传输 的视频信号。 视频信息采集系统的硬件实现是用h d l 语言设计的。通过建立v h d l 行为模 型和进行v h d l 行为仿真，可以及早发现设计中潜在的问题，缩短了设计周期， 提高了设计的可靠性和效率。实践表明：v h d l 在硬件设计上是非常有效的，它 是当代电子设计工程师进行硬件设计时必须掌握的t 具。 本文的研究工作紧密围绕视频信息采集技术而进行，研究了基r1 2 c 总线的 视频采集系统，详细分析了该采集系统的设计思路，做了如下的研究工作： ( 1 ) 提出了一套基于1 2 c 总线的视频采集系统的方案，选用a l t e r 公司的 e p l k 3 0 t c l 4 4 芯片和美国o m n iv i s i o n 公司的c m o s 图像传感芯片0 v 7 6 2 0 。 ( 2 )提出1 2 c 总线的i p 核的总体设计方案，在v h d l 高级综合系统的 ( t o p - d o w n ) 的设计方法的支持下，给出了各模块的设计过程及相应的 h d l 语言编程。 ( 3 ) i p 打包技术，给出可综合的h d l 代码和它的子模块。 ( 4 ) 在a 1 t e r a 公司的m a x + p l u s 软件平台中进行e d a 的综合结果与时序仿真。 ( 5 ) 视频信号采集硬件的程序调试。 浙江f 业人学硕十学位论文 第二章e d a 技术概述 在视频信号采集系统的研究和设计中我们主要采用的是e d a ( e l e c t r o n i c d e s i g na u t o m a t i o n ) 技术。e d a ”1 技术是现代电子设计技术的核心，e d a 技术就 是依赖功能强大的计算机，在e d a 工具软件平台上，对以硬件描述语音+ ( h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 为系统逻辑描述手段完成的设汁，自动地完成逻辑编 译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合( 布局布线) ，以及逻辑优化测 试，直至实现既定的电子线路功能。 2 1e d a 技术的发展 从上世纪7 0 年代到现在e d a 技术经历了不断发展的三个阶段，即c a d ( 计 算机辅助设计：c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 阶段、c a e ( 计算机辅助工程：c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 阶段和e s d a ( 电子系统设计自动化：e l e c t r o n i cs y s t e m d e s i g na u t o m a t i o n ) 阶段： l 、c a d 出现于上世纪7 0 年代，人们用计算机辅助进行l c ( 集成1 【l 路：1n t e g r a l e d c i r c u i t ) 版图编辑、p c b 辅助连线等图形绘制功能。由j f 受硬件环境条件的制约， c a d 工具所支持的设计能力十分有限，智能性也较差。 2 、c a e 出现于上世纪8 0 年代，与c a d 相比，除了纯粹的图形绘制功能外，又 增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在。起， 实现了工程设计。c a e 的主要功能是：原理图输入、逻辑仿真、电路分析、自动 布局布线、p c b 后分析等，从而使电子设计师在产品制作前就能预知产品的功能 与性能、了解其中的故障和问题、控制制造过程、生成后续生产制造所必备的文 件。c a e 设计方式下的丌发流程前后依赖性很大，缺乏统一的管理工具和界面以 完成故障的实时修补，同时无法对系统级设计进行良好的支持。 3 、 e d a 始于上世纪9 0 年代，其基本特征是：采用h d l ( 硬件描述语言：h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 描述电路或系统，提供自项向下的系统级设计方法，支 持系统级仿真、综合、优化与测试，有良好的对外标准化接 j 。 