（计算机系统结构专业论文）基于fpga的可穿戴计算机的处理器设计.pdf

摘要 随着现代科学技术的的高速发展，可穿戴计算机已经成为了现代计算机的一个重要 的发展方向。可穿戴计算机具有微型化、可穿戴性、可移动性等特点，在工业、军事、 医疗监护等领域具有广阔的应用前景。所以，高性能低功耗嵌入式处理器为核心的可穿 戴计算机的设计和研究就显得非常有意义。 本文整个设计从总体结构到局部功能的实现是基于现代e d a 技术，在f p g a 上使 用v h d l 硬件描述语言，采用自顶向下的设计方法和模块化设计思想设计出了采用 r i s c 五级流水线处理器。在研究和设计过程中主要做了以下工作： 1 根据可穿戴计算机的低功耗、高移动性和微型性的特点通过研究和比较常用嵌入 式处理器，最后决定设计一款基于f p g a 的穿戴计算机系统处理器。这是一种 兼得c p u 的通用灵活与a s i c 的高效廉价优点的技术方案。 2 根据可穿戴计算机所要实现的如数据采集、通信等基本功能以及通过比较和研究 r i s c 和c i s c 指令系统，最后为其量身打造合身的r i s c 指令系统。 3 根据数据通路所需要的控制信号，设计能使数据通路有效工作的控制通路；采用 v h d l 实现控制通路和中断控制器。 4 将c p u 的各个模块整合成c p u 整机，针对不同的c p u 功能，以所设计指令集 编写测试程序进行仿真验证；将电路文件下载到硬件平台上进行验证，可以发现 仿真验证和硬件平台验证是一致的。验证结果表明了所设计c p u 的有效性。 关键字：可穿戴计算机、f p g a 、r i s c 、处理器 a b s t r a c t a st h em o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o pr a p i d l y , w e a r a b l ec o m p u t e rh a sb e c a m e a l li m p o r t a n td e v e l o pt r e n df o rm o d e r nc o m p u t e r w e a r a b l ec o m p u t e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sm i c r o m a t i o n ，w e a r a b l i t y ；m o b i l i t y i th a sw i d ep r o s p e c t so fa p p l i c a t i o ni ni n d u s t r y , m i l i t a r y , m e d i c a lw a r d ，e t c t h e r e f o r e ，t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fh i g hf u n c t i o n i n ga n d l o w p o w e rc o n s u m i n gw e a r a b l ec o m p u t e rw i t ht h ec o r eo fi m b e d d e dp r o c e s s i n gu n i ti s o fg r e a t i m p o r t a n c e f r o mt h ee n t i r es t r u c t u r et ot h ep a r t i mf u n c t i o n ，t h ew h o l ed e s i g ni nt h i sp a p e ri sb a s e d o nm o d e me d a t e c h n o l o g y , u s i n gv h d ll a n g u a g eo nf p g aw i t ht h et o pd o w nd e s i g n m e t h o da n dm o d u l a r i z i n gd e s i g nt h o u g h t t h em a i nw o r kd u r i n gt h er e s e a r c ha n dd e s i g na r e a sf o l l o w s ： 1 c o n s i d e r i n gt h el o wc o s t i n g ，h i g hm o b i l i t ya n dm i c r o m a t i o no fw e a r a b l ec o m p u t e r , b yr e s e a r c h i n ga n dc o m p a r i n gt h ec o m m o ni m b e d d e dp r o c e s s i n gu n i t ，f i n a l l yd e c i d e t od e s i g naw e a r a b l ec o m p u t e rs y s t e mp r o c e s s i n gu n i tb a s eo nf p g a i t sa t e c h n o l o g yp l a nt h a tc o m b i n eb o t hc p u sf l e x i b i l i t ya n dc o m m