（电路与系统专业论文）基于fpga高速激光打印机逻辑控制系统的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：激光打印机凭借其打印精度高、速度快、负荷大等特点，在办公及家庭领 域得到越来越广泛的使用。随着嵌入式技术的不断提高，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 器件在逻辑控制方面的运用越来越普及。以f p g a 器件为核心的激光打印机逻辑控制系统是今后打印机控制系统的一个重要发展方 向。 本文在对激光打印机控制系统进行深入研究的基础上，结合f p g a 的特性， 对系统各模块进行合理的设计和优化，实现了基于f p g a 的高速激光打印机逻辑 控制系统。论文的内容主要包括以下几个方面： 1 研究和分析了目前国内外激光打印机的发展状况，在此基础上提出了基于 f p g a 技术的高速激光打印机逻辑控制系统模犁。 2 本着提高打印机系统的打印速度，增加系统集成度和提高系统性能的原则， 以f p g a 芯片e p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8 为开发器件，设计并实现了高速激光打印机逻辑控 制系统。 3 研究和分析了s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y ，同步 动态随机存储器) 器件，在此基础上设计和实现了s d r a m 读写控制器。 4 研究和分析了i i c ( i n t e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) 总线技术，提出及实现了基于i i c 协议的e n g通信模块。_iic 5 完成了激光打印机逻辑控制系统的软件设计与实现，采用v e r i l o g 硬件描述 语言在q u a r t u s1 16 0 软件平台下进行开发，对逻辑控制系统进行了仿真及调试。 本文设计的激光打印机逻辑控制系统在系统硬件平台上进行了打印测试，彩色 打印速度达到了4 0 p p m ( p a p e r sp e r m i n u t e ，每分钟打印的页数) ，在硬件上验证了 高速打印的设计目标，为高速激光打印机逻辑控制提供了一种新的方案。 本论文共有图3 9 幅，表5 幅，参考文献3 2 篇。 关键词：激光打印机；f p g a ；v e r i l o g 分类号：t p 3 3 4 8 a bs t r a c t a b s t r a c t ：h a v i n gm a n yc h a r a c t e r i s t i c sl i k ep r e c i s ep r i n t i n ga b i l i t y , f a s ts p e e da n d h i g hl o a d ，l a s e rp r i n t e ri su s e dm o i la n dm o i lw i d e l yi no f f i c e sa n dh o u s e s w i t ht h e c o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , f p g ai sp o p u l a r l yu s e di nt h ef i e l d o fl o g i c a lc o n t r 0 1 t h el o g i c a lc o n t r o ls y s t e mo fl a s e rp r i n t e r , w h o s ec o r ei st h ef p g a c h i p ，i so n eo f t h ei m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o n so ft h ef u t u r ep r i n t e rc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ei n - d e p t hr e s e a r c ho ft h el a s e rp r i n t e rc o n t r o ls y s t e m ，t h i st h e s i s c o m b i n e sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ff p g at or a t i o n a l l yd e s i g na n do p t i m i z et h e m o d u l e so ft h es y s t e ma n dt h e ni m p l e m e n t st h eh i g h s p e e dl a s e rp r i n t e rl o g i c a lc o n t r o l s y s t e mw h i c hi sf o u n d e do nf p g a t h i st h e s i sc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gp