（计算机系统结构专业论文）基于sopc的噪音处理系统.pdf

a b s t a r c t t o d a y ，t h es o c i e t yi se n t e r i n gh u m a n i s t i cc o m m u n i t y t h e c o n c e r n sf o rh u m a nh e a l t h ， r i g h t sa n do t h e rt h i n g sh a v ei n c r e a s e ds t e a d i l y i nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dd a i l y l i f e ， t h en o i s em o n i t o r i n gi so n ee x p r e s s i o no ft h i sp u r p o s e n o i s ei s h a r m f u lt op e o p l e ， a n i m a l s ，i n s t r u m e n t sa n db u i l d i n g ，s on o i s em o n i t o r i n g i sv e r yi m p o r t a n t t h es u b j e c td e s i g ni st h es u b t o p i co ft h et e x t i l ew o r k s h o pc o n t r o ls y s t e mp r o j e c t a n dm a i n l ya c h i e v e st h eg o a l so ft h et e x t i l ew o r k s h o pe n v i r o n m e n t a ln o i s ed e t e c t i o n ， a l a n na n dt r 狮s m i s s i o n t h ep a p e ra n a l y s e st h en o i s em o n i t o r i n gf u n c t i o no f t h et e x t i l e p l a n ta n dp u t sf o w a r dt oav i a b l es o l u t i o nt ot h ea c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n d a l a r mo ft h e n o i s es p e e c hs i g n a l f i r s t t h ep a p e rd e s c r i b e st h eb a s i ck n o w l e d g eo ff p g a ，v e r i l o g h d la n dl a n g u a g e e n c o d i n ga l g o r i t h ma n dt h ec u r r e n tn o i s es o u r c e sa n dc o n t r o lm e t h o do ft h e t e x t i l e w o r k s h o p ，d e v e l o p e sa n dd e m o n s t r a t e st h e o v e r a l lp r o g r a m ，s e l e c t st h eb e t t e rc o m p r e s s i o n a n dq u a l i t yo fa d p c ma l g o r i t h ma n dc o n d u c t st h ev e r i l o gh d lp r o g r a mo f t h ep r o c e s s o ft h ee o d i n ga n dt r a n s m i s s i o na n dc o m p l e t e st h ef u n c t i o n a l s i m u l a t i o no ft h ev o i c e c o m p r e s s i o nm o d u l e s e c o n d ，t a k i n gt h ec o r t e x m 1p r o c e s s o ra st h ec o r e ，i n t e g r a t i n gt h es r a m ，f l a s h m e m o r y , a d cm o d u l e , o l e dm o d u l e ，u a r t m o d u l ea n dv o i c ec o m p r e s s t o n m o d u l e s , t h es u b j e c tb u i l d sac o m p l e t es o p c ，a