当前e d a 技术已步入成熟轨道，在技术上涵盖了电子( 数字与模拟) 系统、i c 、 等等。 浙江i 。业人学硕卜学位论文 2 2 电子系统的自顶向下( t o p - d o w n ) 的设计方法 e d a 设计一般采用t o p - d o w n 设计。1 也叫正向设计，它是针对传统的自底向上 ( b o t t o m u p ) 的设计方法而提出来的。自底向上的设计方法是从己存在的单元出 发进行系统设计，它限制了设计人员的创造性并难以实现设计自动化。自顶向下 的设计过程即是：从系统硬件的高层次抽象描述向最底层物理描述的一系列转换 过程，直到最后得到可实现的硬件描述为止。具体讲这1 过程有功能级、行为级 描述丌始，寄存器( r t l ) 级描述为第一个中间结果，由r t l 级描述，采用逻辑 综合得到网表( n e t l i s t ) 或电路图，出网表即可自动生成现场可编程门阵列 ( f p g a ) 复杂可编程逻辑阵列( c p l d ) 或专用集成电路( a s i c ) ，从而得到电路 与系统的物理实现。 t 0 p o o w n 设计步骤： t o p d o w n 设计分为行为级描述、寄存器传输( r t l ) 描述、逻辑综合、和物 理实现四个步骤。如图2 - i 所示 0 浙江i 二业火学硕十学位论文 一搞进) i ；嚣一卜 0 行山缴俯盘l 通址 辞爱曩喜亲主了2 橘气描述卜 0 ” rt i 担仿寞l 一 0 蛆j = n 泌嚣接圳十j 0 i l 擐真卜一 0 通址 fj 域h 鞋输卅( 腑墟轼 槛) 7 1 础研埘币嚣，弭理墨地址卜- 后仿真 后仿建l 0 麓过0 姐过 上通过上 加 堪成馐 耋老成硬赣 幽2 1t o l d d o w n - 垃计步骤 第一层次是行为级描述。行为级描述实质j 二足划整个系统的数学模型的描 述。在行为级描述阶段，并不真正考虑实际的操作和算法用什么方法实现，考虑 更多的是系统的结构及其工作过程能否达到系统设计规划书( 设计目的) 的要求。 在这一层次，运算语句和控制语句被用来组织输入、输出以及不同运算。这一层 次的典型描述方法是行为有限状态机、控制流图、数据流图和控制数据流图。 第二层次是寄存器传输( r t l ) 级描述。寄存器的最基本的设计单元是寄存 器、计数器、多路选择器、算术逻辑单元( a l u ) 等。寄存器缴设计的结构描述 是与基本单元的互连。要想得到硬件的具体实现，必须将抽象程度很商的行为级 描述的v h d l 程序改写为r t l 级方式描述的v h d l 程序，这样才能导出系统的逻辑 表达式，爿能进行逻辑综合。有时在这一层次用数据流图描述硬件的行为，它反 映了流经实际硬件的数据分柿。在完成编写r t i 方式描述的v h d l 源程序以后， 浙江i 业人学硕十学位论文 再用仿真工具软件对程序进行仿真。如果这一步的仿真通过了。那么就可以利用 逻辑综合工具进行综合了。 第三层次是逻辑综合。逻辑综合这一阶段是烈用逻辑综合工具软件，将r t l 方式描述的v h d l 源程序转换成用基本逻辑元件表示的文件( f - j 绒网衰) 。这是 个把高层次的与工艺无关的描述转换成低层次的与特定工艺有关的转换。在逻辑 门设计时，电路的基本单元通常是与门、或门、异或门、反相器等逻辑门，有时 还带有少量晶体管构成的开关以及d 触发器、j k 触发器、锁存器等单元。如果 需要，可以将逻辑综合的结果以逻辑原理图方式输出。为了计算整个设计的性能， 需要仿真工具软件完成门级仿真，也需要时序分析工具。 第四层次为物理实现。物理实现分为f p g a c p l d 和a s i c 两种。无论那种物 理实现均需要在一定的工艺库文件支持下，由e d a 工具，把网表作为输入，进行 自动布局布线最终生成f p g a c p l d 的目标文件或a s i c 的版图文件。在此之后， 还需进行寄生参数提取和后仿真。以验证由于寄生参数的存在是否改变了静仿真 结果。如果未改变前仿真结果，则由f p g a c p l d 的目标文件下载到f p g a c p l d 得到设计结果。或由a s i c 的g d s i i 文件送交制版，光刻掩膜版经由代工厂 ( f o u n d r y ) 对硅片进行一系歹1 j 加工得到设计结果。 