（计算机应用技术专业论文）基于sopc的硬件在回路仿真器的开发.pdf

重庆邮电大学硕士摘要 摘要 车辆防抱死制动系统a b s ( a n t i 1 0 c kb r a k es y s t e m ) 是在传统的制动系统的基础上 采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种机电体化系统。作为汽车制动安 全系统的重要组成部分，随着人们对乘车安全意识的增强以及国家相关法规的制定， a b s 目前在各种车辆上都得到广泛的应用。一般而言，现在由于汽车控制系统所完 成工作的日渐复杂性，对其进行全面综合的测试，特别是在故障情况和极限条件下测 试就显得尤为重要。传统方式在测试a b s 电控单元( e ( ) 时，要用真实的汽车去 试车，代价昂贵也易受到环境的限制，并且很难去做某些极限测试。 基于上述问题，课题小组共同开发了a b s 仿真平台。本文主要介绍其中硬件在 回路仿真器的开发。硬件在回路仿真器通过采用基于s o p c ( s y s t e mo i lap r o g r a m m a b l e c h i p ) 的软硬件协同开发技术完成。a b s 仿真平台通过硬件在回路仿真器实现了硬件 在回路仿真的功能。在硬件在回路仿真器内运行车辆动力学模型，通过接收e c u 的 控制指令对刹车状态下车辆的动作特性进行仿真，从而达到对控制系统进行测试的目 的。本文介绍了a b s 控制系统的相关概念，及国内外汽车领域的“v 模式”开发流 程，着重介绍了其中硬件在回路仿真的概念以及当前国内外的研究现状；介绍了 s o p c 以及f p g a 技术的原理；具体分析了a b s 硬件在回路仿真平台的系统功能， 并具体针对其中硬件在回路仿真器的功能以及实现原理进行了详细阐述，在此基础上 详细介绍了硬件在回路仿真器所使用到的关键技术及难点解决方案；并给出了硬件在 回路仿真器的片上系统的设计、外围硬件电路的设计、汽车动力学模型的移植以及底 层各个软件模块设计；最后介绍了整个a b s 仿真平台的仿真效果，并对仿真结果进 行了说明。 硬件在回路仿真器采用了a 1 t e r a 公司推出的软核处理器n i o si i 作为主控制器， 它是一款较新的软核处理器，文中对n i o si i 处理器以及它使用的a v a l o n 总线也做了 相关介绍。 本文所介绍的硬件在回路仿真器，各项功能基本实现，性能也基本达到要求， 通过了测试，效果比较理想。 关键词：硬件在回路仿真，可编程片上系统，防抱死制动系统，现场可编程门阵列 重庆邮电大学硕士 a b s t r a c t a n t i l o e kb r a k i n gs y s t e m - a b s ( a n t i - l o c kb r a k es y s t e m ) i sam e c h a n i c a la n d e l e c t r o n i cs y s t e m i ti sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es a f es y s t e mt h a ti sa p p l i e df o rt h e a u t o m o b i l ea n t i l o e kb r a k e i ta d o p t se l e e t r e - e o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e d0 1 1t h ew a d i t i o n a l b r a k es y s t e m a tt h ep r e s e n tt i m e ，i th a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yo nm o r ea n dm o r et r u c k s w i t ht h eb o o s tu po f t h ep e o p l e ss a f e t yw i l la n dt h ec o n c e r n e dl a w i ng e n e r a l l y b o y , a u s e o ft h em o r ea n dm o l ec o m p l e x i t yo ft h ew o r k , w h i c hi sa c 以m l p i i 姒b yt h ev e h i c l e s c o n t r o ls y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt ot a k eac o m p r e h e n s i v et e s t , e s p e c i a l l yt h et e s to nt h e m a r g i nc o n d i t i o na n dt h ef a i l u r e t e s t t h et r a d i t i o n a lf a s h i o ni se x p e n s i v e , b e c a u s eo f u s i n ga l la c t u a lc a l - t ot a k et e s t a tt h es a n l et i m e ，t h et r a d i t i o n a lf a s h i o ni sa l s oh a r dt