（电路与系统专业论文）基于sopc的视频采集与显示系统设计.pdf

摘要 论文题目：基于s o p c 的视频采集与显示系统设计 学科专业：电路与系统 作者：景聪莉 导师：王水鱼副教授 摘要 签名：邋 签名：囱影 随着视频图像处理系统在各个领域的广泛应用，与图像处理相关的软件算法和硬件技 术都有了快速的发展。在众多硬件实现系统中，现场可编程逻辑门阵列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 ) 与s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 相结合的s o p c 系统以其独特的优势独 树一帜，特别是在数据量大、速率要求高的视频处理系统中，s o p c 技术很好的解决了 用纯硬件去实现某些算法的复杂性，因为s o p c 系统内嵌有n i o s i i 处理器，可以采用软 件语言实现算法，硬件实现架构，软硬件协同工作的方式来实现系统功能，降低了系统的 成本和复杂度，缩短了开发周期。 论文首先详细介绍了s o p c 技术的基本理论、开发流程以及n i o si i 软核的基本理论， 然后讨论图像处理系统的的可行性、确定了系统方案。在系统设计过程中，根据系统设计 需要定$ 1 j t l 2 c 总线控制模块、色度空间转换模块、直方图均衡化模块、l c d 显示模块等 用户自定义组件。然后在s o p cb u i l d e r 中将n i o s i i 软核处理器、用户自定义组件、及s o p c b u i l d e r 中固有的i p 核根据总线时序挂接在a v a l o n 总线上，完成s o p c 硬件系统的组建，最 后在n i o si ii d e 中利用c 语言完成软件设计。经过调试验证，可以实现6 4 0 4 8 0 像素的图 像采集、图像存储和处理，以及图像显示的功能。此方案设计灵活，可扩展性好，可靠性 高。 关键词：s o p c ；图像采集；1 2 c ；直方图均衡化；色度空间转换 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：d e s i g no fv i d e oa c q u l s i t i o na n dd i s p l a yb a s e do n s o p c m a j o r ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s n a m e ：c o n g l ij i n g 一一 s i g n a t u r e ：掣 s u p e r v i s o r - a s s o c i a t ep r o f s h u i y uw a n gs i g n a t u r e ： a b s t r a c t w i t ht h ev i d e oi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mi sw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s ，s o t t w a r e a l g o r i t h m sa n dh a r d w a r et e c h n o l o g yt h a ta r er e l a t e dt oi m a g ep r o c e s s i n gh a sr a p i dd e v e l o p m e n t a m o n gt h em a n yh a r d w a r es y s t e m s ，t h es o p cs y s t e mi sw i d e l yu s e d 诵t 1 1i t su n i q u e a d v a n t a g e sw h i c hi sc o m b i n e df o r mf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a ya n ds o c ( s y s t e mo n c h i p ) ，e s p e c i a l l yi nt h ev i d e op r o c e s s i n gs y s t e mt h a tr e q u i r e st h el a r g ea m o u n to fd a t aa n dh i 曲 s p e e d ，s o p cs o l v e st h ec o m p l e x i t yt h a ts o m ea l g o r i t h mh a sb e e na c h i e v e db yt h ep u r e h a r d w a r e i nt h es o p cs y s