（模式识别与智能系统专业论文）基于sopc的可穿戴计算机动态重构模块设计与实现.pdf

f t ，弋 铲 t 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盗鲨盐导师签名：q 监盛塞z 日期：d f o 年歹月可歹日 广；f 摘要 摘要 本文课题是移动计算中心承担的8 6 3 项目“专用可穿戴网络终端体系结构及 关键技术研究”的部分研究工作。本文主要针对现有的基于c o t s ( c o m m e r c i a l o f f - t h e - s h e l f , c o t s ) 技术的可穿戴计算机在体积和功耗上的瓶颈问 题，运用s o p c 设计方法和动态重构技术来研制新一代可穿戴计算机，通过动态 配置可重构模块，灵活加载相应的外设，使可穿戴计算机能够满足不同应用环境 的需求。 本文研究了s o p c 的设计方法以及动态重构设计技术，并将两者结合起来提 出了适合可穿戴计算机的动态重构设计方法，设计了具有动态重构功能的可穿戴 计算机s o p c 系统原型。论文从四个方面阐述了系统的设计： 1 ，根据对可穿戴计算机的需求分析，设计了基于s o p c 的可穿戴计算机硬件 平台，解决了可穿戴计算机模块间的通信问题，内嵌p o w e r p c 硬核控制片内配置 访问端口的问题，并完成了可穿戴计算机人机交互接口l c d 和v g ai p 核的设计； 2 ，在硬件平台上移植了多任务的l i n u x 操作系统，编写了l c d 和v g ai p 核 的驱动程序，并完成了动态重构的软件设计； 3 ，在已有硬件平台和软件平台基础上，运用本文提出的基于s o p c 的e a p r 动态重构设计方法，设计并实现了可穿戴计算机动态重构模块，并在x i l i n x 开发 平台上进行动态重构实验。通过超级终端上显示的信息说明实验成功，证明了本 文设计方法的有效性； 4 ，通过对比分析全局配置文件和重构配置文件的大小以及重构操作时间这两 个重要的性能指标，论证了本文提出的设计方法运用在可穿戴计算机上所具有的 灵活性和高效性。本文的可穿戴计算机和基于c o t s 技术的传统可穿戴计算机相 比，具有更低的功耗，更好的持续工作性能。 本课题研究和设计了新一代的可穿戴计算机，不仅提高了资源利用率，减小 了系统体积，还降低了系统的功耗。为小体积、低功耗可穿戴计算机的研制打下 了良好的基础，为新型可穿戴计算机的研究和设计提供了实用的思路和参考方案。 关键词：可穿戴计算机、c o t s 、s o p c 、动态重构、p o w e r p c 、l c d 、e a p r i ， 厶弋 - i i a b s t r a c t a bs t r a c t t h et o p i ci sa n t e r i o rr e s e a r c ho ft h e8 6 3p r o j e c t ”w e a r a b l en e t w o r kd e d i c a t e d t e r m i n a la r c h i t e c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h ”a i ma tt h eb o t t l e n e c k so fs i z ea n d p o w e rc o n s u m p t i o nw h i c hw a se n c o u n t e r e di nt h ew e a r a b l ec o m p u t e rt h a tu s et h e c o t st e c h n o l o g y , t h em a i np u r p o s eo fp a p e ri st od e v d o pan e wg e n e r a t i o no f w e a r a b l ec o m p u t e r st h a tu s es o p cd e s i g nm e t h o da n dd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n d e s i g nt e c h n o l o g y t h ew e a r a b l ec o m p u t e rw o u l dm e e tt h en e e d so fd i f f e r e n ta p p l y e n v i r o m e n t sb yd y n a m i c a lr e c o n f i g u r et h er e c o n f i g u r a b l em o d u l e s ，a n dc a nl o a dt h e a p p r o p r i a t e p e r i p h e r a l sf l e x i b l e t