o t a k eam a r g i nc o n d i t i o n b e c a u s eo f t h a t , t h eg r o u pd e v e l o p e dt h ea b ss i m u l a t i o np l a t f o r m t h i sa r t i c l e m a i n l yi n t r o d u c e st h eh a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t o rd e v e l o p m e n t i ta d o p t st h et e c h n o l o g y o f s o p c ( s y s t e mo n ap r o g r a m m a b l 9c h i p ) a n dt h ea c t u a lv e h i c l em a t hm o d e l i ti su s e d t ot e s tt h ea r i t h m e t i co fe c u i tr e c e i v e st h ed a t af r o mt h ee c u r 眦st h ea c t u a lv e h i c l e m a t hm o d e la n dt h e ns e n d sd a t ap r o c e s s e dt ot h ep cw i t ht h ep c ii n t e r f a c e i nt h i sw a y , i t c o n s u l n e sl e s sa c t i v i t ya n dt i m e i ta l s oc o u l dt e s te c uo nt h em a r g i nc o n d i t i o n t h e p a p e r sm a i nc o n t e x ti n t r o d u c e st h ea b si n t e r r e l a t e dc o n c e p t s ，vp a t t e r n d e v e l o p m e n t p r o c e s sa n dt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ；p r o v i d e st h ef u n c t i o no f a l l t h ea b s h a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t i o ns y s t e ma n da n a l y s e st h ef u n c t i o na n dt h et h e o r yo f t h eh i l s ( h a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t i o n ) i nd e t a i l o nt h eb a s eo ft h a tw ei n t r o d u c et h e k e yt e c h n o l o g ya n dt h es o l u t i o nf o rt h ed i f f i c u l t yu s e do nt h eh i l si nap a r t i c u l a rw a y ； i n u o d u c e st h eh a r d w a r ea n dt h es o p cd e s i g n , t h ea c t u a lv e h i c l em a t hm o d e l r e p l a n ta n d t h es o f t w a r ed e s i g ni na p a r t i c u l a rw a y ；p r o v i d e st h ew h o l es i m u l a t i o nr e s u l t , a n dg i v e sa d e t a i l e d e x p l a n a t i o n t h en i o si ip r o c e s s o ri sa d o p t e d , t h ea r t i c l ea l s op r o v i d et h e c o n c e r n e d p r e s e n t a t i o n f o r t h e n i o s p r o c e s s o r a n d t h e a v a l o n b u s h a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t o ri n t r o d u c e di nt h ep a p e r , i t sb a s i cf u n c t i o n sh a dc o m e t r u e t h ep e r f o r m a n c er e a c h e st h ed e m a n d e do b j e c tb a s i c a l l y , a n di ta l s oh a db e e nt e s t e d k e yw o r d s ：h a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t i o