a a s ： 1 a f t e rs t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h ec u r r e n td e v e l o p i n gs i t u a t i o no fl a s e rp r i n t e r s b o t hd o m e s t i c a l l ya n di n t e r n a t i o n a l l y , t h el o g i c a lc o n t r o ls y s t e mm o d e lo ft h e h i g h s p e e dl a s e rp r i n t e rb a s e d o nt h ef p g at e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d 2 a i m e da t i m p r o v i n gt h ep r i n t i n gs p e e do ft h ep r i n t e rs y s t e ma sw e l l a s i n c r e a s i n gt h es y s t e mi n t e g r a t i o na n ds y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h eh i g h - s p e e dl a s e r p r i n t e rl o g i c a lc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e du s i n g t h ec h i p e p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8o ff p g aa sd e v e l o p i n gd e v i c e 3 f o l l o w i n gt h es t u d ya n da n a l y s i so fs d r a m ，t h es d r a mr e a da n dw r i t e c o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d 4 t h ee n g _ l l cm o d u l eb a s e do nt h ei i cp r o t o c o lh a sb e e np r o p o s e da f t e rt h e s t u d ya n da n a l y s i so f t h ei i cb u st e c h n o l o g y 5 b yu s i n gt h ev e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g et od e v e l o pu n d e rt h e q u a r t u s1 16 0s o f t w a r ep l a t f o r m ，s i m u l a t i o na n dd e b u gh a sb e e nm a d et ot e s t t h el o g i c a lc o n t r o ls y s t e m t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h el a s e rp r i n t e r l o g i c a lc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r eh a v eb e e nc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y t h el a s e rp r i n t e rl o g i c a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c ht h i st h e s i sd e s i g n s ，h a sp e r f o r m e d t h ep r i n t i n gt e s tu n d e rt h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m t h ec o l o rp r i n t i n gs p e e dr e a c h e s 4 0p a p e r sp e rm i n u t e ，w h i c hv a l i d a t e st h ep l a n n i n gt a r g e to ff a s t - s p e e dp r i n t i n gi nt h e h a r d w a r e i ta l s op r o v i d e san e ws o l u t i o nt ot h eh i g h - s p e e dl a s e rp r i n t e rl o g