（检测技术与自动化装置专业论文）基于sopc技术的航标灯监控系统的设计及研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济建设的迅速发展，水路航运己成为运输行业中重要的一部分， 提高内河航道的维护质量和管理水平已经成为水路航运中的重要问题，而提高航 道维护质量和管理水平的关键步骤是实现航标灯智能化。目前，虽然航标灯监控 技术有了突飞猛进的发展，但内河航运事故仍频繁发生，大多是由于航标灯监控 系统的性能不良引起的，这给远程航标灯监控系统的研究、监控设备及方法的更 新和发展提出了新的课题。 传统的航标灯监控系统由于技术的原因，性能尚不完善，严重制约了内河航 道的信息化水平。本文提出基于s o p c 技术的航标灯监控系统，该系统是利用g p s 技术、g s m 技术、s o p c 技术及计算机通讯技术实现对航标灯的智能化管理。系 统监控终端将航标灯工作状况信息( 包括电源电压、闪烁频率、碰撞情况及g p s 定位数据等) 通过g s m 及时传输到监控中心；监控中心从中提取被监控航标灯 的具体信息，同时显示在监控中心的电子地图上；若航标灯工作异常，监控终端 主动向监控中心发送短信报警；同时，监控中心实现了强制航标灯白天开灯的功 能，整个系统达到实时监控。 根据监控环境和技术要求，本文实现了基于s o p c 技术的航标灯监控系统。 采用a 1 t e m 公司的u p 3 - 1 c 6 板作为硬件开发平台，利用e d a 工具完成n i o s 系 统配置，包括i p 核选择、c p u 设定、各部分接口模块的设计、确定系统互联逻 辑、分配f p g a 引脚等。利用n i o ss d ks h e l l 环境及软件开发包( s d k ) 实现监 控系统的软件开发。在实现系统功能的基础上，对g p s 测量数据进行处理，减少 了系统定位误差，提高了系统定位精度。 实验和现场调试证明该系统功耗低、运行可靠，可以满足航标灯监控系统的 实际需要。 关键词：航标灯；可编程的片上系统；g s m ；g p s ；n i o s ；d l ：i p 核 a b s t m c t a b s t r a c t w i t ht h er 印i dd e v e l o p m e mo fc h i n a se c o n o m i c ，s e as h i p p i n gh a sb e c o m ea n i m p o n a n tp a no fm et m i l s p o r tf i e l d i ti sa ni i n p o r t a n tp r o b i 锄t oi r n p m v cm cq l l a l 时 a n dt h em a i m e n a n c eo fs e a 出p p i n gs y s t e m a n di ti sak e ys t e pt or e a l i z en a v i g a d o n m a r ka u t o m a t i ch o wt oi n l p r o v et h eq u a l 时o fi n l a i l d r i v e rm a i n t e n 肌c ea 1 1 d m a m g e m e tl e v e l a tp r e s e m ，a l t h o u g ht h en a v i g a d o nm a r km o i l i 州n gs y s t e mh a s m a d em u c hp r o g r e s s ，t h ei n l a r l dr i v e ra c c i d e n t ss m lo c c u r 矗q u e n t l yr e s u l tf 硒mb a d p e r f o m a i 】c eo fm o n i t o r i n gs y s t e mc a u s i n gm o s t l ys o i tb 血g sn e wt o p i c sf o rr e s e a r c h a i l dd e v e l o p m e n to ft e c h n 0 1 0 9 i e sa 1 1 de q u i p m e n t sa b o u t 、a t c h d o ga n dm e t h o df o rm e l o n g m n gi l a v i g a 矗o n m o i l i t o r i n gs y s t e m b e c a l l s eo ft e c l l t l i c a lr e a s o n si n 订a d i d o i l a ln a v i g a t i o nm a r km o n i t o r i n gs y s t e m ，i t s p e r f b n l l a n c ei sn o ty e tp e r f e c t i ts e r i o u s l yc o n s 扛a i n si n l a n dr i v e ra u t o m a t i o nl e v e l n a v i g a t i o nm a r kr r l o n i t o r i n gs y s t e mi sb a s e do ns o p c t h es y s t e