（电路与系统专业论文）基于niosⅡ的步进电机控制器的实现.pdf

摘要 随着半导体技术的应用和发展，出现了f p g a ( 现场可编程逻辑门阵列) ， 从前需要很多器件才能完成的功能，现在用一个芯片就能实现。可编程器件 的进一步发展，出现了嵌入式软核处理器，像比较流行的a l t e r a 公司的 n i o s 和x i l i n x 公司的m i c r o b l a z e 。嵌入式软核处理器可以根据我们的需 要定制c p u 及外设，这样不但可以发挥硬件编程的高速性和并行性，同时 可以充分利用现有的c p u 应用系统设计中的丰富资源。 步进电机控制是自动化控制系统中的一个必不可少的环节。对步进电机 的控制可以有很多方法，比如采用单片机或d s p 控制等。但基于单片机或 d s p 的软件控制器因其程序执行的串行性，很难达到实时并行控制的目的， 同时还将占用大量的c p u 时间。 本文首先从f p g a 发展的背景入手，介绍了f p g a ，n i o s ，步进电机控 制的相关概念和其发展状况。 其次，阐述了步进电机控制系统的硬件结构，并对相关的芯片和功能模 块做了介绍；然后详细介绍了本设计中的步进电机控制器和增强型异步串行 接口的设计过程。 然后，详细介绍了3 2 位n i o s 软核处理器的定制方法。处理器一方面实 现了标准部件的定制( 如c p u ，s d r a m ，f l a s h ，p i o 等) ，同时将自己设 计的步进电机控制器和异步串行接口挂接在c p u 的a v a l o n 总线上。 再次，详细介绍了基于n i o s 的软件设计方法，这部分将对定制完成的 各功能部件进行操作，同时为了更好地调试电机的性能参数，编制了上位机 软件，通过异步串行接口实现对步进电机的控制。 最后，论文给出了测试结果。 关键词：步进电机；n i o s ；f p g a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f t h es e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , t h ef p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) a p p e a r e d n o w , w ec a ni m p l e m e n tt h ef u n c t i o n o n l yi na ni c ( i n t e g r a t ec i r c u i t ) w h i c hn e e d sal o to f i ci nt h ep a s t 、聃lt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to fp r o g r a m m a b l el o g i ci c ，t h ee m b e d d e ds o f tc o r em i c m c o n t r o l l e r a p p e a r e d s u c ha st h ep o p u l a ra l t e r ac o m p a n y sn i o sa n dx i l i n xc o m p a n y s m i c r o b l a z e u s i n gt h ee m b e d d e ds o f tc o r em i c r o c o n t r o l l e r , w ec a l lc u s t o m i z et h e c p ua n dp e r i p h e r a lc o m p o n e n t sa sw en e e d m e a n w h i l e w ec a na l s ou t i l i z et h er i c h r e s o u r c e sf o rt h ee x i s t e n tc p ua p p l i c a t i o ns y s t e ms o f t w a r ed e s i g n t h ec o n t r o lo fs t e pm o t o ri sa ne s s e n t i a lp a r ti nt h ea u t o m a t i o nf i l e d 砀es t e p m o t o rc a nb ec o n t r o l l e dw i t hm a n ym e t h o d s s u c ha sm c ua n dd sp b u ti ti sd i m c u l t f o ram c ua n dd s pt oc o n t r o ls e v e r a ls t e dm o t o r sa tt h es a n et i m eb e c a u s eo ft h e c h a r a c t e r i s t i co f s e r i a l p r o c e s s i n g o f n o r m a l m c ua n d c p u s a m o u n t o f c p u t i m e i s a l w a y sw a s t e d f i r s t t h eb a c k g r o u n do ft h ec o n c e p to ff