t e m ，y o uc a nu s et h es o f t w a r el a n g u a g ea c h i e v ea l g o r i t h m sa n d h a r d w a r ea c h i e v ea r c h i t e c t u r ev e r yf a s ta n d c o n v e n i e n t l y t h ep a p e rf i r s t l yd e s c r i b e st h e b a s i ct h e o r yo fs o p ca n dn i o si i s o f t c o r e ，t h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s e so fs o p ct e c h n o l o g y , d i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo fi m a g ep r o c e s s i n g s y s t e m ，d e t e r m i n e st h eb l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nn e e d s ，t h es y s t e m c u s t o m sr cb u sc o n t r o l l e r , t h ev i d e os i g n a lc o n v e r s i o nm o d u l e ，h i s t o g r a me q u a l i z a t i o nm o d u l e ， l e dd i s p l a ym o d u l ea n do t h e ru s e r - d e f i n e dc o m p o n e n t ，a n dt h e nt h en i o s l is o f t - c o r e p r o c e s s o r , u s e r - d e f i n e dl o g i cm o d u l e sa n dt h ee x i s t i n gi pi ns o p cb u i l d e ri sa t t a c h e dt ot h e b u so fa v a l o na c c o r d i n gt ot h et i m i n go fn u c l e a r , t h e n ，t h es o p cs y s t e mh a sb e e ng e n e r a t e d f i n a l l y , s o f t w a r ed e s i g ni sa c c o m p l i s h e db ycl a n g u a g ei nn i o si ii d e a f t e ra d j u s t m e n ts y s t e m t ov e r i f yr e a l i z i n gt h ei m a g ec o l l e c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，s t o r a g ea n di m a g ed i s p l a yo f6 4 0 4 8 0p i x e l t h i sd e s i g ni sv e r yf l e x i b l e ，w h i c hh a ss c a l a b i l i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：s o p c ；i m a g ea c q u i s i t i o n ；1 2 c ；h i s t o g r a me q u a l i z a t i o n ；c o l o rs p a c ec o n v e r s i o n i 西安理工大学硕士学位论文 i l 目录 目录 1 绪论1 1 1 国内外研究现状一1 1 2 课题的研究目的和意义1 1 3 课题的主要研究内容和工作一2 2s o p c 及开发环境简介3 2 1s o p c 技术简介3 2 1 1n i o si i 软核处理器4 2 1 2 a v a l o n 总线规范8 2 2s o p c 系统开发环境1 1 2 3s o p c 设计流程1 1 3 基于s o p c 的视频采集与显示系统方案设计15 3 1 视频图像采集与处理的基本原理1 5 3 2 系统方案设计1 7 4 基于s o p c 的视频采集、处理与显示模块设计2 l 4 1 图像采集模块2 l 4 1 1a d v 7 1 8 0 解码芯片简介2 l 4 1 21 2 c 总线模块2 4 4 