（电路与系统专业论文）基于FPGA的调制解调器的研究和设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

顼士学位论之 i s t f a t st h e s l s 中文摘要 当今电子系统的设计是以大规模f p g a 为物理载体的系统芯片的设计，基于 f p g a 的片上系统可称为可编程片上系统( s o p c ) 。s o p c 的设计是以知识产权核( i p c o r e ) 为基础，以硬件描述语言为主要设计手段，借助以计算机为平台的e d a 工具 进行的。 本文在介绍了f p g a 与s o p c 相关技术的基础上，给出了s o p c 技术开发调制 解调器的方案。在分析设计软件m a t l a b d s p ( d i g i m ls i g n a lp r o c e s s i n g ) b u i l d e r 以及 q i ，a r h l s 开发软件进行s o p c ( s y s t e m o n a p r o g r a n n n a b l c c h i p ) 设计流程后，依 据调制解调算法提出了一种基于d s pb u i l d e r 调制解调器的s o p c 实现方案，模块 化的设计方法大大缩短了调制解调器的开发周期。 在s o p c 技术开发调制解调器的过程中，用m a t l a b s i m u l i n k 的图形方式调 用a l t e r ad s pb u i l d e r 和其他s i m u l i n k 库中的图形模块( b l o c k ) 进行系统建模，在 s i m u l i n k 中仿真通过后，利用d s pb u i l d e r 将s i m u l i n k 的模型文件( m d l ) 转化成通用 的硬件描述语言v h d l 文件，从而避免了v h d l 语言手动编写系统的烦琐过程， 将精力集中于算法的优化上。 基于d s p b u i l d e r 的开发功能，调制解调器电路中的低通滤波器可直接调用f i r i pc o r e ，迸一步提高了开发效率。 在进行编译、仿真调试成功后，经过q u a a u s 将编译生成的编程文件下载到 a l l e r a 公司c y c l o n ei i 系列的f p g a 芯片e p 2 c 5 f 2 5 6 c 6 ，完成器件编程，从而 给出了一种调制解调器的s o p c 系统实现方案。 关键词：调制解调器；可编程片上系统；知识产权核；现场可编程门阵列 a b s t r a c t t o d a yt h ee l e c t r o n i cs y s t e md e s i g ni s t h e l a r g e - s c a l ef p g ap h y s i c a l c a r r i e r s y s t e m - o n - c h i pd e s i g n f p g a - b a s e ds y s t e m - o n - c h i p i sk n o w na ss y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec ：h i p ( s o p c ) s o p cd e s i g ni sb a s e d0 1 1i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ( 口 c o r e ) ，t h eh a r d w a r ed e s c r i p t i l a n g u a g ea st h em a i nd e s i g nm e t h o d ，t h ee d a t o o l so na p l a t f o r mo f t h ec o m p u t e r t h i st h e s i sp r e s e n t st h em o d e mp r o g r a mb ys o p ca f t e ri n t r o d u c i n gt h ef p g aa n d s o p ct e c h n o l o g yo nt h eb a s i s a f t e rt h ea n a l y s i so fd e s i g ns o f t w a r em a t l a b | d s p ( d i g i t a ls i 脚_ a lp r o c e s s i v i 曲b u i l d e ra n dd e v e l o p m e n ts o f t w a r eq u a r t u si id e s i g n i n g s o p c ( p r o g r a m m a b l es y s t e mo nac h i p ) p r o c e s s i tp r e s e n t sad s p b u i l d 盯b a s e d m o d e ms o p cs o l u t i o nb ym o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na