i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yi s i n t r o d u c e di nt h ep a p e r , a sw e l la sf p g a ，n i o sa n ds t e pm o t o r s s e c o n d ，t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ei se x p o u n d e d ，a sw e l la sc h i p sa n df u n c t i o n m o d u l ei n f o r m a t i o n a l s o ，t h ed e s i g nf l o w o fa s t e pm o t o rc o n t r o l l e ra n da ne n h a n c e d a s y n c h r o n i z e ds e r i a li n t e r f a c ei si n t r o d u c e d t h i r d t h em e t h o do fc u s t o m i z i n ga3 2b i tm i c r o c o n t r o l l e ri sd e s c r i b e di nd e t a i l t h em i c r o c o n t r o l l e ri m p l e m e n t ss t a n d a r dc o m p o n e n t s ( s u c ha sc p u s d r a m f l a s h ，p i o ) ，w h i c ha r ec u s t o m i z e d m e a n w h i l e ，t h es t e pm o t o rc o n t r o l l e ra n dt h e a s y n c h r o n i z e ds e r i a lb u sa r ea l s oa t t a c h e dt ot h ea v a l o nb u so f t h ec p u f o u r t h t h es o f t w a r ed e s i g nm e t h o db a s e do nn i o s i sd e s c r i b e di nd e t a i l t h e c u s t o m i z e d3 2b i tm i c r o p m c e s s o ri sp r o c e s s e d w ea l s op r o g r a mc o m p u t e rs o f t w a r e i np ci no r d e rt oo p t i m i z et h es t e pm o t o rp a r a m e t e r w ec a ni m p l e m e n tt h ec o n t r o l t a s ko f t h es t e dm o t o r sb yt h ea s y n c h r o n i z e ds e r i a lb u s f i n a l l y , t h et e s t i n gr e s u l t so f t h es y s t e ma f ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：s t e pm o t o r , n i o s ，f p g a i i 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， 也不包含为获得东北师范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谢意。 学位论文作者签名：i 垂谴日期 2 0 7 , 6 1 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权东北师范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，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：遣遵 指导教师签名：互矗西 日 期：2 1 1 z ：日期：2 碰l ：f 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 通讯地址：邮编： 1 3 1 5 9 6 0 3 0 2 4 引言 0 1 f p g a 技术发展概述 o 1 1f p g a 概述 现场可编程门阵列( f p g a ，f i e l dp r o g r m m n a b l eg a t ea r r a y ) 的出现是超 大规模集成电路( v l s i ) 技术和计算机辅助设计( c a d ) 技术发展的结果，是当 代电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它所具有的硬件描述语言的 可修改性，高集成性，高速低功耗，开发周期短，硬件与软件并行性，决定了它 的崛起是必然的趋势。现场可编程门阵列f p g a 器件是x i l i n x 公司1 9 8 5 年首 家推出的，它是一种新型的高密度p l d ，采用c m o s s r a m 工艺制作，其内部由 许多独立的可编程逻辑模块( c l b ) 组成，逻辑块之间可以灵活的相互连接。