n di st r a n s p l a n t e dw i t ht h ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ，p c o s i i ，t ob u i l ta ne m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dc o m p l e t e t h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t t h ed e s i g na c h i e v e sr e a l t i m em o n i t o r i n go ft e x t i l es h o p n o i s e i tc a nr e a l i z et h er e a l t i m em e a s u r e m e n to ft h en o i s es o u n dl e v e lo ft h ec u r r e n t e n v i r o n m e n ta n dd i s p l a yt h eo p e r a t i o n a ls t a t u s w h e nt h en o s i ee x c e e d st h ec o r d o n ，t h e d e v i c ct a k e sar a p i da l a r mr e s p o n s e t h ed e s i g na c h i e v e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f t h e s u b j e c t t h es u b j e c t su s e sa ni m p r o v e da d p c ma l g o r i t h m ，n o to n l yi m p r o v e st h es p e e db u t a l s or e d u c e st h eo c c u p i e df p g a r e s o u r c e sa n dt h ec o s t a tt h es a m et i m e ，t h ed e s i g n u s e st l l ea c t e l t sn e wf u s i o nf p g a ，i n t e g r a t i n gm u l t i - c h i ps y s t e r mi n t os i n g l e 。c h i p ，s o i tr e d u c e st h ed e s i g nc o s t sa n ds h o r t e st h ed e v e l o p m e n tc y c l e 。t h ed e s i g nn o to n l ym a k e s t 1 1 ep e r f o m a n c ea n dp r i c er a t i oo p t i m i z a t i o n ，b u ta l s oh a sg o o de x p a n d i n ga n dw i d e a p p l i c a t i o nv a l u e a n dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t k e y w a o r d s ：n o i s ed e t e c t i o n ；f p g a ；s o p c ；a d p c m ；p c o s - i i 49帅83舢3 7，iii-眦y 目录 l 绪论1 1 1 选题背景1 1 2 开发平台简介2 1 3f u s i o n 芯片简介4 1 4 开发软件简介6 2 理论基础7 2 1f p g a 发展与应用7 2 1 1f p g a 技术的发展历史7 2 1 2f p g a 技术的发展动向7 2 1 3f p g a 的典型应用领域9 2 2v e r i l o gh d l 发展与应用9 2 2 1v e r il o gh d l 的发展历史9 2 2 2v e r i l o gh d l 语言的应用1 0 2 3a d p c m 编码算法发展与应用1 0 2 4 噪声监测的意义和方法1 1 3 系统硬件设计1 5 3 1 系统预定目标和设计方案1 5 3 2 噪音处理模块d s p 1 8 3 2 1 噪音模块设计方案1 8 3 2 2a d p c m 算法分析与改进1 8 3 2 3a d p c m 算法的f p g a 实现2 1 3 3 基于c o r t e x m 1 系统设计2 6 3 3 1 微处理器模块c o r t e x - m 1 2 6 3 3 2 存储器控制模块c o r e m e m c t r l 3 6 3 3 3 串口模块u a r t 