（通信与信息系统专业论文）基于niosⅡ的视频处理系统的设计与实现.pdf

摘要 基于n i o sl i 的视频处理系统的设计与实现 作者简介：沈军涛，男，1 9 8 2 年1 月生，2 0 0 4 年从师于郭大江副教授，于2 0 0 7 年6 月毕业于成都理工大学通信与信息系统专业。 摘要 进入2 l 世纪以后，随着微电子、计算机、网络和通信技术的迅速发展，数 字视频在信息社会中发挥着越来越重要的作用，视频图像处理的应用越来越广 泛。超大规模集成电路( v l s i ) 的迅猛发展为视频图像处理技术提供了硬件基 础。现场可编程门阵列f p g a 具有高性能、高集成度、低功耗的特点，其可编 程特性使得设计者可以方便地通过对逻辑结构的修改和配置完成系统的升级， f p g a 在嵌入式视频图像处理系统中有着独特的优势。 美国a l t e r a 公司开发的基于s o p c 技术的n i o si i 嵌入式处理器，是一个可 变结构的、通用型的3 2 位r j s c 嵌入式处理器。设计者可以非常方便地使用 s o p cb u i l d e r 系统开发工具设计构造以处理器为基础的系统，针对自己的要求 配置n i o si i 软核、a v a l o n 总线及外围接口系统。由于n i o si i 核的硬件基础是 f p g a ，因此整个n i o si i 系统的设计过程充分体现了其可重配置的思想，体现 了面向用户，面向应用的s o p c 技术设计思想。除此之外，应用与n i o si i 相关 的集成开发平台和辅助开发工具，可以加快n i o sl l 系统的设计与验证环节的开 发速度，对于嵌入式系统的产品开发和应用，具有广泛的价值和积极的意义。 文章对基于f p g a 的视频开发平台进行了设计研究。开发平台以a l t e r a 公 司的c y c l o n ei i 系列f p g a 芯片e p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8 为核心，设计实现了系统硬件 电路。论文详细介绍了开发平台各个电路模块的设计，包括电源模块、视频输 入输出模块、外存储器接口模块、通信接口模块、f p g a 配置模块等。该硬件 平台结合a l t e r a 的n i o si i 处理器可以实现模拟视频信号的采集、处理、视频传 输与恢复功能。同时也对基于硬件平台的软件设计进行了讨论。 关键词：视频图像处理，f p g a ，n i o si i ，s o p c 成都理工大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f v i d e op r o c e s s i n g s y s t e mb a s e do nn i o si i i i l 仃o d 删o no f t h ea u t h o r ：s h e nj u n t a o ，w a sb o r no nj a n 。1 9 8 2 t h ea u t h o rm a j o r si n c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e mu n d e rt h eg u i d a n c eo fv i c ep r o f g u o d a j i a n g , w h i c hw a sg r a d u a t e df r o mc o l l e g eo fi n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n ga tc h e n g d u u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t so f m i c r o e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r , n e t w o r k , a n d c o m m u n i c a t i o ni nt h e2 1 t hc e n t u r y , t h ed i g i t a lv i d e os y s t e mi sp l a y i n ga l li m p o r t a n t r o l ei no u rd a i l yl i f ea n dt h e 印p l i c a t i o l l so fv i d e oi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yf i l e m o l ea n dm o r ew i d e t h ef a s td e v e l o p m e n to fv l s it e c h n o l o g y p r o v i d e st h e h a r d w a r eb a s ef o rt h ev i d e oi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ( f p g a ) h a st h ea d v a n m g e so fg o o d p e r f o r m a n c e , h i g hi n t e