c l b 的功能很强，不仅能够实现逻辑函数，还可配置成r a m 等复杂的形式。配置数 据存放在片内的s r a m 或者熔丝图上，基于s r a m 的f p g a 器件工作前需要从芯 片外部加载配置数据。配置数据可以存储在片外的e p r o m 或者计算机上，设计 人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场可编程。近年 来，f p g a 市场发展十分迅速，各大f p g a 厂商，有代表性的是a l t e r a 公司， x i l i n x 公司，c a d e n c e 公司，不断采用新技术来提高f p g a 器件的容量，增强 软件的性能。 如今，f p g a 器件广泛应用于通信，自动控制，信息处理等诸多领域，不仅 可以提高系统性能，而且对于系统优化也有帮助。诸如脉冲压缩雷达( 它的工作 原理是，在发射端采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够大的作用距 离，在接收时采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高分辨率，因而能较好解 决作用距离和分辨能力之间的矛盾) 中的频域数字脉冲压缩就可以用f p g a 实 现；基于软件无线电的数字下变频技术d d c ，基于f i r ，f i r 的数字滤波器，基 于通信中的纠错编码和交织，基于数字加密的m 序列产生器等等，越来越多的 电子设计人员在使用f p g a ，熟练掌握f p g a 设计技术已经是对电子设计工程师 的基本要求。当然，f p g a 设计是一个相当复杂的工作，是一项实践性非常强的 专业技术，需要遵循一定的设计原则和一定的经验积累，所以，对于设计人员， 多实践和多总结是比较好的方法。 0 1 2s 0 c 概述 随着集成电路工艺技术的不断发展和集成度的大幅度提高，集成嵌入式系统 的电路系统也由板级向芯片级过渡，即片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 。 片上系统s o c 是一个复杂的系统，集软、硬件于一体，常将一个完整产品的 各项功能集成在一个芯片上。s o c 的最大特点是成功地实现了软硬件无缝结合， 直接在处理器芯片内嵌入操作系统，硬件可以包括处理器c p u 、存储器、硬件加 速单元、与外围设备的接口、甚至延拓到传感器、微机电和微光电单元等代码。 而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内运用v e r i l o g 等硬件描述语言，并借 助于以计算机为平台的e d a 工具，实现一个复杂的系统，用户不需要再像传统的 系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，并焊接，只需要使用精确的语言，综合 时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器标准，通过仿真就可以交付芯片厂 商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统特别简洁，不仅 减少了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性和设计生产效率。 s o c 的设计以知识产权i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核为基础，以分层次的 硬件描述语言为系统功能和结构的主要描述手段，借助于以计算机为平台的e d a 工具进行。研究表明，与i c 组成的系统相比，由于s o c 设计能够综合并全盘考 虑整个系统的各种情况，因而可以在同样的工艺技术条件下，实现更高性能的系 统指标。 o 1 3s o p c 概述 随着技术的进一步发展，s o c 设计面临着一些诸如如何进行软硬协同设计， 如何缩短电子产品开发周期的难题。为了解决s o c 设计中遇到的难题，设计方法 必须进一步优化，于是a l t e r a 公司率先提出来了一种灵活、高效的解决方案， 即：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) 口1 。它是用可 编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。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， 并具备软硬件在系统可编程的功能。 可编程逻辑器件产生于2 0 世纪7 0 年代。其出现的最初目的是为了用较少的 p l d 品种替代种类繁多的各式中小规模逻辑电路。在3 0 多年的发展过程中，p l d 的结构、工艺，功耗、逻辑规模和工作速度等都得到了重大的进步。尤其是在 2 0 世纪9 0 年代，出现了大规模集成度的f p g a ，单片的集成度由原来的数千门， 发展到数十万甚至数百万门。芯片的i 0 口也由数十个发展至上千个端口。有的 制造商还推出了含有硬核嵌入式系统的i p 。因此，完全可能将一个电子系统集 成到一片f p g a 中，即s o p c ，为s o c 的实现提供了一种简单易行而又成本低廉的 手段，极大地促进了s 0 c 的发展。 