l g o r i f l u n , a n dm o d u l a rd e s i g n g r e a t l ys h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo f m o d e m i nt h ep r o c e s so f m o d e ms o p ct e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，t h es y s t e mm o d e li sd o n e b yu s i n gg r a p h i c sb l o c km o v e m e n to fa l t e r ad s pb u i l d e ra n do t h e rs i m u l i n kl i b r a r yi n m a t l a b s i m u l i n k a f t e rs i m u l a t i o ni ns i m u l i n kh a sb e e np a s s e d , w ew a n s f o r m s i m u l i n km o d e lf i l e s ( m d l ) i n t ov h d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g eb yd s pb u i l d e r , t h u sa v o i d i n gt h ev h d l s y s t e mp r o g r a mb yt h ec u m b e r s o m em a n u a lp r o c e s s ，a n df o c u s o nt h eo p t i m i z a t i o no f a l g o r i t h m b a s e do i lt h ed s pb u i l d e rd e v e l o p m e n tf u n c t i o n s , l o w - p a s sf i l t e ro f m o d e m sc i r c u i t c a l lb ec a l l e dd i r e c t l yf r o mf i r 口c o r et of u r t h e ri m p r o v ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y a f t e rt h es u c c e s so fc o m p i l a t i o na n ds i m u l a t i o n , t h eq u a r t o s c o m p i l e rw i l l d o w n l o a dp r o g r a md o c u m e n tt oa l t e r ac o r p o r a t i o nc y c l o n e s e r i e sf p g ac h i p e p 2 c 5 f 2 5 6 c 6 c o m p l e t ed e v i c ep r o g r a m m i n g , w h i c hi s am o d e ms o p cs y s t e m r e a l i z a t i o m k e yw o r d s ：m o d e m ；s o p c ；i pc o r e ；f p g a 磺士学位论交 m a s t e r st h e g l 8 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得 的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：乍野仳 日期：d 7 年i 二月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中师 范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将本学位 论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：低、雠 日期：印刁年上月8 日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布。并可按“章程”中的规 定享受相关权益。匝枣迨塞埕銮唇澄卮i 旦圭生；旦= 生；旦三生筮查! 作者签名：衔、储 日期：z o 刁年( 2 月g 日 导师签名： 日期：年月日 碛士擘位论史 m a s t e r st h e s i $ 1 1 研究背景 第1 章绪论 通信技术融入计算机和数字信号处理技术以后发生了革命性的变化，它和计算 机技术、数字信号处理技术结合是现代通信技术的标志。一个世纪以来，通信的发 展大致经历了三大阶段：以发明电报( 莫尔斯电码) 为标志的通信初级阶段；以香农 提出的信息论开始的近代通信阶段；以光纤通信为代表的协议综合业务数字网迅速 崛起为代表的现代通信阶段光纤通信技术、卫星通信技术和移动通信技术成为现 代通信技术的三大主要发展方向。 