2 3 硬件描述语言 硬件描述语言“”1 是一种用形式化方法来描述数字电路积设计数字逻辑系 统的语言。数字逻辑电路设计者利用这种语言来描述自己的设计思路，然后利用 e d a 工具进行综合及仿真验证，最后用a s i c ( 专用集成电路：a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，f p g a 或c p l d 等实现其功能。 硬件描述语言至今已有2 0 多年的发展历史，并成功应用于数字电路或系统 设计的各个阶段：仿真、验证、综合等，其主要特点在于： l 、能形式化地抽象表述电路的结构和行为。 2 、能表述电路的并发及时序特性。 3 、具有电路仿真与验证机制以保证设计的币确性。 4 、支持电路描述由高层到底层的综合转换。 5 、硬件描述与具体实现工艺无关。 硬件描述语言有多种，但最通用的只有v e r i l o gh d l 和v h d l ( v e r yh i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th d l ) 两者都是i e e e 数字电路设计标准，对电路的 描述能力基本相同，本课题选用v e r ii o gh d l 和h d l 浙江上业大学硕士学位论文 2 3 1 v e r i i o ge d l 的发展 1 9 8 3 年，v e r i l o gh d l “由g d a ( g a t e w a yd e s i g na u t o m a t i o n ) 公司的p h i m o o r b y 首创。1 9 8 5 年，p h i lm o o r b y 设计出第一个v e r i l o gh d l 仿真 器：v e r i l o g - x l ，1 9 8 6 年，他又提出了用于快速门级仿真的x l 算法。1 9 8 9 年， c a d e n c e 公司收购g d a 公司，v e r i l o gh d l 成为c a d e n c e 公司的私有财产a1 9 9 0 年c a d e n c e 公司决定公丌v e r i l o gh d i ，_ 是0 v l ( ( ) p c nv e r i l o gf r i t e r n a t i o n a 【) 组织成立并具体负责v e r il o gh d l 的发展。t 9 9 5 年 e e e 制定了v e r il o gh d l 标 准，即v e r i l o gh d l l 3 6 4 。直到现在，此标准仍处于不断发展中 2 3 2v e r i l o gi - d l 框架 v e r i l o gh d l 将一个数字系统描述为组模块( m o d u l e ) 一个模块代表一个 逻辑单元可通过规定其内部逻辑结构进行描述，也可通过规定其行为进行描述。 模块之i 白j 通过接口相互通信。v e r i l o gh d l 可在三个抽象层次上对数字系统建模： l 、行为建模 行为模型的本质是一个进程。一个进程可作为一个独立的运行单元，例如时 序状态机、微程序控制器、异步清零寄存器或组合电路等。描述迸程的基本 v e r i l o gh d l 语句为a 】w a y s 结构： a l w a y s c o n s t r u c t ：= a l w a y ss t a t e m e n t a l w a y s 结构反复执行其中的语句，永不退出或终止执行。 2 、逻辑建模 逻辑建模为模块建立逻辑结构。指明其端口、子模块、逻辑功能以及与实现 直接对应的互连方式。数字系统的逻辑建模有多种途径，其中最主要的为门级建 模，即从诸如与、或、异或之类的逻辑门：互连的角度描述电路 3 、开关建模 抽象的逻辑级设计主要用0 r 和n o r 等基本逻辑函数来描述数字系统而在 模拟晶体管级，采用电路元件的电子模型进行描述，并且考虑了电流或电压的模 拟值。丌关建模在抽象的逻辑和模拟晶体管级之间提供。个抽象层次，用来描述 传输门的互连，这些传输门就是单个的m o s 管或c r o s 管等的抽象。 