（模式识别与智能系统专业论文）基于fpga图像信号及数据信号接入图像处理系统的设计.pdf

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业都得到了非常广泛的应用。本文是在搭建一个以d s p + f p g a 的高速、高性能图 像处理硬件平台的背景下，提出了图像处理系统外部接口模块的设计。外部接口 模块包括外部接口板和内部p c i 板，外部接口板是把系统外部可能采用的各种不 同种类的接口接入到系统，内部p c i 接口板用于把外部信号接入到图像处理核心 系统中。外部接口板和内部p c i 板之间的数据，采用l v d s 信号连接。 本文的主要工作如下： 1 进行了图像处理系统外部接口板的设计，将各种不同的数据信号和图像信 号通过外部接口板接入到图像处理的核心系统中。 2 在x i l i n xi s e9 2 i 环境下，基于f p g a v i r t e x 4 系列芯片x c 4 v f x 6 0 进行了 通用异步收发器( u a l 盯) 的设计。将8 路r s 2 3 2 信号和1 6 路r s 4 2 2 信号通过 u a r t 接入进来，分别对u a r t 的波特率发生模块、接收模块、数据缓冲模块、 发送模块进行了设计。 3 由于系统没有足够的i o 管脚，所以对8 路r s 2 3 2 信号和1 6 路r s 4 2 2 信 号进行了多路时分复用的设计，分别将其转换为l 路l v d s 信号，接入到图像处 理核心系统中。 在x i l i n xi s e9 2 i 环境下，用i s es i m u l a t o r 对8 路r s 2 3 2 信号及1 6 路r s 一4 2 2 信号接入模块u a r t 的设计及时分复用的设计进行了功能仿真验证，结果表明， 信号可以通过u a r t 正确的接入，并且按照要求实现了多路信号的时分复用，可 以接入图像处理的核心系统中进行处理。 关键词：图像处理，串行通信，f p g a ，u a r t ，时分复用 分类号：t p 3 9 1 4 1 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i mt h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , m u l t i m e d i aa n dd a t a c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di n v a r i o u sa r e a s t h ed e s i g no ft h ee x t e r n a li n t e r f a c em o d u l eh a sb e e np r o p o s e di nt h e b a c k g r o u n do ft h eh i 曲- s p e e d ，h i 曲- p e r f o r m a n c ei m a g ep r o c e s s i n gh a r d w a r ep l a t f o r m b a s e do nd s pa n df p g a t h ee x t e r n a li n t e r f a c em o d u l ei n c l u d e sa ne x t e r n a li n t e r f a c e b o a r da n da ni n t e r n a lp c ib o a r d d i f f e r e n tk i n d so fi n t e r f a c e so u t s i d et h es y s t e ma r e a c c e s s e db yt h ee x t e r n a li n t e r f a c eb o a r d t h eo u t s i d es i g n a l sa r ea c c e s s e dt ot h ei m a g e p r o c e s s i n gc o r es y s t e mb yt h ei n t e r n a lp c ib o a r d t h es i g n a l sa r ec o n n e c t e db yt h e l v d ss i g n a lb e t w e e nt h ee x t e r n a li n t e r f a c eb o a r da n dt h ei n t e r n a lp c ib o a r d t h em a i nw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ee x t e r n a li n t e r f a c eb o a r dh a sb e e nd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s ot h a t d i f