数字调制技术作为通信技术领域中极为重要的一个方面，得到了迅速发展。随 着数字调制技术的出现，在有限的带宽内传输高速的数据已成为可能，并且与过去 使用的模拟调制，如调幅( a m ) 和调频( f m ) 、频移键控( f s k ) 、开关键控( o o k ) 、 脉宽调制( p w m ) 、脉位调制( p p m ) 、脉幅调制( p a m ) 等技术相比有更高的可靠性和 抗干扰性。 数字调制是正交幅度调制( q a m ) 、正交相移键控( q p s k ) 、二进制相移键控 ( b p s k ) 以及由这些技术派生的调制方法。b p s k 是最简单的二进制相移键控调制方 法，其它更先进的调制方法大都由b p s k 改进和增强。本课题选择b p s k 作为调制 解调方式来实现调制解调器。 数字调制解调器专用集成电路使得通信传输中的发送与接收设备可以更加紧 凑，成本更低，减小功耗并大大提高设备的可靠性。目前国内调制解调器己有一些 研究成果和芯片问世。但是，国内的产品大多基于通用d s p 实现，支持的速率比较 低。由于运算量较大和硬件参数的限制，采用通用d s p 或普通算法无法胜任高速率 调制解调的任务。 随着f p g a s o p c 技术的高速发展与广泛应用，现代数字通信技术也进入了一 个新的发展阶段，充分利用f p g a 芯片丰富而灵活的逻辑资源，将加速通信系统的 设计效率，提高系统各项性能指标，降低系统设计成本。本文就是利用s o p c 技术 进行数字调制解调器设计，是对数字通信系统s o p c 实现的一次有益尝试。 1 2 研究思路和方案分析 设计调制解调器，可以考虑用通用d s p 芯片的方案，这种方案借鉴软件无线电 颁士擘位论走 m a s t e r st h e s l s 的思想实现。上世纪9 0 年代发展起来的软件无线电s d r ( s o f i w a r e r a d i o s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ) 的基本思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块 化的通用硬件平台，将各种功能用软件完成。这是一种全新的思想，它一经提出就 受到了广泛的重视。这种方案的通用d s p 具备灵活的可编程性和高效的性能，有的 甚至还集成了通用微控制器。方框图如图1 1 所示： 图1 1 通用d s p 方案 通用d s p 都是按程序循序执行，说到底都是串行构架，这限制了通用d s p 不 能达到很高的速度。但是调制解调单元中往往用到滤波器，乘法器，直接频率合成 器等需要高速时钟的器件。虽然通用d s p 具有哈佛结构，多重总线，超标量流水线， 分支预测等先进的技术，但是都不可能从本质上改变程序循序执行的缺点，在需要 高速应用的场合通用d s p 往往不能胜任。而使用专用d s p ( a s i c ) 虽然能解决好速度 的问题但是可编程能力有限，正所谓鱼与熊掌不能兼得。 下面我们用f p g a 代替上面方案中的通用d s p 和变频器。 f p g a 内部有丰富的资源能配置成各种形式的电路。用f p g a 代替通用d s p 后不仅灵活性没有降低，性能却有极大的提高。f p g a 内部能被编成将所有的功能 以并行方式执行大大加快了速度。对于要求更高性能使还能使用流水线设计进一步 提高数据吞吐量。f p g a 可以设计多个并行模块的系统，速度高，同时具有高度灵活甚 至能改变系统构架。f p g a 内部还能集成微控制处理器口核，完全做到单芯片系统 ( s o p c ) ，这都是通用d s p 办不到的。 前一种方案主要是指目前已广泛使用的d s p 处理器的解决方案，包括一系列软 硬件技术与开发技术。采用d s p 处理器( 如1 1 的t m s 3 2 0 c 系列) 的解决方案日 益面临者不断增加的巨大挑战，而自身的技术瓶颈( 如运行速度、吞吐量、总线结 构的可变性、系统结构的可重配置性、硬件可升级性等等) 致使这种解决方案在 d s p 的许多新的应用领域中的道路越走越窄；后一种方案则是基于s o p c 技术、e d a 技术与f p g a 实现方式的d s p 技术，是现代电子技术发展的产物，它有效地克服了 2 传统d s p 技术中的诸多技术瓶颈，在许多方面显示了突出的优势，如高速与实时性， 高可靠性，自主知识产权化，系统的重配置与硬件可重构性，单片系统的可实现性， 以及开发技术的标准化和高效率。 显然我们采用后面一种方案完成系统设计。即基于e d a 与s o p c 的现代d s p 开发技术。利用s o p c 技术进行数字调制解调器设计，使用更先进的d s p b u i l d e r 软 件设计v h d l 硬件描述语言可以快速高效地设计出具有复杂结构和算法的系统。同 时结合m a t l a b 工具软件的辅助设计，设计系统的算法模型能在开发早期确定系 统的整体构架，同时优化算法和结构达到节省硬件资源和高效率开发的特点。 1 3 论文的主要工作 调制解调器是数字通信系统中的一个重要部件，现代通信技术对其性能，特别 是对其数据传送速率提出了越来越高的要求。高效的开发高能的调制解调器现在仍 是电子工作者面l 临的一个基本任务。 