n , s y s t e mo i lap r o g r a m m a b l ec h i p ，a n t i - l o c k b r a k i n gs y s t e m , f p g a n 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，也不包含为获得重庞 噬电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料a 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：勺茁乡签字隅研年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废壑虫盔堂有关保留、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。本人授权重庭鲣壹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) 学位论文作者躲匀髟导师繇z 午 签字同期： 年5 月7 日签字吼m 年6 月7 日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 作为世界上最重要的交通工具之一。汽车有其不可替代的地位，而汽车运输 的安全性、经济性和舒适性是人们所关注的焦点。汽车的制动性能是表征汽车行 驶安全性的一个主要指标l l j 。随着汽车拥有量和汽车平均行驶速度的不断提高， 交通事故给人们带来的危害日益严重，研究和改善汽车的制动性能成为汽车设计 与开发部门的重要课题。 车辆防抱死制动系统a b s ( a n f i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 是在传统的制动系统的 基础上采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种机电一体化系统【2 l 。作 为汽车制动安全系统的重要组成部分，目前在轿车，大客车和重型货车得到广泛 的应用。是汽车生产厂商竞争市场份额的一个重要筹码。 国外从7 0 年代就开始开发a b s 产品，致力于在汽车制动时避免车轮过早抱 死。8 0 年代随着电子技术的不断发展，a b s 不断改进完善并得以广泛应用。目前， 西方发达国家己广泛采用a b s ，而且己成为汽车的必要装备【3 】。现今国内的a b s 制造厂商开发一款适合于某一种车型的a b s 周期是半年左右，而前期的匹配时间 就占到了三至四个月，匹配时间长、成本高，而且试车时还存在很大的风险；另 外，当产品型控制器生产出来后，测试工程师也面临一个严峻的问题，由于并行 工程的需求，控制对象可能还处于研制阶段，或者控制对象很难得到；当新型控 制系统设计结束，并已制成产品型控制器，需要在闭环下对其进行详细测试，但 由于种种原因如：极限测试、失效测试，或在真实环境中测试费用较昂贵等，使 测试难以进行。例如：在积雪覆盖的路面上进行汽车防抱死装置( a b s ) 控制器 的测试就只能在冬季有雪的天气进行；有时为了缩短开发周期，甚至希望在控制 器运行在环境不存在的情况下如：控制对象与控制器并行开发，对其进行测试。 并且车辆控制系统参数的相互影响，车辆工作状态的频繁变化，传感器与执行器 的失效考虑都加大了控制器设计的难度，同时由于软件的复杂性，使得对软件的 测试也越来越困难 采用传统的e c u 开发流程已经难以完成现代控制系统的设计。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 基于v 模式的开发流程 基于上述问题，同时伴随着计算机仿真技术的发展，在生产过程中，利用仿 真检测系统对a b s 部件进行在线检验。通过对车辆与道路等的仿真，模拟道路试 验的状况，指导a b s 产品的设计开发，减少路试的次数，缩短出厂周期，降低产 品费用与实验风险。可以说仿真的方法是a b s 开发生产的有力辅助工具。 目前国外很多著名的汽车开发商普遍采用现代的设计开发流程：“离线功能 设计快速控制原型目标代码生成硬件在回路仿真标定匹配”所构成的“v 模式” 【4 】，如图1 1 所示。 图i 1 v 模式流程国 1 功能设计( f u n c t i o nd e s i g n ) 基于m a t l a b 数值运算环境或第三方软件建立控制对象模型，利用m a t l a b 强大的控制工具箱迅速开发控制算法，在计算机环境下建立起闭环系统( 包括被 控对象和所设计的控制算法) 进行离线仿真，从而验证算法的可靠性。 2 快速控制原型r c p ( r a p i dc o n l r o lp r o t y p i n g ) m a t l a b 中开发的离线控制算法，通常需要将其变成一种实时的应用。如果 按通常的做法制作硬件、设计软件、进行集成，会导致开发时间很长。可以借助 一种快速途径来实现从离线到实时的过程。通过自动代码生成工具将控制算法生 成实时代码直接下载到硬件系统中，生成控制器原型。原型系统能够通过各种i ，o 与真实硬件联调，以研究系统的时间特性，确定i o 采样时间，软硬件终端等因素 对系统的影响，为硬件设计提供参考依据。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 3 目标代码生成( t a r g e tc o d eg e n e r a t i o n ) 如何从原型控制系统向产品型控制器转换仍然是最大的问题。