3 8 3 3 4 定时器核c o r e t i m e r 4 0 3 3 5 时钟产生模块p l l 4 2 3 4 硬件整体设计4 7 3 4 1 创建新的工程4 7 3 4 2 使用s y n p l i f y 综合设计4 8 3 4 3 设计的实现和编程文件的产生5 0 3 4 4 编程设备a c t e lf u s i o n 开发板m 1 a f s 6 0 0 5 2 4 系统软件设计5 5 4 1 操作系统移植5 5 4 1 1 操作系统的选择5 5 4 1 2uc o s i i 简介5 6 4 1 3i ic o s i i 的移植5 7 4 2 系统软件设计6 4 4 2 1 软件程序及设计流程6 4 4 2 2 创建s o f t c o n s o l e 工程6 8 4 2 3 为工程创建和添加文件6 8 4 2 4 完成工程编译链接配置选项6 9 5 系统调试运行7 l 5 1 串口的配置7 1 5 2 外部工具的配置7 l 5 3d e b u g 的配置7 2 5 4 调试运行的步骤与方案7 3 5 5 调试运行信息7 4 5 5 1u a r t 调试7 4 5 5 2 噪声采集压缩模块调试7 5 5 5 3o l e d 显示屏调试7 5 5 5 4 系统整体调试结果7 6 6 结论与展望7 9 参考文献8 1 攻读硕士学位期间的研究成果8 3 致谢8 5 学位论文独创性声明8 7 第一章绪论 1 1 选题背景 1 绪论 当今社会正步入人文社会，对人的健康，权利等的关注逐年攀升。同常工业生 产和生活中，噪声的监测就是这一宗旨的一方面体现。噪声对人、动物、仪器仪 表以及建筑物均构成危害，其危害程度主要取决于噪声的频率、强度及暴露时 间。本课题是“纺织车间控制系统项目的一个子课题，主要实现纺织车间环境噪 声的检测、报警与传输。本文对纺织厂车间的噪声监测功能进行了分析，对其中噪 声等语音信号的采集，处理和报警提出了可行的解决方案。在噪声语音处理过 程需要用的压缩算法我们分析了当前的流行的压缩编码算法，选择了比较合适 的a d p c m 算法；对于硬件平台的实现，通过分析选择了f p g a 的方法来实现。 f p g a 是英文f i d dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列，它 是在p a l 、g a l 、e p l d 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 ) 领域中的一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 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要 对片内r a m 进行编程。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 ， 写入不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵活， 它也因此成为诸多硬件设计师们亲睐的开发工具。 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上来实现，称作s o p c i 2 1 。可编程片 上系统( s o p c ) 是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统( s o c ) ，即由单个 芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，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，并具备软硬件在线系统可编程的功能。 s o p c 技术主要应用以下三个方向： 基于f p g a 嵌入i p 硬核的应用。这种s o p c 系统是指在f p g a 中预先植入处 理器。这使得f p g a 灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起， 高效地实现了s o p c 系统。 青岛人学硕i j 学位论文 基于f p g a 嵌入i p 软核的应用。这种s o p c 系统是指在f p g a 中植入软核处 理器，如：n i o s i i 核，c o r t e x m 1 核等。用户可以根据设计的要求，利用相应的e d a 工具，对处理器核及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、 资源占用率等方面全面满足用户系统设计的要求。 基于h a r d c o p y 技术的应用。这种s o p c 系统【3 l 是指将成功实现于f p g a 器件 上的s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化。