本文的调制解调器的开发是基于s o p c 技术，e d a 技术与f p g a 的开发技术， 是调制解调器在f p g a 上的实现，利用f p g a 内嵌高速d s p 内核完成2 p s k 的调 制和解调过程。开发手段是m a t l a b s i m u l i n k ，d s p b u i l d c r 和q u a r t u si i 等工具 软件的应用。d s p b u i l d e r 依赖于m a t l a b s i m u l i n k , 它可在s i m u l i n k 中进行图形化 设计和仿真，同时又通过s i g n a lc o m p i l e r 把s i m u l i n k 的设计文件( m d l ) 转换成 相应的v h d l 设计文件( v h d ) 及用于控制综合与编译的t c l 脚本。对v h d l 文件的 处理则由f p g a c p l d 的开发工具q u a r t u s i i 来完成。 基于d s pb u i l d e r 调制解调器的s o p c 实现，利用d s pb u i l d e r 将s i m u l i n k 的模 型文件( m d l ) 转化成通用的硬件描述语言v h d l 文件，从而避免了v h d l 语言手动 编写系统的烦琐过程，将精力集中于算法的优化上。 基于d s p b u i l d e r 的开发功能，调制解调器电路中的低通滤波器可直接调用f i r i pc o r e ，进一步提高了开发效率。 论文安捧如下： 第1 章，概括了调制解调器的研究背景，明确了本文的研究思路和所用方案， 对本文的主要工作和文章安排进行了介绍。 第2 章，介绍了可编程逻辑器f p g a 、硬件描述语言v h d l 及以f p g a 为物理 载体的系统芯片的s o p c 设计，对q u a r t u s l l 与m a t l a b s i m u l i n k 和d s pb u i l d e r 等e d a 软件实现s o p c 系统开发进行了分析。 第3 章，叙述了调制解调的理论基础及为调制和解调单元提供载波信号d d s 两士学位论支 捌【a s t e r st 1 1 e s i s 的理论基础。 第4 章，根据调制解调器的基本原理，利用m a t l a b d s p b u i l d e r 建立基本模型， 然后利用a l t e r a 公司提供的s i n g a e o m p i l e r 工具对其进行编译。产生q u a r t u s l i 能够识别的v h d l 源程序。经过波形仿真后，下载到a l t e r a 公司的c y c l o n e1 i 系列的f p g a 芯片中。 ， 第5 章，总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题。 4 第2 章可编程片上系统开发技术 2 1 可编程逻辑器件及硬件描述语言v h d l 2 1 1 可编程逻辑器件简介 可编程逻辑器p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ) 从2 0 世纪7 0 年代发展到现 在，已形成了许多类型的产品，其结构、工艺、集成度、速度和性能都在不断的改 进和提高。p l d 又可分为简单低密度p l d 和复杂高密度p l d 。 可编程阵列逻辑器件p a l ( p r o g r a m m a b l ea r m yl o g i c ) 和通用阵列逻辑器件 g a l ( g e n e r i c a r r a yl o g i c ) 都属于简单p l d ，结构简单，设计灵活，对开发软件的要 求低，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。随着技术的发展，简单p l d 在集成度 和性能方面的局限性也暴露出来。其寄存器、i o 引脚、时钟资源的数目有限，没 有内部互连，因此包括复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp l d ) 和现场可编程门阵 列器件f 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 ) 在内的复杂p l d 迅速发展起来，并向 着高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活、适用范围更广阔的方向发展。 f p g a 具备阵列型p l d 的特点，结构又类似掩膜可编程门阵列，因而具有更高 的集成度和更强大的逻辑实现功能，使设计变得更加灵活和易实现。相对于c p l d ， 它还可以将配置数据存储在片外的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，即所谓的现场可编程。所以f p g a 得到了更普 遍的应用。 使用f p g a 器件设计数字电路，不仅可以简化设计过程，而且可以降低整个系 统的体积和成本，增加系统的可靠性。它们无需花费传统意义下制造集成电路所需 大量时间和精力，避免了投资风险，成为电子器件行业中发展最快的一族。 下面介绍f p ( 认设计的开发流程。 