0 2 步进电机控制技术发展概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为s t e pm o t o r 或 s t e p p i n gm o t o r 、p l u sm o t o r 、s t e p p e rs e r v o 、s t e p p e r 等等。目前，随着电 子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越 模糊。就传统的步进电动机来说、步进电动机可以简单地定义为，根据输入的脉 冲信号，每改变一次励磁状态就i j 进一定角度( 或长度) ，若不改变励磁状态则 保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控 制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步 的同步电动机。 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1 8 3 0 年 至1 8 6 0 年间。1 8 7 0 年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氨弧灯的电极输送 机构中。这被认为是最初的步进电动机。此后、在电话自动交换机中广泛使用了 步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。 2 0 世纪6 0 年代后期，在步进电动机本体方面随着永磁材料的发展，各种实 用性步进电动机也应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领 域的应用。在近3 0 年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲， 2 步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机、以及同步电动机并列，从而成为 电动机的一种基本类型。 我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪5 0 年代后期。从5 0 年代后期到 6 0 年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产 品。这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。7 0 年代初期，步进电动 机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步 进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。7 0 年代中期至8 0 年代中期为成 品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自9 0 年代中期以来，由于对步 进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品 广泛利用。 0 3 论文选题的背景、意义及主要研究内容 o 3 1 论文选题的背景 目前国内的步进电机控制系统有了很大的发展，从数量上和质量水平上都有 了很大的进步。但就目前来说，利用基于f p g a 系统开发的步进电机控制系统还 并没有得到普及应用，相信这是将来的发展的大方向。不仅仅是步进电机，在其 它的控制系统也将会向着这种灵活的控制器设计方向发展。 本人现己在一家医疗检测设备生产企业工作，在工作实践中逐渐学习掌握了 f p g a 开发和n 1 0 si ic p u 的相关知识，现在的主要工作是负责检测设备中步进 电机控制模块的开发，基于n i o si i 的步进电机控制也是工作中的重点攻关课题， 经过一段时间的研究，取得了一定的进展，论文的选题也取材于工作中这一重要 组成部分。 0 3 2s o p c 技术运用于步进电机控制领域的技术优势 1 、单片机控制步进电机技术的弊端 当前在步进电机控制领域，大多采用单片机控制方案，虽然可以实现对步进 电机的控制，但因需要c p u 的频繁参与，将消耗大部分的运算时间，从而影响了 对其它部件的控制。 此外，在使用单片机控制多个节点的时候将不得不采用多c p u 的方式1 ，通 过总线将各c p u 连接起来，再通过主控c p u 加以控制。由于各c p u 的分散性将使 控制系统产生故障的几率大大增加，系统出现故障时也不便于检测维护，同时也 增大了系统的体积，使系统的集成度、可靠性大大降低。多c p u 的控制方式在一 些高精度设备中也无法满足实时性的要求。 2 、s o p c 技术运用于步进电机控制领域的技术优势 ( 1 ) 采用基于s o p c 技术的n i o si i 软核处理器可以简化系统设计，降低系 统的开发难度，缩短开发周期，降低了成本。n i o si i 系统的内部设备和外围设 备接口都是以i p 核形式出现，这样在设计时，就可以根据需要选择相应i p 核添 加到系统，以后还可以进行更改。由于软核处理器的嵌入，且f p g a 芯片管脚可 灵活设置，系统布线将更为容易，p c b 层数也因此可能减少，还有就是它的硬件 设计软件化还能方便的对硬件做模拟仿真，减少硬件设计错误。此系统的开发将 需要更少的人花更短的时间就可以完成，提高了生产效率，缩短了开发周期，节 约了成本。 ( 2 ) 采用n 1 0 si i 软核处理器的产品易于维护，便于升级。