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产品，避开了 直接设计a s i c 的困难。 众所周知，在通信数字化、智能化和多媒体化的今天，压缩数字语音的数码率 具有重大意义。压缩后的语音用于传输，可以降低每路话音所需的带宽，在同样的 带宽内传输更多路语音；压缩后的语音用于存储，可以节约空间，提高存储语音的 长度，降低成本。因此，研究人员多年来一直致力于在保持重构语音质量的前提下， 提高语音压缩效率的研究。尤其在移动通信环境下，频率资源十分有限，只有降低 语音数码率才能增加通信容量，同时也有利于对抗移动环境下的多径选择性衰落。 a d p c m l 4 5 l 语音压缩算法是上个世纪较早实现并一直沿用至今的一种经典的语 音压缩算法，它对p c m 数据进行压缩，可以实现4 ：l 的压缩率。a d p c m 算法比 较成熟，而且其优点和缺点都为世人所接受，但是使用不同的硬件描述语言进行电 路描述，在不同的器件下进行硬件综合实现，所占用的系统资源数量以及工作频率 和稳定性能是不一样的，实现成本也是不同的，这正是我们用不同方法进行再次实 现的意义所在。 1 2 开发平台简介 本设计是基于a c t df u s i o n 6 】开发板m 1 a f s 6 0 0 开发。开发平台实物图如图1 1 所示： 2 第一章绪论 图1 1a c t e lf u s i o n 开发板m 1 a f s 6 0 0 实物图 a c t e lf u s i o n 开发板的核心芯片采用了a c t e l 公司的m 1 a f s 6 0 0 ，该片属于f u s i o n 系列，是世界上首个带模拟功能的f p g a 芯片，为本项目的设计到来了极大地灵活 性，并节约了研发成本。 由于f u s i o n 器件中集成了f l a s hm e m o r y 7 1 ，r a m ，f i f o 和功能丰富的模拟模块， 极大地简化了系统设计，并大幅度减少了系统成本。f u s i o n 系列器件与传统的s r a m f p g a 相比，具有很多独特的优势。 主要优势有： 基于f l a s h 架构，掉电非易失，所以他不需要配置芯片，这也决定了它能上电 即运行； 由于f l a s h 编程的电压要比对s r a m 编程的电压高好几倍，因此，它具有极强 的固件错误免疫功能 器件内部带有模拟功能，通过内部的a d c 以及内部的电路，可用来检测电流， 电压，温度等物理量，特殊的门驱动模拟i o 更是可以驱动大功率的m o s 管； 内部具有1 5 v 的电压调整模块，可输出1 5 v 的电源信号给内核供电，在内部 r t c 的配合下，还可以使器件进入掉电和睡眠模式，从而大大降低系统的功耗； f u s i o n 采用了f l a s h l o c k 和a e s 加密技术，确保设计不被盗取，安全性极高。 ( 室) a c t e lf u s i o n 开发板m 1 a f s 6 0 0 外设资源如下： 1 片双色1 2 8 3 2o l e d 显示屏； 4 0 m h z 晶振提供全局时钟； 低电平有效复位按键； 3 青岛人学硕i ：学位论文 8 m b i t ( 2 5 6 * 3 2 ) s r a m ，可做数据存储； 电源输入选择丌关； 核电压选择开关( 内部外部) ； 用于调整模拟电压的电位器： 温度传感器； 电流监测电路； f l a s h p r 0 3 编程调试器； 4 0 引脚数字扩展槽及5 0 引脚模拟扩展； u a r t 到u s b 转换器等； 电源管理 开发板既可由外部5 v 电压供电，也可以由u s b 接口供电。通过j u m p e r 来切换， 具体如下表1 1 。 表1 1 j u m p e r 组合 电源选择 j p lf l a s hp r 0 3u s b u a r t 外部5 v 电压l - 2 u s b 电源2 3 j p 5 1 - 2 】 u s b 电源2 3j p 51 3 - 4 】 时钟电路 开发板上提供两种时钟源：4 0 m h z 的晶振( c r l ) ，链接到f p g a 的全局时钟； 3 2 7 6 8 k h z 晶振，链接到芯片内部的晶振驱动内部r t c 。具体引脚分配如表1 2 。 表1 2 时钟电路 时钟源m 1 a f s 6 0 0 设备引脚编号 c l k2 0 6 y l2 1 ，2 2 复位电路 m 1 a f s 6 0 0 开发板具有复位引脚，低电平有效。在s w 3 按钮被按下时复位电路 产生复位信号。表1 3 显示了r e s e t 的引脚编号 表1 3 复位引脚 i复位引脚 m i a f s 6 0 0 设备引脚编号 l r s t2 4 8 m b i t ( 2 5 6 * 3 2 ) s r a m 开发板提供8 m b i t ( 2 5 6 * 3 2 ) s r a m ，可以用来存储用户数据以及a r m 可执行 代码。 