目标代码的实 现仍然是采用既费时又易出错的手工编程方式。随着现代控制器的日益复杂，手 工编程会耗费更多时间。出于对成本的考虑，产品e c u 通常选用较廉价的处理器， 原型机中的代码效率往往不能满足要求，因此需要对代码进一步优化，利用专用 工具如d s p a c et a r g e tl i n l 减者m a t l a br t we m b e d e dc o d c r 等工具可以生成针 对特定处理器芯片的产品级嵌入式代码，其效率相当或者优于手写代码。支持浮点 与定点处理器，并提供与外部代码的接口。 4 硬件在回路仿真h i “h a r d w a i n 1 0 0 ps i m u l a t i o n ) 有了控制系统的初样，并不意味着计算机辅助设计工具就没有用了。相反， 现在由于控制系统所完成功能的日渐复杂性，对其进行全面综合的测试特别是故 障情况和极限条件下测试就显得尤为重要了。但如果用实际的控错i 对象进行测试， 很多情况是无法实现的，抑或要付出高昂代价的，但是如果用计算机辅助设计工 具对控制对象进行实时仿真，就可以进行各种条件下的测试特别是故障和极限条 件下的测试。而这正是传统开发方法所不具备的。 目前在v 模式的目标代码生成阶段，许多控制工程师都把硬件在回路仿真作为 替代真实环境或设备的一种典型方法。在硬件在回路仿真中，实际的控制器和用 来代替真实环境或设备的仿真模型一起组成闭环测试系统，难以建立数学仿真模 型的部件( 如液压系统) 可以保留在闭环中，这样就可以在实验室环境下完成对 e c u 的测试，从而可以大大降低开发费用，缩短开发周期。 5 标定( c a l i b r a t i o n ) e c u 安装在特定车型上时需要对控制参数进行修改，以使控制器的效果最 佳。这个阶段是参数标定阶段。在e c u 程序中大量的控制参数在标定过程中需要 修改，这个过程往往需要进行很多实验。 1 3 国内外的研究现状 在国外，一些公司研制了一些专用的汽车动力学仿真软件，例如d s p a c e l 5 】。 d s p a c e 是德国的一家国际性高科技公司，成立于1 9 8 8 年。d s p a c e 实时仿真系 统是由d s p a c e 公司开发的一套基于m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统开发及测试 的工作平台，实现了和m a t l a b $ i m u l i n k 的完全无缝连接。d s p a c e 实时系统 拥有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、f o 等，还拥有方便易用的实 现代码生成，下载和试验调试的软件环境。这样，在d s p a c e 强大能力的支持下， 可以将他们用控制系统设计软件( 如m a t l a b s i m u l i n k ) 开发的控制算法在一 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 个实时的硬件平台上实现，以便观察与实际的控制对象相连时控制算法的性能： 而且，如果控制算法不理想，还可以很快地进行反复设计，反复试验直到找到理 想的控制方案。另外，当产品型控制器生产出来后，测试工程师由于并行工程的 需求，在控制对象可能还处于研制阶段，或者控制对象很难得到时，可以用 d s p a c e 在早期独立地完成对控制器的测试。 国内方面，一些企业或研究机构也在积极的对汽车动力学的仿真平台迸行探 讨和研究。清华大学的柴占祥等人也对防抱死制动系统做了计算机模拟旧。济南 重型汽车研究所的程军教授等人已经做出了一种基于p c a 8 6 微机的实时硬件闭环 模拟系统【7 j 。 1 4 本文研究内容 a b s 仿真平台由实验室各个科研小组共同开发完成，a b s 控制算法的研究与 改进由应用组完成，代码的编译下载由嵌入式组负责，集成环境开发由i d e 组负 责，硬件在回路仿真器的设计与实现由笔者所在小组负责。 本文研究的是v 模式的第四个阶段，即硬件在回路仿真器的开发。研究内容 主要包含以下几个方面： 1 ) 介绍了汽车电子以及防抱死制动系统的现状以及发展，分析了汽车a b s 生产厂商在实际开发中面临的问题以及国际流行的解决方案。从而说明 了开发平台的应用价值。 2 ) 介绍了f p g a 与s o p c 的相关知识。 3 ) 介绍了硬件在回路仿真器的硬件开发与f p g a 的设计。 4 ) 汽车动力学模型的移植以及汽车硬件在回路仿真器的底层软件开发。 5 ) 介绍了整个仿真平台的测试结果。 1 5 本章小结 本章首先从研究的目的和意义入手，介绍了现代汽车产业v 模式的开发流程 以及硬件在回路仿真在v 模式开发流程中的地位。简要介绍了国内外的研究现状， 最后分析了本论文所要讨论与研究的内容。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章s o p c 技术 2 1f p g a 概述 第二章s o p c 技术 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r m y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在可编程阵列逻辑p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o 百c ) 、门阵列逻辑g a l ( g a t e a r r a yl o g i c ) 、可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 等可编程器件的 基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 领域中的种半定制电路而出现的，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。