设计开始需利用e d a 工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本方 式( 如v h d l 程序) 或图形方式( 原理图、状态图等) 表达出来。完成设计描述后即可 通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式，为下一步的综合做准备。在此， 对于多数的e d a 软件来说，最初的设计究竟采用哪一种输入形式是可选的，也可 混合使用。 编译形成标准v h d l 文件后，在综合前即可以对一所描述的内容进行功能仿 硕士擘住论史 h 【 s t e r st 耻s i s 真，又可称为前仿真。即将源程序直接送到v h d l 仿真器中仿真。功能仿真仅对设 计描述的逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能是否满足原设计的要求，由 于此时的仿真只是根据v h d l 的语义进行的，与具体电路没有关系，仿真过程不涉 及具体器件的硬件特性，如延迟特性。 设计的第三步是综合，将软件设计与硬件的可实现性挂钩，这是软件化为硬件 电路的关键步骤。综合后，可生成v h d l 网表文件，利用网表文件进行综合后仿真。 综合后仿真虽然比功能仿真精确一些，但是只能估计门延时，而不能估计线延时， 仿真结果与布线后的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。这种仿真的主要目 的在于检查综合器的综合结果是否与设计输入一致。 综合通过后必须利用f p g a 布局布线适配器将综合后的网表文件针对某一具 体的目标器件进行逻辑映射操作，这个过程叫做实现过程。 布局布线后应进行时序仿真。时序仿真中应将布局布线后的时延文件反标到设 计中，使仿真既包含门时延，又包含线时延的信息。由于不同器件的内部延时不一 样，不同的布局布线方案也给时延造成不同的影响，因此在设计处理完以后，对系 统各个模块进行时序仿真，分析其时序关系，估计设计的性能，以及检查和消除竞 争冒险是非常有必要的。 如果以上的所有过程，包括编译、综合、布线适配和功能仿真、综合后仿真、 时序仿真都没有发现问题，即满足原设计要求，就可以将适配器产生的配置下载文 件通过编程器或下载电缆载入目标芯片中。 2 1 2 硬件描述语言v h d l 简介 硬件描述语言v h d l ( v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 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 合于大规模集成电路系统的设计。 v h d l 是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑 门级多个设计层次，支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述，因此v h d l 几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能。 v h d l 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，非常适用于可编程 逻辑芯片的应用设计。与其它的h d l 相比，v h d l 具有更强大的行为描述能力， 从而决定了它称为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开 具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 6 鞭士学位论史 m a s t e r st h e s t l s 利用v h d l 语言设计数字系统硬件电路，一般采用的是自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法。自顶向下是指从系统总体要求出发，在顶层进行功能方框图的划分和 结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为 进行描述，在系统一级进行验证。然后利用综合优化工具生成具体门电路的网表， 其对应的物理实现级可以是f p g a 电路或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调 试过程是在高层次上完成的，这一方面有利于早期发现结构设计上的失误，避免设 计工作的浪费，同时减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。 2 2 可编程片上系统技术 自2 0 世纪下半叶以来，微电子技术得到了迅速发展，集成电路设计和工艺技术 水平有了很大的提高，单片集成度中每片己能包含上亿个晶体管，从而使得将原先 由许多i c 组成的电子系统集成在一片单片硅片上成为可能，构成所谓的片上系统 ( s y s t e mo l lc h i p ，s o c ) 或系统芯片。与普通的集成电路相比，系统芯片不再是一 种功能单一的单元电路，而是将信号采集，处理和输入输出等完整的系统功能集成 在一起，成为一个专用的电子系统芯片。