mm a k e su s eo fg p s t e c h n 0 1 0 蹦g s mt e c l l 士1 0 l o 肼c o m p u t e r t e c h n 0 1 0 9 ya n dc o 蚴u 1 1 i c a t i o n st e c h n o l o g yt o a c h i e v ei n t e l l i g e n tm a l l a g e m e n t t h es y s t e mu t i l i z e sg p sp o s i t i o nd a t aa n dn a v i g a 石o n m a r kw o r i ( i n gs t a t e i n f o 锄a t i o n ，( i l r o u 曲t h ep r o m p t _ a n s m i s s i o no fg s ms e n d i n gt o m o i l i t o r i n gc e m e r m o n t o r i n gc e m o rc a r r yo nr e a l - t i m ed a 诅t os h o wo nm ee l e c 订o n i c m a p t h e nt h ec o n t r o lc e n t e rf o r c e sd a ”m l el i g h t i n g 劬c t i o n s ，m ew h o l es y s t e m r e a l i z e sr e a l 一t i m em o n i t o r i n g a c c o r d i n gt oc o m r o l l i n gt h ee r i m r n e n ta i l dt e c h i l i c a lr e q u i r e m e n t ，t h et e x th a s r e a l i z e dt h em o n i t o r i n gs y s t e mo fn a v i g a t i o nm a r kb a s e do ns o p ct e c l m o l o g yt t l i s s y s t e ma d o p t su p 3 _ l c 6o fa j t e mc o r n p a i l ya s m ed e v e i o p i n gp l a t f o mo ft h e h a r d w a r e ，u t i l i z i n ge d a t o o lt of i l l i s hn i o ss y s t e m a t i cd i s p o s i t i o n ，i n c l u d ec h o o s e di p n u c l e 碣 c p us e t t i n g ， e v e r yi n t e 血c ed e s i 印 o fm o d u l e ， c o l l f i 珊 s y s t e m i n t e r c o l l l l e c t e dl o 垂c ，a s s i 印p i no ff p g a ，e t c u t i l i z en 1 0 ss d ks h e l le n v i r o m e m a n ds o r w a r ed e v e l o p m e n tt ow r a pu p( s d k )t i l es o 矗w a r ed e v e l o p r n e mo f r c a l i z i i l g 血ed e t e c t i o ns y s t e m 1 u 曲p m c e s s i l l gg p sm e a s u r i n gd a t a ，t h es y s t e mr e d u c e s e r r o ra n dp m m tm es y s 把mp r e c e s i o n t t t 广东工业大学工学硕士学位论文 e x p e r i r n c n ta i l d t e s ti n d i c a t e t h a tt h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e s t i co f1 0 w c o n s u m p t i o na j l ds 讪l ep e r f o n l l a n c e s ot h es y s t e mc a ns a t i s 母t h ef a c t u a ln e e d k e y w o r d ：n a v i g a t i o nm a r k ；s o p c ；g s m ；g p s ；n i o s ；v h d l ；i pc o r e i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着科学技术的迅猛发展，全球经济一体化与信息化己成为世界经济发展的 必然趋势。在世界范围内信息化引发了新的产业革命浪潮，成为国民经济和社会 发展的助推器。交通运输行业也日益呈现出客运快速化、货运物流化、交通运输 智能化和智能交通综合化的趋势，信息化成为交通运输现代化、智能化的必然选 择。同样，内河航运要实现现代化和跨越式发展，必须以打造数字航道，发展智 能航运为目标，走发展信息化的快捷之路。 