1 3 图像采集控制2 5 4 2 色度空间转换模块2 8 4 2 1 i t u 6 5 6 解码模块2 8 4 2 2y u v 4 ：2 ：2 到y u ：v 4 ：4 ：4 转换模块2 8 4 2 2 色度空间转换模块2 9 4 3 灰度均衡化实现3 0 4 3 1 灰度均衡化原理3 0 4 3 2 基于f p g a 的算法优化及实现31 4 4 图像存储模块3 4 4 5l c d 显示控制3 7 4 5 1l c dc o n t r o l l e r 设 十3 7 4 5 2l c d 显示时序3 9 4 6 其他固有i p 核4 2 4 6 1 e p c s 控制器一4 2 4 6 2d m a 控制器4 3 4 7s o p c 系统集成4 4 5 系统验证及结果分析4 6 西安理工大学硕士学位论文 5 1 系统验证平台简介4 6 5 , 2 系统调试4 9 5 3 系统运行结果及分析5 0 总结和展望5 1 致谢5 3 参考文献5 5 附录5 7 i i 绪论 1 绪论 1 1 国内外研究现状 随着计算机与集成电路等技术的高速发展，在计算机网络以及图像处理、视频图像压 缩等技术不断进步的基础上，不但在实现过程中提高了图像处理技术的质量，降低了硬件 成本，而且图像处理的广泛应用也带来了可观的经济效益和社会效益。近年来，随着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 ) 以及现场可编程门阵列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 ) 的发展，图像处理的解决方案也在不断完善和更新。 目前利用f p g a 来构建基于片上可编程系统s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m f n a b l e c h i p ) 的图 像处理系统，使图像处理有了更大的、更广泛的应用前景。也使图像采集处理系统已成为 研究的热点，并为图像处理系统的设计与实现提供了新的方法和思路。a l t e r a 公司的 n i o s l i 软核处理器，与同类型产品相比，更能体现技术思想，其作为一种新技术，在国 外已经有了广泛的应用，但是在国内使用此处理器的嵌入式设计和开发仍然处于起步阶 段。对于f p g a 的应用开发和研究还有大量工作需要我们去做。由此可见，开发s o p c 视 频处理系统适合于目前的发展状况，也是一种趋势n 训。 1 2 课题的研究目的和意义 f p g a 在嵌入式系统应用中发挥着越来越重要的作用。f p g a 凭借超大规模的芯片容 量及硬件电路的高速并行运算能力，在高速复杂逻辑处理方面显示了其突出的优势， f p g a 的开发和应用已经不仅体现在基本逻辑的设计方面，更加突出的是系统级和平台级 的设计。可以大胆预测，不久的将来一块电路板上可能仅有两部分电路，即模拟部分( 如 电源) 和一块f p g a 芯片，因为c p u 、d s p 和大规模的存储器都己经嵌入f p g a 内。利用 f p g a 和s o p c 技术来实现视频采集和处理，是嵌入式应用系统的一个很好的方向，也是 图像采集处理技术新的发展趋势。本文深入研究基于f p g a 和s o p c 技术的视频图像采 集处理系统的目的和意义： a 利用f p g a 的并行流水线特点设计的系统能有效提高视频图像的处理速度，满足 实时性要求。 b 运用s o p c 技术，将固有i p 核：如微处理器系统、各种外围控制器以及自定义功 能模块等数字逻辑全部集成在s o p c 系统中，在单片f p g a 中实现图像处理的核心功能， 简化了硬件设计，提高了系统的可靠性和集成度。 c 采用f p g a + s o p c 技术相结合的图像处理系统中，有两大优势是其他方式的视频 处理器所不能实现的，其一，可以在不改变固有硬件资源的前提下，对微处理器和外围接 口进行在线升级；其二，在系统使用过程中，如果发现原设计有缺陷或者是对此系统产生 西安理工大学硕士学位论文 新的需求，都可以利用s o p c 的可重配置技术来改变原设计中的内容和增减新的功能。从 而延长了硬件系统的使用寿命，节省了硬件系统的开支。 1 3 课题的主要研究内容和工作 本课题论文共分为5 章，结构安排如下： ( 1 ) 首先介绍了课题的研究背景，研究目的及意义且给出论文的结构安排。 ( 2 ) 着重介绍论文相关的基本理论知识，如s o p c 技术中的n i o si i 软核处理器及a v a l o n 总线等。 ( 3 ) 介绍了数字视频的基本理论知识，以及确定本文视频采集系统实现的总体方案。 ( 4 ) 重点介绍了基于s o p c 视频采集系统的设计，图像采集，图像处理，图像显示各部 分的硬件实现情况及各功能i p 的设计，控制方法。 ( 5 ) 系统验证整合，给出实验结果。 