随着产品性能 的日益提高，系统将更加先进，基于标准处理器的方案将会被淘汰，而像n i o si i 3 处理器的方案是基于h d l 源码构建的，能够修改以满足新的系统需求，避免了被 淘汰的命运。将处理器实现为h d l 的i p 核，开发者能够完全定制c p u 和外设， 获得恰好满足需求的处理器。相比之下，像单片机这样的硬核处理器不可能让开 发者自己定义指令。 ( 3 ) 基于s o p c 技术的控制程序设计与单片机程序设计相比，单片机的功能 实现是顺序的、单线程的，而基于f p g a 的设计是并行的、多线程的，因此硬件 变成更适合实时性、高速的工作场合。 ( 4 ) 采用n i o si i 软核处理器取代单片机在进行多步进电机节点控制时， 可以完成多个节点单片机的功能，而且是并行、多线程，设备的故障率低、能耗 低，而且设备的体积也大大降低了。 0 3 3 论文选题的意义 由于医疗检测设备结构复杂，设计难度大，风险高，n i o si i 软核处理器优 点正好可以降低系统设计难度，降低风险，保证了检测设备中步进电机执行动作 的准确度和检测结果的精度。因此，采用s o p c 技术用于步进电机控制对于提升 产品质量和市场竞争力有着重要的意义，此技术在其它控制领域也可以推广应 用，拥有广阔的发展空间。 0 3 4 论文研究的内容 本文将在a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列f p g a 上以n i o si i 软核处理器为 基础设计一片上可编程系统( s y s t e m o np r o g r a m m a b l ec h i p ，简称s o p c ) ，应用 到步进电机控制系统中。以下是本文的主要内容安排： 1 、f p g a 的相关技术知识，包括f p g a 的应用开发流程，s o c 及s o p c 的 应用，硬件描述语言v h d l 和v e r i l o gh d l ，以及开发工具q u a r t u si i 的 一些相关知识。 2 、n 1 0 si i 软核处理器的相关技术介绍。 3 、步进电机控制原理，步进电机的分类，以及本文涉及的步进电机相关介 绍。： 4 、控制系统硬件设计，各功能模块介绍。 5 、控制系统的软件设计，监测软件的设计。 6 、步进电机控制测试以及总结展望。 4 第一章f p g a 开发相关技术介绍 1 。1f p g a 技术 1 1 1f i 屯, a 简介 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a n m a b l eg a t ea 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 采用了逻辑单元阵列l e a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念，内部 包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块1 0 b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分f p g a 的基本特点 主要有： 1 、采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用芯片。 2 、f p g a 可以作为其它全定制或半定制a s i c 电路的样片 3 、f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 4 、f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之 一o 5 、f p g a 采用高速c h m o s - f 艺，功耗低，可以与c m o s ，t t l 电平兼容。可以 说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 6 、丰富的片上可编程逻辑资源。目前f p g a 的品种很多，有x i l i n x 的x c 系列、t i 公司的t p c 系列、a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列等 1 1 2f p g a 原理 现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yf p g a ) 的电路结构是由 若干独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接成所需要设 计的数字系统。基于查找表( l o o k - u p t a b l e ，l u t ) 的f p g a 结构为现在主流的 f p g a 结构。f p g a 结构一般由三个部分组成：可配置逻辑功能模块( c o n f i g u r a b l e l o g i cb l o c k s ，c l b ) 、输入输出模块( i n p u t o u t p u tb l o c k s ，i o b ) 、可编程内 部互连资源( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t i o n ，p i ) 。 