（核技术及应用专业论文）核环境信息远程采集技术研究.pdf

摘要 目前，核环境信息主要是通过工作人员现场操作仪器获得的，随着电子技术 的不断发展和网络技术的普及，使核信息获取系统由嵌入式系统与网络相结合构 成的模式成为了可能。它相对于传统的核信息获取方法具有成本低，不受环境、 时间条件限制等特点，而且系统控制功能和可靠性也会得到增强，更适用于某些 特殊的核工程环境场合。 本文首先讨论了通常采用的核环境信息的现场获取及远程传输方法，接着提 出了核环境信息远程实时采集系统设计思想和实现方案，并对该方案各个环节的 软硬件关键技术进行了全面的研究。 该系统采用客户机服务器模式，其中现场信息获取子系统和基于i n t e r n e t 的信息传输及控制子系统组成服务器端，置于被监控现场，而运行有专用监控软 件的p c 机作为客户端子系统，两者通过使用t c p i p 协议和自定义的应用层通讯 协议实现数据在i n t e r n e t 上双向传输。 基于i n t e r n e t 的信息传输及控制子系统是设计实现的关键技术。本设计的 硬件部分是以f p g a 芯片为主要部件构成的，在f p g a 内部以n i o si i 软核处理器 为核心构成了s o p c ( 片上可编程系统) ，由此形成一个功能灵活的嵌入式系统。 在它之上，运行了m i c r o c o s 2 实时操作系统，并移植有l w i p ( 轻量级t c p i p 协议栈) 。其中，应用程序根据功能划分为通讯任务( s o c k e t 服务器) 、温湿度 测量任务和液位测控任务，三个任务使用消息队列进行数据和信息的交换。 远程监控终端运行于w i n d o w s 平台之上，使用c + + b u i l d e r 开发，通过直接 使用w i n s o c k 套接字进行网络编程，实现了与远程服务器的高效i n t e r n e t 连接。 关键词：s o p c ，n i o si i ，i n t e r n e t ，核环境信息，远程采集 a 。b s t r a c t t o d a y , t h ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mo fn u c l e a re n v i r o n m e n ti sm a i n l yb y f i e l d w o r k h o w e v e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g y , i ti sp o s s i b l et oi n t e g r a t ee m b e d d e ds y s t e ma n dn e t w o r kt e c h n o l o g yi n t o n u c l e a ri n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e m t oc o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n a lf i e l d w o r k , i t s a d v a n t a g ei so b v i o u s ，s u c ha s ：e n v i r o n m e n ti n f l u e n c ef r e e ，e n h a n c e dc o n t r o l l i n g f u n c t i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，e s p e c i a l l yi tc a l lb ea p p l i e di ns o m es p e c i a l n u c l e a rp r o j e c t 、 i n t h i sp a p e r ，t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ew a yo fn u c l e a re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o ni nf i e l da n di n f o r m a t i o n st r a n s m i s s i o n a c c o r d i n gt ot h ea b o v ed i s c u s s i o n ， t h ea u t h o rp r o p o s e sad e s i g nm e t h o da n dap r o j e c tt or e a l i z et h en u c l e a ri n f o r m a t i o n r e m o t ea c q u i s i t i o ns y s t e ma n dr e s e a r c ht h ek e yt e c h n o l o g yi nb o t ho ft h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e e p l y c l i e