而其设计思想也有别于普通i c 。s o c 把 系统的处理机制，模型算法，芯片结构，各层次电路及器件的设计紧密结合，在一 片或数片单片上完成整个复杂的系统。因此，当今电子系统的设计己不仅仅是利用 各种通用i c 进行p c b 板级的设计和调试，而是转向以大规模f p g a 或a s i c 为物 理载体的系统芯片的设计，前者称为s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，简称 为可编程片上系统) ，后者为s o c 1 。 ， s o p c 的设计是以i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核为基础的，以硬件描述语言为主 要设计手段，借助以计算机为平台的e d a 工具进行的。s o p c 技术主要是指面向单 片系统级的计算机技术，与传统的专用集成电路设计相比，其特点主要有【2 】： ( 1 ) 设计全程，包括电路系统描述，硬件设计，仿真测试，综合，调试，系统软件设 计自至整个系统的完成，都由计算机进行。 ( 2 ) 设计技术白接面向用户，即专用集成电路的被动使用者同时也可能是专用集成电 路的主动设计者。 ( 3 ) 系统级专用集成电路的实现有了更多的途径，即除传统的a s i c 器件外，还能通 过大规模的f p g a 等可编程器件来实现。 s o p c 技术是美国a l t e r 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 m s n 。 s o p ( 3 是基于f p g a 解决方案的s 0 1 2 ，与a s i c 的s o c 解决方案相比，s 0 p c 7 硕士学位论盘 m a s t e r st h e s i s 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。 ( 1 ) 基于f p g a 嵌入口硬核的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 信接口等。这样会增加整个系统的体积和功耗，从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 中，利用f p g a 中的可编程逻 辑资源和口软核，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，就能很好的解决这些问题。对此，a l t c r a 公司和x i l i n x 公司都相继 推出了这方面的器件。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 t i n x 的v h t a x i ip r o 系列中则植入了m 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更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【3 】。 ( 2 ) 基于f p g a 嵌入口软核的s o p c 系统 将口硬核直接植入f p g a 的解决方案存在如下几种不够完美之处【4 】。 丑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。 b 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。 c 无法裁减处理器硬件资源以降低f p g a 成本。 d 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 的删核，v h - t e x - l l p r o 系列中的p o w c r p c 核。 e 由于此硬核多来自第三方公司，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。 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 l t c r a 的n i o s 和n i o s 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的 解决。 a l t e r a 的n i o s 核是用户可随意配置和构建的3 2 1 6 位总线( 用户可选的) 指令集 8 硕士学位论文 南l a s t e r st h e s l s 和数据通道的嵌入式系统微处理器邛核，采用a v a l o n 总线结构通信接口，带有增 强的内存，调试和软件功能( c 或汇编程序优化开发功能) ：含有f i r s t s i l i c o n s o l u t i o n s 口s 3 2 ) 开发的基于y r a g 的片内设备( o c i ) 内核( 这为开发者提供了强大的软硬件调 试实时代码) ，o c i 调试功能可根据f p g aj t a g 端1 2 1 上接受的指令，直接监视和控 制片内处理器的上作情况) - 此外，基于q u a r t u sn 平台的用户可编辑的n i o s 核含有 许多可配置的接口模块核，包括：可配置高速缓存( 包括由片内e s b ，外部s r a m 或 s d r a m ，1 0 0 m b 以上单周期访问速度) 模块，可配置r s 2 3 2 通信口，s d r a m 控制 器，标准以太网协议接1 2 1 ，d m a ，定时器，协处理器等。