1 3f u sio n 芯片简介 a c t e l 的f u s i o n 产品将可配置模拟部件、大容量f l a s h 内存构件、全面的时钟生 成和管理电路，以及基于f l a s h 的高性能可编程逻辑集成在单片器件中。a e t e l 创新 4 第一章绪论 的f u s i o n 架构可与a c t e l 软m c u 内核及最高性能的3 2 位a r mc o r t e x m 和c o r e m p 7 内核同用，是终极的混合信号f p g a 平台。 a c t e lf u s i o n 系列器件【6 】【7 】是世界上第一款也是唯一一款具有模拟功能的f l a s h 架构的f p g a ，在成功的第三代f l a s hf p g a 架构的基础上结合先进的f l a s hf p g a 数 字技术和模拟技术，融合了f p g a 数字内核、a d c 、f l a s h 存储器、模拟的i o 、r t c 等数字和模拟部分。f u s i o n 器件内部具有2 m b i t 到8 m b i t 不等的用户可用的f l a s h m e m o r y ；3 0 个通道、最高1 2 位精度、最高6 0 0 k s p s 采样率的a d c 转换器；片内 1 0 0 m h z 的r c 振荡器和p l l 一起共同为f p g a 提供时钟，节省外部时钟的开销； f u s i o n 内部4 0 b i t s 的r t c 除了支持典型的r t c 应用( 如看门狗定时器、时钟等) 之外，还可以控制片内1 5 v 的电压调整器以及实现低功耗的睡眠和唤醒模式。这些 特点极大地提高了该系列f p g a 器件的功能，简化了系统的设计，大幅度减少了电 路板面积和系统总成本。f u s i o n 器件将多种功能集成到一个单芯片中，同时降低整 体的系统功耗，除减少总体芯片数量外，在f u s i o n 器件内集成多种功能，还可避免 多芯片方案带来的精度降低和噪声问题。所有这些优势都有助于降低功耗，为f u s i o n 器件带来其它的优势，如更好的信号完整性、更低的总体系统成本。a c t df u s i o n 系 列f p g a 器件是迄今为止最全面的单芯片模拟与数字可编程逻辑系统的解决方案， 增加的融合功能可在电路板上省去多个附加元件，如f l a s h 内存、分立模拟i c 、时 钟源、e e p r o m ，以及实时时钟等，从而减低系统成本和电路板空间需求，如图1 3 所示。 图1 3 典型f u s i o n 系统 f l a s h 为基础的f u s i o n 器件具有类似于a s i c 的功率特性，还具有低静态和动态 功耗，能实现最多的功率节省。融合技术为系统的开发带来了新的功能，允许设计 人员将相同的硅片用于多种不同的应用中，并且能快速配合不断变更的行业标准。 5 青岛人学硕i ：学位论文 1 4 开发软件简介 丌发软件包括：l i b e r oi d e8 6 、c o r e c o n s o l e1 4 和s o r c o n s o l ev 2 1 l o 儿。 l i b e r oi d e 是现有的最全面最强大的f p g a 设计开发软件，提供s t a r t t o f i n i s h 设计过程中全方位的指导。l i b e r o 集成设计环境( i d e ) 是a c t e l 针对其所有f p g a 设计的一套完备的软件工具套件。l i b e r oi d e 能快速有效地管理整个设计流程，从 设计、综合和仿真，到基础规划、布局布线、时序约束和分析、功率分析以及程序 文件生成。l i b e r o 的第二代智能设计工具s m a r t d e s i g n 为轻松创建完整的、基于简单 和复杂处理器的系统级芯片( s o c ) 设计提供了有效的方法。l i b e r o 中集成了强大的 e d a 工具，如s y n p l i f y 综合工具、m o d e l s i m 仿真工具、v i e w d r a w 、w a v e f o r m e r 等 工具。l i b e r oi d e 支持所有的a c t e lf l a s h 和反熔丝产品，包括著名的f u s i o n 系列、 i g l o o 低功耗系列、p r o a s i c 系列等。 c o r e c o n s o l e 是一个系统级的开发工具和i p 部署平台，有助于简化以f p g a 为 基础系统级应用的构建。利用c o r e c o n s o l e ，设计人员可以迅速组建以f p g a 为基础 设计的元件，包括系统处理器、可配置微处理器子系统及互连总线。该工具将发挥 重要的作用，协助以f l a s h 为基础单芯片a c t e l f p g a 引进全新a r m 7 系列软i p 微处 理器c o r e m p 7 的开发。