n t s e r v e rm o d ei sa p p h e di nt h i ss y s t e m t h es e r v e ri sc o m p o s e do fal o c a l i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns u b s y s t e ma n dr e m o t ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l s u b s y s t e mw h i c hb a s e do ni n t e r n e t t h es e r v e ri sp l a c e di nm o n i t o r e df i e l d i nt h i s s y s t e m ，ac o m p u t e ri su s e d 髂ac l i e n t ，w h i c hm o n i t o rs o f t w a r ei sr o n t h es e r v e ra n d t h ec l i e n tc o m m u n i c a t ee a c ho t h e rb yl w l p p r o t o c o la n du s e r - d e f m e dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li ni n t e r a c t t h ek e yt e c h n o l o g yt or e a l i z et h i sd e s i g ni si n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l s u b s y s t e mb a s e do ni n t e r a c t t h ek e yh a r d w a r eo ft h ed e s i g nu s e saf p g ac h i p o n t h ef p g ac h i p ，t h es o p cw h i c hb a s eo nt h en i o s i is o f tc o r ep r o c e s s o ra n dt h e p e r i p h e r a l si si m p l e m e n t e di ni t a l lo ft h e s eb u i l du paf l e x i b l ee m b e d d e ds y s t e m i n t h es o f t w a r eo ft h es o p c ，m i c r o c o s 2r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n dl w l pl i g h t w e i g h tt c p i ps t a c kh a v e b e e np o r t e d t h e r ea r et h r e et a s k sr u n n i n go nm i c r o c o s 2 ， o n et a k e c h a r g e f o ri n t e r n e t c o m m u n i c a t i o n ，t h eo t h e rf o r l o c a li n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n ，a l lo ft a s k se x c h a n g ed a t ab ym e s s a g eq u e u e u n d e rt h ed e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c eo fc + + b u i l d e r ，t h er e m o t em o n i t o r t e r m i n a lr u ni nw i n d o w sp l a t f o r m ，a p p l i e ds o c k e tt e c h n o l o g yt op r o c e s sn e t w o r k p r o g r a m s ot h a tah i g he f f e c t u a l l yi n t e r o e tc o n n e c tw i t hr e m o t es e v e ri sr e a l i z e d k e y w o r d s ：s o p c ，n i o si i ，i n t e r a c t ，i n f o r m a t i o no fn u c l e a r ，r e m o t ec o l l e c t i o n i i 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题依据及研究意义 核环境信息的监测一直都是一个具有重要社会意义的课题，它是一个涉及核 科学、环境、医学、建筑、地质、能源、电子技术与计算机科学等多学科“1 的问 题。