（电路与系统专业论文）基于FPGA的通用实时信号处理系统的硬件设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 近年来，以f p g a 为代表的数字系统现场集成技术取得了快速的发展，f p g a 不但解决了信号处理系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且基于大规模 f p g a 单片系统的片上可编程系统( s o p c ) 的灵活设计方式使其越来越多的取 代a s i c 的市场。传统的通用信号处理系统使用d s p 作为处理核心，系统的可重 构型不强，f p g a 解决了这一问题，并且现有的f p g a 中，多数已集成d s p 模 块，结合f p g a 较强的信号并行处理特性使其与d s p 信号处理能力差距很小。 因此，f p g a 作为处理核心的通用信号处理系统具有很强的可实施性。 基于上述要求，作者设计和完成了一个基于多f p g a 的通用实时信号处理系 统。该系统采用4 片x c 3 s d l 8 0 0 a 作为处理核心，使用d d r 2s d r a m 高速存 储实时数据。作者通过全面的分析，设计了核心板、底板和应用板分离系统架构。 该平台能够根据实际需求进行灵活的搭配，核心板之间的数据传输采用了l v d s ( 低电压差分信号) 技术，从而使得数据能够稳定的以非常高的速率进行传输。 本系统属于高速数字电路的设计范畴，因此必须重视信号完整性的设计与分 析问题，作者根据高速电路的设计惯例和软件辅助设计的方法，在分析和论证了 阻抗控制、p c b 堆叠、p c b 布局布线等约束的基础上，顺利地完成了p c b 绘制 与调试工作。 作为系统设计的重要环节，作者还在文中研究了在系统设计过程中出现的电 源完整性问题，并给出了解决办法。 l v d s 高速数据通道接口和d d r 2 存储器接口设计决定本系统的使用性能， 本文基于所选的f p g a 芯片进行了详细的阐述和验证。并结合系统的核心板和底 板，完成了应用板，视频图像采集、u s b 、音频、l c d 和l e d 矩阵模块显示等 接口的设计工作，对其中的部分接口进行了逻辑验证。 经过测试，该通用的信号处理平台具有实时性好、通用性强、可扩展和可重 构等特点，能够满足当前一些信号处理系统对高速、实时处理的要求，可以广泛 应用于实时信号处理领域。通过本平台的研究和开发工作，为进一步研究和设计 通用、实时信号处理系统打下了坚实的基础。 关键词：通用实时信号处理；f p g a ：信号完整性；d d r 2 ：l v d s 摘要 a b s t ra c t h lr e c e n ty e a r s ，t h ed i g i t a ls y s t e mf i e l di n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l y ， e s p e c i a l l y t h ef p g a , w h i c hn o t o n l y r e a l i z e dm i n i a t u r i z a t i o n ，l o w p o w e r c o n s u m p t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t yo ft h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，a l s o0 - 8i t sf l e x i b l e d e s i g no fs y s t e m - o n - a - p r o g r a m m a b l e c h i p ( s o p c ) b a s e do nl a r g e s c a l ef p g a ，i ti s r e p l a c i n ga s i co nt h em a r k e t i nt h et r a d i t i o n a lg e n e r a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m s ， d s pi su s e da st h ec o r e ，b u ti t sr e c o n f i g u r a t i o ni sn o ts t r o n g ，f p g as o l v et h i s p r o b l e m m o s te x i s t i n gf p g ai n t e g r a t e dd s pm o d u l ea n dc o m b i n i n gw i t has 缸o n g s i g n a lp a r a l l e lp r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so nf p g a ，w h i c hm a k et h ed i s p a r i t yo fs i g n a l p r o c e s s i n ga b i l i t y b e t w