建设内河“数字航道”，是内河航道为提升航道维护管理科技含量、进一步为 行轮提供良好服务、促进沿江经济快速发展而提出的一项战略目标。 内河“数字航道”建设是一项内容复杂、技术难度大的系统工程，是一项长 期的战略任务，也是不断发展的长期过程。根据条件和流域经济发展需要，建成 内河“数字航道”的基础框架，形成完整的技术标准体系和信息流通模型，进而 逐步向上延伸启动其他系统工程建设，推动内河经济和航道事业的发展。 内河航运信息化以确保航行安全，提高运输能力为目的，以内河“数字航道”、 “智能航运”为总体发展目标，通过建成具有国际先进水平，高速畅通、覆盖全 线的通信传输和信息服务网络系统，以及建成资源丰富、功能完备的内河航运电 子政务与电子商务平台系统，构筑完成政务智能化、服务网络化、安监现代化、 物流电子化、管理科学化的内河航运信息化体系，全面实现航运各项业务信息化， 基本实现数字化和智能化内河航运战略目标，以信息化推动实现内河航运现代化。 数字航道信息应用平台是建立在信息基础设施和空间数据基础设施之上的应 用展示平台，它以计算机网络技术为基础，能够遵循标准的计算机接口规范，支 持分布式和异构数据的访问与整合，能够综合分析与处理各种信息资源。目前， 需要支持w e bs e r v i c e 规范，即能够提供规范化的数据资源共享，又能够提供分析 与计算的软件功能服务。 推进水运行业的发展和在社会各界推广使用是建设“数字航道”的目的，这 广东工业大学工学硕士学位论文 是一个需要长期不断深化的过程。为了开好头、起好步、尽快落实“数字航道” 的启动工作，根据条件适时启动航道养护管理信息系统、航道工程建设信息系统、 通航安全监控系统、水上1 1 0 报警系统等工程建设一。 要建设内河“数字航道”，关键问题是要提高航道维护质量和管理水平，实 现航标灯智能化管理。而目前内河道上航标灯的维护，多数采用人员定期出巡方 式( 日巡和夜巡) 。这种定期出巡方式，费用高，难以及时、准确地掌握航标灯 的运行信息。在天气恶劣时更为艰苦，存在一定的安全隐患。为了实现内河航道 上航标灯的智能信息化管理，本文提出了基于数字化无线通讯技术为通讯平台的 航标灯远程监控系统，该系统是集s o p c 技术、全球卫星定位系统( g p s ) 、全 球数字蜂窝移动通信技术( g s m ) 、地理信息系统( g i s ) 和计算机网络技术为 一体的综合应用系统，是一种大范围、实时、准确、高效的信息管理系统。 全面实现内河航运信息化，推进“数字航道”、“智能航运”的建设，建立规 范完备的内河航运信息资源体系，关键是建立航标灯监控系统，实时的对航标灯 进行监控。建立满足宽带化、个性化和智能化需求的有线、无线数字通信网和广 域信息服务网，促使内河航运信息化体系更加成熟，建成“数字航道”、“智能航 运”，全面实现内溺航运信息化学。 1 2 航标灯监控系统开发的背景和意义 航标灯是保障船舶安全、经济航行的重要助航设施，航标灯运行状态的好坏， 将直接影响到船舶的安全。对于功能如此重要的助航设施，航标管理部门十分注 重所用设备的服务质量。科学技术不断进步，航运业的不断发展使得对航标服务 水平的要求也不断提高。过去完全用人工方式管理航标灯，航船定期在内河上巡 查航标灯是否损坏，再进行人工恢复。而且船舶只能购买人工绘制的纸质航道图， 数据难以及时更新。这种被动、滞后的信息传递方式，难以做到及时、准确地掌 握航标灯的运行信息，势必增大了航标灯管理的难度和管理成本，制约了航标灯 管理效能的进一步提高，难以满足现代航运业对航标灯服务水平的要求。 广东省内河航道局是交通部直属的航道管理行政部门，负责保障广东航道畅 通和运行安全，他们着力于不断提高航道业务效率的战略决策，确保水利资源丰 富、河道畅通。为了贯彻落实广东“加快发展、率先发展、协调发展”的要求， 结合广东省内河航道总体布局规划目标，广东省内河航道提出的主要任务是进一 第一章绪论 步完善内河航运体系，充分发挥内陆地区借河出海发展外向型经济的作用，加快 珠江三角洲现代化骨干航道网建设，同步建立与之相适应的信息系统和航道助航 设施保障体系。完善内河航标体系的指导思想是：增加航道管理科技含量，实现 航标灯智能化管理，建设科技新航道；确保航道安全畅通，提高服务质量，为经 济发展创造良好条件；促进机构改革，改变传统观念，提高航道管理水平；减员 增效，降低航标灯维护费用；有效发挥航道运能，提高船舶利用率。随着科技现 代化以及社会信息化进程的不断推进，航道管理信息化建设的步伐和力度也在不 断加大。而且，移动通信业务也非常重视为航局提供通信服务的机会，将用优质 的网络传输质量以及优质的通信服务为航局建设全省的内河航道综合管理系统作 出自己最大的贡献啡，。 本文在详细研究了我国的“航标灯自动化管理系统”的性能、技术指标和航 标灯管理体制的特点，借鉴国内外同行的经验成果之后，提出了适合省内航道局 航标灯信息管理特点的“基于s o p c 技术的航标灯监控系统”。 航标灯监控系统可以提高航标灯的可靠性、延长维护周期、提高设备可利用 率、降低航标灯维护成本、提高管理效率，做到及时、有针对性的对航标灯进行 维护与检修，使维护人员从繁多的工作量和艰苦的工作环境中解脱出来，航标灯 各管理部门能及时掌握航标工作状态与相关信息，并能方便地对航标灯进行远程 监控，适应当前航运大流量、高安全通航的要求。 1 3 国内外航标灯监控系统技术应用概况 1 3 1 航标灯监控系统 为促进航标事业的进一步发展，使我国航标建设科学化、标准化。