传统方式的核环境信息采集和控制方法，通过工作人员现场操作以获取核数 据。这种方法存在环境适应能力较差、难于完成长期连续现场监测工作、测量次 数有限等诸多不足，使得应用场合受到很大限制。例如为了确保放射性样品储藏 室的辐射总量在安全的范围内，需对a 及y 辐射总量进行长期监控。且由于放 射性测量中，测量结果受到外界的温度、湿度的影响较大，因此同时对温湿度的 监控也很重要。上述提到的应用需求，传统的监测方式显然无法胜任。如何不受 地理环境、时问的影响获取有效的信息成为了核环境信息采集领域的重要课题之 一。 本论文以国家质量监督检验检疫总局下达的“环境放射性活度量值溯源体 系”项目( 项目编号：j g 2 0 0 4 0 5 z ) 为依托研究，以寻找利用计算机技术和网络技 术实现对核环境信息进行远程采集的技术解决方案为目的，实现方便地对核环境 信息进行远程采集、远程传输以及远程控制。本论文针对核环境信息远程采集技 术进行方法和实现技术的研究，通过设计并实现温湿度及液位的远程测控证明其 可行性。核信息的采集，无论是在方法还是技术上都己经相对成熟，因此研究的 焦点在信息远程传输的方法和技术实现上，核信息本身不作为研究的重点。 1 2 国内外研究现状综述 通过对国内外有关的学术刊物和国内外有关的学术会议论文分析可知，在测 控领域，分布式测控网络是一个比较先进和实用的技术，它能够实现远程数据采 集、远程设置和校准等功能。这种测控网络通常由现场总线来构建。但它作为一 种专用网络，存在着成本高、通用性差等一些弊端。而以太网因其架构、性能、 互操作性、可扩展性及开发简便，已成为嵌入式应用的标准通讯技术。因此采用 以太网代替传统的现场总线来构建测控网络已经成为一种趋势，特别是在一些实 时性要求不高的场合。它的优势是它可方便地使分布式测控系统实现局域和广域 传输的i n t e r n e t 化，达到“管控一体化”和“e 网到底”。从底层测控到上层 管理，都可以通过t c p i p 协议进行数据传输，而无需进行协议转换，易于使用 成都理工大学硕士学位论文 和维护。 目前，在核环境信息的采集和控制领域，基本上仍然采用传统方式，即通过 工作人员在现场对各种仪器进行操作从而获取信息。随着网络基础设施的完善及 i n t e r n e t 应用的普及，利用网络进行远程信息的采集是核信息获取方式改变的 一种趋势。已有极少部分核环境信息获取系统具有基于i n t e r n e t 的远程监控能 力。如王欣等在2 0 0 3 年第5 期的实验室研究与探索刊物上发表的l a b v i e w6 i 的远程y 能谱测量。1 ；再如黄周钊和黄文达在2 0 0 4 年第1 期的集美大学学报 ( 自然科学版) 刊物上发表的基于国际互联网远程通用实验系统的开发。1 。以上 两个系统区别在于前者是采用p c 机+ p c i 数据采集卡的方案，其整体架构如图1 1 所示。后者是利用仪器上现有的串口与p c 相连从而实现远程通信的方案， 其系统结构如图1 2 所示。 基于现 现场测试系统 hp c i 总场 如探头 厂v 线的采 p c 集卡机 图1 一l 基于p c 机+ p c i 数据采集卡的系统整体架构 图1 2 基于串口通信的远程采集系统 以上两种架构的远程采集系统都存在一些不足，如基于p c 机+ p c i 数据采集 卡的系统架构需针对不同的应用自制不同的p c i 采集卡，增加了硬件的开发难度 且兼容性较差。基于串口通信的远程采集系统虽然省去了自制p c i 采集卡这一部 分，简化了硬件设计，但也存在数据传输速度慢的问题。同时两者在测试现场都 离不开p c 机，这些系统除工作环境要求较高和本身的可靠性比较差之外，还有 价格昂贵、体积庞大和安装复杂等缺点，使得基于p c 体系的系统的应用场合受 到很大的限制。 2 第2 章核环境信息远程采集技术研究 第2 章核环境信息远程采集技术研究 2 1 技术路线 i n t e r n e t 是2 0 世纪人类最为伟大的发明之一，它已深刻地改变了我们的 生活和工作方式，它的重要意义不仅仅是因为其本身的庞大规模，而且还因为 它提供了一种全新的全球性基础设施。通过连接到i n t e r n e t ，我们可以方便、 低廉地将信息传送到世界上几乎每一个角落。 目前，测控系统无处不在地充满了微控制器( m c u ) 。但这些嵌入式系统大多 数还处于原始的单独应用阶段。即使是工业上也只是利用孤立于i n t e r n e t 以外 的通信网络( 如c a n ，iz c ，p r o f i b u s 等现场总线) 实现m c u 组网，其缺点是不言 而喻，组网困难，覆盖面小，信息流通不便，成本昂贵等。如前所述，i n t e r n e t 作为一个全球性的基础设臆，相对于专用网络来说，它在很多方面都有着无可 比拟的优势，如何将i n t e r n e t 技术应用到测控领域，是一个具有深远意义的课 题，可以预言，嵌入式系统与i n t e r n e t 的真正结合、嵌入式操作系统与应用设 备的无缝结合代表着测控系统的真正未来。因此本研究立足于利用嵌入式 i n t e r n e t 技术来进行信息的远程采集及远程监控。 采用何种传送信息的媒介和协议成了嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来实 现系统网络化的关键问题。