o n a l i t ya n da s i c s e f f i c i e n c ya n dk e e np r i c e 2 a c c o r d i n gt ot h eb a s i cf u n c t i o no fw e a r a b l ec o m p u t e rs u c ha s d a t ac o l l e c t i o n ， c o m m u n i c a t i o n ，b yc o m p a r i n ga n dr e s e a r c h i n gt h er i s ca n dc i s cr e p e r t o i r e ，a s u i t a b l er i s cr e p e r t o i r ei sr e a l i z e d 3 a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls i g n a ln e e d e db yt h ed a t aa c c e s s ，c o n t r o la c c e s st h a tc a n m a k et h ed a t aa c c e s sw e l l - f u n c t i o n e di sd e s i g n e d ；v h d li su s e dt or e a l i z ec o n t r o l a c c e s sa n db r e a kc o n t r o l l e r 4 i n t e g r a t i n gt h em o d u l e so fc p ui n t oaw h o l ec p u ，a i m m i n ga td i f f e r e n tc p u f u n c t i o na n ds i m u l a t i n gw i t ht h ep r o g r a m m ew r i t t e nb yt h ed e s i g n e dc o m m a n ds e t ； t h es i m u l a t i o nc o u l db ef o u n di na c c o r d a n c ew i t ht h ep l a t f o r mv e r i f i c a t i o nb y d o w n l o a d i n gt h ec i r c u i tf i l et oh a r d w a r ep l a t f o r mt ov e r i f y , t h er e s u l ts h o w st h e v m i d i t yo ft h ed e s i g n e dc p u k e y w o r d s ：w e a r a b l ec o m p u t e r , f p g a ，r i s c ，p r o c e s s i n gu n i t 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本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 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名衍档 指导刻磁辄 汴翌。 矽扩年石月哆日 础年6 , e j 矽日 西北大学学位论文独创性声明 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，本论 文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学 或其它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谢意。 学位论文作者签名：多0 彳茁 切f o 年毛其) 弓e l 西北大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及研究意义 第一章绪论 近几年来，在计算机领域出现了一个新的系统技术，这就是可穿戴计算技术 ( w e a r a b l ec o m p u t i n g ) 。顾名思义，可穿戴计算技术就是把计算机“穿”在身上进行应用 的技术【1 1 。 可穿戴计算机在很多的领域都可以使用，它可以在商业、农业、工业、军事、情报、 新闻、医疗、金融与证券、抢险与救灾以及日常生活等方面得到广泛的应用【2 1 。 发展最为迅速的领域还属军事应用。美国国防部不断提出不同的研制计划，为其数 字化部队的建设提供大量实用的军用可穿戴计算机。可穿戴计算机是人机合一的产物， 计算机虽然代替不了人，但可以增强人的能力、感知，使人具有三头六臂。在一些发达 国家，可穿戴计算机已经被广泛应用在危险事件的处理中。比如，大楼起火，烟雾迷漫， 漆黑一片，消防员随身佩戴的可穿戴机将信息整合后可以迅速提示其在整个楼房中的位 置、楼内哪里还有幸存的生命，从而救出被困人员；比如，灾情突然发生，受伤人员急 需现场手术，救护人员通过可穿戴机进行远程会诊，成功实施手术；再比如进行飞机紧 急维修的维修工人通过可穿戴机一边阅读存储器中的维修手册，一边与总部沟通，一边 自如地进行维修。 可穿戴计算机是特定专用的计算机，而可穿戴计算机的可穿戴性又决定了其可移动 性、低功耗要求。