f p g a 能完成任何数字器件的功 能，上至高性能c p u ，下至简单的7 4 系列电路，都可以用f p g a 来实现。f p g a 如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描 述语言自由设计一个数字系统。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在 p c b 完成以后，还可以利用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。 提高系统的可控性。 2 2 f p g a 的原理 2 2 1 查找表( l o o k - u p t a b l e ) 的原理与结构 典型的p l d 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑 都可以用“与或”表达式来描述。所以，p l d 能以乘积和的形式完成大量的组合 逻辑功能。 基于查找表( l o o k - u p - t a b l e ) 结构的p l d 芯片也可以称之为f p g a ：如a l t e r a 的a c e x , a p e x 系列, x i l i n x 的s p a r t a n , x r t r t c x 系列等 s l 。 查找表( l o o k - u p - t a b l e ) 简称为l u t 。u j t 本质上就是一个r a m 。目前f p o a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l o t 可以看成一个有4 位地址线的r a m 。 当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电路以后，p l d f p g a 开发软件 会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入r a m ，这样，每输 入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容， 重庆邮电大学硕士论文 第二章s o p ( 2 技术 然后输出即可。图2 1 是一个4 输入与门的例子。 实际逻辑电路l u t 的实现方式 b 亡= _ _ r 、 一一 争1 莒p c 亡= 叫 一 d 亡= ) j a , b c , d 输入逻辑输出 地址r a m 中存储的内容 o o o o 0o o o oo 0 0 0 1 o0 0 0 1o 0 o - 1 1 1 1 l 1 1 1 11 图2 1 l u t 的工作原理 其中l e 是f p g a 芯片实现逻辑的最基本结构，每个l e 包括一个l u t ，一 个触发器和相关逻辑。 2 2 2 查找表结构的f p g a 逻辑实现原理 日 c d c l j ( 还是以这个电路的为例： 0 0 , 2 图2 24 输入与门的逻辑电路 a b ，c d 由f p g a 芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到 l o t ，l o t 中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据 然后输出，这样组合逻辑就实现了。该电路中d 触发器是直接利用l o t 后面d 触发器来实现。时钟信号c l k 由i o 脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直 接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与i o 脚相连，把结果输出到芯片管脚。 这样p l d 就完成了图2 2 所示电路的功能。( 以上这些步骤都是由软件自动完成 的，不需要人为干预) 。 这个电路是一个很简单的例子，只需要一个u 玎加上一个触发器就可以完 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章s o p c 技术 成。对于一个u j l r 无法完成的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样 f p g a 就可以实现复杂的逻辑。这里不再赘述。 由于u j l r 主要适合s r a m 工艺生产，所以目前大部分f p g a 都是基于s r a m 工艺的，而s r a m 工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配 置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到f p g a 中，然后f p g a 就可以正常工作，由于配置时问很短，不会影响系统正常工作。