i c a lc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：l a s e r p r i n t e r ；f p g a ；v e r i l o g c i a s s n o ：t p 3 3 4 8 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j f ：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，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：炙缸签字眦如年7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，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) 学位论文储繇羡z - 皱 签字日期：沙7 年7 月日 | 导师签名：冱妒咖 签字日期：易护歹年7 月日 致谢 本论文是在导师侯建军教授的精心指导下完成的，从论文的选题到最后的定 稿都凝聚着侯老师的心血。在整个论文完成过程中，侯老师渊博的知识、严谨的 治学态度和谆谆教诲给我留下了深刻的印象。在两年的研究生生涯中，让我充分 领略了侯老师勤恳的敬业精神、高尚品德、宽广的胸怀，这一切都将使我终牛受 益。借此机会，向导师侯建军教授两年来对我学术上的栽培和生活上的关照表示 深深的感谢! 在论文的完成过程中，得到了陈后金教授、马庆龙老师、李赵红老师、宋伟 师兄和实验室其他师兄弟以及朝夕相处的同学们的帮助，在此表示感谢! 在我就读硕士研究生的两年时间里，始终得到了我的家人和亲戚朋友的大力 支持以及好友的热情帮助，使我能够安心于学业。在此，特向他们表示诚挚的感 谢! 衷心感谢所有帮助和关心我的人! 吴琼 2 0 0 9 年5 月 1 绪论 1 1激光打印机技术背景及研究意义 一般办公领域的打印机分为喷墨打印机和激光打印机两大类。喷墨打印有着 出色的打印效果、良好的兼容性和灵活的纸张处理能力等优点，牢牢占据着广大中 低端市场。如同其它的l t 产品一样，喷墨打印机从它诞生的那一刻开始就快速发 展，产品不停地更新换代，新技术层出不穷，其打印分辨率从1 8 0 d p i ( d o tp e ri n c h ， 打印分辨率) 、3 6 0 d p i 到4 8 0 0 d p i ；从黑白到彩色，从3 、4 色到6 、7 、8 色，甚至 9 色：墨滴体积由以往的3 0 微微升( 1 0 。2 l ) 、1 5 微微升变成现在的4 微微升、2 微微升、l 微微升，基本到了人眼无法分辨的状态。喷墨打印机使用墨水直接喷射 到介质上形成文字图形，润滑精细的墨滴经过喷头高温加热后，能够很好地粘附 在介质表面。尤其足在彩色打印方面的扩展能力和廉价解决方案，使其在近几年来 一直成功地阻击着彩色激光的普及，使得目前市场上维持着喷墨打印和激光打印 相持的局面。在色彩的控制方面，喷墨式打印也十分有优势。一般的打印机使用的 四种以上的颜色搭配，经过数据计算合成后能够表现出几十、几百万种的子颜色， 可以说喷打在色彩表现力方面是十分强的。特别是这几年才出现的“恒彩”墨水，配 合专用相片纸的话，能够打印出非常逼真艳丽的相片，而且可保存几十年不褪色。 但是，喷墨打印机有打印速度慢，打印成本相对较高及打印负荷差等缺点i 。 自1 9 7 1 年11 月世界上第一台激光打印机诞牛，标志着打印和印刷领域一个 划时代的开始。最初激光打印机的体积庞大，噪声大，预热需要很长时间而且打印 的质量也不尽如人意，随着半导体激光器的发展、微控制希i 激光打印机生产技术的 日益成熟，成本不断降低，到了上个世纪9 0 年代，激光打印机生产和销售额突飞 猛进，开始走向普及。而近一两年来，随着打印机市场的细分，黑白激光打印机开 始在市场上占有一定重要的份额，带动了激光打印技术在这一领域的普及。由于具 有技术上领先带来的优势，激光打印的应用越来越广泛，近年来在打印机市场的 发展势头强劲。但是，彩色激光打印机的打印速度相对较低：低端黑白打印机的 p p m 平均值为1 6 左右，高端的在3 0 左右；低端的彩色打印机的p p m 在8 左右， 高端的在2 3 左右1 2 - 7 1 。而提高激光打印机的打印速度成为了当前高端激光打印机的 一个发展趋势。 1 2激光打印机国内外研究现状 现在市场上流行的产品大部分是国外的公司生产的，如佳能、富士施乐、惠 普及三星等大公司。这些公司在激光打印机方面的研发较为迅速，产品功能方面 比较全，产品线从中低端一直覆盖到高端，不断满足客户的需求。一般来说，中低 端产品大部分只能够黑白打印，有些虽然能够完成彩色打印的，但打印速度也不 尽如人意的，有些彩色打印速度只有8 p p m 。高端产品彩色打印速度相对提高很多， 其彩色打印速度最高可以达到3 5 p p m ，黑白的能够达到4 5 p p m ，如富士施乐p h a s e r 7 7 6 0 g x 激光打印机，但是其价格相对较高【8 州。 。 国内只有联想、方正等少数生产厂商，产品相对比较少，大部分产品都处在 在中低端，只有少数几款高端产品。