h ep a p e rr e s e a r c ht h es o p cd e s i g nm e t h o da n dd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n d e s i g nt e c h n o l o g y , c o m b i n et h et w oa n dp u tf o r w a r dt h ed e s i g nm e t h o dt h a ta d a p tt o w e a r a b l ec o m p u t e r , t od e s i g nt h ew e a r a b l ec o m p u t e rs y s t e mw h i c h 、析md y n a m i c r e e o n f i g u r a b l ef u n c t i o n t h ep a p e re x p a t i a t e so nt h es y s t e m sd e s i g nf r o mf o u rs a p e c t s ： 1 ，d e s i g nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fw e a r a b l ec o m p u t e rs o p cs y s t e mb a s eo nt h e n e e d sa n a l y s i s ，r e s o l v et h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e mb e t w e e nt h ew e a r a b l ec o m p u t e r s m o d u l e s a n dt h ep r o m b l e mo fe m b e d d e dp o w e r p ch a r dc o r eh o wt oc o n t r o lc h i p c o n f i g u r a t i o na c c e s sp o r t i nt h ee n d ，c o m p l e t et h ed e s i g no fl c da n dv g ai pc o r e t h a tu s ef o rw e a r a b l ec o m p u t e ri n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ； 2 ，t r a n s p l a n tl i n u xm u l t i t a s k i n go p e r a t i n gs y s t e mt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，w r i t e t h ed r i v e r so fl c da n dv g ai pc o r e ，a n dc o m p l e t e dt h es o f t w a r ed e s i g no fd y n a m i c r e c o n f i g u r a t i o n ； 3 ，b a s eo nt h ee x i s t i n gh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r ep l a t f o r m ，w ed e s i g nt h e w e a r a b l ec o m p u t e r sr e c o n f i g u r a t i o nm o d u l eb yt h ee a p rd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n d e s i g nt e c h n o l o g y , w h i c hp u tf o r w a r di nt h ep a p e r , a n dw ee x p e r i m e n to nt h ex i l i n x d e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h ei n f o r m a t i o nd i s p l a y e do nt h eh y p e r t e r m i n a le x p l a i n e dt h e s u c c e s so ft h ee x p e r i m e n t ，a n dp r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g nm e t h o d e si nt h i sp a p e r ； 4 ，s i z eo