在植入( 配置进) f p g a 前， 用户可根据设计要求，利用q u a r t u s 和s o p cb u i l d e r ，对n i o s 及其外围系统进行 构建，使该嵌入式系统在硬件结构，功能特点，资源占用等方面全面满足用户系统 设计的要求。n i o s 核在同一f p g a 中被植入的数量没有限制，只要f p g a 资源允许。 此外，n i o t ；可植入a l t v r af p g a 的系列几乎没有限制。 另外，在开发工具的完备性方面，对常用的嵌入式操作系统支持方面，n i o s 性 能稳定。由于是由a l t c r a 自接推出而非第三方产品，故用户通常无需支付知识产权 费用。因此，选用的f p g a 越便宜，则n i o s 的使用费就越便宜。 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 或 v e r i l o g h d l 等硬件描述语言设计，用户可以为n i o s 嵌入式处理器设计各类加速， 并以指令的形式加入n i o s 的指令系统，从而成为n i o s 系统的一个接口设备，与整 个片内嵌入式系统融为一体。 2 3 可编程片上系统开发软件 2 3 1q u a r t u si i 介绍 a l t e r a 的q u a r t u s 开发平台，它囊括了从设计输入，综合、布局布线、仿真、 时序分析、下载验证等所有设计流程，是一个完整的开发平台，能满足多种设计的 需要，是s o p c 设计的综合环境和s o p c 开发的基本设计工具，并为a l t c r a d s p 开 发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。q u a r t a s1 1 设计工具完全支持v h d l , v o r i l o g 的设计流程，其内部嵌有v h d l ，v c r i l o g 逻辑综合器。q u a r t u s l i 与m a t l a b 和d s pb u i l d e r 结合可以进行基于f p g a 的d s p 系统开发，是d s p 硬件系统实现的 关键e d a 工具，与s o p cb u i l d e r 结合，可实现s o p c 系统开发。 q u a r t u s 包括模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析综合器、适配器、 装配器、时序分析器、设计辅助模块、e d a 网表文件生成器、编辑数据接口等。以 9 通过选择s t a r tc o m p i l a t i o n 来运行所有的编译器模块，或通过选择c o m p i l e rt o o l ， 在c o m p i l e r t o o l 窗口中运行该模块来启动编译器模块。 此外，q u a r t u s 还包含许多十分有用的l p m ( l i b r a r yo f p a r a m e t e r i z e dm o d u l e s ) 模块，他们是复杂或高级系统构建的重要组成部分，在s o p c 设计中被大量应用， 也可与q u a r t u s 普通文件一起使用。a l t e r a 提供的可参数化宏功能模块和l p m 函 数均基于a l t e r a 器件的结构作了优化设计。在许多使用情况中，必须使用宏功能模 块才可以使用某些特定器件硬件功能，如d s p 模块，片上存储器，p l l 等。这可以 通过q u a r t u s i i 中的m e g a w m a r d p l u g i n m a n a g e r 来建立a l t e r a 宏功能模块、l p m 函 数和口函数，用于q u a r t u s i i 综合工具中的设计【5 】【6 。设计流程如图2 1 所示。 图2 1q u a r i u s 设计流程 2 3 2d s pb u i l d e r 介绍 随着f p g a 规模越来越大、成本越来越低，越来越多的设计采用f p g a 硬件 来完成d s p 功能。用f p g a 实现d s p 并不是指用f p g a 来构造一个d s p 芯片，而 是直接用f p g a 硬件来实现d s p 功能，这与通用d s p 芯片实现d s p 功能是不同的， 通用d s p 芯片是用软件来实现d s p 功能，其速度比用硬件实现慢很多。a l t e r a 公 司的d s pb u i l d e r 可以帮助开发者完成基于f p g a 的d s p 设计，自动完成大部分的 设计过程和仿真，自至把设计文件下载至f p g a 中。首先利用m a t l a b 进行d s p 模 块设计，然后用d s pb u i l d e r 将设计的d s p 模块转换成硬件描述语言( h d l ) ，最 1 0 颂士学位论史 姒s t e r st h e s l s 终在f p g a 上实现。 