e e nf p g aa n dd s pr e d u c e dt oal i t t l e t h e r e f o r e ，t h e o p e r a b i l i t yo ff p g aa sp r o c e s s i n gc o r eu s e di ng e n e r a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mi sa s t r o n g ag e n e r a lr e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nam u l t i f p g aw a s d e s i g n e da n dc o m p l e t e db ya u t h o r t h es y s t e m u s e sf o u rx c 3 s d l8 0 0 aa st h e p r o c e s s i n gc o r e ，a n dd d r 2s d r a mh i g h s p e e dr e a l - t i m ed a t as t o r a g e t h es y s t e m a r c h i t e c t u r ei ss e p a r a t e dt oc o r eb o a r d ，b o t t o mb o a r da n da p p l i c a t i o nb o a r d , b yw h i c h t h ep l a t f o r mc a nb ec o l l o c a t e df l e x i b l y a c c o r d i n gt o a c t u a ld e m a n d s l v d s ( 1 0 w - v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) t e c h n o l o g yi s u s e da m o n gc o r eb o a r d s ，w h i c h a l l o w sd a t at r a n s f e r r e ds t a b i l i t yo nav e r yh i g hr a t e b a s e do ns e l e c t e df p g a , t h ep a p e re x p l a i n sa n dv a l i d a t e st h ep a r t i c u l a rl v d s h i g h - s p e e dd a t ac h a n n e li n t e r f a c ea n dd d r 2m e m o r yi n t e r f a c ew h i c hd e t e r m i n e st h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m d u et ot h eh i g hs p e e dd i g i t a ld e s i g n ，t h ed e s i g na n da n a l y s i so fs i g n a li n t e g r a l i t yi s v e r yi m p o r t a n t t h ea u t h o rg i v e si m p e d a n c ec o n t r o l ，p c bs t a c k , p c bp l a c e m e n ta n d r o u t i n gc o n s t r a i n t s 嬲w e l la sc o m p l e t e sd e b u g g i n ga n dd r a w i n go fp c ba c c o r d i n gt o e x p e r i e n c e p o w e ri sa ni n t e g r a lp a r to fs y s t e md e s i g n ，i t si n t e g r i t yi sc o n s i d e r e da n ds o l u t i o n i sd e s c r i b e di nt h ea r t i c l e c o m b i n i n gw i t ht h ec o r eb o a r da n db o r o mb o a r d , t h ea u t h o rc o m p l e t e dh a r d w a r e i n t e r f a c ed e s i g no ft h ea p p l i c a t i o nb o a r ds u c ha sv i d e oi m a g ec a p t u r em o d u l e ，u s b i i i 北京工业大学- t ：硕t 学位论文 m o d u l e ；a u d i om o d u l e ，l c da n dl e dm a t r i xm o d u l e ，s o m ep a r t so