在可穿戴计算机实际工作过程中，人们一方面希望计算机能够持续长 时间的工作，一方面又希望它摆脱电源连线的束缚，使得人体可以自由移动。在这种需 求下，深入研究可穿戴计算机的低功耗，高移动性为可穿戴计算机设计一个适合于自己 并且具有自主知识产权的微处理器就成为一个值得研究的课题。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 可穿戴计算发展状况 国内可穿戴计算机的研究以哈尔滨工业大学和重庆大学为主，处于刚起步阶段，目 前已完成演示系统的研制，正积极研制商业产品。哈工大在此领域已取得了一些成果， 如完成了穿戴计算机的概念性研究，明确了穿戴计算机作为无线移动计算机网络的移动 1 第一章绪论 节点所具备的功能、特点、应用以及性能指标【3 1 。解决了一些主要的关键技术，包括系 统集成技术、无线移动组网、人机交互技术等等。并研制成功了h w c 一1 型穿戴计算 机演示系统，对穿戴计算机的应用需求进行了深入分析。该成果已通过鉴定，并被专家 们评定为国内领先水平。 最早的现代意义上的穿戴式计算机出自2 0 世纪8 0 年代初的高中生史蒂夫曼恩 ( s t e v em a n n ) 之手，它的发明将显示器像眼镜一样架在眼前，输入设备是一个可以单手 操作的按钮和定点设备，实际上是背包式的无绳计算机系统加上无线通讯等设备，笨重 而生硬。他的最初目的是用于视觉艺术，头戴庞大的阴极射线管显示器和分别用于接收 和发射的通讯天线，8 0 年代中期将电视移到腰带上，8 0 年代末将摄像机取景器做显示 屏。如今，3 8 岁的史蒂夫曼恩已经是美国麻省理工学院和加拿大多伦多大学的教授， 继续研究的“智能服装”已经能将摄像机、麦克风和耳机全部集成在眼镜上。 1 9 9 7 年1 0 月，国际电机电子工程师学会( i e e e ) 计算机协会在马萨诸塞州召开了首 届国际穿戴式计算机研讨会。到1 9 9 9 年l o 月，i b m 日本公司推出的穿戴式计算机已经 玲珑得多，别在腰间的主机如随身听一般大小，控制器像一只纽扣握在手指间。 要将个人计算机的功能移植到身上，将面临设备和功能微型化的挑战。现有的笔记 本电脑的沉重主要归咎于电池，继续穿在衣服上无法想象。除了芯片的超低功率设计， 也需要太阳能和燃料电池等新电源，最诱人的前景是把人体运动的动能或身体与环境的 温差转换成电能，目标是不需要电池【4 】。德国i n f i n e o n 公司利用太空技术研制了硅热发 电芯片，利用衣服与皮肤表面一般情况下5 的温差，可以提供每平方厘米功率1 毫瓦， 电压5 伏的能量，足够一些医疗传感器或芯片使用。键盘和鼠标也需要抛弃，代之以触 摸屏、语音，甚至脑电波输入，如果非要键盘，它可以是一块衣襟，也可以是由光束投 射在任何平面上的虚拟键盘。显示屏可以像报纸一样卷曲已不是新闻，图像投射到眼镜 镜片上也不难，最先进的是直接投射到视网膜上。至于耳机，肯定要充当语音系统、播 放机和无线通讯的重任。 有了这样的计算机，你随时可以办公、上网、发邮件、听音乐和看电视，但既然随 身拥有强大的信息处理能力。穿戴式计算机更大的价值还在于随身拥有全新的感知能 力。由于早期成本较高，这些能力的应用首先集中在军事、医疗、救灾等领域。未来战 场上，士兵的眼镜将具有夜视、瞄准、g p s 定位等多种功能，类似于战斗机上的航空电 2 西北大学硕士学位论文 子设备，所有士兵共同构成灵活的分布式移动信息网络。消防队员将随时掌握自己和幸 存者在现场的位置。救护人员可以在灾害现场进行远程会诊。飞机维修技师可以在飞机 肚子里调用总部的技术资料。每个记者都可以具有现场直播的能力。 对个人而言，穿戴式计算机将更自然、更人性化地融入生活。早在1 9 9 7 年的智 能服装：穿戴式计算机与穿戴式计算一书中，史蒂夫曼恩就描绘了这种人性化生活：当 你跑步时，带传感器的鞋会测量步频、步幅等信息，结合心率等生理信息，可以提出训 练计划，通过音乐提醒你调整节奏，还能使跑步者之间相互联系，通过眼镜交换视野。 对病人或过敏者，穿戴式计算机可以测量呼吸、心率、血压、出汗、体温、肌肉反应、 皮肤电等信息，判断你的健康和情绪状态，提出保健建议或向医生发出报警。即使夜晚 脱下智能服装，智能内衣也能根据你的体温控制暖气或空调。每个人的病历都存在自己 的服装内。当然，你也可以享受“情感探测”，即使天各一方也能倾听她的心跳。 i b m 公司a l m a d e n 研究中心开发的穿戴式眼镜照相机，能在新认识客人时拍下快 照，利用图像内容搜索软件，一年后你们再遇到时，电脑能认出这张脸是谁，并通过你 的耳环悄悄告诉你。如果你度假时看到一件东西却来不及买，眼镜可以把它拍下来，上 网搜索到以后，只需按下项链上的一个按钮就可以订货。在旅游和参观展览时，你可以 让朋友共同体验。不放心家里或办公室的人，可以随时看到并控制有关设备。 1 2 2 嵌入式处理器的发展与现状 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。嵌入式处 理器的范围非常广阔，从一开始的4 位处理器，到现在大规模应用的8 位单片机，再到 现在最新的3 2 位，6 4 位嵌入式处理器。 现在世界上流行体系结构有m c u ，m p u 等3 0 多个系列，嵌入式处理器的种类也 已经超过了1 0 0 0 多种。由于嵌入式系统的发展前景非常广阔，世界上大部分的半导体 制造商都大规模生产嵌入式处理器，自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一 大趋势【5 1 。