它能简化设计中各i p 核在a c t e l 公司的f p g a 中的组装和互 联过程，用户可以从a c t d 公司或第三方i p 核提供商提供的数据库中简便的选择口 软核，来搭建一个以处理器为核心的系统级设计。强大的子系统构建工具，采用a c t e l 的c o r e m p 7 进行系统级设计需要在微处理器内核周围引进一个支持子系统。该子系 统内容包括中断控制器、内存控制器、计时器、串连接口、i o 端口和上电复位( p o r ) 电路，如以人手引进工序既繁琐又费时。利用c o r e c o n s o l e 便能简化该子系统的引进 和配置，通过自动实现部件的组构，让用户在图形界面上完成子系统的功能装配， 从而将开发时间从数日缩短到数分钟。高效的口供应系统和m 块衔接管理器在 开发过程的设计入门阶段中，c o r e c o n s o l e 是个总线中枢工具，自动将i p 内核连接到 互连总线。该工具配有l p 块衔接管理器，能将i p 块( 包括用户p ) 轻松地衔接成为可 进行合成和模拟的r t l ，并可在a c t e l 的l i b e r o 集成设计环境( i d e ) 中使用。 s o f l c o n s o l e 是一款免费的软件开发环境，通过该软件可以快速的完成适合a c t e l 的f p g a 内嵌处理器可执行的c c + + 可执行代码。s o f l c o n s o l e 以广泛使用的开放源 e c l i p s e 集成设计环境( e ) 和a r m 7g n u 编译器和调试工具为基础，为编写和调 试c o r e m p 7 软件编程提供了具成本效益和可靠的手段，让设计人员基于a c t e l 的单 芯片f l a s hf p g a 快速而简易地开发嵌入式系统应用程序。在s o f l c o n s o l e 中，用户 编写的高级语言程序代码可以立即编译成可用的二进制可执行代码。s o f l c o n s o l e 提 供的d e b u g 功能，可以方便的对编写的程序进行板上调试。 6 第二章理论基础 2 理论基础 本章主要介绍了本课题设计所涉及的基础理论知识，包含f p g a 、v e r i l o gh d l 和a d p c m 算法的发展应用，并对纺织车间噪声监控的意义和方法做了简明的阐述。 2 1f p g a 发展与应用 2 1 1f p g a 技术的发展历史 纵观数字集成电路的发展历史，经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路到 大规模集成电路以及超大规模集成电路等不同的发展阶段，发展到现在，主要有3 类电子器件：存储器、处理器和逻辑器件。 逻辑器件分成2 类：固定的或定制的，可编程的或可变的。其中，固定的或定 制的逻辑器件通常称为专用芯片( a s i c ) 。a s i c t 8 】是为了满足特定的应用而设计的芯 片，其优点是通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产，降低了芯片的成本，同 时提高了产品的可靠性。 但是，a s i c 设计的周期很长，而且投资大，风险高。一旦设计结束，功能就固 化了，以后升级改版的困难比较大。为了满足快速产品开发，产生了现场可编程逻 辑门阵y u ( f p g a ) 自1 9 8 4 年x i n l i n x 公司推出了第一片现场可编程逻辑门阵列至今，f p g a 经历 了2 0 几年的快速发展里程。f p g a 不仅解决了电子系统小型化、低功耗、高可靠性 等问题，而且其开发周期短、投入少、芯片价格不断下降。 2 1 2f p g a 技术的发展动向 随着芯片设计工艺水平的不断提高，f p g a 技术呈现出了以下4 个主要的发展 方向。【9 】 基于f p g a 的嵌入式系统( s o p c ) 的技术正在成熟 s y s t e r mo nc h i p ( s o c ) 技术在芯片设计领域越来越广泛的采用，而s o p c 技术是 s o c 技术在可编程器件领域的应用。这种技术的核心是在f p g a 芯片内部构建处理 器。x i l i n x 公司主要提供p o w e r p c 的硬件解决方案，a l t e r a 提供的则是基于n i o si i 的软核解决方案，而a c t e l 提供的则是基于a r m 的3 2 位微处理器的软核解决方案。 7 青岛人学硕i ：学位论文 ( g ) f p g a 芯片向高性能、高密度、低压和低功耗的方向发展 随着芯片生产工艺不断提高，f p g a 芯片的性能和密度都在不断的提高。早期 的f p g a 主要是完成逻辑接口的设计，比如a d d a 和d s p 的粘合逻辑。现在的f p g a 正在成为电路的核心部件，完成关键功能。 在高性能计算和高吞吐量i 0 应用方面，f p g a 已经取代专用的d s p 芯片，成 为最佳的实现方案。