fi n t e r f a c ea le v e r i f i e da tt h es a n l et i m e t h r o u g ht e s t i n g ，t h eg e n e r a l - p u r p o s es i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r mw o r k sw e l lw i t h t h ec a p a b i l i t i e so fr e a l - t i m i n g ，g e n e r a l i t y ，e x p a n s i b i l i t y ，a n dr e c o n f i g u r a t i o n i tm e e t h i g hs p e e da n d r e a l - t i m er e q u e s ti nc u r r e n ts i g n a lp r o c e s s i n ga n dc a nb ew i d e l yu s e d i nt h ef i e l do fr e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n g b yt h ed e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e m ，as o l i d f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ho fs y s t e m so fg e n e r a l - p u r p o s e ，r e a l t i m es i g n a l p r o c e s s i n gi se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：g e n e r a lr e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n g ；f p g a ；s i g n a li n t e g r i t y ；d d r 2 ； l v d s i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业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了谢意。 签名：釜l 列日期：丝竺：! ：三! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) l 签名：z 1 垄蝈导师签名：曼兰：翌日期2 11 刍：鱼：2 第1 审绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 近几十年来，在计算机技术和信息技术的带动下，数字信号处理技术得到迅 速的发展。它已经在数据处理、工业控制和数据通信等许多领域得到广泛的应用。 数字信号处理的主要功能包括：以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估 值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 从信号处理技术的研究史来看，可以归纳为以下几个阶段： 1 - 信号解析方式的研究阶段； 2 模拟信号的数字化阶段； 3 信号数字处理技术初期发展阶段； 4 现代数字信号处理阶段。 前两个阶段发生在1 7 世纪末1 8 世纪初离散数学诞生到2 0 世纪6 0 年代之间。 第三阶段是以1 9 6 5 年c o l l e y 和t u r k e y 提出快速傅里叶变换算法( f f t ) 为标志 的。此阶段的数字信号处理技术用于图像处理、快速数据传输、生物医学系统等 领域。第四阶段的时间划分并不明显，但其重要特点是新理论、新算法不断涌现， 硬件处理水平得到很大的提高，应用领域不断扩大，数字信号处理的高速实时应 用为研究的重点和热点。同时，数字信号处理的应用领域也在不断扩大。 数字信号处理作为信号和信息处理的一个分支学科，已渗透到科学研究、技 术开发、工业生产、国防和国民经济的各个领域，取得了丰硕的成果。对信号在 时域及变换域的特性进行分析、处理，能使技术人员对信号的特性和本质有更清 楚的认识和理解，得到需要的信号形式，提高信息的利用程度，进而在更广和更 深层次上获取信息。数字信号处理系统的优越性表现为1 ： 1 灵活性好：当处理方法和参数发生变化时，处理系统只需通过改变软件设 计以适应相应的变化。 2 精度高：信号处理系统可以通过a d 变换的位数、处理器的字长和适当的 算法满足精度要求。 3 可靠性好：处理系统受环境温度、湿度，噪声及电磁场的干扰所造成的影 响较小。 4 可大规模集成：随着半导体集成电路技术的发展，数字电路的集成度可以 作得很高，具有体积小、功耗小、产品一致性好等优点。 然而，数字信号处理系统由于受到运算速度的限制，其实时性在相当长的时 北京t 业大学t 学硕t 学位论文 间内远不如模拟信号处理系统，使得数字信号处理系统的应用受到了极大的限制 和制约。