1 9 8 4 年我 国根据等效原则制订了g b 4 6 9 6 8 4 中国海区水上助肮标，1 9 8 6 年颁布了 g b 5 8 6 3 8 6 内河助航标志和g b 5 8 6 4 8 6 内河助航标志，1 9 9 3 年又修订 为强制性执行的国家标准p b g b 5 8 6 3 9 3 和g b 5 8 6 4 9 3 ，使内河航标技术标准 更具严肃性。通过结合国家标准的航标制式改革，我国海上浮标达到了与国际浮 标调度的统，内河航标形成了一个有中国特色的内河目视航标体系【7 】。 近年来在国内外，航标监控技术有了突飞猛进的发展。在国内，由于先进航 标设备的不断开发和引进，航标智能化开展得较为普遍。江苏省内河航标自动遥 广东工业大学工学硕士学位论文 测技术软件和硬件经过将近两年的试运行，该技术项目更趋于完善实用。航标人 员在办公室、家里、甚至在外地，用普通的电话机或手机就能掌握辖区内航标灯 的电池电压、航标灯经纬度、闪光次数、工作周期等各种技术数据。在东海海 区几十个点安装的航标无线数据遥测系统，远距离数据传输速率 可达到9 6 0 0 b p s ，能在1 分钟内传输3 1 天的数据。现在，长江南京 以下4 3 0 余公里航道已经实现建设的现代化、维护管理的现代化和通航监管的现 代化，这将充分发挥长江航道的黄金效益，对长三角地区乃至长江流域经济社会 的发展产生深远的影响* q 。 传统的航标灯监控系统的开发都是是基于单片机开发的，虽然单片机的系统 设计在价格上具有优势，但是在设计周期和设计成本方面并不占有优势，产品的 每一次升级都相当于重新开发。这一不利因素在产品生命周期越来越短的今天更 加凸现。其它的缺点是不能对大量g p s 数据作有效处理，而且系统要求低功耗， 实时陛，稳定性、产品易升级等，若利用单片机来开发，有一定的难度。 在国外，特别是水运事业发达的国家，在实现了航标设各自动化、灯塔自动化、 灯船自动化和大型浮标自动化的基础上，逐步开展了某水域乃至全国的、以航标 监测监控为主要内客钓航标系统且动化。并着手建立航标数据库和组建某水域乃 至全国的航标信息系统，以便逐步实现航标管理自动化。 如今，各国的航标管理部门提出对航标信息的自动化管理要求，其基本的思 路是借助现代计算机技术、现代通讯技术和全球卫星定位系统建立一个自动化的 航标信息管理系统，从而对助航标志实行动态的和实时的管理，保证航标的正常 工作，减少由于航道变迁( 指水深变化、河床地形变化) 、标志故障而造成的海报 事故的发生。挪威海岸理事会推出了新的信息系统“水道地理信息系统”。还 有已经投入工业化生产的主要厂商有美国的泰兰航标公司，英国的法洛斯航标公 司和西班牙的巴伦西亚机械公司等m 。 1 3 2g s m 技术的应用 g s m 是g l o b a ls y s t e mf 6 rm o b i l ec o i n m u n i c a t i o n s 的缩写，意为全球移动通信 系统，是世界上主要的蜂窝系统之一。到2 0 0 1 年，在全世界的1 6 2 个国家已经建 设了4 0 0 个g s m 通信网络。随着无线数据业务的快速发展，g s m 技术正日益广 泛地应用于各个领域。如车辆导航、远程监控、无线上网、物流控制、社区安防 4 第一章绪论 等，越来越多的设备开始要求具备无线通讯能力。 g p r s g e n e m lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s 为通用分组无线业务的简称，是 欧洲电信协会g s m 系统中有关分组数据所规定的标准。g p r s 具有充分利用现有 的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。g p r s 是一 种新的g s m 数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入服务。g p r s 主 要是在移动用户和远端的数据网络( 如支持t c p i p 、x 2 5 等网络) 之间提供一 种连接，从而给移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务l 。 1 3 3g p s 技术的应用 全球定位系统( g p s ) 是g l o b a lp o s i t i o n i n gs y 毗m 的缩写，是目前最先进、 应用最广泛的卫星定位系统】。 由于g p s 技术具有精度高、速度快、成本低等显著优点，因而成为目前世界 上应用范围最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。在我 国，g p s 技术除了在一些专业领域得到广泛应用外，同时由于g s m 移动通信网 络的发展，特别是g s m 的短消息服务技术的诞生，g p s 综合服务的范围也得到 了极大的拓展，在汽车导航系统和移动目标的定位、监控、指挥、调度系统等方 面的应用具有极大的发展潜力，目前已应用在出租车、公交、急救、物流、信息 服务等行业。 1 4 本文研究的主要内容和结构安排 本文提出基于s o p c 技术的航标灯监控系统，该系统是利用g p s 技术、g s m 技术、s 0 p c 技术及计算机通讯技术实现对航标灯的智能化管理。