查找表l u t 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每 一个l u t 可以看成一个有4 位地址线1 6 1 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，然后输出即可。 1 1 3f p g a 的种类 f p g a 可以分为两大类别：s r a mb a s e 和a n t i f u s e ( 反熔丝) 。 s r a mb a s e 的f p g a 本身就像一个s r a m ，在开机后其必须经过一个称为 c o n f i g u r a t i o n ( 配置) 的过程。c o n f i g u r a t i o n 可将设计加载到电路板上的f p g a 中，其方式一般通过各家厂商提供的特殊d o w n l o a dc a b l e ( 下载电缆) ，或是在 f p g a 旁边加块p r o m 的方式实现。但在关机后，f p g a 的内容消失，直到下次重新 开机c o n f i g u r a t i o n 后，f p g a 才能恢复正常的功能，a l t e r a ，x l l i n x ，l u c e n t 等公司都采用这种方式，也是现在用的最多的一种方式。 a n t i f u s e 的f p 6 a 本身则像一个f u s e a r r a y ，将设计载入f p g a 的过程一般 称为刻录，因为它是将f p g a 内的f u s e 熔断，因此在执行这个动作以后，f p g a 的功能就固定了，即使掉电后重起其功能仍然存在。对于这种f p g a ，不需要外 加专用的配置芯片。但是这种方式的f p g a 只能写一次，所以危险性很大。 所以在选用的时候尽量选用基于s r a m 方式的芯片。 1 1 4f p 6 a 的发展趋势 f p g a 的发展趋势主要体现在以下几个方面：向更高密度、更大容量的千万门 系统级方向迈进；向低成本、低电压、微功耗、微封装和环保型方向发展；i p ( i n t e r i e c t u a lp r o p e r t y ) 资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式； m c o 、d s p 等嵌入式处理器i p 将成为f p g a 应用的核心。 随着处理器以i p 的形式嵌入到f p g a 中，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 s ) 和f p g a 之间的界限将越来越模糊，未来的某些电路板上 可能只有两部分电路：模拟部分( 包括电源) 和一块f p g a 芯片，最多还有一些大 容量的存储器。这表明，可编程片上系统( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 正在成为f p g a 最为重要的发展方向。 目前大致采用两种方法来实现s o p c ：一种是在可编程器件f p g a 中嵌入c p u 内核，获得可编程系统平台：另一种是将可编程模块置入a s i c 之中，得到具有可 配置功能的a s i c 。 基于以上f p g a 的优点和未来发展趋势，这里选择s o p c 作为步进电机控制系 统的研究的方向，相信在不久的将来必将促进其它控制技术的发展。s o p c 也是 s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) ，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能。 s o p c 具有s o c 的所有优点，克服了其缺点，应用更加灵活。 1 1 5f p g a 设计流程 6 图1 - 1f p g a 设计流程 1 2s o c 技术 1 2 1s o c 简介 近l o 年来，无论是消费类产品如电视、录像机，还是通信类产品如电话、 网络设备，这些产品的核心部分都开始采用芯片作为它们的“功能中枢”，这一 切都是以嵌入式系统技术得到飞速发展作为基础的。 s o c 最早出现在2 0 世纪9 0 年代中期，是a s i c 设计方法学中的新技术，是 指以嵌入式系统为核心，以i p 复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产 品系统最大包容的集成芯片。狭义的理解，可以将它理解为“系统集成芯片”， 指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和i o 等功能，包含嵌入式软 件及整个系统的全部内容；广义的理解，可以将它理解为“系统芯片集成”，指 一种芯片设计技术，可以实现从确定系统功能开始，到软硬件划分，并完成设计 的整个过程。 由于s o c 可以利用已有的设计，显著地提高设计效率，故发展非常迅速，s o c 的发展是市场和技术共同推动的结果。 l - 2 2i p 复用技术 s o c 的设计基础是i p 复用技术。i p 模块是一种预先设计好，己经过验证， 具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。 1 、软i p 核( s o f ti pc o r e ) 本质上是一段可综合的高级语言程序，用h d l 语言建立的数学模型。它在抽 象的较高层次上对i p 功能进行描述，并且己经过行为级设计优化和功能验证。 