自7 0 年代末8 0 年代初d s p ( 数字信号处理) 芯片诞生以来，这种情况得 到了极大的改善。d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合进行数字信 号处理运算的微处理器。d s p 芯片的出现和发展，促进数字信号处理技术的提高， 许多新系统、新算法应运而生，其应用领域不断拓展。目前，d s p 芯片已广泛应 用于通信、自动控制、航天航空、军事、医疗等领域。 近年来由于多媒体技术和无线通信的发展，对信号处理应用的要求不断增 长，需要采用处理速度高的硬件来实现。因此，随着c m o s 工艺的线宽不断缩小， 厂商随着各个领域广泛的使用数字信号处理技术，这使得数字信号处理系统比原 来更为庞大，实时处理能力更为增强，许多i c 厂商不断的推出新的处理器更是 推动了数字信号处理系统的快速发展。数字信号处理硬件系统的通用性、灵活性、 可靠性和存储性变得更强，相同的硬件平台配合不同的算法可满足很多领域的应 用，因此有必要搭建一个高性能的实时信号处理系统以满足不用应用处理需求。 1 2 课题相关技术的发展现状 1 2 1f p g a 的快速发展对系统设计的影响 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 ) 臣p 现场可编程门阵列，起源于2 0 世纪 7 0 年代，是在专有集成电路基础上发展起来的一种新型逻辑器件，其主要特点 是完全由用户通过软件的配置和编程，从而完成某种特定的功能，可以反复的擦 写。不需要改变现有的硬件电路。f p g a 是在p a l 、g a l 、e p l d 、c p l d 等可 编程器件的基础上进一步发展的产物，它是作为一种定制电路而出现的。 f p g a 内部采用一种易于反复配置的查找表( l u t ) 结构，通过改变烧写文 件以改变查找表内容的方法实现对f p g a 的重复配置。基于l u t 的f p g a 具有很高 的集成度，可以完成极其复杂的时序逻辑电路与组合逻辑电路，使用于高速、高 密度的高端数字逻辑电路设计领域。其组成部分主要有可编程输入输出单元、 基本可编程逻辑单元、内嵌s r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌 专用单元。f p g a 是通过存放在片内的r a m 来设置其工作状态的，因此工作时需 要对片内的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3 1 。 基于f p g a 的s o c 设计理念将f p g a 可编程的优势带到了s o c 领域，其系统包 括嵌入式处理内核、d s p 单元、大容量处理器、吉比特收发器、混合逻辑、口以 及原有的部分组成【3 】。其优势在于可进行反复修改并对系统架构实现进行验证。 s o c 平台的核心部分是内嵌的处理内核，其硬件是固定的，软件则是可编程的， 外围电路由f p g a 的逻辑资源组成，大都已以p 的形式存在，用户根据其需要在 2 第1 章绪论 内核总线上添加逻辑功能，并能自身定制相应的接口p 和外围设备。 1 2 2 数字信号处理硬件系统发展现状 计算机技术的出现推动了数字信号处理系统的快速发展，系统的功能变得越 来越强大，广泛的应用在各个行业。 数字信号处理系统的实现方法一般有以下几种【1 】： 1 基于通用计算机采用软件实现。这种方法适用于算法验证、仿真研究或 信号的离线处理，不适用于实时系统。 2 在通用的单片机上实现。这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理 场合，如数字控制等。 3 采用可编程d s p 芯片实现。d s p 芯片普遍采用哈佛结构总线结构，内部 有乘法器、累加器，使用流水线结构，具有良好的计算能力，通用性比较强，适 用于实时信号处理系统。缺点是d s p 芯片的接口比较单一，灵活性差。 4 采用可编程d s p 和f p g a 搭配。多数高性能的实时数字信号处理系统采 用此办法，它考虑了d s p 和f p g a 的优势，即d s p 有良好的实行性和运算能力； f p g a 的i o 接口定义灵活，无需改动系统的硬件结构即可多系统进行改动。此 种办法硬件结构中同时需要d s p 和f p g a ，硬件结构相对复杂。 5 采用可编程f p g a 实现。此种办法的灵活性最好，在f p g a 早期发展阶 段由于f p g a 芯片的性能相对较差，此种方法极少使用，随着f p g a 技术和工艺 水平的提高，新型f p g a 器件内嵌硬核高速乘法器、微处理器、高速串行接口以 及软核处理器，实现了高速和灵活性的紧密结合，其应用的范围从单片扩展到了 系统级。因此采用f p g a 作为信号处理系统核心的可行性大大增强。 d s p 是一种功能强大的快速处理器，能够实时的完成信号处理任务。d s p 以其低功耗、高速、高集成度和高性价比，在工业、军工和民用领域得到广泛的 应用，特别是在消费电子和通信产业，许多系统功能逐渐硬件定义向软件定义的 方向发展，d s p 是实行这一转变的不可缺少的核心技术。 从应用的范围看，d s p 可分为通用d s p 和专有d s p 两种【l 】。