fc o n f i g u r a t i o nf i l ea n dt i m eo fr e c o n f i g u r a t i o no p e r a t i o ni st w o i m p o r t a n tp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，w ec o m p a r i n gt h et w op e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so f g ；l o b a lc o n f i g u r a t i o na n dd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o nt 0d e m o n s t r a t et h ed e s i g nm e t h o d i i a b s t r a ( 了r p r o p o s e di nt h i sp a p e rh a st h ef l e x i b i l i t ya n de f f i c i e n c yw h e nu s e di nt h ew e a r a b l e c o m p u t e r t h i s a r t i c l e sw e a r a b l ec o m p u t e r sc o m p a r et ot h e0 1 1 0t h a tu s ec o t s t e c h n o l o g y , h a v el o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n db e t t e rs u s t a i n e dp e r f o r m a n c e t h ep a p e rr e s e a r c ha n dd e s i g nan o wg e n e r a t i o no fw e a r a b l ec o m p u t e r s ，n o to n l y i m p r o v es y s t e m s r e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dr e d u c es y s t e m ss i z e , b u ta l s or e d u c e s s y s t e m sp o w e rc o n s u m p t i o n t h i sp a p e r st h e s i sc 觚l a yab a s i sf o rr e s e a r c ha n dd e s i g n o i lt h em i n i a t u r ea n dl o wp o w e rw e a r a b l ec o m p u t e r ra l s oc a np r o v i d er e f e r e n c e sf o r d e s i g ni d e aa n di m p l e m e n t a t i o ns c h e m ew h e ns t u d y i n ga n dd e s i g n i n g l o ww e a r a b l e c o m p u t e ri no t h e ra p p l i c a t i o na r e a s k e y w o r d s ：w e a r a b l ec o m p u t e r ，c o t s ，s o p c ，d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n ，p o w c r p c 、 l c d 、e a p r l 一 i 厂 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源及意义1 ，。1 2 研究现状及研究意义2 1 2 1 可穿戴计算机的研究现状。2 1 2 2 基于s o p c 的可穿戴计算机研究意义3 1 3 本文主要工作。5 1 4 本文内容安排5 ： 第二章s o p c 设计方法与部分可重构技术7 2 1 基于x a l r t q xf p g a 的s o p c 开发7 2 1 1x i l i n xv i r t e x - 4 芯片简介7 2 1 2 口核和s o p c 开发流程1o 2 2 部分可重构技术基本原理11 2 2 1 部分可重构技术1 1 2 2 2 可穿戴计算机采用部分重构技术的优势1 2 2 3 动态重构技术分析1 3 2 3 1 基于模块的动态重构技术1 3 2 3 2 基于差异的动态重构技术1 4 2 3 3 基于e a p r 的动态重构技术1 4 2 3 4 可穿戴计算机采用基于e a p r 的动态重构技术的优势1 6 2 4 本章小结16 第三章基于s o p c 的可穿戴计算机硬件设计1 7 3 1 需求分析1 7 3 1 1 功能需求。