系统监控终端 将航标灯工作状况( 包括航标灯的电源电压、g p s 定位数据、闪烁频率、碰撞情 况等) 通过g s m 及时传输至d 监控中心，显示在电子地图上；若航标灯工作异常， 监控终端主动向监控中心发送短信报警；同时监控中心实现强制航标灯白天开灯 的功能，整个系统达到实时监控。 根据监控环境和技术要求，本文完成的设计包括：电压比较电路、隔离放大 电路、航标灯闪烁频率检测电路、强制白天开灯电路、碰撞检测电路、g s m 接口 电路以及g p s 接口电路的设计；利用e d a 工具完成n i o s 系统配置，包含i p 核 选择、c p u 设定、各部分接口模块的设计、确定系统互联逻辑、分配f p g a 引脚 广东工业大学工学硕士学位论文 等；利用n i o ss d ks h e u 编程环境及软件开发包( s d k ) ，用c 语言设计监控系 统软件：在实现系统功能的基础上，对g p s 测量数据进行处理，减少了系统的定 位误差，提高了系统定位的精度。 本文的结构安排： 第一章介绍了开发航标灯监控系统的背景和意义，当前国内、外的航标灯监 控技术的应用概况以及本文所要完成的主要任务： 第二章可编程的片上系统( s o p c ) 简介，主要介绍了片上系统( s o c ) 、可 编程的片上系统( s o p c ) 以及知识产权核( i pc o r e ) ，硬件描述语言v h d l 的特 点和结构，并介绍了n i o s 的系统组件和开发环境以及所用开发板u p 3 _ 1 c 6 的硬 件结构； 第三章基于s o p c 技术的航标灯监控系统终端，介绍了航标灯监控系统的功 能与组成，并讲述了该系统的设计原则。详细介绍了如何运用s 0 p c 技术来实现 航标灯监控系统终端，介绍了如何降低系统功耗等问题，通过系统的调试和仿真， 证明系统功能达到要求。 第四章g p s 测量数据处理，主要分析了g p s 测量数据处理过程，包括数据 采集，数据预处理，运用改进型半字节压缩算法对g p s 测量数据进行压缩处理， ， 同时分析了g p s 区域判断方法，本系统采用了射线方法作判断。最后分析g p s 定位误差，考虑如何减小误差，提高系统的定位精度，实验结果达到要求。 第二章可编程的片上系统( s o p c ) 简介 s o p c ( s y s b 锄o np r 0 掣a m m a b l ec h i p ) 即可编程的片上系统，是a l t e m 公司 提出来的一种s o c 解决方案。它将处理器、存储器、i 0 口、l v d s 、c d r 等系 统设计需要的功能模块集成到一个p l d 器件上，构建成一个可编程的片上系统。 它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬 件在系统可编程的功能。可编程器件内，还具有小容量高速r a m 资源。由于市 场上有丰富的i p 核( i n t e l l e c t u a lp r 叩e r t yc o r e ) 资源可供灵活选择，用户可以构 成各种不同的系统，如单处理器、多处理器系统。有些可编程器件内还可以包含 部分可编程模拟电路。除了系统使用的资源外，可编程器件内还具有足够的可编 程逻辑资源，用于实现其他的附加逻辑m ，。 2 1 基本概念 2 1 1 片上系统( s 0 c ) 自2 0 世纪下半叶以来，微电子技术得到了迅速发展，集成电路设计和工艺技 术水平有了很大的提高，单片集成度中每片已能含上亿个晶体管，从而使得将原 来由许多i c 组成的电子系统集成在一个单片硅片上成为可能，构成所谓的片上系 统( s y s t e mo nc l l i p ，s o c ) 或系统芯片。与普通的集成电路相比，系统芯片不再 是一种功能单一的电路，而是将信号采集、处理和输入输出等完整的系统功能集 成在一起，成为一个专用功能的电子系统芯片。而其设计思想也有别于普通i c 。 s o c 把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路及器件的设计紧密结 合，在一片或数片单片上完成整个复杂的功能。 s o c 设计技术是一种以可重用的i p 核为基础，以软硬件协同设计为主要设 计方法的芯片设计技术。它所关注的焦点不是某个新功能的设计实现，而是如何 去评估、验证和集成多个已经存在的软硬件模块，各种可重用的模块和利用这些 模块整合的方法就形成了s o c 系统工程师的开发平台，因此s o c 的设计技术也 可以成为基于平台的设计技术( p l a t f o mb a s e dd e s i 辨，简称p b d ) ，该设计技术 包含两个内容，即平台的建立和平台的应用，这两部分也是s o c 设计的核心，前 者是可重用i p 核的设计，后者是软硬件协同设计，软硬件协同设计技术主要是软 广东工业大学工学硕士学位论文 硬件协同设计平台的应用。其设计流程与传统的i c 设计和板级系统设计有着本质 的区别。首先，由于s o c 是一个集成了众多i c 功能的系统芯片，规模庞大，结 构复杂，而且性能要求较高，这就使得出错后的检查变的非常困难甚至不可能。 因此该方法的重点是在顶层完成系统仿真验证。其次，该方法与传统的设计方法 显著的区别是原来的顺序式设计变为现在的并行式设计，所有的设计问题都要在 设计之初考虑并提出相应的解决方案。最后，在真正子模块设计之前，所有的设 计工作都是基于虚拟模块完成的，这也是s 0 c 设计的另一个显著特点m 】。 