最后对全文进行了总结，在论文完成的工作基础上，提出了论文需要改进和优化的地 方。 2 s o p c 及开发环境简介 2s o p o 及开发环境简介 2 1 s o p o 技术简介 s o p c 是由a l t e r a 公司提出的一种基于f p g a 的s o c 解决方案，a l t e r a 是以i p 的方 式提供嵌入式处理器和符合软核处理器总线规范的各种接口和外设，所以s o p c 技术有一 个明显的优势即嵌入式处理器及接口的可配置性。用户根据需要自定义接口、外设等，使 系统的配置快捷灵活。与传统的基于a s i c 的解决方案相比，s o p c 技术更具特点和优势， 且有多种途径来构成s o p c 的方案。方案比较如下n 5 1 ： ( 1 ) 嵌入i p 硬核的s o p c 系统 该方案是指将处理器预先植入在f p g a 中，利用f p g a 的大量可编程逻辑资源，增加 需要的功能接口，既实现了所需的系统功能，又大大降低了成本以及功耗。最常用的是含 有a r m 3 2 位知识产权处理器核的器件。通常在常规的嵌入式处理f p g a 中器中会集成很 多的接口，来提高通用性。如果将a r m 或其它处理器核以硬核方式植入，将f p g a 灵活 快捷的硬件设计和处理器的庞大软件功能同时运用，实现了高性能的s o p c 系统，但是存 在缺点：受i p 硬核影响价格相对偏高；在设计过程中，不能根据系统性能需要来改变处理 器的结构；不能根据目标系统功能适当的增减硬件资源。 ( 2 ) 嵌入口软核的s o p c 系统 i p 软核处理器则能有克服上述缺点，如a l t e r a 公司的n i o si i 核，以及x i l i n x 公司的 m i c r o b l a z e 核。都能很好的解决i p 硬核的缺点。a l t e r a 的n i o si i 核是开发者可任意配置 软核内部构建的i p 软核，采用a v a l o n 总线通信接口可将系统所需的功能模块挂接在 a v a l o n 总线上。不需用户支付知识产权费用，而软核的使用费用仅仅是其占用f p g a 逻 辑资源的费用。 ( 3 ) 基于h a r d c o p y 的s o p c 系统 h a r d c o p y 器件避免了a s i c 的风险，采用f p g a 的专有迁移技术，h a r d c o p y 是f p g a 的精确复制，提出了可编程性、专用配置和采用金属互连使用的走线。实现过程如下：第 一，在q u a r t u si i 中将系统模型成功实现于h a r d c o p yf p g a 上，第二，把可编程解决方 案无缝地迁移到低成本的a s i c 上。这样，器件的的硅片面积就更小，成本就更低，而且 还改善了时序特性。 三种方案比较如表2 1 所示： 西安理工大学硕士学位论文 表2 - 13 种s o p c 方案的比较 t a b l e 2 - 1c o m p a r eo f t h r e em e t h o do fs o p c 基于f p g a 的s o c 基于h a r d c o p y 的 项目基于a s i c 的s o c ( s o p c ) s o c 单片成本低 较高 较低 开发周期长( 超过5 0 周)短( 少于1 0 周)较短( 少于2 0 周) 设计工程成本高设计工程成本低设计工程成本低 开发成本 掩模成本高无掩模成本掩模成本低 软件工具成本高软件工具成本低软件工具成本低 ( 超过3 0 万美元( 低于2 0 0 0 美金)( 低于2 0 0 0 美金) 一次投片成功率低， 一次投片成功率近 一次投片情况可现场配置乎1 0 0 ，成本低，耗 成本高，耗时长 时短 集成技术 0 2 5 9 m - 6 5 r i m 0 2 5 9 m - 9 0 n t o 0 2 5 9 m - 9 0 n m 可重构性不可重构可重构 不可重构 ( 4 ) m c u 、d s p 、f p g a 三种处理器在现代嵌入式系统中扮演三分天下的局面，各自 具有独特的优势而又在某方面略显不足，而s o p c 设计周期短，设计成本低，集成了c p u 、 d s p 、存储器、外围i o 及可编程逻辑，是未来嵌入式系统发展的趋势。 a s o p c _ dm c u ：m c u 有丰富的软件系统支持，但在f p g a 中也可以嵌入m c u ， 如n i o s 或n i o s l l 软核可嵌入到大容量的f p g a 中。 b s o p c _ d d s p ：对于海量数据快速处理方面d s p 是占尽风头，其原因在于其流水 线技术。而现在这种运算方式用f p g a 的硬件门电路来实现也很方便。在实现某些算法 采用f p g a 比采用d s p 速度更快。 c s o p c _ df p g a ：s o p c 以f p g a 作为载体，集成软核处理器、a v a l o n 总线模块、 和其他用户自定义模块，为用户提供多功能性设计。 