g r a t i o na n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o n b e c a u s eo ft h ep r o g r a m m a b i l i t i a so ff p g a ，t h ed e s i g n e r sc a l l u p g r a d et h es y s t e mb yr e w o r k i n ga n dc o n f i g u r i n gt h el o g i cs 胁d h ee a s i l y f p g ai s s p e c i a l l yg o o df o re m b e d d e dv i d e oi m a g ep r o c e s s i n go p e r a t i o n s n i o si im i c r o p r o c e s s o rw h i c hi s d e v e l o p e db ya l t e r ai n c b a s e do ns o p c t e c h n o l o g yi sac h a n g e a b l e , g e n e r a lr i s cc p u t h ed e v e l o p e rc a nc o n v e n i e n t l y d e s i g nt h es y s t e mb yu s i n gs o p cb u i l d e r u s i n gn i o si ic p uc o m b i n e dw i t ht h e d e v e l o p e r si d e ac a nb er e a l i z e di nf p g a t h ew h o l ed e s i g np r o c e s sr e p r e s e n t st h e d e s i g ni d e ao fr e c o n f i g u r a b l e , o r i e n tt ou s e r , o r i e n tt oa p p l i c a t i o n o t h e rt h a n ，u s i n g t h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n da s s i s t a n td e v e l o p m e n tt o o l sr e l a t e dt on i o si i c a ni m p r o v et h ed e v e l o p m e n ts p e e do fn i o si is y s t e md e s i g na n dv e r i f i c a t i o n ，w h i c h h a st h eg o o dw e a l t ha n da c t i v es i g n i f i c a t i o nt ot h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e mp r o d u c t s i nt h i sp a p e r , i ti sd e s i g n e dw i t haf p g ab a s e dv i d e od e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h e h a r d w a r ec i r c u i t sb a s e do ne p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8w h i c hi sak i n do f a l t e r ac y c l o n ei is e r i e s i i a bs ，n 认c t f p g ah a sb e e nd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h ep a p e rm 删u e a st h ed e s i g n so f t h ec i r c u i t m o d u l e so ft h ed e v e l o p m e n ts y s t e mi nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d ep o w e rm o d u l e , v i d e o i n o u tm o d u l e , c o m m u n i c a t i o ni m e r f a e em o d u l e ，c o n f i g u r a t i o nm o d u l ea n ds oo n a n a l o gv i d e os i g n a ls a m p l i n g , p r o c e s s i n g , t r a n s m i s s i o nf u n c t i o n sc a l lb er e a l i z e db y u s i n gn i o si im i c r o p r o c e s s o r b