2 1 2 可编程的片上系统( s 0 p c ) s o p c ( s y s t e mo nap r o 铲a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 是以p l d ( 可编 程逻辑器件) 取代a s i c ( 专用集成电路) 的更加灵活、高效的s o c ( s v s t e mo n c 1 1 i p ) 解决方案。s o p c 代表一种新的系统设计技术，也是一种初级的软硬件协 同设计技术。与其它s o c 设计技术相比，它的特点在于可编程性，即它利用f p g a 或c p l d 器件的可编程性来进行s o c 设计。 s o c 和s o p c 的设计是以i p 核为基础的，以硬件描述语言为主要设计手段， 借助于以计算机为平台的e d a 工具进行的。s o p c 技术主要是指面向单片系统级 专用集成电路设计的 计算机技术j 与传统的专月 集成电路设# 拙匕。其特点有： ( 1 ) 设计全程，包括电路系统描述、硬件设计、仿真测试、综合、调试、系 统设计，直至整个系统的完成，都由计算机进行； ( 2 ) 设计技术直接面向用户，即专用集成电路的被动使用者同时也可能是专 用集成电路的主动设计者； ( 3 ) 系统级专用集成电路的实现有了更多的途径，即除传统的a s i c 器件外， 还能通过大规模f p g a 等可编程器件来实现。 s o p c 的设计技术是现代计算机辅助设计技术、e d a 技术和大规模集成电路 技术高度发展的产物。s o p c 技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统， 包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、d s p 系统、数 字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一f p g a 中实现，使得所设计 的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市时间、开发 成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。s o p c 的设计以i p 核为基础， 以硬件描述语言为主要设计手段，借助于计算机为平台的e d a 工具，自动化、智 第二章可编程的片上系统( s o p c ) 简介 能化地自顶向下地进行叶”，。 2 1 _ 3 知识产权核( i pc o r e ) 随着微电子技术的飞速发展，越来越多的专用芯片( a s i c ) 通过在可编程逻 辑器件内嵌入m c u 核来实现其功能。m c u 、d s p 、m p u 等知识产权核( i p 核) 的设计己成为e d a 技术发展的必然趋势。其中，a 1 沱m 的n i o s 等c p u 核已经 为人熟知。采用i p 核的集成复用技术，使用类似于积木式部件的i p 核来设计片 上系统( s o c ) ，不仅能大幅度减轻设计人员的负担，优化系统设计，而且对缩短 设计周期，提升产品的市场竞争力非常有利。 i p 核是一种预先设计的并经过验证的功能电路模块，它可以集成到系统设计 中。i p 就是常说的知识产权。美国d a t a q u e s t 咨询公司将半导体产业的i p 定义为 用于p l d 等当中，并且是预先设计好的电路功能模块。任何常用的功能都可以 被设计成核而得到重用，如u s b 接口、p c i 总线接口、微处理器等。i p 重用可缩 短设计时间，减少设计风险，通过高层的集成可望提高整个系统的性能。 i p 核分为三种，硬核，软核和固核：硬核是针对特定的实现技术优化的，它 具有不能修改的结构和布局布线，可作为库元件使用，且时序性能稳定，但硬核 不能按设计需要修改和调整时序。固核由h d l 源码和与实现技术有关的网表组 成，使用者可按规定增减部分功能。固核的关键路径时序是固定的，但其实现技 术不能更改，即不同厂家f p g a 的固核不能互换使用。软核是可综合的硬件描述 语言( h d l ) 源码，它与实现技术无关，可按使用者需要修改，具有最大的使用 灵活性，但软核的关键路径时序性能无保证，最终性能主要决定于使用者采用的 综合、布局布线和实现技术。在f p g a 设计中，由于不同厂家的具体实现技术差 别较大，完全与硬件实现技术无关的软核性能受到很大限制，而硬核缺少使用的 灵活性，因此作为软、硬核折中的固核使用较多。以上是具有代表性的核的分类， 在实际使用中，某种功能的核往往以各种形式出现，由使用者按需要选用，软核 也不仅只有h d l 源码，还包括用于功能测试的行为模型和测试向量，用于指导综 合的约束文件m m 。 由以上的分析可见，使用软核的费用低，设计投入少；并且由于不涉及物理 实现，为后续设计留有很大的发挥空间，增大了灵活性和适应性。要求时序性能 可靠保证，综合工具选择好，才能取得良好的效果。考虑到对这方面的要求较高， 广东工业大学工学硕士学位论文 本系统选用了舢b e r a 公司的3 2 位的微处理器核n i o sc p u 。 2 2 硬件描述语言) l v h d l 的英文全名是v j r y h i 曲一s p e e di i l t e 乒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 n l a n g i l a g e ，诞生于1 9 8 2 年。