单片机、d s p 到f p g a 等设计的各种各样的嵌入式处理器有着各自特有的优 点，他们共同的优点就是处理速度越来越快，性能越来越强大但是却价格也越来越低廉。 现在嵌入式处理器处理速度最快可以达到2 0 0 0m i p s ，封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚不 等。 嵌入式处理器有以下几类： 3 第一章绪论 ( 1 ) 嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的处理器在应用中慢慢发展变化而来的。它具有 3 2 位以上的处理器和较高的性能但是他的价格也比较昂贵。但是相比普通计算机处理 器，它在实际嵌入式应用中为了能够达到最低的功耗和资源实现在嵌入式应用的特殊要 求，只保留了和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去掉其他的冗余功能部分。和普通计 算机的微处理器相比较，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优 点。 现在主要的嵌入式微处理器有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等类型。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t m c l o 单片机是嵌入式微控制器最经典的代表，虽然单片机已经经过了2 0 多年的历史， 但目前在嵌入式设备中这种8 位的电子器件仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部 集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、串行口、脉 宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。与嵌入式微 处理器相比，微控制器的最大的优点就是单片化，体积小，功耗和成本大大的下降、但 是可靠性却提高了。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源 一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 因为m c u 具有优良的功能，低廉的价格等特点，所以它的品种和数量也就最多， 比如经典的8 0 5 1 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 k 系列以及m c u 8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ，而且有支持1 2 c 、c a n b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容 系列。目前m c u 嵌入式系统约占有了的嵌入式处理器市场份额的7 0 。近年来a t m e l 出产的a v r 集成了f p g a 等器件，具有很高的性能价格比。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) 是专门用于信号处理 方面的嵌入式处理器，它在指令算法和系统结构等方面进行了特殊的设计，编译效率高 和指令执行速度的特点。现在d s p 主要应用在了数字滤波、f f t 、谱分析等领域上。 随着大规模集成电路技术快速发展，8 0 年代初生产出了首枚d s p 芯片。它的运算 速度比m p u 提高了几十倍，d s p 被广泛应用在了语音合成和编码解码器中等领域中。 4 西北大学硕士学位论文 随着c m o s 技术的进步与发展，基于c m o s 工艺的第二代d s p 芯片在8 0 年代中后期 被生产出来，其存储容量和运算速度都有了很大的提高，d s p 芯片逐渐就成为语音处理、 图像硬件处理技术领域的基础。d s p 在8 0 年代后期运算速度进一步提高，通信和计算 机领域也逐渐的应用广泛起来。9 0 年代后，d s p 发展到了第五代产品，集成度更高， 使用范围也更加广阔。 ( 3 ) s o c ( s y s t e mo l lc h i p ) 片上系统 s o c 是追求产品系统最大包容性的电子集成器件，它是嵌入式应用领域中热点。s o c 在处理器片内直接嵌入操作系统的代码模块，它可以通过使用v h d l 等硬件描述语言在 个硅片内部来实现一个复杂的系统，它只需要使用精确的语言经过综合时序设计直接 在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进 行生产，不用像过去传统的系统设计那样来绘制庞大复杂的电路板然后再一点点的连接 焊制。因为绝大部分系统构件都是在系统内部所以使得整个系统简洁实用。 1 3 主要研究内容 可穿戴计算机的特点决定了它的微处理器要求的特殊性，现在市场上有很多的嵌入 式微处理器可供选择。但是我们觉得有必要为可穿戴计算机设计一颗属于适合自己的具 有自主知识产权的处理器。 c p u 和a s i c ( 专用集成电路) 是当代硬件技术的基石。