d s pb u i l d e r 是a l t c r a 公司推出的数字信号处理( d s p ) 开发工具，它在q u a r t u s i i 软件环境中集成了m a t h w o r k s 的m a t l a b 和s i m u l i n k d s p 开发软件。当在m a t l a b 软 件中完成算法设计并在s i m d i n k 完成系统集成后，通过s i g n a l c o m p i l e r 模块生成在 q u a r t u s l i 软件中可以使用的测试文件和硬件描述语言文件。测试文件可以直接在 q u a r t u si i 或m o d e l s i m 中进行仿真检查，硬件描述语言文件用于设计电路的编程下 载。 a l t c r a 可编程逻辑器件中的d s p 系统设计需要高级算法设计工具与h d l 开发 工具的良好配合。a l t c r ad s pb u i l d e r 将m a t l a b 和s i m u l i n k 系统级设计工具的算 法开发、仿真和验证功能与q u a r t o si i 的基于v c r i l o gh d l 及v h d l 语言的设计流 程整合在一起，实现了这些工具的集成。d s pb u i l d e r 开发环境界面友好，帮助设计 人员生成d s p 设计硬件表征，从而缩短了d s p 设计周期。已有的m a t l a b 函数和 s i m u l i n k 模块可以和a l t e r ad s pb u i l d e r 模块以及a l t c r a 知识产权( i p ) m e g a c o r c 功能 相结合，将系统级设计实现和d s p 算法开发相连接。d s pb u i l d e r 支持系统、算法 和硬件设计共享一个公共开发平台。 设计人员可以使用d s pb u i l d e r 模块迅速生成s i m u l i n k 系统建模硬件。d s p b u i l d e r 包括比特和周期精度的s i m u l i n k 模块，涵盖了算法和存储功能等基本操作。 可以使用d s p b u i l d e r 模型中的m e g a c o r e 集成复杂的功能。 使用d s pb u i l d e r 完成设计时，首先在m a t l a b s i m u l i n k 软件中建立模型文件 ( m d l ) ，d s pb u i l d e rs i g n a l c o m p i l c r 模块读取由d s pb u i l d e r 和m e g a c o r e 模块构建的 s 砸u l i n k 建模文件( m d l ) ，生成v h d l 文件和工具命令语言( t c d 脚本，进行综合、 硬件实施和仿真。图2 2 所示为d s pb u i l d e r 设计流程。 d s pb u i l d e r 设计从在s i m u l i n k 中建立设计模型开始，设计模型建立之后，d s p b u i i d c r 将设计转换为q u a r t o s l l 综合与编译所需要的或仿真所需要的v c r i l o g h d l 或 v h d l 硬件描述语言。从设计者的角度看，随后的分析与综合、布局布线及编程等 工作均可在d s pb u i l d e r 中实现，还可以通过s i g n a l t a p 在d s pb u i l d e r 中在线调 试，这些功能都是d s p b u i l d e r 调用q u a r t o s i i 的相关功能完成的。利用d s p b u i l d e r 完成d s p 应用设计的具体步骤如下： ( 1 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 中用s i l n u l i n k 和d s pb u i l d e r 模型库中的模型建立设 计模型； ( 2 ) 使用s i g n a l c o m p i l e r 模块分析设计。 ( 3 ) 在s i m u l i n k 中仿真设计，可以用s c o p e 模块监视仿真结果。 硕士学位论走 m a s t e r s t h e s 塔 图2 2d s pb u i d l c r 设计流程 ( 4 ) 运行s i g n a l c o m p i l e r 建立r t l 仿真及综合。 ( 5 ) 用m o d e l s i m 软件仿真设计。 ( 6 ) 用d s p b u i l d e r s i g n a l c o m p i l c r 模块生成的输出文件实现r t l 综合。 ( 7 ) 在q u a r t u si i 软件中编译设计。 d s p b u i l d e r 使得用f p g a 设计d s p 系统完全可以通过s i m u l i n k 的图形化界面 进行，只要简单地进行d s pb m l d e r 工具箱中的模块调用即可。值得注意的是，d s p b u i l d e r 中的d s p 基本模块是以算法级的描述出现的，易于用户从系统或者算法级 进行理解，甚至不需要了解f p g a 本身和硬件描述语言。