f e r e n tk i n d so fd a t a s i g n a l s a n di m a g es i g n a l sc a nb ea c c e s s e dt ot h ei m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m 2 i nt h ee n v i r o n m e n to fx i l i n xi s e9 2 i ，t h eu a r th a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h e f p g av i r t e x 一4 c h i px c 4 v f x 6 0 ，t h e n 8 - c h a n n e lr s 一2 3 2s i g n a l sa n d16 一c h a n n e l r s - 4 2 2s i g n a l sc a nb ea c c e s s e dt ot h es y s t e mb yt h eu a r t t h ee m p h a s i si st h ed e s i g n o ft h eu a r tb a u dg e n e r a t i o nm o d u l e ，t h eu a r tr e c e i v e rm o d u l e ，d a t ab u f f e rm o d u l e ， t h e v 檄s e n dm o d u l e 3 b e c a u s et h e r ea r en o te n o u g h1 0p i n s ，t h em u l t i c h a n n e lt d mh a sb e e n d e s i g n e d 8 - c h a n n e lr s - 2 3 2s i g n a l sa n d16 - r s 4 2 2s i g n a l sc a l lb er e s p e c t i v e l yc h a n g e d t oo n e c h a n n e ll v d ss i g n a lb yt h em o d u l et d m t h e nt h el v d ss i g n a lc a nb e a c c e s s e dt ot h ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m t h ef u n c t i o no f8 - c h a n n e lr s 一2 3 2s i g n a l sa n d16 - c h a n n e lr s 一4 2 2s i g n a l s sa c c e s sa n d m u l t i c h a n n e lt d mi ss i m u l a t e di nt h ei s ex i l i n x9 2 ib yi s es i m u l a t o r t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em u l t i c h a n n e ls i g n a l sc a nb ea c c e s s e db yu a r tc o r r e c t l ya n dc a nb e c h a n g e di n t oo n e - c h a n n e ll v d ss i g n a la c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，f p g a ，u a r t , t d m c i a s s n o ：t p 3 9 】4 1 v - t 序 序 随着计算机、通信技术的高速发展，图像处理技术在各个领域都得到了广泛 的应用，其处理技术也越来越先进。在这种形势下，本文在集中了d s p 和f p g a 两者的优点，搭建一个高速、高性能图像处理和评估平台的背景下，提出了图像 处理核心系统外部接口板的设计。 因为根据用户的要求，需要把8 路l v d s 、1 6 路r s 4 2 2 、8 路r s 2 3 2 等多种 信号接入图像处理硬件平台，这些信号根本不可能同时、直接通过p c i 的接口进 入图像处理硬件平台，必然需要制作专门的电路板，用于连接外部不同种类的接 口。 本论文的任务是提出了图像处理系统外部接口板的设计，把系统外部可能采 用的各种不同种类的接口接入到系统，使各种信号转换为l v d s 格式的信号，使 其可以在图像处理核心系统中进行处理。 本论文对外部接口板的图像信号和数据信号的接入进行了详细的设计，以及 在x i l i n xi s e9 2 i 环境下，基于f p g a 进行了通用异步收发器的设计，将8 路r s 2 3 2 信号和1 6 路r s 4 2 2 信号接入，并对它们进行时分复用的设计。