c p u 是按指令执行二进制 操作的逻辑器件，任务被分解成表达为代码的指令序列，指令一条接一条由处理器执行， 从而完成任务所要求的操作；a s i c 是为完成某种任务而专门设计的逻辑器件，任务被 分解并表达成逻辑电路，所要求的输入信号一到，电路便执行任务并将结果送到输出端。 若能兼得c p u 的通用灵活与a s i c 的高效廉价，岂不美哉? 基于f p g a 的所设计的 处理器就是一种兼得双方优点的技术方案。 在接下来的几章里我们将基于f p g a 使用v h d l 硬件描述语言在a l t e r a 公司的 q u a r t u s i i 平台下根据可穿戴计算机的移动性、低功耗特点量身设计一款具有自主开发产 权，专门为可穿戴计算机打造的嵌入式处理器。 5 第一章绪论 1 4 论文组织结构 第一章为绪论，主要介绍了本课题的背景和研究意义，国内外发展研究现状、本论 文研究内容和论文的组织结构。第二章介绍了可穿戴计算机背景知识和整体设计。第三 章介绍了本文的技术背景、设计平台与采用的硬件语言，确定了本文要完成的设计目标。 在第四章通过比较r i s c 和c i s c 指令系统我们确定了处理器采用r i s c 指令系统，然后 根据可穿戴计算机的特点和通过对指令集分析确定其系统和数据通路结构的构成。在第 五章中我们具体设计出了适合于可穿戴计算机系统的五级流水线结构处理器的各个流 水线各段和其它功能部件。最后将处理器的各个模块组合起来，根据所设计的指令集编 写测试程序进行仿真验证最后的验证结果证明所设计r i s c 流水线处理器的有效性。 6 西北大学硕士学位论文 第二章可穿戴计算机概述 可穿戴计算机不是一个简单的将微型p c 机挂在人体上的一个设备，不属于通用计 算机的范畴，而是专为延伸人体的功能而设计的专用计算机，属嵌入式系统的应用范畴。 和普通的嵌入式系统一样，它也需要嵌入式处理器、操作系统和应用软件的支持，在设 计可穿戴计算机平台时，其核心部分与普通的嵌入式系统基本类似，但由于其具备可穿 戴性和与人体密切相关等特点，在系统功能与性能上与普通嵌入式系统又有所不同。 2 1 可穿戴计算机的系统组成 2 1 1 可穿戴计算机的定义 可穿戴计算机它属于个人移动计算机系统，使用者把它穿戴在自己身上，这样就可 以和使用者紧密联系起来和外界交互信息，具有传统计算机所不具备的属性、交互方式 和功能【6 】。对于可穿戴计算机的明确定义，学术界尚无定论，但出现了几种被较多人接 受的定义和描述： s t e v e m a l m 教授指出，可穿戴计算机相比于普通的桌面计算机或者便携式p c 最大 的不同是：使用者穿戴上可穿戴计算机，它就处于持续的可使用状态( 一直开机，一直运 行) 。s t e v e m a l m 教授为可穿戴计算机做出的定义：可穿戴计算机是这样一类计算机系统： “它属于使用者个人的空间，被穿戴者控制，具有互动性和操作性。可穿戴式计算的特 征是它与传统计算的最基本的区别之一。 可穿戴计算机是一种可以让使用者任意移动的新型计算机系统，而且还有可再编程 能力、可以解放使用者的双手、具有网络连接能力和通信能力。连续操作和交互等特性 是它最大的特点。这是一种新的人机交互形式，这种人机交互形式由一个体积小、重量 轻的、可以穿在身上的可移动计算机系统实现的，这个系统一直处于工作、待用和随时 可以存取的状态，这种状态下就要求对系统可持续工作的要求较高，要求系统的低功耗。 可穿戴计算机要求人和计算机机紧密联系来，使人的智能得以别的方式更有效的扩充与 延伸。如果给可穿戴计算机配备上各种各样的传感器等特殊装置，并且使用介入现实， 增强现实，环境感知以及情感计算等各种各样的人机交互方式，就可以把人的感知能力 进一步增强，使人机关系更加和谐。可穿戴计算机打破了普通计算机以“计算 为主要 能力的传统的概念，它要求不但可以“计算，在计算的同时它还可以做很多的事情， 这样就可以起到增强智能的作用。 7 第二章可穿戴计算机概述 可穿戴计算技术是多学科和多技术的综合产物，涉及到计算机学、电子学、自动控 制学、机械学、材料学等等。我国的无线通讯技术、语音识别技术、图像压缩技术已取 得了一定的研究成果，相应产品也很多，显示技术也将提供很好的支持，可以选择阴极 射线管( c i 汀) 、液晶显示器( l c d ) 或可携带式摄像机( c a m c o r d e r ) 作为头戴式显示 器的主要介质。 超微型、超轻型、可穿戴的、可移动的这些特性决定了可穿戴计算机在能源源和资 源上都要受到一定的制约。因此，本文在进行系统的总体设计时，结合主要设计的是基 于f p g a 的可穿戴计算机的处理器芯片，充分的考虑到了系统的资源和能源空间。 2 1 2 可穿戴计算机的系统设计 在进行总体设计前期，为了对系统有一个整体性的把握，本文对可穿戴计算机系统 的层次作了一个整体的划分如图1 1 所示。 r 。- o 。r 。_ _ 。o 。1 ，。- _ _ _ - - _ _ 。 l 骗骄il酮觞l l躺辨l 胴 - o _ _ _ _ - _ - - - - _ _ _ o o _ _ _ _ _ _ 一_ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - - - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - o _ i 醐黼磁l 黼台 j 口 曼口一 辨熏撙呼台 oo“o。1。1-_-_。，_-_-_一 i 传蓐警设备il 逐誊设备il 遢诹设备l l 定使设备l i 输入输出设备i 外设 -_。