1 7 3 1 2 非功能需求18 3 2 可穿戴计算机硬件平台设计1 9 3 2 1 处理器选型2 0 3 2 2 片内总线技术2 1 3 2 3 存储器方案设计2 3 i v 目录 3 2 4 总线宏设计2 5 3 3x i l n v xi p 核的配置2 7 3 3 1i7 a r t l i t e 核2 7 3 3 2g p i o 核2 8 3 3 3h w i c a p 核2 9 3 4 用户自定义口核3 0 3 4 1 用户自定义d 核的设计。3 0 3 4 2l c d 核的设计与使用3 2 3 4 3v g a 核的设计与使用3 5 3 5 本章小结3 7 第四章基于s o p c 的可穿戴计算机软件设计3 8 4 1 基于p o w e r p c 硬核处理器的l i n u x 系统移植3 8 4 1 1 构建基于l i n u x 的交叉编译环境3 8 4 1 2 在e d k 中生成基于l i n u x 的b s p 4 0 4 1 3 定制和编译l i n u x 内核4 2 4 1 4 构建根文件系统4 2 4 1 5 通过s y s t e ma c e 固化l i n u x 系统4 3 4 2i p 核的驱动程序4 3 4 2 1l c d 驱动程序4 4 4 2 2v g a 驱动程序4 6 4 2 3i c a p 驱动程序5 0 4 3 动态重构的软件实现5 0 4 4 本章小结5 4 第五章基于s o p c 的可穿戴计算机动态重构模块实现5 5 5 1 系统设计工具5 6 5 2 建立工程目录5 7 5 3 基于e a p r 的动态重构实现5 8 5 3 1i s e 设计与综合5 8 5 3 2 设计约束文件5 9 5 3 3 系统静态模块实现6 3 5 3 4 系统动态模块实现6 3 5 3 5 合并生成配置文件6 4 v 1 一 i 氐 ， | o ， l 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 第一章绪论 本论文研究的课题来源于8 6 3 项目“专用可穿戴网络终端体系结构及关键技 术研究 。本文主要研究了基于s o p c 的可穿戴计算机动态重构模块的设计及实现。 目前市场上的可穿戴计算机都是基于c o t s 技术的，传统的设计思路是将不同功 能的电路组合起来，根据应用需求来搭配电路，实现不同的功能，这样系统的规 模是所有功能模块的总和。随着系统需求功能的增多，系统的规模不断扩大，电 路变得复杂的同时功耗则越来越大，面临着体积和功耗的设计瓶颈。因此，本文 新型可穿戴计算机的设计目标是小体积，低功耗，同时要兼顾灵活度，能够提高 资源利用率，用有限的硬件资源去灵活地实现更多的功能。 随着超大规模集成电路的发展，以及具有海量逻辑资源的可编程逻辑器件的 出现，片上系统( s y s t e n lo i lac h i p ，s o c ) 发展迅速，在当今主流的可编程逻辑 器件f p g a 上已经可以实现以前只有a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 芯片才能完成的功能，而且基于s o c 的设计显得更加灵活。在这样的发展趋势下， 很多f p g a 供应商提供了s o c 的一个解决方案，即可编程片上系统( s 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 c 能够将一个系统嵌入到单片f p g a 芯片中，在 上面实现整个系统的逻辑功能。s o p c 的设计思想符合本文新型可穿戴计算机的设 计理念，采用s o p c 技术能够使可穿戴计算机体积更小，具有c o t s 技术所不具 备的优势。 采用动态重构技术能够满足可穿戴计算机高灵活度、低功耗的需求。通过对 可穿戴计算机重构模块指定的逻辑资源进行重新配置，完成相对应的逻辑功能。 与此同时它并不会影响到可穿戴计算机固定模块的正常工作，这不仅提高了资源 的利用率，还降低了功耗。动态重构技术作为一种新兴技术，结合了硬件的高效 性以及软件的灵活性，是目前f p g a 开发领域广泛采用的主要技术之一，也是本 文设计的新型可穿戴计算机采用的主要技术。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 研究现状及研究意义 1 2 1 可穿戴计算机的研究现状 在微电子技术及计算机技术飞速发展的今天，以无线通信，移动计算等为代 表的新一代应用，对电子设备的成本，功耗，集成度，速度及灵活性提出了很严 格的要求。可穿戴计算机就是这样一种高要求的移动计算终端设备。它是一种具 有全新概念以及可穿戴性的微型移动计算系统，很好地实现了“以人为本”的人 机交互方式，使人能够更自然、更方便将计算机穿戴在身上，并能够灵活操作【l 】。 