目前可以通过以太网或者电话线等媒介实现嵌入式 系统与i n t e r n e t 相连接。由于目前局域网已相当普及，大多数工作场地都配有 以太网，电子装置通过集线器( h u b ) 或交换机可以随时与局域网连接，因此通 过以太网实现嵌入式系统与i n t e r n e t 相连接成了一种趋势。 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 作为当前电子 设计领域较为前沿的技术之一，是现代电子技术和电子系统设计的汇聚点和最 新发展方向，它将普通e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 即电子设计自动 化) 技术、计算机系统、嵌入式系统、工业自动化控制系统等融为一体，涵盖 了嵌入式系统设计技术的全部内容。s o p c 结合了s o c ( s y s t e mo nc h i p 即片上 系统) 和p l d ( p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 、f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 各自的优点，集成了硬核或软 核c p u 、d s p 、存储器、外围i o 及可编程逻辑，用户可以利用s o p c 平台自行 设计各种高速高性能的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 处理器或特定功能的 c p u 处理器，从而使电子系统设计进入了一个全新的模式。而在应用的灵活性 和价格上s o p c 同样也有极大的优势，因此它被称为“半导体产业的未来”。 3 成都理工大学硕士学位论文 i n t e r n e t 上被广泛使用的t c p i p 通信协议对于计算机存储器、运算速度 等的要求比较高，一般情况下普通单片机无法达到其要求。而s o p c 技术同样能 很好的解决以上问题。因此它与i n t e r n e t 技术一起构成了本研究的两大技术主 线。 2 2 整体研究方案 核环境信息远程采集系统是一种通用的信息获取设备，它从逻辑上可以划 分为现场信息获取子系统、基于i n t e r n e t 的远程信息传输和控制子系统及远程 监控终端这三部分。 现场信息获取子系统，主要由温、湿度测量系统、液位监控系统组成。用 于完成现场信息的采集，具体可以根据应用的需求而变化。 基于i n t e r n e t 的远程信息传输和控制子系统是本研究的重点，它是一个基 于s o p c 技术的网络平台，在一块f p g a 内集成了软核处理器、各种所需外设i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核等，它一方面控制现场信息获取子系统，完成信 息的采集，另一方面通过i n t e r n e t 与远程监控终端通信，响应相应的命令，回 传测量信息等。其整体结构框图如图2 - 1 所示。 远程监控终端，运行于p c 机之上，通过i n t e r n e t 与处于测控现场的网络 平台通信，向操作人员提供了对测控现场进行远程控制和信息获取的手段。 现场信息获取子系统远程信息传输及控制子系统 螋嘲医 子 曰 电源 i一 液位测量及控制 板 八 接 口 温湿度测量w u s b u a r t 一远程p c 终端 其它测量子系统 i 以太网| j 存储器子系统 圈2 - - 1 核环境信息远程采集系统整体结构原理框图 2 3 现场信息获取子系统 现场信息获取子系统是本研究的三大子系统之一，将其设计成一个独立的 子系统，作为整个系统的一个独立模块，使得主系统可以通过更换现场信息获 取模块来方便地应对各种复杂应用场合对信息采集和控制动作的不同要求。因 4 第2 章核环境信息远程采集技术研究 此本模块是作为系统硬件的应用抽象层而存在的，起着隔离具体应用与信息传 输和控制子系统的作用，减弱了信息传输和控制子系统的应用相关性，使其作 为一个通用的网络平台成为可能。本次研究中，信息获取主要针对温度、湿度 和液位。因此研究内容集中在以下几个方面： i 温度测量技术研究； 2 湿度测量技术研究； 3 液位测量技术研究； 4 液位控制技术研究； 5 子系统信息交互接口研究。 2 4 远程信息传输和控制子系统 本子系统从功能划分上被定义为一个信息远程传输平台，因此具有较强的 通用性。配合特定的现场信息获取子系统，可以构成功能特定的远程信息获取 系统。由于本子系统具有较强的应用无关性，可以作为一个通用的网络平台， 而不仅限于核环境信息的远程采集，使得其作为一个独立的实体研究也具有较 大的意义，因此成为本次研究的关键和难点。由于本平台的远程通信方式是基 于i n t e r n e t 技术，考虑到其实现复杂性，使用嵌入式操作系统和t c p i p 协议 栈是必然的选择，因此架构上也围绕这个关键点来进行设计。 