_。-o-o-_-_-一-_-_-_l_-_ 图2 1 可穿戴计算机整体划分图 从系统的整体划分图1 1 可以看出：可穿戴计算机系统的外设比较多，其中包含多个 通讯设备、语音设备、传感器设备、定位设备等，并且系统的外设的接口种类也不相同， 所以为系统总体设计的规范化带来了很多的困难；再者系统的功能模块相对较多，系统的 模块动态重组由于过多的功能模块将受到各种各样的影响。 目前，一个基本的可穿戴计算机系统主要包括微小型计算机、头戴显示器( h m d ) 、 微型摄像头、g p s 定位器、耳机、话筒、无线电台、手写输入板、电池等，如图1 2 所 示。所有设备分别戴在头上和装在衣服口袋里。 8 西北大学硕士学位论文 头戴部分 上衣都分 图2 2 可穿戴计算机系统设备图 到目前为止，微小型计算机虽然小巧到可以放在上衣口袋里，但是其性能指标仍然 与奔腾i i i 相当，例如，主频可高于5 0 0 m h z ，内存可达到1 2 8 m b ，硬盘达到1 2 g b ，并 具有高性能的i o 子系统。系统般情况下不带键盘，如果需要可戴腕式微小型键盘： 鼠标功能可通过手写板实现；头戴显示器小而轻，可放在眼镜上，其分辨率和放大倍数可 满足需求。 2 2 可穿戴计算机的系统工作方式 2 2 1 可穿戴计算机的基本工作方式 可穿戴计算机系统的基本工作方式是：通过摄像头摄取图像，通过话筒和手写板分 别输入语音和文字，然后把声、图、文等信息进行压缩加密，使用电台把信息传送到另 一节点或处理中心；然后，电台接收另一节点或处理中心传来的声、图、文信息并送到 计算机，经过解密和解压缩后，再分别传送到显示器和耳机，可通过手写板和几个功能 键实现简单操作。 归纳起来，可穿戴计算机系统具有如下功能： 1 定位功能通过g p s 可准确确定使用者的位置； 2 视觉延伸功能通过摄像将现场图像传回远程接收点； 9 第二章可穿戴计算机概述 3 语音命令功能通过语音来操作计算机； 4 手写输入功能； 5 多媒体集成功能； 6 决策功能根据现场信息做出预测分析和决策。 可穿戴计算机系统并不是简单地把一台p c 机微型化后分布在身体之上，它必须研 究和解决许多特殊的关键技术。我们把这些系统和关键技术称之为“可穿戴计算技术”。 2 2 2 系统性能分析 可穿戴计算机应用场合的特殊性决定了它的性能的特点，可穿戴计算机在上述功能 的条件下还要具备下以下的一些性能： 1 可穿戴计算机的低功耗。因为可穿戴计算机一般都使用电池供电，所以它的系 统的功耗是非常重要的的性能指标，从现在的电池的容量来看，当整个系统的工作电流 下降低到几十毫安的情况下，它才能保证可穿戴计算机在一定条件下连续的工作。 2 可穿戴计算机必须要体积微型、重量轻。因为可穿戴计算机的是穿戴在人体上 面的，所以为了减轻人体的负担和便于安装，可穿戴计算的体积就要小型化、微型化， 它的重量必须要轻型化。 3 可穿戴计算机总线要串行化、一致化。它的各个功能模块分布于人体的各个不 同的部位，在模块之间的数据交互总线最好选用统一的总线，这样有利于系统的扩展而 且方便在人体的各个位置上队模块进行调整。因为各个模块安装位置到处理器的位置有 远有近，所以为了减少连线的根数，应该采用串行或无线的方法进行互联。如果采用串 行通讯的方法既可以减少连线又可以降低数据传输时的功耗。 4 可穿戴计算机系统的可重构性。在不同的应用场合同一台可穿戴计算机所需要 的外围模块、软件功能都会不一样，可穿戴计算就系统应该要具备很强的可重构性来支 持这些应用，它的外围模块化设计和应用软件的应该易于更替。 2 3 可穿戴计算机的处理器 根据前面所讲的可穿戴计算机技术的特点，它的处理器要求微型化，低功耗，可移 动性。根据这些特点我们将为可穿戴计算机设计处理器。 c p u 和a s i c ( 专用集成电路) 是当代硬件技术的基石。c p u 是按指令执行二进制 1 0 西北大学硕士学位论文 操作的逻辑器件，任务被分解成表达为代码的指令序列，指令一条接一条由处理器执行， 从而完成任务所要求的操作；a s i c 是为完成某种任务而专门设计的逻辑器件，任务被 分解并表达成逻辑电路，所要求的输入信号- n ，电路便执行任务并将结果送到输出端。 灵活通用是c p u 最大的优点。理论上所有基于数字量的任务都能通过一种算法， 表达成指令序列，由c p u 完成。比如，将点阵图像压缩成m p e g 格式、把文件从硬盘 发送到网络端口、求解线性方程组等等都可以由c p u 完成。然而，c p u 完成某种任务 的方法常常并非最优，效率并不高。比如：运算a = b c + d ，处理器必须分成两步，先做 e = b c ，再做a = e + d 。如果用a s i c ，通过适当配置门电路，可以一步完成。c p u 内部的 门电路是个天文数字，但每次操作中只有少数门工作，其余处在闲置状态，此时仍需耗 电，产生热量。为了提高性能，c p u 只能采取提高主频，增大集成规模的策略。于是， 成本高、散热难和功耗大成为灵活通用的代价。 a s i c 是只能完成一项或少数几项任务，其结构经过优化的专用器件，效率很高， 没有多余的门电路，功耗小，发热低，批量大时价格非常便宜，广泛用于各类嵌入式系 统和消费类电子产品。 若能兼得c p u 的通用灵活与a s i c 的高效廉价，岂不美哉? 基于f p g a 的所设计的 处理器就是一种兼得双方优点的技术方案。 