信号处理的算法 可以通过可编程的d s p 器件实现低速率的应用，利用专有的d s p 芯片和专用集成 电路实现较高速率的应用。f p g a 器件提供了新的选择，与通用d s p 解决方案相 比，f p g a 器件在不牺牲灵活性的条件下能够并行和串行实现f m 滤波器、f f t 浮 点运算、f f t 定点运算等。且新一代的f p g a 内部集成了硬d s p 模块，这更加提高 了f p g a 的实用性 4 1 。 1 2 3 用f p g a 搭建信号处理系统特点 f p g a 自顶向下的设计流程使大规模的系统设计变成更为方便。以软件方式 北京t 业大学t 掌坝：卜掌位沦文 控制操作的系统无法纯硬件系统相比，因为软件是通过顺序执行的方式来完成控 制和操作步骤，采用h d l 语言描述的系统是以并行方式工作的。以a d 数据采 集为例，在d s p 平台和f p g a 平台上分别相同的采样周期，在f p g a 可以并行 完成上百路的数据采集。 1 3 本文的主要研究内容 f p g a 自身的特点及其快速的发展决定它在信号处理平台系统中得到更广 泛的应用。根据通用信号处理系统平台特点，在实际设计过程中，笔者选择了多 f p g a 的系统架构，使其在具有高性能的基础上，更具有广泛的通用性和深度的 可扩展性，构成了一个性能强劲的通用实时信号处理系统。 该通用实时信号处理系统工作流程如下：待处理的信号通过前端数据传输接 口在前端f p g a 进行信号处理，通过f p g a 之间的高性能数据传输通道发送到后 端的f p g a 进行进一步处理，通过后端f p g a 传输到后向数据传输端口。 本文第2 章主要讨论通用实时信号处理系统的方案设计。通过介绍高性能实 时信号处理系统的基本概念，给出本文所研究的通用高性能实时信号处理系统的 多种实现结构，并对方案进行比较选择合理的f p g a 芯片。根据选定的处理：占片， 实现多芯片之间的高速互联，保证数据的实时传输特性，满足系统平台的通用、 实时的设计要求。 本文第3 章主要介绍本系统平台的接口设计。主要内容包括系统内部模块间 的接口、各个模块内部接口以及系统扩展接口。 本文第4 章主要描述本系统电源的解决方案。由于系统复杂，因此为本系统 设计供电电源是一项十分有挑战意义的工作，笔者通过软件仿真与实际调试相结 合，成功地找到了电源部分的解决方案。 本文第5 章主要介绍高速数字设计当中会遇到的信号完整性方面的问题。主 要内容包括传输线、阻抗、反射、串扰等概念，介绍信号完整性仿真工具以及给 出本系统设计中需要考虑的最终信号完整性因素，同时给出信号完整性仿真结 果。 本文第6 章分为两个部分，第一部分主要进行了系统的验证。主要内容包括 核心板之间l v d s 高速通道和d d r 2s d r a m 的验证。第二部分主要介绍结合本 系统中的核心板和底板，设计应用板的接口和对接口的部分逻辑验证以及本系统 内嵌处理器的设计。 4 第2 章通用丈时信弓处理系统方案设计 第2 章通用实时信号处理系统方案设计 2 1 基于f p g a 通用实时信号处理系统的基本要求 信号处理系统具有很强的兼容性，相同的硬件平台上通过不同的软件结构实 现不同的功能，在信号处理系统的设计中要充分考虑到系统的兼容性和可扩展 性，实现同一平台多种用途。 作者参考其他通用实时信号处理系统平台，结合实际应用，制定本文所研究 的通用实时系统平台需具有以下特点： 1 在软件无线电、视频和通信使用； 2 采用多处理器的并行结构； 3 具有自定义的扩展接口； 4 能够运行嵌入式操作系统。 2 2 多f p g a 并行模块设计方案 在图像处理、消费电子、通信基站等许多领域，对信号采集速度和信号处理 速度要求越来越高，不仅运算量越来越大，数据吞吐量也很大。在处理器内核频 率提高受到限制的情况下，单片处理器依然很难满足系统的性能要求。 为此，多处理器并行系统应运而生。在系统设计时可以根据所需要实现的功 能和处理器的性能来调节处理节点的数目，通过合理分配系统资源和需要完成的 任务使系统达到最佳的性能价格比。本文构建了一个通用实时信号处理平台，这 是一种典型的多f p g a 并行处理系统。 2 2 1 多f p g a 并行模块网络构成模型 由于系统中存在多个f p g a 处理单元，因此可将系统任务划分为多个子任务 分配到不同的f p g a 处理单元上分别处理，其任务间数据通信速度和同步时间等 不仅取决于处理单元本身的通信速度，还取决于链接处理单元的通信互联网络。 通信链路丰富的复杂网络往往能提高较高的数据通信速度，然而其设计和维护的 难度要高的多。针对不同的实际处理应用，采用不同形式的通信网络结构，可以 降低通信网络的复杂度。并行处理机网络的主要功能是为各处理单元提供数据交 换的通路，并负责子任务传送和控制调度信号的传递。处理单元之间的网络结构 大致可分成两类：一种是共享总线或共享存储器系统，称为紧耦合式并行系统； 北京t j i p 大掌t 学坝：1 学位沦文 另一种是各处理单元有各自独立的数据存储器而通过通信口相连的分布式并行 系统，又称松耦合式系统。