相对高端的产品如联想c 8 2 0 0 n 1 1 0 】黑白打印速 度是1 6 p p m ，彩色打印速度是1 2 p p m 。 目前，嵌入式技术正在蓬勃发展，以f p g a 器件进行逻辑控制也成为了本领 域的一个研究热点。f p g a 具有高速并行传输处理数据的能力，且具有可重构性， 开发周期短和成本较低等特点，能够有效地降低硬件设计复杂度。以f p g a 芯片 为核心的激光打印机逻辑控制系统也逐渐成为了打印机数控系统的主流系统。 对于在系统中作为数据的存储设备通常有：先进先出存储器( f l f o ) 、双口 r a m 及静态r a m 等，但是这些存储器的容量都比较小，不能满足高速数据的存 储需求。目前市场上的存储器s d r a m 具有工作频率高、容量大、功耗低、成本 低等特点，完全适合高速激光打印机的数据缓存。但是s d r a m 控制- f 分复杂， 需要定时刷新，成为系统设计的一个技术难点。 1 3本课题的主要工作 由于高速激光打印机系统的开发量很人，主要由m c u 及f p g a 两个部分构成， 本论文主要工作是f p g a 的逻辑控制，不涉及m c u 部分。使用v e r i l o g 语言实现 了各个模块功能的逻辑控制。本系统的时钟为4 0 m h z ，最终实现了高速激光打印 机，其彩色打印最高速度达到4 0 p p m ，黑白打印最高速度达到5 0 p p m 。 主要工作包括以下几个方而： 1 通过查阅资料，了解并分析了激光打印机的基本现状。总结了现在流行的嵌 入式技术，研究了高速激光打印机的实现方案。 2 详细设计和规划了高速激光打印机的方案模型。 3 理解了i i c 协议并在此基础上设计和实现了e n gi i c 通讯协议。 4 理解及掌握a l t e r a 公司的c l y o n ei i 系列f p g a 及开发环境q u a r t u si i6 0 。 5 以三星s d r a m 内存芯片k 4 s 5 6 0 8 3 2 为例，对s d r a m 的基奉构造，工作 原理进行了深入的研究，掌握了其工作流程及控制时序，最终实现s d r a m 的读 2 写控制器。 6 实现了系统v i d e o 模块数据仲裁机制和四色面数据的发送；h m i 模块的接 收数据机缓存逻辑；及m c u 模块的接口部分的设计。 7 在软件及硬件上分别进行了仿真机测试，实现了整个系统。 1 4 本文组织结构 本文共分为五章，主要内容分别阐述如下： 第一章，引言。介绍了课题研究的技术背景、研究意义和国内外的研究动态， 对论文的主要工作进行了简单的阐述。 第二章，激光打印机系统中可编程逻辑器件选取及开发。本章研究了现今流 行的可编程逻辑器件和开发平台，结合系统对开发平台做了详细的分析及选取。 第三章，激光打印机系统的总体设计。本章详细分析了打印机系统的总体需 求及设计任务，建立了打印机系统模型，规划了系统各功能模块。 第四章，系统功能的逻辑实现。本章对系统各功能模块的软件实现做了详细 的分析。 第五章，总结与展望。对论文进行了总结并提出了展望。 ， 2 激光打印机系统可编程逻辑器件的选取及开发 2 1可编程逻辑器件 可编程器件( p l d ) 经历了比较长的发展过程，它一直在数字硬件电路设计中 扮演着重要的角色。第一个得到广泛应用的可编程芯片是可编程只读存储器 ( p r o m ) ，以后逐渐发展到可擦除编程只读存储器( e p r o m ) ，电可擦除编程只 读存储器( e e p r o m ) 。可编程器件的原理是：任何组合逻辑电路都可以最终化简 成与、非、加、或的形式。基于此早期的p l d 器件主要形式为a d d 阵列后接o r 阵列，中间的连接通过可编程点进行选择，以乘积和的形式实现所有的任意逻辑 功能，输出部分再接存储原件构成时序电路。早期的p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a y l o g i c ) ，其结构为可编程的a d d 平面跟一个固定的o r 平面，输出再经过一些触 发器。还有p l a ( p r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ) ，其a d d 与o r 平面都是可编程的， 其它大致相同。这些可编程逻辑器件在早期的小规模数字电路设计时显示出了较 人的优点，这些优点可以说是可编程逻辑本身的一些基本特点，最突出的优点为 一块片子能完成不同的逻辑功能，且延时模型简单固定，布局布线基本不用使用 者考虑，输入输出也较同定。它们主要用于一些基本的数字逻辑电路，如译码器、 编码器、计数器和多路器等，适合完成输入信号较多但功能较简单的数字电路。 但缺点也较明显：规模较小，等效门数在千门左右，完成复杂逻辑时需要设计人 员将表达式化为与或式，不利于大规模的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 ，电子 设计自动化) 设计。后来又出现了一种g a l ( g a t ea r r a yl o g i c ) 器件，它在结构上有 了新的变化，出现了宏单元的概念，输入的信号仍然要经过一个可编程的与阵列， 通过编程连到宏单元内部固定的或阵列，或阵列输出再送入相应的后级选择电路 从而输出到片外，而宏单元内部结构与现代c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 的输出宏单元、f p g a 中l o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 结构很相似。