其中重点介绍了 采用通用异步收发器( u 触玎) 将8 路r s 2 3 2 信号接入及将8 路r s 一2 3 2 信号进行 时分复用转换为1 路l v d s 信号的设计。1 6 路r s - 4 2 2 数据信号的接入原理与其相 同。 本论文采用的利用f p g a 本身的优点来实现与外设之间串行通信接口的设计 方法，具有较高的实用价值和意义。 学位论文的序或前言，一般是作者或他人对本篇论文基本特征的简介，如说 明研究工作缘起、背景、主旨、目的、意义、编写体例，以及资助、支持、协作 经过等；也可以评述和对相关问题发表意见。这些内容也可以在正文引言中说明。 i t 目录 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t v 序v i i 1 引言1 1 1 课题的研究内容一l 1 2 课题研究的发展和现状一1 1 2 1 串行通信的发展历史及趋势2 1 2 2u a r t 的发展及现状5 1 2 3f p g a 的发展历史及发展趋势6 1 3论文的主要内容及结构安排8 1 4本章小结9 2图像处理系统外部接口板的设计1 1 2 1图像处理系统设计方案1 1 2 2图像处理系统接口模块的设计1 2 2 2 1 接口模块需求13 2 2 2 外部接口板的设计1 4 2 2 3 内部p c i 接口板的设计1 5 2 - 3图像输入接口方式1 6 2 4数据信号的接入设计1 7 2 4 1 数据信号接入的u a r t 模块的设计1 8 2 4 2 数据信号接入的l v d s 传输模块的设计18 2 4 3 数据信号接入的时分复用与解复用模块的设计2 0 2 5图像信号的接入设计2 1 2 5 1 接入图像处理系统的图像源2 1 2 5 2r s 4 2 2 图像信号的接入2 2 2 5 3c a m e r al i n k 信号的接入2 3 2 6本章小结2 5 3 8 路r s 2 3 2 1 6 路r s 4 2 2 信号的接入及复用设计2 7 3 1 串行通信协议及通信时序2 7 3 2 u a r t 协议的工作特点3 0 3 3u a i 盯各功能模块的设计3 1 北京交通大学硕士学位论文 3 3 1 波特率发生器的设计3 1 3 3 2u a r t 接收模块的设计。3 3 3 3 3u a r t 发送模块的设计。3 5 3 3 4u a r t 数据缓冲模块的设计。3 7 3 3 5u a r t 模块的总体设计4 1 3 4时分复用模块的设计4 3 3 58 路r s 2 3 2 数据信号接入总体设计4 4 3 61 6 路r s 4 2 2 信号接入总体设计4 6 3 7本章小结4 7 4系统设计的仿真验证4 9 4 1系统开发的软件和硬件环境4 9 4 1 1f p g a 核心设计流程4 9 4 1 2x i l i n xf p g a v i r t e x 4 介绍与特点5 1 4 2 8 路r s 2 3 2 数据信号接入总体设计的仿真验证5 4 4 2 1 波特率发生模块的仿真验证。5 5 4 2 2u a r t 接收模块的仿真验证5 6 4 2 3u a r t 发送模块的仿真验证5 7 4 2 4 u a r t 总模块的仿真验证5 8 4 2 5 多路时分复用模块的仿真验证。5 9 4 2 6 信号接入总体设计仿真验证6 0 4 3 1 6 路r s 4 2 2 信号接入总体设计的仿真验证6 0 4 3 1 波特率发生模块的仿真验证6 1 4 3 2u a r t 接收模块的仿真验证6 1 4 3 3u a r t 发送模块的仿真验证6 2 4 3 4u a r t 总体模块的仿真验证6 2 4 3 5 时分复用模块的仿真验证。6 3 4 3 6 信号接入总体设计的仿真验证6 3 4 4 本章小结6 4 5 结论6 5 参考文献6 7 作者简历6 9 独创性声明7 1 学位论文数据集7 3 引言 1 引言 1 1课题的研究内容 2 0 世纪6 0 年代中期，随着电子计算机的发展，图像处理技术不断完善，逐渐 成为一个新兴的学科。利用数字图像处理主要是为了修改图形，改善图像质量， 或是从图像中提取有效信息，还有利用数字图像处理可以对图像进行体积压缩， 便于传输和保存。数字图像处理主要研究以下内容：傅立叶变换、小波变换等各 种图像变换；对图像进行编码和压缩；采用各种方法对图像进行复原和增强；对 图像进行分割、描述和识别等。随着数字图像处理技术的发展，数字图像处理已 经广泛应用于通讯技术、宇宙探索遥感技术和生物工程等领域【l 】。 随着数字图像技术的发展，图像处理要求的数据传输速率越来越高，数据量 越来越大，以往的处理平台已经难以满足当今的传输速率要求。同时，硬件设备 也在不断的更新换代，支持的速率也不断提高。因此我们需要搭建一个高速、高 性能的数字图像处理和评估平台，来适应人们对计算机图像越来越高的要求。 为此本论文在以d s p + f p g a 搭建的图像处理硬件平台的基础上，提出了图像 处理系统外部接口模块的设计。成像设备输出的图像数据经过外部接口模块，进 入由d s p 模块和f p g a 模块构成的核心处理系统进行处理，核心系统处理的结果 可以在计算机的显示器上显示。 