目前，可穿戴计算机已经成功应用于工业、航天、军事、医疗等多个领域。 但是对于可穿戴计算机至今还没有很明确的定义，只有关于可穿戴计算机特性的 描述，即认为可穿戴计算机应当具备下面几个特征【2 1 。 ( 1 ) 可穿戴计算机在人体运动状态下仍可正常使用，计算机性能不受影响。 ( 2 ) 使用者在使用时可解放双手，这就能用双手去做其他事情，灵活度很高。 ( 3 ) 与使用者融为一体，即能“穿”在身上，人机一体。 ( 4 ) 具有可控性，即能被使用者完全控制。 ( 5 ) 可穿戴计算机能够持续工作，并能够通过传感器不断从外界采集到信息。 持续工作时间是可穿戴计算机最重要的性能指标。 如上所述，可穿戴计算机除了具有普通移动装置的移动性之外，还具有可穿 戴性、持续工作性以及自然交互性等优势。自1 9 9 0 年以来，可穿戴计算机受到国 内外很多研究机构的关注，对它的相关研究也开始增多，有些机构已经取得了研 究成果【3 1 。 国外的不少大学都进入了可穿戴计算机领域并进行了相关研究，比较知名的 有：卡耐基梅隆大学( c m u ) 、麻省理工大学( m i t ) 、苏黎世大学( z t h ) 等。 其中，c m u 进入该领域较早，先后研制出了v u m a n 系列、n a v i g a t o r 系列、t i a p 等多款应用于导航、机械维修、语言翻译、教学等领域的可穿戴计算机【4 】。m i t 在 可穿戴计算机课的软硬件设计、体系结构、可穿戴性及其应用等多个分支领域都 进行了深入研究，并成功研制了m i t h r i l l 可穿戴计算机系统。而z t h 则研究了可 穿戴计算机的软硬件技术和机械结构等，并在2 0 0 4 年欧盟的工程项目中设计了基 于r i s c 嵌入式结构的q b i c ( q b e l ti n t e g r a t e dc o m p u t e r ) ，目前正处在试验运行 2 0 矽 k 、 第一章绪论 阶段。其他如i b m ，a 等公司以及各个国家的军方都在该领域投入了大量精力来 进行相关研究。 国内的研究单位多以大学为主，其中重庆大学、电子科技大学以及哈尔滨工 业大学都先后进入可穿戴计算机领域进行研究并取得了一定成果。重庆大学在 1 9 9 8 年就已经开始了可穿戴计算机的相关研究工作，并推出了n e t d a i l y 系列的样 机。电子科技大学的移动计算中心对该领域内的硬件技术、低功耗、可靠性、可 穿戴支撑软件与增强现实技术等进行了深入研究，目前已成功研制出了第一代 m c c 系列可穿戴计算机系统，并进行了多次改进。另外两款基于x 8 6 和p x a 2 7 0 的可穿戴计算机也正在研究设计当中。哈尔滨工业大学也在可穿戴计算机领域取 得了一定的成绩，先后研制出了基于m i n in o t e b o o kp c 、s t r o n g a r m 和t r a n s m e t a c r u s o e 的多款可穿戴计算机岭j 。 国内外这些可穿戴计算机都是采用c o t s 技术设计的，整机的体积比较大， 使用上不够灵活，对计算机的穿戴性产生了一定的影响；另外，整机的功耗也比 较高，一定程度上减少了可穿戴计算机的持续工作时间。因为可穿戴计算机的工 作环境一般是远离电源的，所以都采用电池供电，一般能连续工作三四个小时。 持续工作时间是衡量可穿戴计算机性能的一个重要指标。解决持续工作时间偏短 问题的方案就是研究新一代的低功耗的可穿戴计算机。因此本文的研究主要是基 于小体积低功耗的需求来进行的，这也正是本文采用s o p c 设计方法以及动态重 构技术的原因。 1 2 2 基于s o p ( 3 的可穿戴计算机研究意义 在可穿戴计算机的理论基础上，国内外的这些研究机构大多已经取得了一些 研究成果，并能成功将其应用于各个领域。国内外研制的这些可穿戴计算机是基 于c o t s 技术的板级结构设计，如上一节所述，整机的体积和功耗是现今可穿戴 计算机领域的设计瓶颈。因为不同的应用背景，系统的开发平台不一样，通用性 不强。而且只要系统上电运行，板上所有的外设都会产生一定的功耗，这无形中 会增加系统的功耗，不仅造成资源的浪费，还减少了系统的持续工作时间，而持 续工作时间是用来衡量可穿戴计算机工作性能的一个重要指标，是需要严格控制 的。 s o p c 的出现，使得我们可以将整个系统放到一片f p g a 内，实现了真正意义 3 电子科技大学硕士学位论文 上的s o c 。s o p c 技术最早是2 0 0 0 年美国a l t e r a 公司提出的，并同时推出了相应 的开发软件。s o p c 是基于f p g a 的s o c 解决方案，与a s i c 的解决方案相比， s o p c 技术具有更多的特色和优点。