逻辑上本平台划分为基于f p g a 的s o c 系统构建和板级电路设计两部分，基 于f p g a 的s o c 结构如图2 2 ，研究内容包括在f p g a 内构建一个单芯片系统及 基于该单芯片系统的软件开发，具体内容如下： 1 软核处理器技术研究； 2 片上互联总线技术研究； 3 外设i p 核研究； 4 嵌入式操作系统及移植研究： 5 平台特定的驱动程序技术研究； 6 i n t e r n e t 通信技术及实现研究。 板级电路设计，目的是为s o p c 单芯片系统提供一个运行支持环境。一个完 整系统需要大容量存储器、非易失性存储器、电源系统、各种模拟接口等外围 设备，因此板级设计具体内容包括以下6 个方面。 i 存储器技术研究及选择； 2 以太网接口及实现技术研究； 3 u s b 及r s 2 3 2 接口技术研究； 4 高速数字电路设计技术； 成都理工大学硕士学位论文 5 高速p c b 布线技术研究； 6 电源供应技术研究。 2 5 远程监控终端 图2 - 2 基于f p g 的s 0 0 结构 远程监控终端向用户提供了一个远程操作现场测控系统的人机界面。工作 于客户机一服务器模式。具体研究内容如下： 1 w i n d o w s 操作系统下应用程序开发研究； 2 基于w i n d o w s 操作系统的应用程序人机交互技术研究； 3 基于w i n d o w s 操作系统的i n t e r n e t 编程技术研究。 6 第3 章可编程片上系统( s o p c ) 研究 第3 章可编程片上系统( s o p c ) 研究 随着大规模可编程器件的迅速发展，芯片规模越来越大，可以在单一可编 程器件中实现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。这就是我们通常所说的可编程的片上系统s o p c 。它是一种特殊的嵌入 式系统“1 ：首先它是片上系统，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能； 其次，它还是可编程系统，具有灵活的设计方式，这个可编程，不仅指软件的 可编程，更重要的是指硬件的可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统 可编程的功能。由于功能完整，s o p c 逐渐成为嵌入式系统发展的主流。 s o p c 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。它一方面涵盖了传统嵌入式系统设计技术的全部内容，除 了以处理器和r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，实时多任务操作系统) 为 中心的软件设计技术、以p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 和信号完整性分析为基 础的高速电路设计技术以外。在另一方面，又带来了一种全新的设计理念和设 计方法，其很多概念对于传统设计方法来说是陌生的，如芯片级的系统硬件功 能定制、芯片内硬件系统动态重构等。因此s o p c 的开发对于设计者的知识范围 有了更高的要求。除了必须了解计算机组成与接口、嵌入式软硬件开发等相关 知识外还必须熟悉各种e d a 软件、片上系统构建与测试、硬件描述语言等知识。 3 1s o p c 的特点 s o p c 这个概念最初是由著名的可编程逻辑器件生产厂家美国a l t e r a 公司 提出的，它指的是基于p l d 的可重构s o c 设计方案。因此它结合了s o c 和p l d ( 当前多采用f p g a ) 各自的优点，一般具备以下基本特征“1 ：至少包含一个嵌 入式处理器内核；具有小容量片内高速r a m ；丰富的i pc o r e 资源可供选择； 足够的片上可编程逻辑资源；处理器调试接口和f p g a 编程接口；可能包含部分 可编程模拟电路；单芯片、低功耗、微封装等。 以往的s o c 设计依赖于固定的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 d c i r c u i t ，特定用途集成电路) ，通常采用全定制和半定制电路设计方法，设计完 成后须到i c 厂家去加工制造才能完成，设计制造周期长，且一旦有错误或升级 就需重新修改设计和制造，成本和时间代价都相当高昂。 与固定a s i c 相比，p l d 借助以计算机为平台的e d a 工具在实验室即可完成 成都理工大学硕士学位论文 对以硬件描述语言h d l 为系统逻辑描述手段完成的文件进行逻辑仿真、逻辑综 合及优化、逻辑映射、逻辑布局布线、时序分析、时序仿真、功耗分析、直至 生成针对特定目标芯片的配置文件和编程下载等工作，也可以反复编程和修改 错误等，具有开发周期较短、设计灵活和成本低的优势。且s o p c 采用的是自顶 向下( t o p - - d o w n ) 的设计方法，即从系统级到功能模块( 特别是子系统) 的软、 硬件协同设计方法，实现软、硬件的无缝结合，具有极高的综合性。 s o p c 与基于a s i c 的s o c 相比具有以下特点： 1 充分利用i p 核技术，减少产品设计复杂性和开发成本，缩短产品开发 时间； 2 单芯片集成电路可以有效地降低系统功耗； 3 减少芯片对外引脚数，简化系统加工的复杂性； 4 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快了数据传输和处 理的速度； 5 内嵌的线路可以减少甚至避免电路板信号传送时所造成的系统信号完 整性问题； 6 设计周期短，成本低，更加灵活。 