外部接口模块包括外部接口板和内部p c i 接口板。外部接口板的功能是将系 统外部可能采用的各种不同种类的接口接入到系统，比如将r s 2 3 2 信号、r s - 4 2 2 信号接入d s p 或f p g a 模块，为d s p 和f p g a 模块提供具有一定时序的图像数据 流和控制信号。 本论文的重点是基于f p g a 进行通用异步收发器( u a i 玎) 的设计，将8 路 r s 2 3 2 信号和1 6 路r s 4 2 2 信号通过通用异步收发器( u a r t ) 接入进来，并通 过时分复用分别将其转换为1 路l v d s 信号。 1 2课题研究的发展和现状 本论文是基于f p g a 进行的图像处理系统外部接口板的设计，运用了大量串 行通信的原理和知识。现将串行通信、u a r t 及f p g a 的发展历史、趋势介绍如 下。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 1串行通信的发展历史及趋势 随着计算机网络化和微机分级分布式应用系统的发展，通信的功能越来越重 要。通信是指计算机与外界的信息传输，既包括计算机与计算机之间的传输，也 包括计算机与外部设备，如终端、打印机和磁盘等设备之间的传输【2 1 。在通信领域 内，从同时传输的数据位数来分，可以分为两种数据通信方式：并行通信( p a r a l l e l c o m m u n i c a t i o n ) 和串行通信( s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ) 。 并行通信是数据的各位同时传送，并行通信速度相对较快，但是价格偏贵， 通信距离较短。并行通信适合于短距离、高速率的数据传送，通常传输距离小于 3 0 米。以标准并行口( s t a n d a r dp a r a l l e lp o r t ) 为例，并行接口的位宽为8 ，并行传输 的示意图如图1 - 1 所示。 图1 - 1 并行传输示意图 f i g u r ei - 1p a r a l l e lt r a n s p o r t t i n gd i a g r a m 串行通信是使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据 一个固定的时间长度。使用串口通信时，发送和接收到的每一个字符，实际上都 是一次一位的传送，每一位为“l 或者为“0 。其只需要少数几条线就可以在系 统间交换信息，特别是适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。 串行通信速度相对较慢，但是价格比较便宜，通信距离较远。适合于远距离传送， 可以从几米到数千公里。对于长距离、低速率的通信，往往要选择串行通信。串 行传输的示意图如图1 2 所示。 类。 图1 - 2 串行传输示意图 f i g u r e1 - 2s e r i a lt r a n s p o r t t i n gd i a g r a m 按照串行数据的时钟控制方式，串行通信又可以分为同步通信和异步通信两 2 引言 同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息， 同步通信的特点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。同步通信中传送的 信息帧与异步通信中传送的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。信息帧由同 步字符、数据字符、校验字符( c r c ) 组成【3 】。其中同步字符位于帧开头，用于确 认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后，对数据字符的个数没有具体的限 制，由所需传输的数据块长度来决定。校验字符有1 到2 个，用于在接收端对接 收到的字符序列进行传输是否正确的校验。 在异步通信中，有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率。数据通常以 字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端一帧一帧的发送，每一帧 数据均是低位在前，高位在后，通过传输线被接收设备逐帧接收【4 1 。发送端和接收 端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同 步。接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑“0 ( 即字符帧起始位) 时， 确定发送端已开始发送数据，每当接收端收到字符帧中的停止位时，就知道一帧 字符已经发送完毕。 串行通信经历了以下几个发展阶段。 1 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 及r s 4 8 5 串行接口例 串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 都是串行数据接口标准。