它通常以h d l 文档的形式实现，文档中一般包括逻辑描述、网表，以及一些可以 用于测试，但不能物理实现的文件。使用软i p ，可以综合出正确的门电路级网 表，进行后续结构设计。软i p 核的灵活性大，可移植性好。 2 、硬i p 核( h a r di pc o r e ) 经过某一工艺实现并仿真通过和投片验证的版图设计，主要是基于i p 模块 物理结构的描述。它是电路物理结构掩模版图和全套的工艺文件，拿来就可以使 用的全套技术。其优点是完成了全部的前端和后端设计，已有固定的电路布局和 具体工艺，可以确保性能，并缩短s 0 c 的设计时间。 3 、固i p 核( f i r mi pc o r e ) 仿真后得到的完整电路网表，主要是基于i p 模块结构的描述，用h d l 建模 和综合后生成的电路结构编码文件。是介于硬i p 和软i p 之间的i p 核。固i p 一般以门电路级网表和对应具体工艺网表的混合形式使用的。 i p 重用技术使芯片设计从以硬件为中心，逐渐转向以软件为中心，从门级 的设计，转向i p 模块和i p 接口级的设计。这缩短s o c 设计的时间，还降低设计 和制造成本，提高可靠性。在s o p c 的开发中也是以i p 重用为基础的。 1 2 3s o c 技术的优缺点 1 、s o c 的优势 ( 1 ) 功耗低：由于s o c 产品多采用内部信号的传输，可以大幅降低功耗。 ( 2 ) 体积小：数颗i c 整合为一颗s o c 后，重量、体积大大减小。 ( 3 ) 系统功能丰富：s o c 可整合更多的功能元件和组件。 ( 4 ) 速度快：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号的传输效率更高。 ( 5 ) 成本低：i p 模块使得研发成本低，研发时间短，可适度节省成本。 2 、s o c 的不足 ( 1 ) 要将i p 模块集成到s o c 中，要求设计者完全理解复杂i p 模块的功能、 接口和电气特性，如微处理器、存储器控制器、总线仲裁器等。 ( 2 ) 随着系统的复杂性的提高，要得到完全吻合的时序也越来越困难。i p 模 块的标准化可以在一定程度上解决上述问题。 1 2 4 基于s o c 的嵌入式系统设计方法 基于s o c 的嵌入式系统设计技术，是从“集成电路”级设计到“集成系统” 级设计转变的结果。其设计是从整个系统性能出发，把微处理器、模型算法、外 围器件乃至器件的设计紧密结合起来，并通过系统软件和硬件的协同设计，在单 个( 也可能是几片) 芯片上完成整个系统的功能。 1 3s o p c 技术 1 3 1s o p c 简介 以往的s o c 设计依赖于固定的a s i c 。其设计方法通常采用全定制和半定制 电路设计方法，设计完成后如果不能满足要求，经常需要重新设计再进行验证， 这将导致开发周期变长，开发成本增加。另外，如果要对固定a s i c 的设计进行 修改、升级，也将花费昂贵的代价而进行重复设计。与a s i c 比较，可编程逻辑 器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 的设计要灵活得多，它不仅开发周期较 短，而且规模效应具有成本优势。因此，著名的可编程逻辑器件生产厂家美国 a l t e r a 公司提出了基于p l d 的s 0 c 设计方案s o p c 。 焉1 马禺 胛 一 i j = 1 恳研 一 日一 j i 0 曩 - _ _ _ - _ _ - 一 图卜2s o p c 结构框图 从图上可以看出，把所有的i o 、d s p 、c p u 都放到了一块f p g a 中。这种利 用减少外围器件的可编程逻辑器件能够降低器件的成本，复杂性和功耗。在系统 级的集成中s o p c 中的c p u 被要求是一种重要的控制功能，嵌入的d s p 等也可以 作为数据处理功能，这样使用起来更灵活。 s o p c 是s o c 技术和可编程逻辑技术结合的产物，是一种特殊的嵌入式系统。 首先它是s o c ，即可以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，可裁减、可扩充、可升级，并具备一定的系 统可编程功能。可编程器件内还具有小容量的r a m 资源，丰富的i p 核可以被选 择来构成不同的系统，如单处理器、多处理器系统。有些可编程器件内还可以包 含部分可编程模拟电路。除了系统资源器件内还有足够的可编程逻辑资源，用于 实现附加逻辑。 s o p c 出现也是市场和技术共同推动的结果，它具有s o c 所有的优点，又克 服了s o c 的缺点，故市场对s o p c 的需求越来越大。从技术发展分析，表现为： 百万门以上密度的f p g a 和c p l d 芯片己经面市并发展前景非常好；功能强大的系 统级芯片开发工具已经推出，可对百万门电路进行快速的分析和编译。 ， 1 3 2s o p c 的特点 s 0 p c 设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，包括：以处理器和实 时多任务操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 为中心的软件设计技术、 以p c b 和信号分析为基础的高速电路设计技术、软硬件协同设计技术。 s o p c 结合了s o c ，p l d 和f p g a 各自的优点，具备以下特点：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 资源：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。 