f p g a 的出现，则是大规模町编程逻辑器件发展的又一大进步。f p g a 拥有完全崭新的一种硬件体系结构，硬件资源更丰富，灵活性更大，设计更灵活。 1 9 8 5 年x i l i n x 公司最先推出了第一块f p g a 产品芯片，其f p g a 产品芯片 十几年来一直居于领先地位。从此各种各样的f p g a 芯片相继问世，影响较大的 厂家有：x i l i n x ，a l t e r a 等。经过十几年的发展，f p g a 的硬件体系结构和软件 开发工具都在不断的完善，且日趋成熟，发展到今天可以说f p g a 是微电子技术， 电路技术和e d a 设计技术的完美结合，设计者的主要精力只需放在电路设计所完 4 成的功能本身上，而不必在一些基本逻辑模块产生上耗费时间。随着f p g a 硬件 体系结构的不断完善，配套的e d a 开发工具的不断发展，可以毫4 i 夸张的说，现 代数字系统设计只局限于设计者的想象力和创造力y l l 。 2 2f p g a 芯片的选取 c y c l o n ei i 在2 0 0 5 推向市场，其优异的性能及较低的价格迅速的占领了中低 端f p g a 市场。c y c l o n ei i 系列器件是a l t e r a 低成本c y c l o n e 系列的第二代产品， c y c l o n ei if p g a 的成本比第一代c y c l o n e 器件低3 0 ，逻辑容量大3 倍多。 c y c l o n ei i 器件采用t s m c 经验证的9 0 r i m 低k 绝缘材料工艺技术，是业界成木最 低的f p g a 。 c y c l o n ei i 器件容量有4 6 0 8 6 8 4 1 6 个逻辑单元，还具有新的增强特性，包括 多达1 i m b i t 的嵌入存储器、多达1 5 0 个嵌入1 8 1 8 乘法器、锁相环、支持外部 存储器接口及差分和单端i o 标准。 c y c l o n ei i 系列提供了一种灵活的、无风险的，且没有前期一次性工程费用和 最小定货景的开发方式。c y c l o n ei i 器件除了具有其它任何f p g a 无可匹敌的成本 结构之外，还具有先进的特性，如用于高性能数字信号处理应用的嵌入式1 8 1 8 乘法器和支持如d d r 2 ( 高达3 3 4 m b p s ) 和q d r i i ( 高达6 8 8 m b p s ) 的存储器接 口。 c y c l o n ei i 器件系列是多种不同市场上大批量应用最优的低成奉方案，包括消 费电子、电信和无线、计算机外设、工业和汽车。c y c l o n ei i 器件包含了许多新的 增强特性，如嵌入存储器、嵌入乘法器、p l l 和低成本的封装，这些都为诸如视 频显示、数字电视、机顶盒、d v d 播放器、d s l 调制解调器、家用网关和中低端 路由器等批量应用进行了优化。其系列的管脚数目及主要的特性见下表2 1 f 1 2 】。 表2 - 1c y c l o n ei i 系列器件特性表 t a b l e2 - ic y c l o n ei is e r i e sd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s 根据系统的需求，兼顾价格及可升级的考虑，高速激光打印机选取e p 2 c 3 5 芯 5 片作为系统的开发芯片。 2 3硬件描述语言 早期的硬件描述语言是以一种高级语言为基础，加上一些特殊的约定而产生 的，目的是为了实现r t l 级仿真，用以验证设计的正确性，而不必像在传统的手 工设计过程中那样，必须等到完成样机后才能进行实测和调试。v e r i l o gh d l 是在 用途最广泛的c 语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，它最初是于1 9 8 3 年 由g a t e w a yd e s i g na u t o m a t i o n 公司为其模拟器产品开发的硬件建模语言。那时它 只是一种专用语言。由于模拟、仿真器产品的广泛使用，v e r i l o gh d l 作为一种便 于使用且实用的语言逐渐为众多设计者接受，于1 9 9 0 年推向公众领域。o p e n v e r i l o gi t e r n a t i o n a l ( o v l ) 作为促进v e r i l o gh d l 发展的国际性组织，于1 9 9 2 年开始 推广v e r i l o go v l 标准成为i e e e 标准，这一努力最后获得成功。v e r i l o gh d l 语言 于1 9 9 5 年成为i e e e 标准，称为i e e e l 3 6 4 - - 1 9 9 5 。完整的标准在v e r i l o gh d l 硬 件描述语言参考手册中有详细描述。