因此，高性能和高密度也成为衡量f p g a 芯片厂家设计能力的 重要指标。 随着f p g a 性能和密度的提高，功耗也逐渐成为了f p g a 应用的瓶颈。虽然 f p g a 比d s p 等处理器的功耗低，但明显要高于专用芯片( a s i c ) 的功耗。f p g a 厂 商也在采用各种工艺和技术来降低f p g a 的功耗，并已经取得明显的效果。 爱特公司( a c t e lc o r p o r a t i o n ) 是非易失性、低功耗及混合信号f p g a ，以及可 编程逻辑解决方案的全球领导厂商。爱特致力通过运用业界最低功耗的f p g a 系列， 以及独有的混合信号f p g a ，在芯片及系统级上进行功耗管理，为系统设计人员提 高竞争优势。 a c t e l 的i g l o o 系列f p g a 包括i g l o o e 、i g l o on a n o ，以及i g l o op l u s 器件，是功能齐全的可重编程f l a s hf p g a ，专为满足当今便携电子产品和功率敏感 电子产品严苛的功耗、占位面积和成本要求而设计。该系列基于a c t d 的非易失性 f l a s h 技术及单芯片p r o a s i c 3 ef p g a 架构，工作电压为1 2v 1 5v ，是业界功 耗最低、占位面积最小，价格最具竞争力的f p g a 产品。 基于i p 库的设计方法 未来的f p g a 芯片密度不断提高，传统的基于h d l 代码的设计方法很难满足超 大规模f p g a 的设计需要。随着专业的i p 库设计公司不断增多，商业化的i p 库种 类会越来越全面，支持的f p g a 器件也越来越广泛。 作为f p g a 的设计者主要的工作是找到合适项目需要的i p 库资源，然后将这些 i p 整合起来，完成顶层模块的设计。由于商业的口库都是通过验证的，因此整个项 目的仿真和验证工作主要是验证i p 库的接口逻辑设计的正确性。 随着f p g a 密度不断提高和i p 库的价格逐渐趋于合理化，这种设计方法将成为 主流的f p g a 设计技术。 廷) f p g a 的动态可重构技术 f p g a 动态重构技术主要是针对特定结构的f p g a 芯片，在一定的控制逻辑驱 动下，对芯片的全部或者部分逻辑资源实现高速的功能变换，从而实现硬件的分时 复用，节省逻辑资源。 8 第一二章理论堆础 2 1 3f p g a 的典型应用领域 数据采集和接口逻辑领域 自然界的信号大部分是模拟信号，因此一般信号处理系统中都要包括数据的采 集功能。通常实现的方法是利用a d 转换器将模拟信号转换为数字信号后，送给处 理器进行运算和处理。但是，高速的a d 和d a 转换芯片不能和通用的m c u 或者 d s p l l 0 】直接接口，这种场合下f p g a 可以完成数据采集的粘合逻辑。 传统的设计中往往需要专用的接口芯片，比如p c i 接口芯片，来完成和p c 机 的对接。采用f p g a 方案以后，接口逻辑都可以在f p g a 芯片内部实现，大大简化 了外围电路的设计。 高性能数字信号处理领域 无线通信、软件无线电、高清图像编辑和处理领域，对于信号处理所需的计算 量提出了极高的要求。f g p a 支持并行计算，而且密度和性能都不断的在提高，已 经可以在很多领域替代传统的多d s p 解决方案。 其他应用领域 汽车电子领域，如远程信息处理系统。 军事领域，如安全通信、雷达和声纳。 2 2v e riio gh d l 发展与应用 2 2 1v e riio gh d l 的发展历史 v e r i l o gh d l 1 1 】【1 2 】是在1 9 8 3 年由g d a 公司的p h i lm o o r b y 首创的。p h i lm o o r b y 后来成为了v e r i l o g - x l 的主要设计者和c a d e n c e 公司的第一个合伙人。在1 9 8 4 1 9 8 5 年，m o o r b y 设计出了第一个名为v e r i l o g - x l 的仿真器，1 9 8 6 年，他对v e r i l o gh d l 的发展又作出了另一个巨大贡献：即提出了用于快速门级仿真的x l 算法。 随着v e r i l o g - x l 算法的的成功，v e r i l o gh d l 得到了迅速发展。1 9 8 9 年， c a d e n c e 公司收购了g d a 公司，v e r i l o gh d l 语言成为c a d e n c e 公司的私有财产。 1 9 9 0 年，c a d e n c e 公司决定公开v e r i l o gh d l 语言，于是成立了o v i ( o p e nv e r i l o g i n t e r n a t i o n a l ) 组织来负责促进v e f i l o gh d l 语言的发展。 