1 9 8 7 年底，v h d l 被i e e e 和美国国防部确认为标准 硬件描述语言。自i e e e 公布了v h d l 的标准版本，i e e e 一1 0 7 6 ( 简称8 7 版) 之 后，各e d a 公司相继推出了自己的v h d l 设计环境，或宣布自己的设计工具可 以和d l 接口。此后v h d l 在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代 了原有的非标准的硬件描述语言。1 9 9 3 年，i e e e 对v h d l 进行了修订，从更高 的抽象层次和系统描述能力上扩展v h d l 的内容，公布了新版本的d l ，即 i e e e 标准的1 0 7 6 1 9 9 3 版本，( 简称9 3 版) 。现在，v h d l 和v e r i l o g 作为i e e e 的工业标准硬件描述语言，又得到众多e d a 公司的支持，在电子工程领域，已成 为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，v h d l 于v 两1 0 9 语言将承担起大部分的数字系统设计任务。 一个完整的d l 语言程序通常包含实体( e d 廿哆) 、构造体( a r c h i t e c t i l r e ) 、 配置( c 锄f j 固】r a t i o n ) 、程序包( p a c k a g e ) 和库( n b r a r y ) 5 个部分。其中实体和 结构体是不可缺少的。前4 个部分是可分别编泽的源设计单元。实体用于描述所 设计的系统的外接口信号；构造体用于描述系统内部的结构和行为；程序包存放 各种设计模块都能共享的数据类型、常数和子程序等；配置用于从库中选取所需 单元来组成系统设计的不同版本；库存放已经编译的实体、构造体、程序包和配 置。库可由用户生成或由a s i c 芯片制造商提供，以便共享。 v h d l 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具 有硬件特征的语句外，v h d l 的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计 算机高级语言。v h d l 的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体( 可以 是一个元件，一个电路模块或一个系统) 分成外部( 或称可视端口) 和内部( 或 称不可视部分) 。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后， 其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是 v h d l 系统设计的基本点。应用v h d l 进行工程设计的优点是多方面的。 ( 1 ) 与其它的硬件描述语言相比，v h d l 具有更强的行为描述能力，从而决 定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体 1 0 第二章可编程的片上系统( s o p c ) 简介 的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 ( 2 ) d l 丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查 验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。 ( 3 ) v h d l 语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的 分解和已有设计的再利用功能。 ( 4 ) 对于用v h d l 完成的一个确定的设计，可以利用e d a 工具进行逻辑综 合和优化，并自动的把d l 描述设计转变成门级网表。 ( 5 ) v h d l 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也 不必管最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计m m 。 2 3 n i o s 系统组件 n 1 0 s 处理器系统包含带指令和数据高速缓存的n 1 0 sc p u 、片内调试模块、 直接存储器存取( d m a ) 控制器、常用外围设备( p i o 、u a r t 、以太网端口和 存储器接口等) 和并行多控制器a v a l o n 交换结构总线。舢t e m 的s o p cb u i l d e r 系统开发工具可以自动生成这些组件以及连接它们的总线。使用s o p cb l l i l d e r 设 计n i o s 处理器系统。如图2 1 所示。 j t a g 接口 f p g a c p l d 一熬 n i o sl 堑塑堡查 一熊 c p uj 指令缓存 刮片内调试模块 a v a l o n一鬻 交换 结构 总线 一 p i o i 。