下面列出的是v e r i l o gh d l 硬件描述言语的一 些主要特点： 1 能形式化地表示电路的结构和行为。 2 借用高级语言的结构和语句，例如条件语句、赋值语句和循环语句等，在 v e f i l o gh d l 中都可以使用，即简化了电路的描述，又方便了设计人员的学习和使 用。 3 能够在多个层次上对所设计的系统加以描述，从开关级、门级、寄存器级 ( i 汀l ) 到功能级和系统级，都可以描述。设计的规模可以是任意的，语言不对设 计的规模施加任何限制。 4 v e r i l o gh d l 具有混合建模能力，即在一个设计中各个模块可以在不同设计 层次上建模和描述。 5 基本逻辑门，例如a n d 、o r 和n a n d 等都内置在语言中：开关级结构模型， 例如p m o s 和a m o s 等也被内置在语言中，用户可以直接调用。 6 用户定义原语( u d p ) 创建的灵活性。用户定义的原语既可以是组合逻辑原 语，也可以是时序逻辑原语。v e r i l o gh d l 还具有内置逻辑函数。 v e r i l o gh d l 语言最大的特点就是易学易用，通过学习和使用，可以在短时间 内掌握该语言。另外该语言的功能强，可以满足各个层次设计人员的需求，从高 层的系统描述到底层的版图设计，都能很好地支持。由于v e r i l o gh d l 巨大的优越 性，使得它广泛流行，尤其是在a s i c 设计领域，更是处于主流地位。在美国，日 本等国家，v e f i l o gh d l 语言也一直是使用最为广泛的硬件描述语言，其使用人数 6 大大超过其他语言的使用人数。在国内，v e r i l o gh d l 的应用群体也在不断扩大， 越来越多的人使用该语言进行设计和仿真【1 3 】。基于此，本系统的逻辑控制采用 v e r i l o gh d l 为开发语言。 2 4 开发环境选择 q u a r t u si i 软件是a l t e r a 公司研发的用于f p g a 综合开发工具，它集成了a l t e r a 的f p g a c p l d 开发流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口。通过使用综合开 发工具，设计者可以创建，组织和管理自己的设计。 q u a r t u si i 具有以下特点： 1 支持多时钟定时分析。 2 内嵌s i g n a l t a p l l 逻辑分析器，功率估计器等高级工具。 3 易于管脚分配和时序约束。 4 强大的h d l 综合能力。 5 支持的器件种类众多。 6 支持w i n d o w s ，s o l a r i s 和l i n u x 等多种操作系统。 7 拥有第三方工具如综合，仿真等的接ii t l 4 】。 2 5f p g a 设计 一个完整的、典型的e d a 设计流程是自顶向下设计方法的具体实施途径，也 是e d a 工具软件本身的组成结构。其设计流程包括：原理图文本编辑、功能仿真、 综合、布线布局、下载和硬件测试。 图2 1 所示是基于e d a 软件的f p g a 开发流程框图，以下将分别介绍各设计 模块的功能特点1 4 1 。 4 、o t p 器件编程 图2 1f p g a 的开发流程 f i g u r e2 - 1d e v e l o p m e n tp r o c e s so ff p g a 2 5 1图形及文本输入 图形输入通常包括原理图输入、状态图输入和波形图输入等方法。用原理图表 达的输入方法的优点是显而易见的，如设计者进行电了线路设计不需要增加新的 h d l 等的相关知识；设计过程形象直观，使用于初学或者教学演示；对于较小的 电路模型，其结构与实际电路十分接近，设计易于把握电路全局；由于设计方式 接近于底层电路布局，因此易于控制逻辑资源的好用，节省面积。但是随着电路 设计规模的扩大，原理图输入描述方式必然引起一系列难以克服的困难，如电路 功能原理的易读性下降，错误排查困难，整体调整和结构升级困难。显然，原理 图的设计方法明显偏离了电子设计自动化最本质的涵义：在设计中，由于必须直 接面对硬件模块的选用，因此行为模型的建立将无从谈起，从而无法实现真实意 义上的自项向下的设计方案。而硬件描述语言文本输入方式与传统的计算机语言 编辑输入基本一致，就是使用了某种硬件描述语言( h d l ) 的电路设计文本，如 v h d l 或v e r i l o g 的源程序，进行了编辑输入。本课题中，采用了v e r i l o g 语言进行 文本输入方式进行设计工作。 2 5 2h d l 综合 一般地，综合是仅对应于h d l 而言的。利用h d l 综合器对设计进行综合是十 分重要的一步，因为综合过程是将软件设计的h d l 描述与硬件结构挂钩，是将软 件转化为硬件电路的关键步骤，是文宁描述与硬件实现的一座桥梁。综合就是将 电路的高级语言( 如行为描述) 转换成为低级的，可与f p g a c p l d 的基本结构相 映射的网表文件或者程序。 2 5 3布局布线( 适配) 适配器也称结构综合器，功能是将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标 器件中，使之产生最终的下载文件，如j e d e c 、j a m 格式的文件。