n i o si i 嵌入式处理器n 吨6 1 是在第一代嵌入式处理器n i o s 的基础上发展而来的新一代 高性能嵌入式处理器，是一个可配置的软核处理器。可以根据性能和成本的要求来增加或 删减处理器的功能，也可根据实际需求对其外设和特性进行增减。“软核”意味着n i o si i 处理器不像a r m 那样是由固定的硬芯片来实现，而是由软设计实现，然后用设计文件来 s o p c 及开发环境简介 配置f p g a 芯片。a l t e r a 公司公司并不销售n i o si i 处理器芯片，而是销售空白的f p g a ， 并提供n i o si i 系统相应的i p 核，用户根据应用的具体需要，使用这些i p 核来组成n i o si i 系统，然后将这个系统下载到f p g a 中实现。n i o si i 软核可随意配置和构建的3 2 位1 6 位总线指令集和数据通道的嵌入式系统微处理器i p 核。软核处理器有以下特点： a 最大处理性能提1 高了3 倍 b c p u 内核面积最大可缩小1 2 c 3 2 位r i s c 嵌入式处理器具有超过2 0 0 d m i p 的性能，在低成本f p g a 中实现成本 只有3 5 美分。 d 由于n i o si i 是软核形式，其可在多种系统设置组合中进行选择，满足成本和功能 要求。 e 可延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时的情况。 n i o si i 软核处理器是一个基于3 2 位指令的通用流水线型的r i s c 处理器内核，它和 微控制器是等价的术语。n i o si i 处理器系统将n i o si i 处理器核、片内外设集合、片内存 储器和片外接口等，所有这些都在一块单一的a l t e r a 的f p g a 芯片上实现。n i o si i 处理 器结构如图所示，它包括a l u 程序控制单元p c 、地址发生器、异常控制器、中断控制 器、通用寄存器、指令缓冲器等功能单元。从图中可以看出，n i o si i 软核处理器具有与 通用嵌入式处理器不同的结构，j t a g 调试接口和用户指令逻辑等部分。 图2 1 为n i o si i 软核处理器的结构框图： 图2 一ln i o si i 软核处理器框图 f i g u r e 2 1n i o si ip r o c e s s o rc o r eb l o c kd i a g r a m n i o si i 处理器的功能单元能实现n i o si i 的全部指令集，但并不是任何功能单元都由 硬件实现，每个功能单元可以由硬件实现也可以由软件仿真，也有可能删除。n i o si i 处 理器可根据目标系统的需求定义其性能，o u d , 的处理器核、高性能处理器核。n i o si i 处 理器性能有三种模式：功能部件或多或少、包含某种特性与否、硬件实现或软件仿真。 西安理工大学硕士学位论文 n i o si i 架构定义了下面的用户可见功能单元： ( 1 ) 寄存器文件 n i o si i 处理器的寄存器文件包含了3 2 个3 2 位通用目的寄存器r o 。r 9 和6 个控制寄存 器c t l 0 c t l 5 ，所有控制寄存器都有汇编程序识别的名字。 ( 2 ) 算术逻辑单元( a l u ) 和用户自定制指令 n i o si i 处理器的a l u 对通用寄存器中的数据进行操作，每条指令取1 2 个操作数， 然后将结果返回寄存器。此外，n i o si i 处理器的体系结构还支持用户自定制指令。 ( 3 ) 异常控制器和中断控制器 异常控制器用来处理程序运行中出现的所有类型的异常，异常地址在s o p cb u i l d e r 创建系统时被指定。n i o si i 结构提供一个简单的非向量的异常控制器处理所有的异常情 况：当发生异常时，c p u 跳转到单一的异常地址。集成的中断控制器3 2 个外部硬件中断。 三个条件：p i e 位为1 ；某个中断请求i r q n 有效；i e n a b l e 相应位为1 。如图2 2 所示： 6 进入异常处理 处理硬件中断 处理软件中断 处理未实现指令 其他异常 图2 2 决定异常产生原因的过程 f i g u r e2 - 2d e c i s i o np r o c e s sc a u s e sa b n o r m a l ( 4 ) 指令和数据总线 n i o si i 处理器结构采用指令总线与数据总线分离的哈佛结构。其指令总线和数据总 线都是使用a v a l o n 主端口来实现的，数据主端口与存储器和外设相连，其指令主端口只 于存储器设备相连。 ( 5 ) 高速缓存 n i o si i 处理器的指令和数据主端口均支持高速缓存。