s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，s o p c 技术将一个完整的电子系统嵌入到单一f p g a 中实现完整电路系统的功能，主要 采用口核复用和软硬件协同设计方法，在设计的同时进行调试和验证。在s o p c 系统中，通过嵌入i p 核后，用几十行c 代码就能够实现以前需要几千行h d l 代 码才能实现的功能。因此能够实现规模、体积、功耗等性能指标的最优化设计。 而在x i l i n x 公司的v i r t e x - 4 系列f p g a 增加了对动态重构的支持，在f p g a 中提 供了内部配置访问端口( i n t e r n a lc o n f i g u r a t i o n a c c e s sp o r t ，i c a p ) ，这使得内嵌在 f p g a 中的p o w c r p c 硬核处理器能够直接在f p g a 内部对其配置数据进行操作， 十分方便，这也解决了传统配置方式中如j t a g 端口、s e l e c t m a p 端口来进行配置 导致的效率低的问题，动态重构技术的运用也日趋成熟。 因此，本文在可穿戴计算机的设计上使用s o p c 设计技术，将大部分的计算 机外设控制器以p 核的形式集成到单片f p g a 中，并在此s o p c 原型系统的基础 上采用动态重构技术，这样将使可穿戴计算机在体积上更小，并且使其在外设的 配置上更加灵活，在特定的现场环境加载相对应的外设，其他时间则将外设卸载， 十分方便，这样功耗降低了。在工作环境大都远离电源的可穿戴计算机可以持续 工作更长时间。 采用s o p c 设计方法以及动态重构技术的可穿戴计算机与传统的采用c o t s 技术的可穿戴计算机的区别就在于体积更小，功耗更低，持续工作时间更长了。 在这个背景下，8 6 3 项目提出了基于s o p c 进行可穿戴计算机动态重构模块的 研究。该课题涉及的知识较多，本文进行的研究还处于起步阶段，目前只能构建 一个相对较为简单的s o p c 原型系统，而且该s o p c 原型系统是根据可穿戴计算 机的应用需求来设计的。本文将x i l i n x 公司s o p c 设计流程和基于e a p r 的动态 重构技术结合在一起，设计了一个可穿戴计算机s o p c 系统原型，在内嵌硬核上 移植了l i n u x 操作系统，使可穿戴计算机能处理更复杂的任务，然后在此基础上添 加了用户自定义l c di p 核模块以及可重构模块，并在x i l i n x 的开发平台上进行了 验证。要将这两项技术成熟地应用于可穿戴计算机上，还需要很多工作要做，本 文所做的工作为实验室后续的深入设计奠定了一定的基础，具有很重要的意义。 4 k 第一章绪论 1 3 本文主要工作 随着计算机行业以及半导体行业的高速发展，可穿戴计算机设计技术也由传 统的基于c o t s 技术的板级系统设计向高度集成的s o p c 技术发展，结合动态重 构技术会给可穿戴计算机带来更好的灵活性，更低的功耗，更小的体积和更好的 穿戴性。可重构技术是利用f p g a 可反复编程的特性进行重构，资源利用率很高。 在实验室可穿戴计算机的设计上运用这两项技术将会是一个创新。本论文分析了 几种适合于可穿戴计算机设计的动态重构技术，最后选取了x i l i n x 公司的e a p r 动态重构技术，并结合s o p c 设计流程，提出了基于e a p r 的s o p c 设计方法， 用于设计实验室的新型可穿戴计算机。 在课题的研究过程中，本文主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 了解s o p c 的原理及设计流程，阅读有关部分动态重构技术的资料，掌握 s o p c 以及部分动态重构设计技术； ( 2 ) 研究和分析了几种动态重构设计技术，并选取了更适用于可穿戴计算机的 基于e a p r 的动态重构技术，将其与s o p c 设计方法结合到一起来进行本 文的设计； ( 3 ) 研究了x i l i n xf p g a 配置访问端口的操作技术，解决了可穿戴计算机系统 固定模块与可重构模块间的通信问题； ( 4 ) 在基于x i l i n xs o p c 的硬件平台上移植了l i n u x 操作系统，为以后可穿戴 计算机的更多功能的扩展奠定了基础； ( 5 ) 针对可穿戴计算机系统设计的需求，有选择地添加l c d 、v g a 等外设m 核。在x i l i n x 公司相关的e d a 开发工具下完成了s o p c 的流程以及动态 重构模块的设计，并在x i l i n xv i r t c x - 4m i a l 0 开发平台上通过实验来验证 本文采用的设计方法比传统c o t s 技术更具有优势。 1 4 本文内容安排 第一章为绪论部分。主要介绍了本文的课题来源、可穿戴计算机的研究现状 以及本文设计的研究意义，最后两节是本文的主要工作和内容安排。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章对涉及的技术做了概述。