通常，e d a 软 件中的综合器可由专业的第三方e d a 公司提供，而适配器则需要由f p g a 供应商 提供。在本课题中，使用的是a l t e r a 公司提供的q u a r t u si i6 0 自带的适配器。 2 5 4 仿真 在编程下载前必须利用e d a 工具对适配生成的结果进行模拟测试，就是所谓 的仿真，仿真就是让计算机根据一定的算法和一定的仿真库对e d a 设计进行模拟， 以验证设计，排除错误。 2 5 5下载及硬件调试 把适配后生成的下载或配置文件，通过编程器或电缆线对f p g a 进行下载，以 便进行硬件调试和验证( h a r d w a r ed e b u g g i n g ) 。 9 3 激光打印机系统总体设计 本章分析了打印机系统的总体需求及设计任务，建立了打印机系统模型，规 划了系统各功能模块，对系统逻辑时钟进行了相应的设计。 3 1系统总体需求 本节对激光打印机的黑白及彩色打印做了比较分析，详细介绍了激光打印的 打印流程，提出了系统逻辑功能需求。 3 1 1黑白打印与彩色打印 激光打印机脱胎于八十年代末的激光照排技术，流行于九十年代中期。它是将 激光扫描技术和电子照相技术相结合的打印输出设备。其基本工作原理是由计算 机传来的二进制数据信息，通过视频控制器转换成视频信号，再由视频接u 控制 系统把视频信号转换为激光驱动信号，然后由激光扫描系统产生载有字符信息的 激光束，最后由电子照相系统使激光束成像并转印到纸上。 激光打印机内部有一个叫光敏旋转的硒鼓的关键部件，当激光照到光敏旋转硒 鼓上时，被照到的感光区域可产生静电，能吸起碳粉等细小的物质。激光打印机 的t 作步骤如下： 1 打印机以一定的方式驱动激光扫射光敏旋转硒鼓，硒鼓旋转一周，对应打印 机打印一行； 2 硒鼓通过静电作用，将碳粉吸附剑感光区域上： 3 硒鼓转到与打印纸接触，将碳粉附在纸上； 4 利用加热部件使碳粉熔固在打印纸上面。 彩色激光打印机的基本结构与黑白激光打e p j o l 相同，在打印控制器、接口、控 制方式和控制语言方而完全相同，凶此在数据传输、数据解释和打印控制流程方 面也基本一样。 在打印控制器方面，由于打印内容中包含了色彩信息，同样打印一页内容，计 算机在彩色激光打印机上打印生成的数据要比黑白激光打印机的大很多，这就对 打印控制器的性能提出了更高的要求，因此一般彩色激光打印机的打印控制器内 部处理器的速度要比黑白激光打印机高，而配置内存也要比黑白激光打印机大。 彩色激光打印机与黑白激光打印机最大的区别是在引擎结构上，彩色激光打印 1 0 机采用了c ( c y a n ，蓝色) 、m ( m a g e n t a ，品红) 、y ( y e l l o w ，黄色) 和k ( b l a c k ， 黑色) 4 色碳粉来实现全彩色打印，因此一页彩色内容中的彩色要经过c m y k 调 和实现，一页内容的打印要经过c m y k 的4 色碳粉各1 次打印过程。 从理论上讲，彩色激光打印机要有4 套与黑白激光打印机完全相同的机构来实 现彩色打印过程。为了精简机构和节省成本，目前彩色激光打印机在结构上大都 采用了4 色碳粉盒分离，其他的如走纸机构、感光鼓、定影单元等4 色共用l 套 系统。因此在打印过程中，打印纸要在引擎中走4 个完全相同的流程，只是在4 个流程中分别实现一种颜色碳粉的转印，这也是目前人多数彩色激光打印机的彩 色打印速度一般是黑白打印速度的四分之一的一个重要原吲巧。s j 。 3 1 2打印过程分析 对需要的打印来说，打印的过程是按照一行一行来打印，而打印在纸张的位置 和大小是由以下四个参数：上边距、左边距、打印行数和打印宽度确定的。 首先确定上边距，上边距是指图像到纸张上端的空白部分大小。确定了上边距 就确定了开始打印的起始位置。随后，确定开始打印行的左边距，左边距是指打 印行图像距离纸张左端的空白距离。有了上边距和左边距两个参数，第一行图像 就确定好了，同时打印宽度参数确定该行图像的宽度。从第二行图像开始，只需 要确定左边距和打印宽度便可确定该行。对于要确定打印的k 度是由打印行数来 确定。在上边距、左边距、打印行数和打印宽度确定，一页的打印图像就确定了 大小及位置。打印的走纸方向和打印的扫描方向如图3 1 所示。 f a s ts c a n - - - d o t l i n e o l i n e l l i n e 2 l i n e m s h e e tw i d t h 图3 1 打印示意图 f i g u r e3 - 1p r i md i a g r a m 3 1 3系统逻辑功能需求 整个系统是由m c u 、主机、f p g a 及机芯构成，在本文主要工作是基于f p g a 逻辑控制部分，在这里主要分析f p g a 在该系统巾的功能需求。 f p g a 做为m c u 的协处理器，要接受来自m c u 器件的配置命令，并要求返 回f p g a 响应的参数值。在数据接收和发送的时候，在m c u 的协助下将打印数据 缓存到s d r a m 器件中或者是将s d r a m 器件中的数据高速的发送给机：卷。 在系统中，f p g a 是打印数据处理的核心处理器，要接收来自主机的打印数据。 该部分就是要按照数据传输协议正确接收来自主机的数据并进行相应的处理。 