也有少数f p g a 采用反熔丝或f l a s h 工艺，对这种f p g a ，就不需要外加专用的配置芯片 2 3s o p c 概述 在二十世纪九十年代末，可编程逻辑器件( p l d ) 的复杂度已经能够在单个 可编程器件内实现整个系统，完整的单芯片系统( s o c ) 概念是指在个芯片中 实现用户定义的系统。在一个s o c 设计中，将涵盖到包括微处理器、d s p 芯片、 存储器件、i o 、控制逻辑、混合信号模块( m i x e d s i g n a lb l o c k s ) 等在内的许多部 分。微电子技术的近期发展成果，为s o c 的实现提供了多神途径。对于经过验证 而又具有批量的系统芯片，可以做成专用集成电路a s i c 而大量生产。而对于一 些仅为小批量应用或处于开发阶段的s o c ，若马上投入流片生产，需要投入较多 的资金，承担较大的试制风险。最近发展起来的s o p c 技术则提供了另一种有效 的解决方案，即用大规模可编程器件的f p g a 来实现s o c 的功能。 在系统设计复杂度不断的提高及新产品市场周期不断缩短的压力下，把 f p g a 及微处理器的核心内嵌在同一芯片上，构建成为一个可编程的s o c 系统体 系框架结构，建成所谓的可编程芯片系统s o p c ( s y s t e m o n ap r o g r a m m a b l ec h i p ) ， 从而为系统设计者提供了又一灵活快捷的设计方法与途径。 s o p c 是一种新的系统设计技术，也是一种新的软硬件综合设计技术。通过 它可以很快地将硬件系统( 包括微处理器，存储器，外设以及用户逻辑电路等) 和软件设计都放在一个可编程的芯片中，以达到系统的i c 设计。这种设计方式， 具有开发周期短以及系统可修改等优点。设计完成的s o p c 可以通过h a r d c o p y 转为a s i c 芯片，从而可以实现快速量产。 s o p c 技术是美国a l t r e a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的开 发软件q u a n u si i s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解决 方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色，构成s o p c 的方案也有如 下多种途径。 1 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统 即在f p g a 中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为常用的嵌入式系统大多 7 重庆邮电大学硕士论文第二章s o p c 技术 采用了含有a r m 的3 2 位知识产权处理器核的器件。尽管由这些器件构成的嵌入 式系统有很强的功能，但为了使系统更为灵活完备，功能更为强大，对更多任务 的完成具有更好的适应性，通常必须为此处理器配置许多接口器件才能构成一个 完整的应用系统。如除配置常规的s r a m 、d r a m 、f l a s h 外，还必须配置网络通 信接口、串行通信接口、u s b 接口、v g a 接口、p s 2 接口或其他专用接口等。 这样会增加整个系统的体积、功耗，而降低系统的可靠性。但是如果将a r m 或 其他知识产权核，以硬核方式植入f p g a 申，利用f p g a 中的可编程逻辑资源和 i p 软核，直接利用f p g a 中的逻辑宏单元来构成该嵌入式系统处理器的接口功能 模块，就能很好地解决这些问题。对此，a l t e r a 和x i l i n x 公司都相继推出了这方 面的器件。例如，a l t e r a 的e x c a l i b u r 系列f p g a 中就植入了a r m 9 2 2 t 嵌入式系 统处理器；x i l i n x 的v i r t e x i ip r o 系列中则植入了i b mp o w e r p c 4 0 5 处理器。这样 就能使得f p g a 灵活的硬件设计和硬件实现与处理器的强大软件功能有机地相结 合，高效地实现s o p c 系统。 2 基于f p g a 嵌入i p 软核的s o p c 系统 将m 硬核直接植入f p g a 的解决方案存在如下几种不够完美之处： 1 ) 由于此类硬核多来自第3 方公司。f p g a 厂商通常无法直接控制其知识 产权费用，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，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构， 如总线规模、接口方式，乃至指令形式，更不可能将f p g a 逻辑资源构 成的硬件模块以指令的形式形成内置嵌入式系统的硬件加速模块( 如 d s p 模块) ，以适应更多的电路功能要求。无法根据实际设计需求在同一 f p g a 中使用多个处理器核。无法裁减处理器硬件资源以降低f p g a 成 本。 。 3 ) 只能在特定的f p g a 中使用硬核嵌入式系统，如只能使用e x c a l i b u r 系列 f p g a 中的a r m 核，v m e x - i p r o 系列中的p o w c r p c 核。 如果利用软核嵌入式系统处理器，就能有效地克服解决上述不利因素。目前 最有代表性的软核嵌入式系统处理器分别是a 1 t e m 的n i o s 和n i o si i 核，及x i l i n x 的m i c r o b l a z e 核。