s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，目前，0 1 3 微米的a s i c 产品制造价 格仍然相当昂贵，而集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、外围i o 及可编程 逻辑的s o p c 芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势，它代表了半导体产业 的一种发展方向。 s o p c 的基本特征是采用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，系统的核心电路用一片高端系统级f p g a 或c p l d ( 复杂可编程逻辑器 件) 实现，用硬件描述语言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。 s o p c 的巨大吸引力来自于能够提供更好的性能以及更低的功耗，有效节省 电路板面积并降低产品的总成本，因此电子工业正在向s o p c 设计转移。 i p 的本质持征是可重用性，它通常满足良好的通用性、可移植性及绝对正 确三个基本持征，i p 是未来s o p c 设计的核心，i p 的类型和特点在s o c 节中己做 了详细的介绍，在这里也适用。 要使s o p c 设计成功，就要更多地采用i p 复用，以快速完成设计，得到价格 低廉的硅器件。 1 3 3s o p c 解决方案 近年来p l d 器件密度的提高，芯片规模的扩大和性能的提升为s o p c 提供了 物质基础。这里主要讲述以a l t e r a 公司的s o p c 为基础的技术应用。a l t e r a 公 司起初是生产可编程逻辑器件及其开发工具，并拥有一些i p 核的公司。随着技 术的发展，尤其是通信技术的发展，对带宽和速度的要求越来越高，a l t e r a 率 先推出一种高效、灵活的s o c 解决方案，即s 0 p c ，它将处理器、存储器、i o 口、l v d s ，c d r 等系统设计需要的东西集成到一个p l d 器件上，构建成个可编 程的片上系统。 1 、n i o s 和n i o si i 软核嘲 在2 0 0 0 年，a l t e r a 发布了n i o s 处理器，推出了一系列基于f p g a 的嵌入式 处理器解决方案，它将可编程逻辑器件和处理器的有力结合到了一起。2 0 0 4 年 又推出了n i o s 的升级版本n i o si i ，性能有了很大的提高。 n i o s 处理器是一种参数化的软核，通过编写一些新的h d l 模块或改写己有 h d l 模块中的参数来对软核进行优化，及增加外围电路的功能。使用n i o s 软核 9 的s o p c 解决方案具有如下特点： ( 1 ) 可配置为3 2 位或1 6 位的c p u ，使设计人员能够在速度与占用资源上 做出最优选择。 ( 2 ) 带有大量的外设和接口库，如u a r t 、时钟、d m a 、s d r a m 、并行i 0 等。 这使得s o p c 的设计变得简单化，可靠性提高，成本降低。 n i o s 软核只占用芯片内部很少的一部分逻辑单元，所以成本较低。由于n i o s 是可配置的，所以还可以应用于a l t e r a 公司其它的f p g a 芯片上。在一些高端应 用中，可以把d s p 功能块和n i o s 核嵌入其中，加上本身具有的可编程功能，它 将提供更高性能的d s p 应用。 2 0 0 4 年末推出的3 2 位n i o s 软核在性能上有了很大的提高，而占用的片上 资源依然很少。又具有n i o s 软核的优点，可配置、成本低、开发周期短等等， 文中就是采用n i o si i 软核实现的步进电机控制。 2 、a r m 9 2 2 t 硬核 在速度要求较高的高端应用，如通信领域，软核的处理速度不够，a l t e r a 就推出了基于a r m 硬核的s o p c 解决方案。把a r m 硬核放到了f p g a 中。 3 、a l t e r a 的f p g a 开发工具 为了支持s o p c 的开发，a l t e r a 公司还推出了一系列e d a 设计工具，如硬件 逻辑方面的q u a r t u si i ，以及s o p cb u i l d e r 和软件n i o si ii d e ，还包括一些 第三方软件等。 4 、a v a l o n 总线 为了使i p 核集成更快速、更方便，缩短上市时间，产生了片上总线o c b ( o n c h i pb u s ) 技术，a l t e r a 公司使用a v a l o n 总线作为片间的信号互联。 1 3 4s o p c 关键技术 s o p c 与普通集成电路的设计原理不同，它是微电子设计领域的一场革命。 s o p c 从整个系统出发，从系统行为级开始自顶向下描述系统功能，把处理机制、 模型算法、嵌入式操作系统、芯片结构、各层次电路直至器件的设计实现紧密结 合，在单个芯片上完成整个系统的功能。由于综合并全面考虑整个系统的情况， 因而可在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。s o p c 设计主要有三 大关键技术： 1 、基于单片集成系统的软、硬件并行开