系统控制核心设备机芯的操作也是由f p g a 完成，这时，f p g a 要完成对机芯 的配置，及接收到机芯返回的参数值，并将该值发送至m c u 。在完成配置后，在 m c u 的协助下，f p g a 按照机芯的要求高速并行的发送打印数据。 1 2 命搿陌弓 3 2f p g a 工作时钟处理 在该系统中，逻辑控制部分用到了多个时钟。其中，f p g a 的工作时钟为 4 0 m h z ，另外两个时钟分别为6 0 m h z 及1 2 0 m h z 。 6 0 m h z 时钟的作用如下： 1 提供机芯的时钟。 2 f p g a 处理打印数据时钟。 1 2 0 m h z 时钟是只用于s d r a m 的读写操作。 工作时钟为4 0 m h z ，由外部的晶振直接提供，而6 0 m h z 和1 2 0 m h z 时钟是 由f p g a 内部产生的。使用了f p g a 内部自带的两个p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ， 锁相环) 技术来生成这两个时钟。本系统的芯片的e p 2 c 3 5 系列共有4 个p l l 模 块，完全能够满足本系统时钟的使用。 3 3f p g a 整体设计 根据上面对整个系统的功能及需求的分析，规划设计了基于f p g a 的系统方案 模型。系统的结构示意图如图3 2 所示。 从图中可以看出，f p g a 分别与m c u 、主机、机芯及s d r a m 相连接。f p g a 与m c u 的部分设计了一个m c u 模块，该模块主要用于接收来自m c u 的命令及 返回自身状态。而与主机相连接的部分主要是接收来自主机的打印数据，在此处 设计了一个h m i 模块，该模块按照协议接收并解析数据。同样，控制s d r a m 部 分设计了一个s d r a m 模块，该模块主要功能是对s d r a m 器件的读取控制。 h m ii i c 图3 2 系统模块划分结构图 f i g u r e3 - 2m o d u l ed i v i s i o ns t r u c t u r eo fs y s t e m 3 4f p g a 各模块设计 上节简单地对整个系统的进行了分析，这节对逻辑控制系统进行子模块的划分 及各个子模块的方案进行分析。 对于f p g a 来说，主要有四个方面的工作： 1 与m c u 问的通信； 2 与主机的通信； 3 s d r a m 操作； 4 与机芯的通信。 在本设计中，系统将设计六个予模块，如图3 3 所示，依次是：e n gi i c 模块、 h m ii i c 模块、v i d e o 模块、s d r a m 模块、m c u 模块及h m i 模块。 1 4 3 4 1i i c 协议 图3 3f p g a 设计详细框图 f i g u r e3 - 3d e t a i l e dd i a g r a mo f t h ed e s i g n i i c 协议是p h i l i p s 公司于八十年代初提出的，由一根串行数据线( s d a ) 矛i i - - 根 串行时钟线( s c l ) 组成。i i c 标准模式时总线传输速率最高为1 0 0 k b s ；快速模式时， 总线传输速率最高为4 0 0 k b s ，高速模式最高为3 4 m k w s i l 9 。2 3 1 。 i i c 总线可构成多主和多从系统。在多主系统结构中，系统通过硬件或软件仲裁 获得总线控制权。在应用系统中，i i c 总线多采用主从结构。i i c 总线上的设备寻址 由器件地址接线决定，与总线相连的每个器件都对应一个特定的地址，采用软件寻 址方式。并且可通过访问地址最低位来摔制读写方向。如图3 4 所示，i i c 总线上 发送数据的操作过程如下： l 启动s t a r t 信号：在s c l 时钟线为高时，s d a 数据由高变低； 2 在i i c 信号启动后，按位发送数据，在s c l 为高时，s d a 电甲是不允许变 化的； 3 、在发送数据完成，停止i i c ：在s c l 时钟线为高时，s d a 数据由低变高。 吼 厂 厂 二二二：厂 厂 3 4 2 e n g i i c 模块 图3 - 4i i c 协议 f i g u r e3 - 4i i cp r o t o c o l 该模块主要的工作是与机芯间的通信。系统利用该模块将打印数据发送给机 芯。采用了e n g i i c 协议作为其数据传输的方式。e n g 1 i c 协议是使用主动应答和 重新发送数据包的数据链路协议，e n g i i c 模块主要负责数据链路层和物理层。 e n g i i c 协议由数据链路层和物理层两层，因此设计的e n g i i c 模块构成图如图3 _ 4 所示，箭头表示各模块之间的连接关系。 e n g 模块主要由三个子模块构成： 、。_iici n i ti i cd i ii i ci i c i n i ti i c 子模块主要功能是初始化i i c 建立设备的同步。 d i ii i c 模块主要是数据链路层，设计数据发送方式。 i i c 模块主要是物理层的实现，数据按i i c 协议发送。 1 6 d l l 数据链路层 一- d l l