基于v e r i l o gh d l 的优越性，i e e e 于1 9 9 5 年制定了v e r i l o gh d l 的i e e e 标准， 即v e r i l o gh d l l3 6 4 19 9 5 。其后，又在2 0 0 1 年发布了v e r i l o gh d l l3 6 4 2 0 0 1 标准。 9 青岛人学硕i ：学位论文 2 2 2v e ri io gh d l 语言的应用 v e r l i o gh d l 较为合适系统级、算法级、寄存器传输级、逻辑级、门级和电路开 关级的设计。 v e r i l o gh d l 语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、 仿真语义。因此，用这种语言编写的模型能够使用v e r i l o g 仿真器进行验证。语言 从c 编程语言中继承了多种操作符和结构。v e r i l o gh d l 提供了扩展的建模能力， 其中许多扩展最初很难理解。但是，v e r i l o gh d l 语言的核心子集非常易于学习和 使用，这对大多数建模应用来说已经足够。 较之传统的电路原理图输入法的设计周期长、需要专门的设计工具、需要手工 布线等缺陷，v e r l i o gh d l 设计方法具有更为广阔的应用前景。由于v e r l i o gh d l 的 标准化【1 4 】，可以很容易的把完成的设计移植到不同厂家的不同芯片中。而其无工艺 无关的优点，使得工程师在功能设计、逻辑验证阶段不必过多的考虑门级及工艺实 现的具体细节。 v e r i l o gh d l 的标准化大大加快了v e r i l o gh d l 的推广和发展。借助于v e r i l o g h d l 模型的可重用性，开发出了软核，即功能通过验证【1 5 】的、可综合【1 6 】的、实删1 7 】 后电路结构总门数在5 0 0 0 门以上的v e r l i o gh d l 模型。 v e f i l o gh d l 是硬件描述语言的一种，用于数字电子系统设计。它允许设计者使 用它来进行各种级别的逻辑设计，可以用它来进行数字逻辑系统的仿真验证、时序 分析、逻辑综合。它是目前应用最广泛的一种硬件描述语言。据有关文献报道，目 前在美国使用v e r i l o gh d l 进行设计的工程师大约有1 0 多万人，全美国有2 0 0 多所 大学教授用v e r i l o g 硬件描述语言的设计方法。在我国台湾地区几乎所有著名大学 的电子和计算机工程系都讲授v e r i l o g 有关的课程。 2 3a d p c m 编码算法发展与应用 经过近8 0 年的发展，语音编码技术逐渐形成了波形编码，参数编码和综合二者 特点的混合编码三大类。 下面对这三类编码技术分别做简单的介绍。 波形编码 波形编码技术是通过对语音波形进行采样，量化，然后用二进制码编码表示出 来。它的宗旨是在解码端尽可能的恢复语音信号的原始波形。这种技术包括p c m 、 d p c m ( d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 、d m 技术以及自适应量化的 a d p c m ( a d a p t i v ed i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n ，自适应差分脉冲编码调制) 、 1 0 第一二章理论皋础 a d m 技术和a t c ( 自适应变换编码) ，s b c ( 子带编码) 技术。 参数编码 参数编码是以语音信号产生的数学模型为基础，对语音信号进行分析，提取出 了一组特性参数( 主要是表征声门振动的激励参数和表征信道特性的声道参数) ，这 些参数携带了语音信号的主要信息，编码它们只需要较少的比特数，在解码端可以 由这些参数重新合成语音信号。共振峰声码器，线性预测声码器，余弦声码器都属 于参数编码器。 混合编码 这种编码方法在保留参数编码的技术精华的基础上，引进波形编码准则去优化 激励源信号，克服了原有波形编码和参数编码的弱点，而吸取了它们各自的长处， 在4 k b i t s 1 6 k b i t s 的速率上能够合成高质量的语音。多脉冲激励线性预测编码 m p e l p ，码本激励线性预测编码c e l p 等都属于这类混合编码器。 a d p c m 算法目前已成为很受用的语音压缩算法之一，既能够有效的压缩语音， 又能还原出高质量的语音。a d p c m 是一种针对1 6 b i t s ( 或8 b i t s 或者更高) 声音波 形数据的一种有损压缩算法，它将声音流中每次采样的1 6 b i t 数据以4 b i t 存储，所以 压缩比l ：4 而且压缩解压缩算法非常简单，所以是一种低空问消耗，高质量高效率 声音获得的好途径。 a d p c m 综合了a p c m 的自适应特性和d p c m 系统的差分特性，是一种性能较 好的波形编码。从该算法产生开始，国内外工商业界都一直致力于将a d p c m 在语 音压缩编码方