2 3 3 用v b d l 语言进行系统设计 v h d l 是超高速集成电路硬件描述语言( v e r yh i g hs p e e di ch a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 的英文缩写，它是种数字硬件系统设计和描述的标准 浙江i 业人学硕十学位论文 语言。与常用的电路原理图输入方法不同，v h d l 是以类似于一般程序编程的方 式对电路进行行为和结构的描述和定义。 如今的电子系统日益复杂，电路规模不断扩大，但是又要求设计周期短、成 本低、具有可移植性、便于采用最新的工艺方法。电子系统的这些特征采用传统 设计方法难以满足要求，一种新的高层设计方法逐渐进入实用阶段。高层设计就 是“概念驱动式”设计，设计人员无需通过门级原i 里图描述电路，而是针对设计 目标进行功能描述，摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以专心于设计方案和构 思上。v h d l 语言设计抽象程度高设计周期短，可以不涉及实现工艺，它的描述 能力能覆盖了下至具体逻辑门上至系统级的行为描述这种宽范围的描述能力使 v h d l 成为了高层设计的核心。 2 3 4v h d l 的优点 v h d l 具有以下优点： 1 v h d l 语言的描述能力宽支持高层设计，将设计人员可以专心于设计方案和构 思上，而较少关心物理实现。为了有效控制设计的实现，它还具有多层次的 设计描述功能，支持设计库和产生可重复使用的元件，它支持阶层设计并且 提供模块设计的创建。 2 v h d l 于工艺独立，方便了工艺转换。v h d l 允许设计者生成一个设计而不需要 首先选择用来实现设计的器件。对于同- 个设计描述可以采用多种不同器件 结构来实现起功能。 3 v h d l 可以表达精确的延时信息和定时要求，从而有了模拟真实硬件的能力。 4 作为一种i e e e 的工业标准，v h d l 提供了一个设计成果交流、复用、保留的 有效手段，方便不同小组协同完成大喜痛的设计任务。 5 + 可以将v h d l 设计首先综合到一个f p g a 芯片进行功能仿真使产品以最快速 度上市。当产品的产量达到一定得数量时，能够很容易的将设计转化成a s i c 芯片。 2 4i p 模块 2 4 1 i p ( i n t e i i 。t 呲p r o p e r t y ) 模块的定义 一个新的设计虽然包含了体现设计者新思想的核心单元，但其中也有通用的 功能单元。传统的设计方法是切从零丌始，逐设计各个功能单元，不管它是 通用单元还是体现设计者新思想的核心单元。对于实现一个比较复杂的数字系 4 浙江【：业人学硕十学位论文 统，如s o p c ( s y s t e m0 nap r o g r a m m a b l ec h i p ，可编程单芯片系统) ，采用传统 方法显然是不可取的，否则设计者会将相当一部分时侧和精力放在通用单元的实 现上，既延长了设计周期，又增加了设计风险和资会投入。因此人们认识到在 大容量f p g a 设计乃至s o p c 设计中采用i p 模块是十分必要的，这样可以缩短设 计周期和上市时间( t i m et om a r k e t ) ，降低风险，减小投入，提高系统的性 能和可靠性。 一个较复杂的数字系统往往由许多功能模块构成，而设计者的新思想往往只 体现于部分单元之中，其它单元的功能则是通用的，如f f t 、f i r 、儿r 、v it e r b i 译码、p c i 总线接口、调制解调、信道均衡等。这些通剧单i _ 具有町重_ = | j 性，适 用于不同的系统。f p g a 厂家及其第三方预先设计好这些通用单元并根据各种 f p g a 芯片的结构对布局和布线进行优化，从而构成具有自主知_ i ： 产权的功能模 块，称之为i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 模块，也可称为i p 核】( i pc c o r e ) 。 i p ，其原柬的含义是指知识产权、著作权等，存f c 领域可将其理解为实现某种 功能的设计，i p 核( i p 模块) 则使指完成某种功能的设计模块。” 