a s e do i lt h i sh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h es o f t w a r ed e s i g n h a sa l s ob e e nd i s c u s s e d k e y w o r d ：v i d e oa n di m a g ep r o c e s s i n g , f p g a , n i o si i ，s o p c 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及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王太堂或其他教 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名： 匆炙卜 学位论文作者签名：j 宓罕玛 。即年s 月2 k 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 渤游 、呻年s , e l 沁日 第1 章绪论 第1 章绪论 数字图像处理【1 1 1 2 1 是模式识别、计算机视觉、图像通讯、多媒体技术等学科 的基础，是- - n 涉及多领域的交叉学科。它起源于2 0 世纪2 0 年代，当时人们 采用数字压缩技术通过海底电缆从英国的伦敦到美国的纽约传输了第一幅数 字照片。此后，由于遥感等领域的应用，使数字图像处理技术逐步受到关注并 碍到相应的发展。2 0 世纪6 0 年代第三代计算机问世后，数字图像处理开始得 到普及。随着计算机及通信技术的发展图像尤其是视频图像的应用愈加广泛， 并已成为工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学、 医学甚至社会科学等领域各学科之间学习和研究的对象。随着人们对微光图 像，红外图像，x 光图像的深入研究，数字图像处理技术在军事( 如夜视仪) 、 工农业生产( 如工业现场监控，农业自然灾害预警和产量评估) 、医疗卫生( 如 c t 检测) 、消费电子( 家电产品) 等领域的应用将越来越广泛。 图像处理的发展也依赖于处理器芯片( 包括单片机、d s p 和f p g a 等) 技 术的应用和发展，以及大容量、价格低廉的存储器的出现。虽然图像处理系统 己经具有由机箱式的大体积结构发展为插卡式小型化结构的趋势，但是由于图 像处理存在大量的数据信息以及人们对这些产品越来越微型化的要求，使得那 些体积小、数据处理能力强的嵌入式图像处理系统受到前所未有的欢迎，并形 成了你追我赶式的发展局面。在i t 和i c 领域中，嵌入式系统、s o c 、s o p c 、 i p 核等新概念、新技术异峰突起，其应用范围迅速深入到制造业和玎应用的 各个方面，利用f p g a 来开发实时图像处理系统就是在这种背景下应运而生的。 本章主要对论文所要涉及的几个基本概念作简要介绍。 1 1 论文的课题背景 目前在高速公路、交通、电子警察、监控、安防、工业自动化、电力、海 关、水利、银行等场所，视频采集、处理、传输系统开始普遍大量应用。初期 的模拟信号采集系统由于其体积大，占用带宽资源多，不易保存，多路实现困 难，以及视频清晰度不高的原因，已经逐渐被数字信号采集系统所代替。另外， 现今的图像处理应用越来越趋于小型化系统( 嵌入式) ，趋于把整个处理系统 集成在一个小“黑盒子”里面。这就要求图像处理采集系统不仅具有高处理速 度，还需要高速的a d 转换芯片。 a l t e r a 公司开发的n i o si i 微处理器是基于s o p c 技术的3 2 位嵌入式处理器 成都理工大学硕士学位论文 软核 升。与同类型产品相比，n i o si i 更能体现s o p c 技术思想，其作为一种新 技术，在国外已经有了广泛的应用，但是在国内使用n i o s i i 处理器的嵌入式设 计和开发仍然处于起步阶段。开发者大多使用已经得到市场验证比较稳定的处 理器产品，对于n i o si i 的应用开发和研究还有大量工作需要我们去做。 综上所述，利用a l t e r a 公司的软核处理器n i o si i 进行视频采集、处理的系 统是适合于目前的发展状况的。 1 2 论文的课题意义 随着可编程技术的不断创新和发展，f p g a 在嵌入式系统中发挥着越来越 重要的作用，采用f p g a 开发的嵌入式系统已被广泛应用于通信、航天、医疗 和工控等领域。利用f p g a 来实现视频图像处理，不仅是嵌入式系统的一个很 好的应用方向，而且也是图像处理技术发展的趋势。它不仅可以很好的实现视 频图像信号的实时处理，还可以减小系统体积。因此，深入研究基于f p g a 的 视频图像采集处理系统硬件平台的设计，对开发出高性能的视频图像采集、处 理产品具有极其重要的现实意义。 1 3 论文的主要内容及主要研究工作 针对论文和设计工作，本文包括以下几章内容： 第一章，简要论述课题的背景、意义、相关的工作内容以及论文中的创新 点与技术难点。 第二章，详细的介绍了f p g a 的基本特点及结构，并且简要的分析了f p g a 的发展历程，以及f p g a 同c p l d 、a s i c 的区别与联系。 第三章，介绍了三大公司的软核处理器，以及n i o s i i 处理器的优势。