3 2s o p c 与传统嵌入式系统的比较 嵌入式系统是以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通 讯技术为基础，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求 的专用计算机系统5 1 。当前，以p o w e r p c 、m i p s 和a r m 等处理器为代表构成的 高端嵌入式系统无论在功能还是性能上都已经发展到相当高的水平，广泛应用 于各个领域，但从另一个角度看，这些高端的嵌入式系统与早期以8 位单片机 为核心构成的低端嵌入式系统相比，无论在系统的体系结构、设计理念、设计 方法和手段上都是一脉相承，并没有本质的区别，只是将8 位系统换成3 2 位甚 至6 4 位系统，系统集成度更高、功能更强、性能更好，仅此而已，并没有一种 革命性的变化出现。基于这个理由，本文将此类系统通称为传统嵌入式系统。 下文将对传统的嵌入式系统和基于s o p c 技术的嵌入式系统进行对比。 3 2 1 设计理念的变化 传统技术是以既定的硬件及其性能而非以人的能力为主轴的技术。事实上， 诸如单片机、d s p 或a r m 系统等基于传统开发技术的设计流程而言，不存在严 格意义上的硬件设计，而只有软件设计吲。这是因为，一旦方案确定，硬件系 8 第3 章可编程片上系统( s o p c ) 研究 统的核心器件是现成的，功能是确定的，结构是固定的，指令系统是不可更改 的，从而导致硬件组织方案和连接方案是限定的，用户只能被动的遵循和适应， 这时的硬件“设计”只能流于拼装和连接。系统构成后的惟一任务是依据既定 的指令系统来编程，除了系统功能和算法可以通过软件改变外，系统的性能和 指标已无从改变，设计者的创新能力、想象力和优化设计能力的发挥空间已被 选定的硬件性能所界定。进而导致了系统的综合性能基本取决于器件原有的性 能和指标。这也是为什么在优秀的8 0 3 1 单片机出现以后，仍然层出不穷地涌现 出其他各种功能和性能的单片机；而同样是d s p 处理器，c 5 x 系列与c 6 x 系列 器件则把开发者带到完全不同的技术领域和功能范畴。显然，硬件的可设计性 和用户目标的适应性在系统性能指标上占有更大的份额，而s o p c 技术的优势正 在于是设计者本身而非器件设计商去更有效地占据这一份额。 与现有的诸多电子系统设计理念和解决方案相比，s o p c 设计技术更具代表 性、主流性、规范性与普遍性。它在电子设计技术上给出了一种以人的基本能 力为依据的软硬件综合解决优化方案。由于同时涉及底层的硬件系统设计和相 应的软件设计，在系统优化方面有了前所未有的自由度。s o p c 技术使开发者更 能动地在软硬件系统的综合与构建两方面有了充分发挥自己创造性和想象力的 巨大空间，从而使得从多角度、多因素和多结构层面上大幅度优化自己的设计 成为可能。 3 2 2 设计流程的不同 传统嵌入式系统的设计方法，通常是采用瀑布模式设计流程”1 ，如图3 1 ( a ) 所示。即在只粗略估计软件任务需求的情况下，首先进行硬件设计与实现。然 后，在此硬件平台之上，再进行软件设计。因而很难达到充分利用硬件、软件 资源，取得最佳性能的效果。同时，一旦在测试时发现问题，需要对设计进行 修改时，整个设计流程将重新进行，对成本和设计周期的影响较大。这种传统 的设计方法只能改善硬件软件各自的性能，在有限的设计空间不可能对系统做 出较好的性能综合优化，在很大程度上依赖于设计者的经验和反复实验。 s o p c 则采用软硬件协同( c o d e s i g n ) 设计方法，即使用统一的方法和工具 协同设计软硬件体系结构，以最大限度挖掘系统软硬件能力，避免由于独立设 计软硬件体系结构而带来的种种弊病，从而得到高性能低代价的优化设计方案， 使得硬件和软件不再是截然分开的两个概念，而是紧密结合和相互影响的。同 时硬件抽象层姒l ( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) 的出现使软硬件的测试工 作可同时分别基于硬件抽象层来完成。h a l 位于操作系统和硬件之间，包含了 系统中与硬件相关的大部分功能。通过特定的上层接口与操作系统进行交互， 9 成都理工大学硕士学位论文 向操作系统提供底层的硬件信息；并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操 作，从而形成了包含硬件抽象层的v 模式设计流程，如图3 1 ( b ) 所示。该设 计方法使得软硬件的设计和调试具有无关性，并可完全地并行进行。硬件的错 误不再影响到系统软件的调试，同样软件设计的错误也不会影响硬件的调试工 作，可大大缩短系统的测试周期和提高系统的可靠性。因此基于s o p c 技术设计 的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开 发成本、产品维护及其硬件升级等多方面可实现最优化。 ( a ) 传统嵌入式系统设计流程 ( 瀑布模式设计流程) ( b ) s o p c 的设计流程 ( 包含硬件抽象层的v 模式设计流程) 图3 1 传统嵌入式系统设计流程和s o p c 设计流程 3 3 构建s o p c 系统的综合考虑 一个完整的s o p c 系统需要由嵌入式软核处理器、各种外设i p 核和片内互 联总线构成，因此在确定s o p c 系统方案之前，有必要对以上问题进行深入研究， 以得到一个符合应用要求的最优化系统。 1 0 第3 章可编程片上系统( s o p c ) 研究 3 3 1i p 核的研究 随着c p l d f p g a 的规模越来越大，设计越来越复杂，使用i p 核是一个发展 趋势。i p 核是具有知识产权的集成电路芯核的简称，其作用是把一组拥有知识 产权的电路设计集合在一起，构成芯片的基本单位，以供设计时搭积木之用。 在系统级芯片设计中，i p 核特指经过验证的各种超级宏单元模块电路。v s i a ( 虚 拟器件接口联盟) 根据设计层次，将i p 划分为三个层次：硬i p 、软i p 和介于 两者之间的固i p 。 软i p ，通常是以h d l 文本形式提交给用户，它经过r t l 级设计优化和功能 验证，但其中不含有任何具体的物理信息。据此，用户可以综合出正确的门电 路级设计网表，还可以进行后续的结构设计，具有很大的灵活性，同时，借助 于e d a 综合工具可以很容易地与其他外部逻辑电路合成一体，根据各种不同半 导体工艺，设计成具有不同性能的器件，软核技术具有可重配置、灵活性大、 性价比高及可移植性好等特点。 固i p ，即仿真后的完整电路网表； 硬i p 核，即经过某一工艺实现并经后仿真通过和投片验证的版图设计。易 集成、性能优但不可重配置。 i p 核的本质特征是可重用性，通常还具有可移植性、可读性、设计的衍展 性和工艺适应性、可测性、端口定义标准化、绝对正确及版板保护等特征，是 s o p c 设计的核心。当在进行复杂系统设计的时侯，i p 核复用无疑将大大地减少 设计风险及缩短开发周期和开发成本。 3 3 2 软核c p u 的选择 目前有基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统，即嵌入式系统处理器预先以硬 核方式植入f p g a 中。常用的嵌入式硬核有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、i n t e l x 8 6 和 m o t o r o l a6 8 0 0 等。如a l t e r a 的e x c a li b u r 系列f p g a 中就植入了a r m 9 2 2 t 嵌 入式处理器。这样虽然相对于传统的嵌入式系统减小了体积和功耗，提高了可 靠性，但也存在几处不够完美的地方。 ( 1 ) 此类硬核多来自第三方公司，需要投入高额的许可证费，从而导致 f p g a 器件价格相对偏高； ( 2 )由于硬核是预先植入的，降低了设计的灵活性，如不能使用多个处理 器、不能裁剪处理器硬件资源、不能改变处理器结构等； ( 3 ) 硬核嵌入式系统只能在特定的f p g a 中使用。 如果使用软核处理器就能有效地解决以上不利因素。目前常用的软核处理 1 1 成都理工大学硕士学位论文 器有o p e n r i s c 系列、l e o n 系列与n i o si i 系列这三种。 1 l e o n 微处理器 欧洲航天局下属研究所”1 开发的l e o n 处理器是开放源代码的3 2 位可配置 可综合的微处理器核，主要应用在航天局的各种a s i c 芯片内，有l e o n 2 ，l e o n 3 系列。l e o n 2 处理器具有以下的特点： ( 1 ) 内部使用了5 级流水线，兼容s p a r cv 8 指令集： ( 2 ) 具有硬件乘法，除法和m a c 的功能； ( 3 ) 性能可以达到大约0 8 5 m i p s i h z ： ( 4 ) 具有分开的指令和数据c a c h e 结构( 哈佛结构) ，可以根据需求灵活 的配置c a c h e 的容量，大小范围是l - - 6 4 k b y t e ； ( 5 ) 片上总线规范使用了a m b a 2 0 规范，支持a p b 和a h b 标准； ( 6 ) 具备一些片上常用外设，包括u a r t ，中断控制，i 0 端口，实时时钟 和看门狗等； ( 7 ) 支持硬件调试功能。 2 o p e n r i s c 微处理器 o r e n r i s c 微处理器是由o p e n c o r e s 组织负责开发和维护的免费、开源的 r i s c 处理器内核。o p e n r i s c l 2 0 0 处理器是o p i e n r i s c 的系列之一，出现于2 0 0 1 年7 月，支持o r b i s 3 2 指令集。该指令集包括3 2 位整数指令、基本的d s p 指令、 3 2 位的l o a d 和s t o r e 指令、程序流程控制指令和特殊指令( 实际上还不支持 除法指令) 。o p e n r i s c l 2 0 0 是一种3 2 位、标量、哈佛结构、5 级整数流水线的 r i s c 处理器，它有3 2 个3 2 位通用寄存器，支持缓存、虚拟存储器和基本的d s p 功能，外部数据和地址总线接口符合w i s h b o n e 标准。