2 4 2i p 模块的层次 从设计流程上看，由于今天i p 模块的集成规模已经很大达到了系统的水平 按照a s i c 设计方法学的要求已经需要完成行为( b e h a v i o r ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和 物理( p h y s i c a l ) 三个设计域( d e s i g nd o m a i n ) 的设计，因此这些模块子系统也 就在三个层次上分别成为软i p ( s o f ti p ) ，固i p ( f i r mi p 和硬i p ( h a r di p ) 。 2 4 2 1 、 软核( s o f t c o r e ) ：软i p 是设计投入最少，只完成r t l 级的行为设 计，以h d l 一( 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 ) 描述文本的形式提交使用，这个 h d l 描述一定经过仿真验证，使用者可以用它综合出正确门级网表。软ip _ 一定是 优化的行为级设计，与其它设计相比，它所需的硬件数曼最小。软i p 的优点足有 最大的便携性，不受实现条件的限制，同时也给后续设计留有更大的创新空间， 使用者根据单元库的条件可以完成更具新意的结构设计。软i p 最主要的缺点是对 模块的预测性太低，增加了设计的风险，使用者在后续的设计中仍有引入差错的 可能； 2 4 2 2 、固核( f i r m e o r e ) ：逻辑连线电路图。界于软核和硬核二者之问。 固i p 比软i p 有更大的设计深度，已完成了门级综合、时序仿真等设计阶段，以门 级网表的形式提交使用。只要用户单元库的时序参数与固i p 相同，就具有正确完 成物理设计的可能性。 2 4 2 3 、硬核( h a r d c o r e ) ：到版图级，生产验证过，难修改( 大公司提供) 。 硬i p 是i p 模块的最深层次，涉及广泛内容，它也是最主要的形式。 浙江j ：业人学硕十学1 1 i 7 ：论文 2 4 3i p 模块的种类： 2 4 3 1 、微处理器( m 雕) 、微控制器( m c u ) 核； 2 4 3 2 、数字信号处理器( d s p ) 核 2 。4 。3 3 、存储器( m e m o r y ) 核：r a m 、r o m 、e e p r o m 、f l a s h 和f e r a m 等： 2 4 3 4 、a d 、o a 变换器等数字模拟混合信号电路； 2 4 3 5 、模拟电路、射频接口( r f ) 模块： 2 4 3 6 、i o 接口电路 2 4 3 7 、各种专用算法模块( 如信息安全的各种算法模块、通信和岁媒体应 用的专用算法模块等) ： 2 4 4i p 开发流程 i p 开发的流程主要包括两条主线：i p 设计和i p 验证。i p 设计流程一般可 划分为确定规格和模块划分、子模块的定义和设计、顶层模块的设计、产品化等 四个阶段。i p 验证流程包括了建立参照模型、建妒测试平台和准备验证_ 【f j 例、 回归测试、形式验证。 2 4 5i p 设计的四大阶段 2 4 5 1 、确定规格和划分模块 i p 的规格至少包含以下内容：概述、功能需求、性能需求、物理需求、 详细的结构模块框图、对外系统接口的详细定义、可配置功能详细描述、需要支 持的制造测试方法、需要支持的验证策略等。确定规格的过程一般又包括行为建 模、进行功能论证，可行性分析就性能和成本进行折中等活动。 划分模块是指规划师在给出i p 结构模块框图的时，对r 每个，模块给出 一个详细的功能描述，同时必须明确子模块之阳j 的接口的时序要求。只有规划好， 才能够建设好。确定规格和划分模块是i p 丌发是否成功最为关键的。步。 2 4 5 2 、子模块定义和设计 设计小组对所有子模块的规格进行讨论和审查，重点检查时序接口和功能 接口的一致性。设计者随后整理出予模块的详细设计方案。接下来设计者按照实 现方案开始编写r t l 代码、编写时间约束文件、综合的批处理文件、子模块验证 用测试平台( t e s t b e n c h ) 和测试套件( t e s ts u i t e ) 等。