首先介绍了x i l i n xv i r t e x - 4 芯片的结构和特点， 以及基于v i r t e x 4 的s o p c 开发的基本概念和流程；然后介绍了部分重构技术的基 本原理并分析了在可穿戴计算机上采用部分重构技术的优势；最后是对三种动态 重构技术的研究和分析，着重研究了目前最新的x i l i n x 公司的基于e a p r 的动态 重构设计技术，分析并总结了该动态重构技术比其他方法更适用于可穿戴计算机 设计的优势。 第三章首先对可穿戴计算机进行了需求分析；接着根据需求分析设计了可穿 戴计算机的硬件平台框架，分别对处理器选型、片内互连总线和存储方案选择等 做了说明；然后讲解了x i l i n xi p 核的配置；最后着重阐述了用户自定义l c di p 核 和v g a i p 核的设计与使用。 第四章对可穿戴计算机的软件部分进行了设计。首先在p o w c r p c 硬核上移植 了l i n u x 系统；然后编写了用户自定义l c d 和v g ai p 核的驱动程序；最后阐述 了整个动态重构模块的软件实现流程。 第五章对基于s o p c 的可穿戴计算机动态重构模块进行了设计与实现。首先 对系统设计工具做了介绍，同时建立了工程目录；然后在i s e 中进行了设计与综 合；最后在p l a n a h c a d 工具中进行了基于e a p r 的动态重构的设计实现，并在 m l 4 1 0 开发平台上进行了下载验证。 第六章首先阐述了设计过程中遇到的调试问题，并给出了解决方法；然后对 实验环境进行了介绍，并阐述了本文的动态重构实验，从超级终端的显示可以知 道本文的动态重构模块成功实现；最后用本文提出的测试方法对系统进行了测试。 通过对实验数据的分析，体现出了本文设计方法的先进性，证明了本文将动态重 构技术和s o p c 设计方法运用于可穿戴计算机比采用传统的c o t s 设计方法更具 有优势； 第七章为总结与展望。首先对全文进行了总结，包括本论文所做的工作，以 及部分相关的研究工作。最后指出了今后的研究方向以及需要进一步完善的地方。 6 第二章s o p c 设计方法与部分可重构技术 第二章s o p c 设计方法与部分可重构技术 本论文的设计是建立在s o p c 理论部分和动态重构技术的基础之上的。因此 熟悉和掌握基于x i l i n xf p g a 的s o p c 设计技术以及动态重构技术对于本文的设计 非常重要。本章主要对本文所涉及到的理论进行了研究。在阐述了基于x i l i n x 芯 片的s o p c 设计相关的原理以及部分可重构技术的基本原理之后，分析了在可穿 戴计算机设计中运用这两项技术的优势。我们着重分析了x i l i n x 公司最新的基于 e a p r 的动态重构设计方法，并分析它在可穿戴计算机的应用背景下与其他动态重 构技术相比所具备的优势。 2 1 基于x - iin xf p g a 的s o p o 开发 s o c 一般是用a s i c 来实现的，而目前发展极为迅速的s o p c 开始成为s o c 的一个主要的解决方案。s o p c 优势明显，它能够由单个f p g a 芯片完成整个电路 系统的主要逻辑功能。而且本文根据可穿戴计算机特殊的应用背景，对嵌入的c p u 核及外设p 核进行裁减，重新配置系统的功能模块。这种设计方式不仅提高了 f p g a 内部逻辑资源的利用率，避免资源的浪费，更使设计更具灵活性。s o p c 具 有十分广阔的应用前景，它在电子设计中占据越来越重要的地位。本文在可穿戴 计算机中采用s o p c 设计方法，与传统的c o t s 技术相比，能够实现本文设计的 需求，可以大幅减小系统体积，这是我们选择该技术的原因。 2 1 1xi lin xvir t e x - 4 芯片简介 f p g a 即现场可编程门阵列，是在p a l 、c a l 、c p l d 等可编程逻辑器件的基 础上进一步发展而来的，是目前应用最为广泛的可重构逻辑器件。f p g a 芯片需要 反复编程，它不能像a s i c 那样通过门电路来实现组合逻辑的基本功能，而只能通 过一种容易反复配置的结构来实现。查找表( l o o k - u p - t a b l e ，l u t ) 就具有容易 反复配置的结构。当今主流的f p g a 芯片都采用了基于s r a m 工艺的查找表结构。 s r a m 工艺的f p g a 芯片具有易失特性，断电后将会丢失原来的配置信息，所以 每次上电后都需要从外部非易失性存储器中导入配置文件。 7 电子科技大学硕士学位论文 本文设计采用的是x i l i n x 公司v m e x q 系列的f p g a ，该f p g a 基于s r a m 工艺的查找表结构，具有l x 、s x 、f x 三个平台，整合了高达2 0 万个逻辑单元， 具有高达5 0 0 m h z 的性能和无可比拟的系统特性。