分布式系统或松耦合式系统中处理单元的连接形式很 多，如图2 1 所示，现有的多f p g a 系统互联结构主要有有线型、树型、网格型 ( m e s h ) 和交叉开关型( c r o s s b a r ) 5 1 1 6 ，分别介绍如下： ( a ) 线型结构 ( c ) 树型结构 ( b ) 网格型结构 ( d ) 交叉开关型结构 图2 - 1 多f p g a 网络连接形式 f i g u r e 2 - 1t h ef o r mo fm u l t i - f p g an e t w o r kc o n n e c t i o n 1 线型结构：如图2 - 1 ( a ) 所示，此结构使用于小型的系统，f p g a 之间的 连接简单，p c b 布线设计相对容易，但不相邻f p g a 之间通信需要通过中间的 f p g a 转接，虽然硬布线具有较高的速度，这需要更多的占用中间的f p g a 的管 脚资源，不相邻f p g a 之间通信的路径变得更长，关键路径延迟时间变得更长， 不利于实时信号处理系统的构建。因此，此种结构仅仅适合于对速度要求不高的 规模较小的信号处理系统。 2 网格( m e s h ) 型结构：基本的4 向网格型结构如图2 - 1 ( b ) 所示，各f p g a 处于二维网格中，每片f p g a 只与他的四个最近邻f p g a 连接，它们之间的互联 线数目受到f p g a 管脚数目的限制，两种改进的m e s h 结构如下图所示，在图2 - 2 ( a ) 中需要占用f p g a 5 的多个管脚资源，并且较远的f p g a 之间的通信存在如 4 向网格型结构中问题，f p g a 管脚之间的距离过远。图2 2 ( b ) 的结构中，相 邻f p g a 之间都建立的通信路径，使得相邻f p g a 之间的通信距离大大缩短，特 6 第2 章通用文时信号处理系统方案设计 别适合于4 片以下的多f p g a 系统中。在超过4 片p f g a 的系统中，较远的f p g a 之间的通信路径距离较长，关键路径的延时较长。 ( a ) sr m e s h 结构( b ) 文叉形m e s h 结构 图2 2 改进的m e s h 结构 f i g u r e2 - 2t h em o d i f i e dm e s hs t r u c t u r e 3 树型结构：如图2 - 1 ( c ) 所示，在此结构中，第一级的f p g a 为主控， 控制第二级f p g a ，第二级控制第三级f p g a ，以此类推，此系统的优点为使用 一个f p g a 控制整个的系统，便于系统的同步和协调工作，便于扩展更多的接口， 但此系统第一级与最后级的路径很长，信号路径的延迟时间过长，并且第一级的 f p g a 的任务量大，需要一个性能强的f p g a 芯片。 4 交叉开关型结构：这种互连结构是利用专门的现场可编程互连器件显示 各f p g a 之间的可编程互连，其基本结构如图2 1 ( d ) 所示，每片f p g a 的互连管 脚数为n 个，n 为f p i d 的数目，f p i d 的应用节省了f p g a 的管脚资源， 2 2 2 本系统中多f p g a 的网络构成模型 f p g a 的i o 接口支持多种电平标准，它可以是单端模式的高速接口和差分模 式的高速接口，差分模式的低电压摆率和高的抗干扰性非常适合应用到高速通信 接口，现有的f p g a 几乎都支持差分模式的输入和输出，因此f p g a 之间高速的通 信接口大多使用差分模式。f p g a 芯片内部差分接口的资源很多，几乎占到接口 总资源的7 0 以上，自定义的高速接口方面用户建立多片f p g a 并行处理系统【5 引。 根据2 2 1 节对多f p g a 网络构成结构的分析，结合通用实时信号处理系统 在本项目的实际应用，使用4 片f p g a 芯片构建通用实时信号处理系统。采用线 性结构和树形接口都不利于构建通用实行的信号处理系统，网格型结构和开关型 结构在实际应用中更为有效，网格型结构增加了f p g a 之间的互连通信能力，而 开关型结构则更容易根据实际需要构建通用的实时信号处理平台。作者综合了网 格型结构和开关型结构的优点采用改进型网格型和高速开关型共用的结构模型， 7 北京t 业大学t 学硕：l j 学位论文 如图2 3 所示： 图2 3 本系统中采用的多f p g a 网络构成模型 f i g u r e 2 - 3t h em o d e lo fm u l t i f p g an e t w o r kc o n s t i t u t e su s e di ns y s t e m 把f p g a 之间高速的差分连接与可选择的交叉开关型布线连接结合起来，可 使系统获得最佳的性能，如图2 3 所示完全图与交叉开关混合型的连接结构具有 优于网格型( m e s h ) 和交叉开关型( c r o s s b a r ) 的性能，这种结构的缺点是当f p g a 数目较多时，实现完全图形式的硬件连接线互连很困难，并且电路映射至多片 f p g a 结构时，划分的依据是尽量是联系紧密的部分映射至同一片f p g a ，各 p f g a 间的互连线越少越好，实际工程中完全图的硬件布线也是不必要的1 6 j 。基 于上述分析，作者采用了硬件布线和可悬着交叉开关布线相结合的方式，为达到 占用资源少和延时小的双重目的。