特别是前者，即n i o sc p u 系统，使上述5 方面的问题得到很 好地解决。 3 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统 通过强化s o p c 工具的设计能力，在保持f p g a 开发优势的前提下，引入 a s i c 的开发流程，从而对a s i c 市场形成直接竞争。这就是a l t e r a 推出的h a r d c o p y 技术。 h a r d c o p y 就是利用原有的f p g a 开发工具，将成功实现于f p g a 器件上的 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章s o p c 技术 s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化，从而克服传统a s i c 设计中普遍存 在的问题。 h a r d c o p y 技术是一种全新的s o c 级a s i c 设计解决方案，即将专用的硅片 设计和f p g a 至h a r d c o p y 自动迁移过程结合在一起的技术，首先利用q u a r t u si i 将系统模型成功实现于h u r d c o p yf p g a 上，然后帮助设计者把可编程解决方案无 缝地迁移到低成本的a s i c 上的实现方案。这样，h a r d c o p y 器件就把大容量f p g a 的灵活性和a s i c 的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成本敏感 的电子系统产品上。从而避开了直接设计a s i c 的困难，而从原型设计提升至产 品制造，通过f p g a 的设计十分容易地移植到h a r d c o p y 器件上，达到降低成本。 加快面市周期的目的。h a r d c o p y 器件( 如h a r d c o p ys t r a t i x 系列、e x c a l i b u r 系列 f p g a ) 避免了a s i c 的风险，它采用f p g a 的专有迁移技术。其h a r d c o p y a s i c 是直接在a l t e r ap l d 体系上构建的，采用有效利用面积“逻辑单元海”内核。本 质上，h a r d c o p y 器件是f p g a 的精确复制，剔除了可编程性，专用配置和采用金 属互连使用的走线。这样，器件的硅片面积就更小，成本就更低，而且还改善了 时序特性。 在2 0 0 0 年，a l t e m 发布了n i o s 软核r j s c 处理器，这是a l t e me x c a l i b u r 嵌入 处理器计划中第一个产品，它成为业界第一款为可编程逻辑优化的可配置处理器 a l t e r a 把可编程逻辑的固有的优势集成到嵌入处理器的开发流程中，一旦定义了 处理器之后，设计者就“具备”了体系结构，可以马上开始设计软件原型。c p u 周 边的专用硬件逻辑可以慢慢地集成进去，在每个阶段软件都能够进行测试，解决 遇到的问题。另外，软件组可以对结构方面提出一些建议。改善代码效率或处理 器性能，这些软件，硬件权衡可以在硬件设计过程中间完成。 为了减轻设计者的负担，最佳的途径是把所有和处理器子系统相关的底层详细 资料集中到单个工具中。a l t c m 提供了这样的工具s o p cb u i l d e r ，它包括两方面的 内容：第一，它具有直观的图形用户接口( 0 u i ) ，便于设计者准确地添加和配置 系统所需的外设( 包括存储器，定制外设和口模块) 。第二，它会自动完成系统集 成工作，这样设计者不必拘泥于定义存储器映射，中断控制和总线控制这样的工 作。其编辑环境如图2 3 所示。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章s o p c 技术 2 4 n i o si i 处理器 图2 3s o p cb u i l d e r 图形用户界面 a l t e r a 公司的n i o sc p u 是一种采用流水线技术、单指令流的r i s c 处理器。 3 2 位n i o s 软核结合外部闪存以及大容量存储器，可构成一个功能强大的3 2 位 嵌入式处理器系统。其大部分指令可以在一个时钟周期内完成。n i o s 软核处理 器家族包括3 2 位和1 6 位两种版本的体系结构。 n i o s3 0c p u 采用五级流水线结构，并具有独立的指令和数据存储器端口 ( h a r v a r d 存储器结构) 。指令和数据存储器的控制端口都作为a v a l o n 总线的主端 口。通过s o p cb u i l d e r ，用户可以把n i o s 总线主端口和任何a v a l o n 总线的从端 口( 如存储器和外设) 互联起来。s o p c b u i l d e r 会自动加入相应的总线仲裁器 9 1 。 目前a l t e r a 公司正在推广新一代的n i o si i 。n i o si i 处理器不仅实现n i o si i 指令集，也将支持以下功能模块。 寄存器文件 一算术逻辑单元 一用户自定义指令逻辑的接口 l o 重庆邮电大学硕士论文第二章s o p c 技术 异常控制单元 终端控制单元 指令总线 数据总线 _ 指令和数据缓存 一硬件辅助调试模块 图2 4 是n i o si i 处理器核的模块图 图2 4 n i o s i i c p u 模块图 n i o si i 体系结构是一种灵活的结构，更强调的是指令集，而不是某种特定硬 件的实现。