高速缓存是由f p g a 片内的存 s o p c 及开发环境简介 储单元实现的，集成在处理器核内部。 高速缓存的最佳配置取决于具体应用。假设n i o si i 处理器系统只访问快速片上存 储器，或者说，例如程序为2 k b ，但是指令缓存为1 k b ，则使用高速缓存非但没有提高 执行速度，反而会降低系统性能。 ( 6 ) 存储器与i o 组织 n i o si i 存储器提供映射的i o 访问，而且n i o si i 结构并没有对存储器和外设的数量、 类型等进行约束，开发人员无需了解硬件结构就可以进行系统开发，因为n i o si i 结构隐 藏了其硬件实现细节。 ( 7 ) j t a g 调试 n i o si i 结构中的j t a g 调试模块，可以实现程序下载、断点和观察点的设置、实时跟 踪数据等各种功能。 n i o si i 处理器包括三种n i n si ic p u 内核：快速型( n i o si w ) 对应最高的系统性能， 中等f p g a 使用量；标准型( n i o s 彤s ) 对应的是高性能，低f p g a 使用量；经济型( n i o s i i e ) 对应的是低性能，最低的f p g a 使用量。如图2 3 所示： 口矗她州峨：。? = ；= i 蓦- - 。乏一 一 j ! ：_一一 _ 州y “蚋酾蛳婚哪咖蝇鲤嘲撕斓嘲砖t 畦赠穆鲤咿螂p 睁嘶氨睁p 哪黟蛳髑删 曩羔。二一 叠 f 耐憎融文e x 蝴嘲滴影旃精戮。焉鲕疆藤嚣蚕墨。量季j “曩? 熏雾l 。 _ ；_ _ _ j 1 1 誊爹 薹善_ _ _ _ _ _ | _ 1 _ 薹j _ _ _ _ _ 一一一蓦_ _ _ _ 一_ _ _ _ _ 口曩哆睁删一_ 1 1 ；_ i 量ii 量舞蓦 囊。誊 i 基- - 图2 - 3n i o si i 处理器核对话框 f i g u r e2 - 3n i o si ip r o c e s s o rc o r ed i a l o gb o x 在进行n i o si ic p u 内核选择时，在获得更高性能的同时，通常是需要以牺牲面积为 代价的，同理面积的减少也同样是需要以损失速度和性能为代价，这也正是集成电路中面 积与速度互换原理的体现。因此，在n i o si i 处理器系统设计过程中，从处理速度、片上 7 西安理工大学硕士学位论文 资源，成本等多个方面对n i o si ic p u 内核的选择进行权衡，本文选择了标准型n i o si ic p u 内核( n i o si i s ) ，既满足了系统速度的要求，又留给处理器外围逻辑设计足够的资源，这 也体现了软核嵌入式处理器相对于硬核嵌入式处理器的优势。三种n i o si i 处理器性能比 较如表2 2 所示： 表2 - 2 对三种n i o si i 处理器性能比较： t a b l e2 - 2c o m p a r i s o no f t h r e en i o si ip r o c e s s o rp e r f o r m a n c e 经济性标准性快速性 n i o si ic p u ( n i o s l i e )( n i o s l i s )( n i o s l i f ) d m i p s 瓜忸z0 1 6o 7 51 1 7 最大d m i p s2 8 1 2 0 2 0 0 性z h 匕v - 最大工作频率 5 0 n 七e1 3 5 珏i z1 3 5 z 占用资源( 以l e 为单位) 6 0 0 1 3 0 0 1 8 0 0 流水线阶数 5 6 外部寻址空间 2 g2 g2 g 高速缓存 ( 5 1 2 -( 5 1 2 - 外部寻址空间 6 4 k ) b y t e s6 4 k ) b y t e s 分支预报静态动态 硬件乘法器3 周期1 周期 硬件除法器 可选( 2 周期 算术逻辑单元 ) 3 周期b a r r e l 移1 周期b a r r e l t d l ； 移位器一周期每比特 位器位器 2 1 2 v aio n 总线规范 n i o si i 总线结构采用的是a v a l o n 总线n 刮形式，a v a l o n 总线是s o p c 硬件系统中的 重要部分，是一种协议较为简单的片内总线，也是一种可配置的互联策略，允许设计者只 保留支持特定的数据传输模式所需要的信号，而且总线的互联策略允许任何外设连接在总 线主端口。 a v a l o n 总线规范定义了一组a v a l o n 外设所使用的信号类型，如a d d r e s s 、d a t a 、c h i p s e l e c t 等。a v a l o n 外设只是用与外设i p 接口所需的信号，而去除增加不必要开销的信号。即就 是a v a l o n 总线的配置能力。如一个r o m 接口可能需要的3 种信号：地址、读数据与片选 s o p c 及开发环境简介 信号，而一个高速存储器控制器可能需要支持流水的突发传输的其他信号。