m a 控制器k 一 一u a r t 一嚣嬲 图2 1n 1 0 s 处理器系统图 f i g 2 一ln 1 0 sc p us y s t e mb l o c kd i a g r a i i 】 d r a m 以太网 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 1 n i o s c p u 结构 n 1 0 s 处理器采用5 级流水线技术，大多数指令可以在一个时钟周期内完成， 这就相应的提高了处理器的运算速度，并且利用a l t e r a 公司提供的a v a l o n 总线， 设计人员可以很轻松地在设计中加入多个n i o s 处理器，有效地提高了系统的处 理能力in i o s 处理器本身是一个软件内核，只要芯片上有足够的空间，它就可 以不断进行升级而不用修改电路结构。m o s 处理器还是一个标准的r j s c 处理器， 执行标准的c 源代码，程序的可移植性强，开发人员不必担心它的兼容性，可以 重复使用以前开发的代码，在较短时期内研发出成熟的产品来。 n i o s 处理器的内部结构如图2 2 所示，其主要特点是： 中 中攀一高 普通处理器 凸l 中断控制 寄存器文件 j 纠 6 图2 2n i o s 处理器内部结构 f i g 2 2i n t e m a ls t m c t u r ef i g u r eo f n l 0 sc p u ( 1 ) 大容量寄存器堆。摄大可以实现5 1 2 个内部通用寄存器，编译程序运用 这些内部寄存器可以加快子程序的调用和局部变量的存取。 ( 2 ) 简单完备的指令集。3 2 位和1 6 位的n i o s 系统都运用1 6 位宽的指令 集，1 6 3 2 位数据通道，5 级流水线技术。1 6 位宽的指令减少了代码长度和指令存 储区的宽度，使n i o s 在平均一个时钟周期内能够处理一条指令，性能高达5 0 m i p s 。 第二章可编程的片上系统( s o p c ) 简介 ( 3 ) 强大的寻址模式。n i o s 指令集包括装载和存储指令，这样，编译程序 可以加快结构体和局部变量( 存储栈) 的存取。 ( 4 ) 较强的可扩展性。用户可以直接把定制逻辑集成到n i o s 算术逻辑单元 ( a l u ) 并且自动生成包含c 语言和汇编语言访问定制指令硬件的宏指令的软件 开发包( s d k ) 。 ( 5 ) 硬件辅助功能。用户可以利用硬件的优点去另外创建一些指令，从而提 高指令执行速度( p e 晌咖a n c e ) 。它可以有5 条用户定制指令，用户可以把复杂的 工作简化成个单一的指令来做。 2 3 2a v a l o n 交换结构总线 a v a l o n 交换结构总线是a l t c r a 开发的用于n i o s 嵌入式处理器的参数化接口 总线，由一组预定义的信号组成，用户用这些信号可以连接一个或多个i p 模块。 a l t e r a 的s o p cb u i l d e r 系统开发工具自动地产生a v a l o n 交换结构总线逻辑。 a v a l o n 交换结构总线需要极小的f p g a 资源，提供完全的同步操作，它的重 要特性有： ( 1 ) 简单的基于向导的配置：a 1 t e r a 的s 0 p c b u i l d e r 系统开发工具中易于使 用的图形用户界面引导用户进行增加外围设备、指定控制器和从属设备关系以及 定义存储地址等操作。a v a l o n 交换结构总线按照用户从向导界面的输入自动形成。 ( 2 ) 并行的多控制器：n i o s 开发者可以按照自己的特殊操作需要创建自定 义的系统总线结构，优化自己的系统数据流。a v a l o n 交换结构总线支持所有总线 控制器的并行事务处理，并自动地为共享外围设备和存储器接口进行仲裁。另外， 直接存储器存取( d m a ) 设备能被用于与其从属设备一起提供总线控制能力。 a v a l o n 交换结构总线使用从属设备侧仲裁技术，使并行多控制器操作最大限 度地提高系统性能。如果多个控制器同时存取从属设备，则由从属设备侧仲裁决 定哪一个控制器得到从属设备的存取权。如图2 3 所示。 在这样的系统中，快速以太网等高速外围设备可以在不暂停c p u 的情况下直 接存取数据存储器。通过允许独立于c p u 的存储器存取，a v a l o n 交换结构总线优 化了数据处理过程，提高了系统吞吐量。 ( 3 ) 多达4 g b 的地址空间：存储器和外围设备可以映射到3 2 位地址空间的 任何地方。换句话说，c p u ( 或其它的总线控制器) 有多达4 g b 的可寻址存储器 r 东工业大学工学硕士学位论文 范围。 控制器 从属设备 图2 3 并行多控制器a v a l o n 交换总线结构 f i g 2 3c o l l a t e m lm u m c o n 仃0 1 l e ra v a l o nb u ss 仉l c t i l r e ( 4 ) 同步接口：所有的a v a l o n 信号和a v a l o n 总线时钟同步，这使相应的 a v a l o n 交换结构总线时间性能简单化，便于高速外围设备的集成。 ( 5 ) 嵌入的地址译码：s o p cb l l i l d e r 创建的a v a l o n 交换结构总线自动地为 所有外厨设备c 甚至用户自定义乡 鼠设备) 形成片枣贫号，这可极大地简化基于 n i o s 处理器系统的设计。分离的地址和数据通路为片内用户逻辑提供了一个极 其容易的连接，用户自定义外围设备不需要数据和地址总线周期译码。 ( 6 ) 带延迟的读写传输：a v a l o n 交换结构总线可以完成带延迟的读写操作， 这种延迟传输是很有用的。这是因为，控制器可以先发出读写请求，在执行一个