设计 中采用n i o si i 嵌入式软核处理器，详细介绍了该处理器的体系结构。 第四章，详细分析系统的功能要求，在此基础上提出平台设计原则及总体 设计方案。根据功能要求进行模块规划，整个系统主要分为电源模块、视频解 码器模块，d a 模块、视频编码器模块、f l a s h 模块、s d r a m 模块、u s b 模块、r s 2 3 2 接口模块等，并分别介绍各个功能的具体硬件实现。 第五章，本章介绍了s o p c 的开发流程，n i o si i 硬件系统的调试与i d e 开 发环境下的应用软件开发，最后得到一个完整的视频处理系统的解决方案，以 及试验结果分析。 总结与展望，对论文和设计工作做出简要总结，并提出今后的努力方向。 2 第1 章绪论 1 4 论文中的创新点与技术难点 论文中的创新点： 利用f p g a 实现视频图像的数据压缩，解决了以往的软件压缩方案的系统 要求高，以及压缩速度上的局限性，相对于a s i c 压缩技术而言，f p g a 压缩 技术具有更大的灵活性与较强的可升级能力。 基于n i o s i i 的可配置内核也可以根据开发人员的需要定制微处理器自身性 能与外围接口的类型，这种量体裁衣的嵌入式系统可以更好的节省硬件资源， n i o si i 嵌入式系统的体积较小，可以更好的适应各种工作环境，这样在监控领 域有着其独特的优势。 另外，采用a n a l o gd e v i c e 的a d v 7 1 8 1 b 与a d v 7 1 7 6 a 作为视频解码电路 与编码电路模块，分别与f p g a 连接，f p g a 通过n i o s 内核与1 2 c 接口通过1 2 c 总线对a d v 7 1 8 1 b 与a d v 7 1 7 6 a 进行初始化设置，组成一套完整的视频编解 码方案。 论文中的技术难点： 由于视频f p g a 压缩需要较多的逻辑资源，因此需要选用较大容量的 f p g a ，这样芯片就必须选择f i n e l i n eb g a 封装类型。此外，外围电路元器件 较多，进行良好的p c b 布局布线也是硬件设计的难点。 n i o si i 微处理器的内核配置以及外围接口的配置，以及外围电路模块的编 写调试，是n i o si i 硬件系统设计的难点；n i o si ii d e 开发环境下的用户程序设 计是n i o si i 软件系统的关键。 另外为了提高处理速度，f p g a 内部视频处理模块采用硬件模块来搭建， 其与n i o si i 软件平台的接口，以及实现外部信号的接收也是本设计中的难点。 3 成都理工大学硕士学位论文 第2 章f p g a 概述 本章首先介绍了可编程逻辑器件的发展史，可编程逻辑逻辑器件的分类， f p g a 的结构特点及工作原理，然后介绍了f p g a 的基本特性，及其同c p l d 、 a s i c 的比较，最后分析了f p g a 的发展趋势。 2 1 可编程逻辑器件发展简史 随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中 小规模集成电路、超大规模集成电路( v l s i c ) 逐步发展到今天的专用集成电 路( a s i c ) 。a s i c 的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，缩小 了设计的物理尺寸，推动了社会的数字化进程。但是a s i c 因其设计周期长， 改版投资大，灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。硬件工程师希望有一种更 灵活的设计方法，根据需要，在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制 自己的a s i c 并马上投入使用，这是提出可编程逻辑器件的基本思想1 4 j 。 可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。从早期的 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 2 p r o m ) ，发展到能 完成中大规模的数字逻辑功能的复杂组合逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑( 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件( f p g a ) 。随着微电子工艺技术 的发展与市场需要，超大规模、高速、低功耗的新型f p g a c p l d 不断推陈出 新。新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器( c p u ) 或数字处理器( d s p ) 内 核，在一片f p g a 上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统s o p c 提供 了强大的支持。 2 2 可编程逻辑器件分类 广义上讲，可编程逻辑器件是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连 接结构和逻辑单元，完成设计功能的数字集成电路。