此外它提供几 种总线接口的一个超集，例如，s d r a m 的引脚被映射到a v a l o n 信号类型，可以直接与 芯片接口相对应。 a v a l o n 总线传输分为：主传输和从传输，因此a v a l o n 信号根据传输类型也分为从信 号和主信号，有些信号在主端口和从端口都存在，但是其功能不一样。 表2 3 列出了部分外设的从端口与a v a l o n 总线接口的信号类型。 表2 3 从端口传输的部分信号 t a b l e 2 - 3t r a n s m i s s i o ns i g n a lo fs l a v ep o r t 信号类型宽度方向必需功能 c l k1 输入否a v a l o n j k 端口同步时钟 c h i p s e l e c t l 输入从设备片选信号 a d d r e s s1 3 2 输入否 a v a l o n 总线模块的地址线 基 b y t e e n a b l e0 ，2 ，4输入 否 字节使能信号 本 信 r e a d 1 输入否 从端口读请求信号 号 类 型 a v a l o n 总线模块的读 r e a d d a t a1 3 2 否 传输数据线 w r i t e1 输入 否 从端口写请求信号 总线模块写数据操作的数 w d t e d a t al 1 2 8 输入否 据线 等待状态当从端口不能响应a v a l o n 信号 w a i t r e q u e s t l 输出 否 总线模块时，使用该信号 突发信号 b u r s c o u n t2 3 2 输入否用于突发传输 d a t al 1 2 8 是 三态从端口的双 三态信号 双向向读写数据信号 o u t p u t e n a b l e 1 输入否 r e s e tl 输入否外设复位信号 其他信号 l r q l 输出否中断请求信号，外设触发 ( 1 ) 从端口使用动态地址对齐方式，信号的宽度必须是2 的整数次幂。 ( 2 ) 从端目同时使用r e a d d a t a 和w r i t e d a t a 信号，则二者宽度必须相等。 a v a l o n 总线规范定义了一组传输特性：等待状态( 仅从端口支持) 、流水、建立和保 持时间( 仅从端口支持) 、突发、流控制、三态。a v a l o n 主端口或从端口根据外设的设计 选择不同的传输特性，所有传输的基础是基本的读或写传输。 a 基本从端口读传输模式： 9 西安理工大学硕士学位论文 基本的从端1 3 读传输是所有其他a v a l o n 从端口读传输的基础，不包括a v a l o n 总线的 任何传输特性。 li iii 出m广 a d d r e s s ，吼e e n a b l ez z 乙z z 玄z 埏二堕匠煎匠亟亚二 二冱弦z 勿冱冱z 丑 r e a d c h i p s e l e c t 忽磁巫巫z z z 仁下 厂_ 飞冱z z z 凇 化a d d a t a 冱勉勉弦磁i 勿| ! ix i 巫匝二涩z z 2 冱巫弦弦巫 图2 4 从端e l 无等待读传输时序图 f i g u r e 2 4r e a d i n gf r o mt h ep o r tw i t h o u tw a i t i n gf o rt r a n s f e rt i m i n gd i a g r a m 如图2 4 所示，a v a l o n 基本读传输是由a v a l o ns w i t c hf a b r i c 发起的，仅适用于完全异 步的从外设，例如一部存储芯片，这时从外设必能立刻向a v a l o ns w i t c hf a b r i c 输出数据。 为了使输出正常，r e a d d a t a 的输出必须在下一个时钟上升沿有效且保持稳定， b 基本从端口写传输 基本从端口写传输是所有a v a l o n 从端口写传输的基础，它不包含任何a v a l o n 总线允 许的传输特性。基本从端口写传输由a v a l o ns w i t c hf a b r i c 发起。一般适合在一个总线时 钟周期内捕获数据的同步片上外设，不能在一个时钟周期内捕获数据的外设必须使用等待 周期。 i abcd 出mn a d d r e s s ，b y t e e n a b l e ：, j 烈a d t r 1 r e s s , b y t e e n a b l e 二) 匝勉弦磁乙弦狃 w r i t e d a t az z z 磁磁凇, e , 丰w f i t 巫e d a t a 丰 x 1 1 1 磁1 一 w r i t ez z z 忽磁磁勉丌1 t 勉冱z z z z z z 磁磁 c h i p s e l e e t 弦忽z z 2 巫盈冱宓矿_ 1 弋z z 2 弦狃冱忽及 图2 - 5 基本从端口写传输时序图 f i g u r e 2 5n o - w a i tw r i t ef r o ms l a v ep o r t 图2 5 显示了基本从端口写传输。