辅助功能包括用于实时调 试的调试单元、计数器、可编程中断控制器和电源管理单元，这些功能大大增 强了c p u 独立工作的能力，对软件调试和操作系统的支持较好，简化了整体系 统的设计。 3 n i o s 系列微处理器 h l t e r a 公司在2 0 0 0 年发布的n i o s 处理器是第一款用于可编程逻辑器件的 可配置的软核处理器”1 。它是基于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g 。 精简指令集计算机) 技术的通用嵌入式处理器芯片软内核，也就是说，是以i p 核的方式将它提供给设计者。 第一代n i o s 嵌入式处理器性能就高达5 0 m i p s ，采用1 6 位指令集，1 6 3 2 位数据通道，5 级流水线技术，可在一个时钟周期内完成一条指令的处理。它 可以与各种各样的外设、定制指令和硬件加速单元相结合，构成一个定制的 s o p c ，还具有可由用户配置的l 1 ( 第一层) 指令与数据超高速缓存。n i o s 处理 1 2 第3 章可编程片上系统( s o p c ) 研究 器还具有一种基于j t a g 的o c i ( 片上仪器) 芯核，使软件开发人员在实时调试 方面具有更明显的优势。 n i o si i 处理器是a 1 t e r a 公司在2 0 0 4 年推出的第二代软核c p u ，它扩展了 目前世界上最流行的软核嵌入式处理器的性能。同前一代软核c p u 相比，n i o si i 有着更高的性能，更小的体积。其最大处理能能力是第一代软核的3 倍，而最 小的体积只有5 5 0 l e s ，只有第一代软核的1 2 大。n i o si i 系列处理器提供了三 种内核一一快速的( n i o si i f ) 、经济的( n i o si i e ) 和标准的( n i o si i s ) 内核，每种都针对不同的性能范围和成本。以上三种内核处理器都可以嵌入到 a 1 t e r a 的所有f p g a 中，例如s t r a t i x l i 、s t r a t i x 、c y c l o n e l i ，c y c l o n e 、 a p e x ，a c e x 和h a r d c o p y 系列器件。其中n i o si i s 内核提供了内核尺寸和性能 之间的平衡，而n i o si i e 和n i o si i f 把这种平衡分别推向更小的内核或更 快的性能。n i o si i e 内核仅消耗价值3 5 美分的逻辑电路，而n i o si i f 可以 达到2 0 0d h r y s t o n em i p s 性能。这三种内核共享一个共同的3 2 位i s a ( i n s t r u c t i o ns e ta r c h i t e c t u r e 指令集体系结构) ，并且1 0 0 9 6 _ - 进制代码兼 容。n i o si i 的处理器的特性入表3 1 所示。 表3 1n i o s ii 的处理器的特性 种类特性 3 2 位指令集 3 2 位数据线宽度 c p i j 结构3 2 个通用寄存器 3 2 个外部中断源 2 gb y t e 寻址空间 基于边界扫描测试( j t a g ) 的调试、支持硬件断点、数据触发 片内调试 以及片外和片内的调试跟踪 定制指令最多达2 5 6 个用户定义的c p i j 指令 3 3 3 片上互联总线技术 随着集成电路设计技术的发展，越来越多地设计者使用各种功能i p 核部件 来构成s o c 。但i p 核采用非统一标准的互连设计原则，使得i p 核的互连技术 成为了构造s o c 的关键。目前片上总线( o nc h i pb u s ，o c b ) 是实现s o c 中i p 核连接最常见的技术手段，它以总线方式实现i p 核之间数据通信。“。它一般需 要定义各个模块之间初始化、仲裁、请求传输、响应、发送接收等过程中驱动、 时序、策略等关系。与板上总线不同，它不用驱动底板上的信号和连接器，使 成都理工大学硕士学位论文 用更简单，速度更快、灵活性更好和功耗更低。 目前有较大影响的i p 核互连总线规范有a r m 的a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 、s i l i c o r ec o r p 的w i s h b o n e 和a 1 t e r a 的a v a l o n 总线。 1 心b a 总线 先进微控制器总线架构a m b a 是a r m 公司为高性能片上微控制器定义的一套 总线标准“”“，是一种中央多路选择器互连方案。它独立于处理器和制造工艺 技术，增强了各种应用中的外设和系统宏单元的可重用性。它同时也是一个开 放标准，可免费从a r m 获得。 a m b a 总线采用分段多总线体系，定义了三种可以组合使用的不同类型的总 线：a h b ( a d v a n c e dh i g h p e r f o r m a n c eb u s ) 、a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 和 a p b ( a d v a n c e dp e r