本文开发板是基于n e x - 4f x 平台的，其主芯片为x c 4 v f x 6 0 ，该f p g a 芯片基本内部结构如下图所示： 攀攀 羹譬攀 l 柙：建 i 一一_ g ，参 l ；l ；鼬，l i随 一：籼 羹璐#g鼻 1i 1l ”l王 i ll | l r 1 琏i ，”u g 铆t ；麓。 ；m 扩一j 董_ _ m i一 1 r rt 1 ji ，l、l 潜 砖；垂 图2 - i ) ( i l i j l 】【v t r t e x - 4 芯片的内部结构 ( 1 ) l o b l o b 是输入输出单元，是f p g a 芯片与外界电路的接口部分。为了便于管理 和适应多种电器标准，f p g a 的i o b 被划分为若干个组，每个组的接口标准由其 接口电压决定，一个组只能有一种接口电压，但不同组的接口电压可以不同。只 有相同电气标准的端口才能连接在一起。 ( 2 ) c l b c l b 是可配置逻辑块，是f p g a 内最基本的逻辑单元。v i r t e x - 4 的c l b 由4 个相同的s l i c e 和附加逻辑构成。每个c l b 模块不仅可以用于实现组合逻辑和时 序逻辑，还可以配置为分布式r a m 和分布式r o m 。 ( 3 ) d c m d c m 是数字时钟管理模块。x i l i n x 的v i r t e x - 4f p g a 提供数字时钟管理和相 位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现 过滤功能。 ( 4 ) b r a m x i l i n x 公司大多数f p g a 都提供内嵌的块r a m 存储器，这在很大程度上拓展 了f p g a 的应用范围和灵活性。块r a m 可以被配置为单端口r a m 、双端口r a m 、 8 第二章s o p c 设计方法与部分可重构技术 内容地址存储器( c a m ) 以及f i f o 等常用存储结构。 ( 5 ) 底层内嵌功能单元 内嵌功能模块主要指d l l ( d e l a yl o c k e dl o o p ) 、p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 、 d s p 和m i c r o b l a z e 处理器软核。现在越来越丰富的内嵌功能单元，使其具备了软 硬件联合设计的能力，使设计者能够在单片f p g a 上进行系统级设计。 ( 6 ) 内嵌专用硬核 各大f p g a 供应商在芯片内集成了专用硬核用来提高f p g a 的性能。x i l i n x 公司不仅在v i r t e x 4 系列f p g a 内植入了i b mp o w e r p c 处理器，还开发了系统级 的设计工具e d k 。基于p o w e r p c 、m i r o b l a z e 等口核，能够进行与可编程片上系 统( s y s t e m o np r o g r a m m b l ec h i p ，s o p c ) 相关的研究。 x i l i n xv i r t e x - 4f p g a 支持五种配置方式【6 】，分别是：串行从模式( s l a v e - s e r i a l m o d e ) 、串行主模式( m a s t e r - s e r i a lm o d e ) 、并行从模式( s l a v es e l e c t m a pm o d e ) 、 并行主模式( m a s t e rs e l e c t m a pm o d e ) 和边界扫描模式( b o u n d a r y - s c a nm o d e ) 。 其中，串并行模式的区别在于每个配置时钟周期内串行模式传递数据的位数是1 位而并行模式的是8 位；m a s t e r 模式与s l a v e 模式的区别在于m a s t e r 模式的配置 时钟由f p g a 提供；s l v a e 模式的配置时钟则由微控制器或者微处理器提供。 f p g a 的配置模式由引脚m 0 、m 1 、m 2 的高低电平决定。其设置如表2 1 所 示： 表2 1f p g a 配置模式设置表 配置模式 m 0鲢l勉 时钟o c l k数据宽度数据输出 主串模式 0 0 0c c l k 输出l是 从串模式 l l l c c l k 输入 l 是 主并模式 l l0c c l k 输出8 是 从并模式 0 王 l c c l k 输入8 不是 职随l0lt c k 输队8 不是 x i l i n xv m e x - 4f p g a 支持部分动态重构技术，可以利用并行模式和j t a g 模 式对f p g a 的部分资源进行重构【刀，特别是利用内嵌的处理器，使f p g a 器件能够 进行自重构。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2