a v a l o ns w i t c hf a b r i c 提供a d d r e s s 、w r i t e d a t a 、 b y t e e n a b l e 和w r i t e 信号，在内部对地址译码，然后设置c h i p s e l e c t 有效。当c h i p s e l e c t 无 1 0 s o p c 及开发环境简介 效时，从端口必须忽略所有其他输入信号。 2 2s o p c 系统开发环境 q u a r t u si i 设计软件提供完整的多平台设计软件，可以轻易的满足特定的设计需要。 它将设计输入、综合、布局、验证、编程与配置以及第三方e d a 工具接口集成在一个无 缝的环境中。q u a r t u si i 集嵌入式软件开发、可编程逻辑设计、系统级设计于一体，是一 种综合性的开发平台，支持a l t e r a 的片上可编程系统s o p c 开发。 ( 1 ) 硬件开发环境 s o p cb u i l d e r 是针对传统方法设计耗时及复杂的情况，a l t e r a 公司开发了一个自动化 的s o p c 硬件系统开发工具，内嵌在q u a r t u si i 软件中，为建立s o p c 设计提供了标准化 的图形环境，用户可以创建、配置和综合处理自己的s o p c 设计，而且允许用户配置n i o s i i 嵌入式处理器和外围设备及接口，并通过a v a l o ns w i t c hf a b r i c 总线将它们连接在一起。 不需要任何原理图或者h d l 代码的输入，可以方便快捷的定义一个完整的硬件系统系统。 在s o p cb u i l d e r 开发工具中开发人员可以自己编写需要的各个组件和接口，s o p c b u i l d e r 会自动形成等待状态和中断控制等，在集成s o p c 系统时可以指定内存分配地址、 中断地址以及a v a l o n 总线的主从关系。对于每一个s o p c 系统，s o p cb u i l d e r 创建自定 义软件库，这些软件库包含定制的包含文件、外围驱动程序库文件和例子源代码。 ( 2 ) 软件开发环境 n i o si i 集成开发环境( t h en i o si i i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) ( i d e ) 是n i o s i i 处理器的基本软件开发工具。在n i o si ii d e 中可以完成n i o si i 处理器软件的编辑、运 行管理、编译、调试和下载等工作。 在n i o si ii d e 集成开发环境中进行软件开发时，需要系统提供的h a l ( h a r d w a r e a b s t r a c t i o nl a y e r 硬件抽象层) 系统库文件、系统标准外设驱动程序、用户自定义接口驱 动程序。将h a l 系统库与用户设计紧密地结合在一起，在此基础上，用户可以开发自己 的应用程序。在n i o s l ii d e 中每建立一个新的用户工程，i d e 同时也会根据用户选择的 n i o si i 系统，在n i o si ii d e 中有现成的工程模板，用户可根据需要选择合适的模板，帮 助开发人员节省大量的时间，加快了系统的开发速度3 们。 2 3 p c 设计流程 基于n i o si i 的s o p c 系统开发分为硬件开发和软件开发两个流程，与传统的嵌入式 系统设计不同的是增加了处理器、用户白定义逻辑“1 与外设接口等步骤。这些新增加的 步骤在s o p cb u i l d e r 和n i o s l ii d e 工具的协助下显得十分容易。完整的的s o p c 系统是 一个软硬件复合的系统，s o p c 设计流程如图2 - 6 所示： 西安理工大学硕士学位论文 图2 - 6s o p c 系统开发流程 f i g u r e 2 6s o p cs y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s s 硬件设计是指利用s o p c 开发工具定制合适的c p u 和外设，在s o p cb u i l d e r 和 q u a r t u s l i 中完成。首先：在q u a r t u si i 软件中对用户自定义逻辑或者用户自定义接口进行 设计，外设定义完成后，在s o p cb u i l d e r 中选择n i o si i 处理器核用户需要的固有i p ，并 对其特性、大小和地址分配进行设定然后，在s o p cb u i l d e r 中集成s o p c 系统，生成用 于综合和仿真的文件，使用q u a r t u