当这些工作完成并通 过代码规范性检查、测试覆盖率检查、功能覆盖率检查、性能分析包括d f l 、s t a 检查、功耗分析检查等验收以后，这个子模块就可用柬与其他模块一起集成了。 6 浙江：1 ：业大学硕七学位论文 2 4 5 3 、顶层模块设计 顶层模块的设计就是把子模块集成起来，产生顶层模块并对它做综合处理 和功能验证。综合过程包括编写综合的批处理文件，在不同的参考库e 综合针 对在制造上的可测试性插入扫描链、a t p g ，并进行最终的性能分析和功耗分析等。 验证过程包括根据出行为模型发展柬的测试向量对顶层模块进行仿真测试，针对 i p 模块的可配置选项进行多种配置条件下的回归测试，利用仿真工具检验测试 向量的覆盖率等。 2 4 5 4 、i p 的产品化 i p 产品化的过程包括以下几个部分：提供i p 设计和验证用t e s t b e n c h ，用 商用转换器进行打包提交，但转换后需要重新验证，比如做回归测试以确保转换 有效，并强调在几个主流仿真器上做仿真，在几种主要工艺库上做综合，做门级 仿真，做形式验证以保证网表和r t l 级的一致性，产生或更新用户文档等。如果 是硬i p 的丌发，还需要在顶层模块( 软i p ) 的基础上进行布局布线，版图提取， 时序分析和形式验证，集成到试用该i p 的原型芯片内进行试制投片，并在演示 板上得到验证。 2 4 6i p 验证的主要过程 2 4 6 1 、建立参照模型 这旱的参照模型主要用于对系统功能进行验征以及和l 模型的对照验证， 是验证方法学提出的范畴。该模型可用s y s t e m c s p e c m a ne v e r a v e r i l o g 计l d l 等语言来构造； 2 4 6 2 、测试平台的建立 测试平台的建立是指与子模块设计并行，由验证组的一些成员歼始搭建验证 环境和丌发测试用例，并针对i p 的行为数模型对测试环境和测试用例进行调试， 从而同步准备好用来仿真测试r t l 级i p 的验证环境和测试用例。 2 。4 6 3 、回归测试 回归测试解决的问题是设计在修改一个错误的同时，却引入了另外个错 误。回归测试保证在修改一个错误或加入个新功能时，已经验证过的基本功能 仍然- j ：_ f 确。验证工程师应该注意在验证过程中找到一一个错误，或加入一个新的功 能时要把它们对应的测试用例及时加入到我们的回归测试集中。 2 4 6 4 、形式验证 形式验证是一种系统级的验证手段，不需要钡4 试向量，而是根据“静态”地 通过判断两个设计是否等价来确认它们的功能是否一致，因此，形式验证必须事 先有一个参照设计。在i p 验证过程中，前面建立的参照模型就是我们的参照设 浙江l ：业入学硕十1 列t 论文 计。形式验证常用来判断一个设计更改后和更改前实现的功能是否一致。同时， 形式验证也被用来确认综合后、插入扫描链后、版图提取后网表实现的功能前后 是否一致。 2 4 7i p 开发过程中的关键技术 图2 2 ；黾i p 开发的技术模型，它集中体现了r p ，习下发的几个技术特征：。是 i p 规格的定义，二是i p 模块的编码、综合、验证、文档开发等，三是i p 丌发 过程中e d a 工具的支撑，四是i p 丌发过程中的质量控制，五是i p 打包提交技术， 六是i p 评测技术。我们认为，i p 的规格定义，i p 的验证、i p 的于j 包提交是l p 丌发过程中的三大关键技术。 图2 2i p 开发技术模型 2 4 。8i p 的规格定义 i p 模块的规格定义必须能够解决以f 问题：赴j 9 j 确j p 需要提供 _ 1 么样的 功能，性能需要达到什么样的技术指标，二是定义好i p 模块与外部系统的接口。 三是定义好该i p 模块在可移植性方面所做的努力。四是定义好i p 模块的面积和 功耗等物理特性。这里我们只重点探讨i p 与外部系统接口标准化的问题。 浙江工业大学硕士学位论文 为了使开发的i p 能够高效的集成到新的设计中去，标准化是必由之路。这包括 i p 模块接口的标准化，i p 封装的标准化等内容。力便快捷的连接各虚拟器件的 方法是片上总线。然而太多的总线专利在使用。没有个完美的片上总线能适应 所有的情况。这是因为片上系统的环境和性能需求差异非常大。国际上v s i a 组