目前常用的可编程逻辑器 件主要有简单的逻辑阵列( p a u g a l ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场 可编程逻辑阵列( f p g a ) 等3 大类。 ( 1 ) p a l g a l p a l 是p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c 的缩写，即可编程阵列逻辑；g a l 是 4 第2 章f p g a 概述 g e n e r i ca r r a yl o g i c 的缩写，即通用可编程阵列逻辑。p a i j g a l 是早期可编程 逻辑器件的发展形式，其特点是大多数基于e 2 c m o s 工艺，结构较为简单，可 编程逻辑单元多为与、或阵列，可编程单元密度较低，仅能适用于某些简单的 数字逻辑电路。虽然p a l g a l 密度较低，但是它们一出现即以其低功耗、低 成本、高可靠性、软件可编程、可重复更改等特点引发了数字电路领域的巨大 震动。虽然目前较复杂的逻辑电路一般使用c p l d 甚至f p g a 完成，但是对应 很多的简单的数字逻辑，g a l 等简单的可编程逻辑器件仍然被大量使用。目前， 国内外很多对成本十分敏感的设计都在使用g a l 等低成本可编程逻辑器件， 越来越多的7 4 系列逻辑电路被g a l 取代。g a l 等器件发展至今已经有2 0 多 年的历史，新一代的g a l 以功能灵活、小封装、低成本、可重复编程、应用 灵活等优点仍然在数字电路领域扮演着重要的角色。目前比较大的g a l 器件 供应商主要是l a t t i c e 半导体。 ( 2 ) c p l d c p l d 是c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 的缩写，即复杂的可编程逻 辑器件。c p l d 是在p a l 、g a l 的基础上发展起来的，一般也采用e 2 c m o s 工艺，也有少数厂商采用f l a s h 工艺，其基本结构由可编程i o 单元、基本逻 辑单元、布线池和其他辅助功能模块构成。c p l d 可实现的逻辑功能比p a l 、 g a l 有了大幅度的提升，一般可以完成设计中较复杂、较高速度的逻辑功能， 如接口转换、总线控制等。c p l d 的主要器件供应商有a l t e r a 、l a t t i c e 和x i l i n x 等。 ( 3 ) f p g a f p g a 是f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 的缩写，即现场可编程逻辑阵列。 f p g a 是在c p l d 的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采 用s r a m 工艺，也有一些专用器件采用f l a s h 工艺或反熔丝( a n t i f u s e ) 工艺 等。f p g a 的集成度很高，其器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可 以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字 逻辑设计领域。f p g a 的基本组成部分有可编程输入偷出单元、基本可编程逻 辑单元、嵌入式块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬 核等。f p g a 的主要器件供应商有a l t e r a 、x i l i n x 、l a t t i c e 、a c t e l 和a t m e l 等。 成都理工大学硕士学位论文 2 3f p g a 的结构与基本特点 2 3 1f p g a 的基本结构 简化的f p g a 基本由6 部分组成，分别为可编程输入输出单元、基本可编 程逻辑单元、嵌入式块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专 用硬核等，如图2 - 1 所示嗍。 底 功 图2 一l可编程逻辑器件的结构原理图 每个单元的基本概念介绍如下： ( 1 ) 可编程输入输出单元( i o 单元) 目前大多数f p g a 的i o 单元被设计为可编程模式，即通过软件的灵活配 置，可适应不同的电器标准与i o 物理特性；可以调整匹配阻抗特性，上下拉 6 第2 章f l e a 概述 电阻；可以调整输出驱动电流的大小等。 ( 2 ) 基本可编程逻辑单元 f p g a 的基本可编程逻辑单元是由查找表( l u t ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组 成的，查找表完成纯组合逻辑功能。f p g a 内部寄存器可配置为带同步，异步复 位和置位、时钟使能的触发器，也可以配置成为锁存器。f p g a 一般依赖寄存 器完成同步时序逻辑设计。一般来说，比较经典的基本可编程单元的配置是一 个寄存器加一个查找表，但不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定的差 异，而且寄存器和查找表的组合模式也不同。 ( 3 ) 嵌入式块r a m 目前大多数f p g a 都有内嵌的块r a m 。