开发出有自主知识产权的处理器核对我国在微电子技术方面缩小世界领先技术的 差距，提高信息产业在世界上的核心竞争力有重大意义。传统的处理器设计需要使用的 各种各样芯片，在实际试验中需要花费大量的时间进行大量的连线，故造成系统的可靠 性低，所以造成芯片或连线出现各种各样的故障，不利于排查困难。现在利用e d a 、 和f p g a 技术在一块芯片上形成处理器，既不受硬件条件的控制也可以根据具体情况和 要求定制合适的处理器。传统的处理器结构模式冯诺依曼结构和哈佛结构正在受到 巨大的挑战，处理器的设计技术进入了一个全新的时代。 在接下来的几章里我们将基于f p g a 使用v h d l 语言在a l t e r a 公司的q u a r t u s s l i 平 台下根据为可穿戴计算机的移动性、低功耗特点量身设计一款具有自主开发产权，并且 并且物美价廉适合于她自己的处理器。 2 4 小结 1 1 第二章可穿戴计算机概述 本章详细介绍了可穿戴计算机的系统组成和系统工作原理，对可穿戴计算机的性能 和特点进行了分析。这样我们就知道了我们将要设计的处理器要符合可穿戴计算机的哪 些特点和特性，为我们以后处理器的设计提供了重要的依据。 1 2 西北大学硕士学位论文 第三章开发平台及相关技术介绍 在本章中我们将介绍设计处理器所使用到的一些技术和平台。包括e d a 技术、 f p g a 、q u a r t u s i i 平台及其相关的一些技术。 3 1e d a 技术及q u a r t u s i i 平台介绍 3 1 1e d a 技术 电子设计技术的核心就是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 ) 技术【6 】，即以计算 机为工作平台，把计算机技术、应用电子技术、智能化技术融合在一起而研制成的电子 c a d 通用软件包，主要能辅助i c 设计、电子电路设计和p c b 设计进的设计工作。 e d a 技术的基本特征7 】： 它的基本特征是：设计人员采用了“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设 计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路( a s i c ) 实现，然后采用硬 件描述语言( h d l ) 完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器 件，这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。e d a 代表了当今电子设计技术的 最新发展方向，下面介绍与e d a 基本特征有关的几个概念。 1 “自顶向下”的设计方法。1 0 年前，电子设计的基本思路还是选用标准集成电路“自 底向上”地构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔，不仅效 率低、成本高而且容易出错。 2 a s i c 设计。现代电子产品的复杂度日益提高，个电子系统可能由数万个中小 规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题。解决这一问题的有 效方法就是采用a s i c 芯片进行设计。a s i c 按照设计方法的不同可分为全定制a s i c 、 半定制a s c 和可纪程a s i c ( 也称为可编程逻辑器件) 。 可编程逻辑器件自7 0 年代以来，经历了p a l 、g a l g p l d 、f p g a 几个发展阶段， 其中c p l d f p g a 高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达2 0 0 万门片，它将格 模a s c 集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合 于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以 很容易地转由掩模a s i c 实现，因此开发风险也大为降低。 1 3 第三章开发平台及相关技术介绍 上述a s i c 芯片，尤其是c p l d f p g a 器件，已成为现代高层次电子设计方法的 实现载体。 3 硬件描述语言。硬件描述语言( h d l ) 是一种用于设计硬件电子系统的计算机 语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统 的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。例如一个3 2 位的加法器，利用图 形输入软件需要输人5 0 0 至1 0 0 0 个门，而利用v h d l 语言只需要书写一行“a = b + c ” 即可。而且v h d l 语言可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，如a b e l 、 h d l 、a h d l ，由不同的e d a 厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间 翻译工作要由人工完成。为了克服以上不足，1 9 8 5 年美国国防部正式推出了高速集成电 路硬件描述语言v h d l ，1 9 8 7 年i e e e 采纳v h d l 为硬件描述语言标准( i e e es t d 一 1 0 7 6 ) 。 