f p g a 之间的硬件互连线采用高速的差分模式， 主要用于各f p g a 之间大量数据的高速传输，在每两个f p g a 之间都建立高速的数 据传输通道，采用矩形排列方式，缩短硬件布线的长度，减小信号的延迟时问； 使用可选择的交叉开关( r f d ) 控制系统中控制信号的连接从而控制系统中各 f p g a 的工作状态，例如：全局的同步时钟，复位，中断等。 2 2 3 通用实时信号处理系统模型方案 根据前节的多f p g a 的网络模型结合本系统的通用性和实时性，作者搭建了 如下图2 4 所示的系统架构，此系统分为3 个子板：f p g a 核心板：底板；应用 板。 使用高速的连接器件把各个模块之间连接起来，连接的接口标准由作者自定 义，根据不同的需求，使用不同的子模块。这种设计方案加强了系统的通用性， 第2 章通用实时信号处理系统方案设计 用户可以根据不同的需要米构建处理器模块和应用模块，使系统的灵活性大大增 强。下面介绍各个模块的构成和功能： 图2 4 通用实时信号处理系统模型 f i g u r e2 - 4g e n e r a lr e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mm o d e l f p g a 核心板：核心板中有高性能的f p g a 芯片，高速的数据存储器，配置 f p g a 的f l a s h 存储器和此模块中使用的电源芯片，f p g a 核心板可以是相同 的，也可以是不同的，亦可使用其他的处理器( 例如d s p ，a r m ，c p l d 等) 搭建此核心板。 底板：此模块主要功能是建立f p g a 核心板和应用板间的物理连接和系统各 个模块的供电电源。 应用板：用户根据不同的功能设计此模块，与f p g a 核心板和底板协调工作， 本文的第6 章阐述了应用板的设计。 2 3f p g a 芯片的选择 f p g a 的主要厂商有a l t e r a 、x i l i n x 、a e t e l 和l a t t i c e ，其中a l t e r a 和x i l i n x 主要生产一般用途f p g a ，其主要产品采用r a m 工艺，a e t e l 主要提供非易失性 f p g a ，产品主要采用反熔丝工艺和f l a s h 工艺，l a t t i c e 没有基于查找表技术 的大规模f p g a 产品。a l t e r a 和x i l i n x 两家公司占据了f p g a 的9 0 以上的市场， 共同决定了f p g a 的发展方向。 9 北京t 业大学t 宁坝i j 掌位论文 a l t e r a 公司和x i l i n x 公司根据不用的应用领域，其f p g a 产品主要分为高密 度和高性价比两个系列。下文对两家公司的f p g a 产品进行针对性的比较。 1 高密度系列f p g a 比较： o a l t e r a 公司s t r a t i x l i i 系列主要特性7 】： 采用最新的6 5 r i m 工艺； 等价逻辑单元最大可达3 3 8 ，0 0 0 ； 支持高速单、差分接口和高达1 0 6 7 m b p s d i m m 存储器接口， 支持o c t ： 可编程功耗技术，内核电压可低至o 9 v ； 内部8 输入l u t ； 内部可配置的乘法器最多可达8 9 6 个，速率高达5 5 0 m - i z 。 o x i l i n x 公司v i r t e x 5 系列主要特性【8 】： 采用最新的6 5 r i m 工艺，减小了功耗； 实现了真正的6 输入l u t ； 内置3 6 k bb l o c k r a m ，可关闭未使用的存储器； 逻辑单元最多可达3 3 00 0 0 个； 地功耗收发器多大2 4 个，可实现1 0 0 m b i t s 3 7 5 g b i t s 高速接口； 内核电压i v ，5 5 0 m h z 系统时钟： 5 5 0 m - ! zd s p 4 8 es l i c e 内置2 5 * 1 8m a c ，提供3 5 2 g m a c s 的性能； 内嵌3 2 位r i s cp o w e r p c 4 4 0 处理器； 内置p c i e 端点和以太网m a c 模块。 通过比较可以看出，在低功耗方面a l t e r a 公司s t r a t i x l i i 系列f p g a 具有优 势，x i l i n x 公司v i r t e x 5 系列f p g a 在接口和性能上更胜一筹。 2 高性价比系列f p g a 比较： a l t e r a 公司c v c l o n e i i i 系列主要特性【9 1 ： 采用6 5 r i m 工艺； 最多1 1 90 8 8 个逻辑单元； 2 8 8 个1 8 x 1 8 嵌入式乘法器： 支持高速存储器接口，包括d d r 、d d r 2 、q d ri is r a m ； 4 个锁相环，每个锁相环有5 个输出； 支持高达8 7 5 m b p s 接口和8 4 0 m b p s 发送的l v d s 信号，不需要外部电阻； 支持n i o si i 嵌入式处理器，性能超过1 0 0d m p s ： x i l h l x 公司s p a r t a n 3 a d s p 系列主要特性【1 0 1 ： 采用9 0 r i m 工艺，密度高达7 48 8 0 逻辑单元： 工作时钟范围5 - 3 2 0 m i - z ； 1 0 第2 蕈通j f j 买时信号处理系统方粟设计 内嵌d s p 4 8 a 可以工作到2 5 0 m h z ； 采用结构化的s e l e c tr a m 架构，提供了大量的片上存储单元； 支持m a c o b l a z e 嵌入式处理器； 低功耗效率，信号处理能力4 0 6 g m a c s m v 。 