嵌入式块r a m 可以配置为单端口 r a m 、双端口r a m 、伪双端口r a m 、c a m 、f i f o 等存储结构。除了块r a m ， a l t e r a 、x i l i n x 和l a t t i c e 的f p g a 还可以灵活地将l u t 配置成r a m 、r o m 、 f i f o 等存储结构。 ( 4 ) 丰富的布线资源 布线资源连通f p g a 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线 上的驱动能力和传输速度。布线资源可分为： 全局性的专用布线资源：以完成器件内部的全局时钟和全局复位置位 的布线； 长线资源：用以完成器件b a n k 间的一些高速信号和第二全局时钟信号 的布线； 短线资源：用来完成基本逻辑单元间的逻辑互连与布线； 其他：用来实现在逻辑单元内部的各种布线资源和专用时钟、复位等控 制信号线的连接。 ( 5 ) 底层嵌入功能单元 指的是那些通用程度较高的嵌入式功能模块，比如p l l ( p h a s el o c k e d l o o p ) 、d l l ( d e l a yl o c k e dl o o p ) 、d s p 、c p u 等。 ( 6 ) 内嵌专用内核 内嵌专用内核主要是指那些通用性相对较弱，不是所有f p g a 器件都包含 的硬核。例如a l t a a 的s t r a t i x s t r a t i xi ig x 器件族内部集成了3 1 8 7 5 6 3 7 5 g b p s s e r d e s ( 串并收发单元) ；x i l i n x 对应的是v i r t e xi ip r o ( x ) 和v h - t e x4f x 系 列；l a t t i c e 的专用h a r dc o r e 的比重更大，有两类器件族支持s e r d e s 功能， 分别是l a t t i c e 高端s c 系列f p g a 和现场可编程系统芯片( f p s c ，f i e l d p r o g r a m m a b l es y s t e mc h i p ) 。目前，l a t t i c e 和x i l i n x 都已推出内嵌1 0 g b p s s e r d e s 模块的系统级可编程逻辑器件。 成都理工大学硕士学位论文 2 3 2f p g a 的基本特点 f p g a 的基本特点主要有 ( 1 ) 用户可对f p g a 内部的逻辑模块和i o 模块重新配置，以实现用户的 逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可 以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定 制电路，f p g a 既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数 有限的缺点。 ( 2 ) 在p c b 完成以后，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，使用f p g a 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间， 减少p c b 面积，提高系统的可靠性。 ( 3 ) 用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，f p g a 芯片将e p r o m 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。f p g a 的编程无须专用的f p g a 编程器，只须用通用的e p r o m 、p r o m 编程器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可。这样，同 一片f p g a ，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。 ( 4 ) f p g a 内部有丰富的寄存器和i o 接口，可以最大的满足用户i o 口 的需要。 ( 5 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、设计风险最小 的器件之一。 ( 6 ) f p g a 采用高速c m o s 工艺，功耗低，可以与c o m s 、丁几电平等 多种电平标准兼容。 可以说，f p g a 芯片是提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 2 4 f p g a 与c p l d 的比较 尽管f p g a 和c p l d 都是可编程a s i c 器件，有很多共同特点，都是通过 对开关的编程来实现用户逻辑电路。但f p g a 和c p l d 的内部结构稍有不同。 通常f p g a 中的寄存器资源比较丰富，适合同步时序电路较多的数字系统； c p l d 中组合逻辑资源比较丰富，适合组合电路较多的控制应用。在这两类可 编程逻辑器件中，c p l d 提供的逻辑资源较少，而f p g a 提供了最高的逻辑密 度、最丰富的特性和极高的性能，已经在通信、消费电子、医疗、工业和军事 等应用领域当中占据重要的地位。