4 e d a 系统枢架结构e d a 系统框架结构( f r a m e w o r k ) 是一套配置和使用 e d a 软件包的规范。目前主要的e d a 系统都建立了框架结构，如c a d e n c e 公司的 d e s i g nf r a m e w o r k ，m e n t o r 公司的f a l c o nf r a m e w o r k ，而且这些框架结构都遵守国际c f i 组织制定的统一技术标准。框架结构能将来自不同e d a 厂商的工具软件进行优化组合， 集成在一个易于管理的统一的环境之下，而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产 品开发过程中的信息传输与共享，是并行工程和自项向下设计施的实现基础。 e d a 技术的每一次进步，都引起了设计层次上的一次飞跃，从设计层次上分，7 0 年代为物理级设计( c a d ) ，8 0 年代为电路级设计( c a e ) ，9 0 年代进入到系统级。 高层次设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而 是针对设计目标进行功能描述。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中 于创造性的方案与概念的构思上，一且这些概念构思以高层次描述的形式输人计算机， e d a 系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。这样，新的概念就能迅速有效地 成为产品，大大缩短了，产品的研制周期。不仅如此，高层次设计只是定义系统的行为 特性，可以不涉及实现工艺，因此还可以在厂家综合库的支持下，利用综合优化工具 将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网络表，使工艺转化变得轻而易举。 3 1 2q u a r t u s l i 介绍 q u a r t u si i 是a l t c r a 公司的第四代可编程逻辑( p l d ) 软件【羽，具有强大的设计能力和 1 4 西北大学硕士学位论文 直观易用的接口，并且在工业领域率先提供f p g a 与m a s k p r o g r a m m e dd e v i c e s 开发的 统一工作流程。颇受数字系统设计者的欢迎。相比上一代，q u a r t u si i 的进步主要表现 在：改进了l o g i e l o c k 模块设计功能，增添了f a s t f i t 编译选项，推进了网络编辑性能， 提升了调试能力等。q u a r t u si i 在输入形式上支持原理图、v h d l 、v e r i l o g h d l 以及a h d l ( a l t e r ah a r d w a r ed e s c r i t i o nl a n g u a g e ) 等，由于其内嵌自有的综合器以及仿真器，可 以完成从设计输入到硬件配置的完整p l d 设计流程。 q u a r t u si i 可以在x p 、l i n u x 以及u n i x 等多种系统上使用 9 】，不仅可以使用t e l 脚 本完成设计流程，还可以通过完善的用户图形界面设计方式完成设计。q u a l t u s1 1 支持 a l t e r a 的i p 核，包含了l p m m e g a f u n c t i o n 宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的 模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。同时，对第三方e d a 工具的良好支持 也使用户在设计流程的各个阶段都可以使用自己熟悉的第三方e d a 工具。此外，q u a r t u s 通过和d s pb u i l d e r 工具和m a t l a b s i m u l i n k 相结合，可以方便地实现各种d s p 应用 系统。再者，q u a r t u s1 1 支持a l t e r a 的片上可编程系统( s o p c ) 开发，能集系统级设计、 嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。 本毕业设计就是在a l t e r a 公司q u a r t u si i 平台下使用v h d l 硬件描述语言完成的。 3 2f p g a 及v h d l 概述 3 2 1f p g a 介绍 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 ) ，即现场可编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、 c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物【1 0 】。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 由美国x i l i n x 公司1 9 8 5 年发明，目前f p g a 中的逻辑单元数量已经超过8 0 0 万个门电路( 相当于p i 处理器) 。f p g