只要支持在n i o si i 处理器参考手册中定义的指令集，都可以称其为 n i o si i 架构。所以不同的硬件实现可以针对特定的目标进行优化，比如说选择较 小的核或者选择更高的性能。这使得n i o si i 体系结构可以适应不同应用的需要 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 0d m i p 的性能，在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，达到性能、特性和成本目标。采用n i o si i 处理器进 行设计，可以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。 n i o s i i 处理器系列包括三种内核快速( n i o s i m 、标准( n i o s i i s ) 和经 济型( n i o si i e ) ，每一型号都针对价格和性能范围进行了优化( 表2 1 ) 。所有这 些内核共享3 2 位指令集体系，与二进制代码1 0 0 兼容。使用a l t e r a 业内领先的 o u a r t u s i i 设计软件中集成的s o p cb u i l d e r 工具，设计者可以在系统中轻松加入 重庆邮电大学硕士论文 第二章s o p c 技术 n i o s i i 处理器。 表2 1n i o si i 处理器系列型号 特性 n i o s fn i o s h s ( 标准) n i o s i i e ( 经 ( 快速) 济) 说明针对最佳比第一代n i o sc p u 最快针对最少的 性能优化的型号还要快，而体积比最小逻辑资源占用优 的还要小化 r 流水线6 级5 级 无 乘法器1 周期+3 周期+软件仿真实 现 支路预测动态 静态无 指令缓冲可设置 可设置无 数据缓冲可设置 无无 定制指令 2 5 62 5 62 5 6 特别值得一提的是，通过m a t l a b 和d s pb u i l d e r ，或直接使用v h d l 等硬件描述 语言设计，用户可以为n i o si i 嵌入式处理器设计各类加速器，并以指令的形式加 入n l o si i 的指令系统，从而成为n i o si i 系统的一个接口设备，与整个片内嵌入式 系统融为一体。例如，用户可以根据设计项目的具体要求，随心所欲地构建自己 的d s p 处理器系统，而不必拘泥于其他d s p 公司已上市的有限款式的d s p 处理器。 2 5a v a l o n 总线简介 a v a l o n 总线是一种相对简单的总线结构，主要用于连接片内处理器与外设，以 构成片上可编程系统( s o p c ) ，它描述了主从构件间的端口连接关系，以及构件 问的时序关系。s o p cb u i l d e r 来完成整个系统模块( 包括a v a l o n ) 的生成和集成 集成的系统示意图如图2 5 所示。 重庆邮电大学硕士论文第二章s o p c 技术 图2 5 系统集成示意图 a v a l o n 总线拥有多种传输模式，以适应不同外设的要求。a v a l o n 总线的基本传 输模式是在一个主外设和一个从外设之间进行单字节、半字或者字( 8 、1 6 或者3 2 位) 传输当一次传输结束后，不论新的传输过程是否还是在同样的外设之间进 行，a v a l o n 总线总是可以在下一个时钟周期立即开始另一次传输。a v a l o n 总线还支 持一些高级传输模式和特性，例如支持需要延迟操作的夕卜设、支持需要流传输操 作的外设和支持多个总线主设备并发访问。 其中a v a l o n 总线模块完成了整个可编程系统片上部件及外设之间互连，包括了 控制、数据、地址信号及总线的仲裁。a v a l o n 总线模块的一个逻辑示例如图2 6 所 示 重庆邮电大学硕士论文 第二章s o p c 技术 图2 6 a v a l o n 总线模块逻辑示例 a v a l o n 交换架构能够进行多路数据同时处理，实现无与伦比的系统吞吐量。 s o p cb u i l d e r i ；l 动生成的a v a l o n 交换架构针对系统处理器和外设的专用互联需求 进行优化。传统总线结构中，单个总线仲裁器控制总线主机和从机之间的通信。 由于每次只有一个主机能够接入总线、使用总线资源，因此会导致带宽瓶颈。a v a l o n 交换架构支持多主机体系结构提高了系统带宽，消除了带宽瓶颈。采用a v a l o n 交换 架构，每个总线主机均有自己的专用互联，总线主机只需抢占共享从机，而不是 总线本身。每当系统加入模块或者外设接入优先权改变时，s o p cb u i l d c r 和j 用最少 的f p g a 资源，产生新的最佳a v a l o n 交换架构。 2 6 本章小结 本设计主体部分采用了f p g a 和s o p c 实现，而f p ( 3 a 和s o p c 是一个目前 相对比较新的概念，所以本章首先介绍了f p g a 的相关概念以及片上可编程系统 s o p c 的相关概念。在此基础上详细介绍了a l t c r a 公司推出的n i o si i 系列处理器 以及内部采用的a v a l o n 总线体系结构。 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第三章硬件在回路仿真