总得来说，f p g a 是逻辑门级的可编程，而 第2 章f p g a 概述 c p l d 是逻辑块级的可编程，所以f p g a 的灵活性要大大强于c p l d 。二者结 构的不同使得f p g a 和c p l d 各有特点，如表2 1 所示。 表2 - if p g a 与c p u ) 的区别及联系 项目 f p g ac p l d 备注 多为l u t 加寄存器多为乘积项，工艺 结构，实现工艺多多为e 2 c m o s ，也 结构工艺为s r a m ，也包含包含e 2 p r o m 、 f l a s h 、a n t i f u s e 等 f l a s h 、a n t i f u s e 工艺等不同工艺 f p g a 更适合实现时 触发器数量 多少序逻辑，c p l d 多用 于实现组合逻辑 对f p g a 而言，时序 p i n t op i n 延时 不可预测固定 约束和仿真非常重要 规模大，逻辑复杂 规模小，逻辑复杂 f p o a 用以实现复杂 援模与逻辑复杂度度高，新型器件高 度低 设计，c p l d 用以实 达千万门级现简单设计 c p l d 用于实现低成 成本与价格成本高，价格高成本低，价格低 本设计 f p g a 掉电后一般将 有两种编程方式，丢失原有逻辑配置。 一般包含两种，外 一种是通过编程而反熔丝工艺的 挂b o o t r o m 和通过器烧写r o m ，另一f p o a ，如a e t c l 的某 c p u 或d s p 等在线种较方便的方式些器件族和目前一些 编程与配置 编程。多数基本属 是通过 s p 模式。内嵌f l a s h 或 于r a m 型，掉电后一般为r o m 型，e 。c m o s 的f p g a ， 程序丢失掉电后程序不丢如l a t t i c e 的x p 器件 失族，可以实现非易失 配置方式 一般f p g a 不容易实 现加密，但是目前一 些采用f l a s h 加 s r a m 工艺的新型器 保密性一般保密性差好 件( 如l a t t i c ex p 系 列等) ，在内部嵌入了 加载f l a s h ，能提供 更高的保密性 f p o a 布线灵活，但 是时序更难规划，一 般需要通过时序约 互联结构，连线资分布式，丰富的布集总式，相对布线 束，静态时序分析， 源线资源资源有限 时序仿真等手段提高 并验证时序性能 适用的设计类删复杂的时序功能简单的逻辑功能 9 成都理工大学硕士学位论文 2 5 f p g a 与a s i c 的比较 a s i c ( 专用集成电路) 采用硬接线的固定模式，而f p g a ( 现场可编程门 阵列) 则采用可配置芯片的方法，二者差别迥异。一般来说，a s i c 用于大型 项目，而对于需要快速投放市场且支持远程升级的小型项目f p g a 则更为合适。 在下面所述的情形下，f p g a 具有以下优势： ( 1 ) f p g a 技术的主要优势仍是产品投放市场的时间较短。 ( 2 ) f p g a 避免了较高的n r e 成本。f p g a 的可重复编程性可实现更灵活 的开发路径，降低风险和成本。与此相反，a s i c 开发必须做到“首次肯定正确”。 而f p g a 的现场可重复编程性使开发人员能够用软件升级包通过在片上运行程 序来修改芯片，而不是替换芯片。f p g a 甚至可通过因特网进行远程升级。 ( 3 ) f p g a 可重复编程对生命周期更长的工业产品也有利。这主要是由于 该技术能根据新的版本进行方便的再编程，并可进行现场再编程。 2 6f p g a 的发展趋势 下一代f p g a 的发展趋势可总结如下： ( 1 ) 最先进的a s i c 生产工艺将被广泛应用于以f p g a 为代表的可编程逻 辑器件。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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 展的中坚力量。 ( 5 ) 集成技术的飞速发展，工艺水平的不断提高，节能潮流的不断兴起， 也为半导体工业提出了降低工作电压的发展要求。 ( 6 ) 提供片内a d 和d a ，随着电子产品融合度的不断提高，这类产品 的出现只是时间的问题。 2 7 本章小结 本章详细的介绍了f p g a 的基本特点及结构，并且简要的分析了f p g a 的 发展历程，以及f p g a 同c p l d 、a s i c 的区别与联系。f p g a 是n i o si i 运行 的硬件基础，通过更清楚的认识f p g a 为进一步了解n i o si i 软核提供了基础。 1 0 第3 章开发平台核心处理器n i o si i 概述 第3 章开发平台核心处理器n i o si i 概述 本章首先对三大p l d 厂商推出的嵌入式软核处理器做了简要的比较，然后 重点介绍了开发平台的核心处理器n i o si i 的体系结构、优势及应用领域。 3 1 嵌入式软核处理器比较 s o p c 由于集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、外围及可编程逻辑 模块，在设计和应用的灵活性以及成本方面有较大的优势。