通过比较可以看出，x i l i n x 公司s p a r t a n 3 a d s p 系列是d s p 密集型应用的理 想选择，a l t e r a 公司c y c l o n e i i i 系列f p g a 适合与低功耗的设计。 3 a l t e r a 公司和x i l i n x 公司f p g a 开发软件比较： o x i l i n x 开发环境一i s e 介绍【4 】： 提供h d l 代码、原理图、s t a t e c a d 状态机、i pc o r e 、约束文件等设计输 入： 提供x s t 综合工具，内嵌s y n p l i c i t y 公司的s y n p l f f y ； 自带波形编辑器功能仿真工具h d lb e n c h e r ，提供m o d e l s i m 仿真接口； 带有翻译、映射、布局布线等实现功能； 带有设计文件转换工具，控制程序烧写。 o a l t e r a 公司开发环境q ，a r l it s 介绍【1 2 1 ： 支持电路原理图、模块图、h d l 代码输入方式； 提供逻辑综合，功能仿真、时序仿真工具： 可利用s i g n a l t a p l il o g i ca n a l y z e r 进行嵌入式逻辑分析； 内嵌布局布线工具p o w e r f i tf i t t e r 在i s e 界面下，可以方便地完成功能仿真( 用i s e 自带工具或调用 m o d e l s i m ) ，综合( 用i s e 自带工具或调用s y n p l i f yp r o ) 综合后仿真( 用 i s e 自带工具或调用m o d e l s i m ) ；在q u a r t u si i 界面下虽然可以完成上述 a ，b ，c 三项，但在调用m o d e l s i m 仿真时，需用户手动操作。而i s e 则可以自 动完成，直接出仿真结果：i s e 中带有有测试文件生成器，可以方便地根据波形 文件生成测试文件。综上，x i l i n x 公司的f p g a 开发环境的使用更为方便，第三 方工具软件对其支持较多，开发人员可通过i s e 得到更多的技术支持，可以大大 简化整个系统的开发周期。 模块化结构给f p g a 芯片的选择带来了很大的灵活性，根据不同的需要选择 性能不同的f p g a 芯片，结合本系统现有的实际应用，选择高密度的f p g a 芯片 成本较高，本系统适合选用高性价比系列f p g a 器件，综合考虑多种因素，本系 统选择x i l i n x 公司的最具成本效益s p a r t a n 3 ad s p 系列x c 3 s 1 8 0 0 a f g 6 7 6 芯片 作为本系统的主处理器，4 个f p g a 核心板都选用此芯片。 x c 3 s 1 8 0 0 a f g 6 7 6 这款芯片系统门数为1 8 0 万，含有1 8 7 7 0 块s l i c e ，内嵌 2 6 0 k b 分布式r a m 和1 5 1 2 k b 块ra m ，8 4 个d s p 4 8 as l i c e ，8 个d c m ，最大 可用i o 数为5 1 9 个，最大可用差分i o 数为2 2 7 对。 北泵t 业大学i 掌坝： 学位沦文 2 4 本章小结 本章首先论述了通用实时信号处理系统的相关概念和基本网络结构，对多 f p g a 网络结构进行了深入的阐述和分析。并结合系统的具体要求，综合考虑多 种因素，对系统可能的网络构成方案进行了详细的比较和筛选，提出了适合于本 系统平台的多f p g a 信号处理系统网络构成解决方案。最后，完成了基于f p g a 通用实时系统方案的方案设计，同时对所选f p g a 芯片进行了有针对性的分析， 证明该f p g a 处理芯片的各方性足以承担本系统的要求。 1 2 第3 章系统接r 设计 第3 章系统接口设计 系统接口使系统中各环节相互连接的纽带，对系统工作的效率、稳定性、可 靠性以及可扩展性等均有十分重要的意义。因此，对系统接口进行合理的设计是 十分重要的。 根据图2 4 给出通用高性能实时信号处理系统网络构成解决方案，可以将系 统接口设计分为3 个子板：f p g a 核心板、底板和应用板。本章主要对f p g a 核 心板和底板接口的设计分别进行详细的阐述，应用板的设计在第6 章中阐述。 3 1f p g a 核心板接口设计 3 1 1f p g a 核心板结构 在本系统中，f p g a 核心板是系统处理数据和控制系统工作的核心，核心板 的性能影响整个系统的性能，考虑到f p g a 核心板的实时性和通用性，核心板应 具有存储大量数据的功能，并且带有与其他f p g a 核心板通信的高速差分通道和 与