为了实现s o p c ， 国际上著名的现场可编程逻辑器件厂商如a l t e r a 、x i l i n x 等都在不断努力，开 发适于系统集成的新器件和开发工具，这又进一步促进了s o p c 的发展。目前 一些常见的处理器核如表3 - 1 所示。其中软核处理器与传统的处理器相比具有 很多优势，除具有高集成度的特点外，还允许用户对s o p c 系统反复使用，缩 短了硬件开发周期1 6 l 。本节主要对a l t e r a ，x i l i n x 和l a t t i c e 三大公司的软核进 行介绍比较 r l 。 表3 1 目前一些主要的、用于f p g a 的微处理器微控制器i p 厂商处理器核简单描述支持的f p g a 器件 p o w e r p c 4 0 53 2 位，硬核v i r t e x 一4 、v i r t e x i i 系列 m i c r o b l a z e 3 2 位，软核 v i r t e x 4 、v i r t e x - l l p r o 、v i r t e x e 、 x i n l i n x s p a r t a n 一3 e 、 s p a r t a n - i i 系列 v i r t e x 4 、v i r t e x - l l p r o 、v i r t e x e 、 p i c o b l a z e8 位，软核 s p a r t a n 3 e 、 s p a r t a n i i e 系列 a r m 9 2 2 t 3 2 位，硬核e x c a l i b u r 系列 s t r a t i x 、c y c l o n e 、c y c l o n e i i 、 n i o si i 3 2 位，软核 s t a r t i x i i 系列 a l t e r a f l e x 、a c e x 、a p e x 、a p e x i i 、 e x c a l i b u r 、m e r c u r y 、s t r a t i x ， n i o s 1 6 位，软核 s t r a t i x g e 、c y c l o n e 、c y c l o n e i i s t a r t i x i i 系列 l a t t i c e e c p 、l a t t i c e e c 、l a t t i c e x p 、 l a t t i c el a t t i c e m i c 0 8 8 位，软核 m a c h x o 系列 3 1 1n i o si i 微处理器简介 继第一代可配置嵌入式软核处理器n i o s 之后，2 0 0 4 年6 月，a l t e r a 公司又 推出了性能更好的n i o s i i 嵌入式软核处理器【扪。它与2 0 0 0 年上市的原产品n i o s 相比，最大的处理性能提高了3 倍，而c p u 内核部分的面积最大可缩小1 2 。 n i o si i 系列3 2 位r i s c 嵌入式处理器具有超过2 0 0 d m i p 的性能，在低成 成都理工大学硕士学位论文 本f p g a 中实现成本只有3 5 美分。由于处理器是软核形式，具有很大的灵活 性，可以在多种系统设置组合中进行选择，满足成本和功能的要求。采用n i o s i i 处理器进行设计，可以帮助用户将产品迅速推向市场，延长产品生命周期， 防止出现处理器逐渐过时的情况。 n i o si i 包含一个开放式的a l u ，用户可以根据需要对其进行补充，从而实 现用户自己定义的指令【9 】。用户自定义指令在处理方式和性能( 比如速度) 方 面等同于原有指令，而在专项处理方面还要优于原有指令，这是因为它是有针 对性进行设计的缘故，应用用户自定义指令可以在不改变c p u 主频的情况下 大大提高系统处理能力。这个特性适合那些要求高处理速度，又不便于提高系 统主频的场合。 n i o si i 的总线采用了哈佛结构，这在很大程度上提高了系统的处理速度。 由于系统的总线控制器是在f p g a 中实现的，可以进行灵活的配置。在某些外 设需要有冯诺依曼特性时又可以把两套总线合二为一，从而可在局部实现冯诺 依曼结构，这就使得系统总线兼有哈佛结构的高效率和冯诺依曼结构的灵活 性。n i o si i 系统总线能够自动对不同时钟域进行协调，可以使挂在总线上的组 件工作在不同的主频下，使得系统更为灵活。最新版的n i o si i 软核又增加了紧 凑总线接口，可以让挂在其上的存储设备工作在c a c h e 的速度。 n i o si i 软核能从硬件结构上支持系统调试、程序下载、指令追踪和数据追 踪，而不需要任何的b o o t 程序。与n i o si i 配套的四种j t a g 调试模块，他们 的调试功能有强有弱，占用资源有多有少，可由用户根据需求自行选择。由于 整个系统具有可重构性，选择较强功能的调试模块不会造成系统资源的浪费， 可以在调试完成后再对系统进行重构，去掉调试模块，释放其所占的资源。在 其他的s o c 系统中没有办法把调试模块的功能做得太强，因为调试模块的选 择上，性能和资源占用是矛盾的。 目前n i o si i 系列包括三种软c p u 核。一种是高性能软核，处理能力超过 2 0 0 m i p s ；一种是精简软核，利用这种精简软核构架一个完整的c p u 系统只需 要占用7 0 0 个逻辑单元；还有一种是标准软核，性能和逻辑资源需求界于两种 之间。所有软核都是1 0 0 代