r s 4 2 2 由r s 2 3 2 发展而来，它是为弥补r s 2 3 2 的不足 提出的，为改进r s 2 3 2 通信距离短、速率低的缺点，r s 4 2 2 定义了一种平衡通信 接口，将传输速率提高到1 0 m b s ，当速率低于1 0 0 k b s 时，传输距离延长到4 0 0 0 英尺，并允许在一条平衡总线上连接最多1 0 个接收器。r s 4 2 2 是一种单机发送、 多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为t i a e i a 4 2 2 a 标准。为扩展应用范 围，e i a 又于1 9 8 3 年在r s 4 2 2 的基础上制定了r s 一4 8 5 标准，增加了多点、双向 通信能力，即允许多个发送器连接在同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能 力和冲突保护特性。扩展了总线共模范围，后被命名为t i a e i a 4 8 5 a 标准。 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插 件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议，因此，在视频 届的应用中，许多厂家都建立了一套高层通信协议。 2 u s b 串行接口 1 9 9 5 年，由i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 等几家公司推出的u s b 接口首次出现在 p c 机上，1 9 9 8 年起即进入大规模实用阶段，作为i e e e1 2 8 4 并行口和r s 2 3 2 串 行口的接班人。 u s b 虽然只有一位的位宽，但数据传输速度却比并行口要高，而且具有很大 的发展空间。u s b 设备通信速率的自适应性，使得它可以自动选择h s ( h i g h s p e e d ， 北京交通大学硕士学位论文 高速，4 8 0m b p s ) 、f s ( f u l l s p e e d ，全速，1 2 m b p s ) 和l s ( l o w s p e e d ，低速， 1 5 m b p s ) 三种模式中的一种【6 】。u s b 总线还具有自动的设备检测能力，设备插入 之后，操作系统软件会自动地检测、安装和配置该设备，免除了增减设备时必须 关闭p c 机的麻烦。 u s b 接口之所以能够获得很高的数据传输率，主要是因为其摒弃了常规的单 端信号传输方式，转而采用差分信号( d i f f e r e n t i a ls i g n a l ) 传输技术，有效地克服 了因天线效应对信号传输线路形成的干扰，以及传输线路之间的串扰。u s b 接口 中两根数据线采用相互缠绕的方式，形成了双绞线结构。 3 差分信号技术( l v d s ) 差分信号技术是高速数据传输时采用的技术。 电脑发展史就是追求更快速度的历史，随着总线频率的提高，所有信号传输 都遇到了同样的问题：线路间的电磁干扰越厉害，数据传输失败的发生机率就越 高，传统的单端信号传输技术无法适应高速总线的需要。于是差分信号技术就开 始在各种高速总线中得到应用，我们已经知道，u s b 实现高速信号传输的秘诀在 于采用了差分信号传输方式。差分信号传输电路图如图1 3 所示。 图1 - 3 差分信号传输电路图 f i g u r e1 - 3d i f f e r e n t i a ls i g n a lt r a n s m i s s i o nc i r c u i t 差分信号传输技术是2 0 世纪9 0 年代出现的一种数据传输和接口技术，与传统 的单端传输方式相比，这种技术具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点， 其传输介质可以是铜质的p c b 连线，也可以是平衡电缆，最高传输速率可达 1 9 2 3 g b p s 7 1 。i n t e l 倡导的第三代i o 技术( 3 g i o ) ，其物理层的核心技术就是差分 信号技术。 在传统的单端( s i n g l e e n d e d ) 通信中，一条线路用来传输一个比特位。高电 平表示“l ，低电平表示“0 ”。倘若在数据传输过程中受到干扰，高低电平信号 完全可能因此产生突破临界值，大幅度扰动，一旦高电平或低电平信号超出临界 值，信号就会出错。 4 引言 在差分传输电路中，输出电平为正电压时用逻辑“l ”表示，输出负电压时用 逻辑“0 ”表示，而输出零电压是没有意义的，它既不代表“1 ”，也不代表“0 。 在差分通信中，干扰信号会同时进入相邻的两条信号线中，在信号接收端，两个 相同的干扰信号分别进入差分放大器的两个反相输入端后，输出电压为0 。所以说， 差分信号技术对干扰信号具有很强的免疫力。对于串行传输来说，l v d s 能够抵御 外来干扰；而对于并行传输来说，l v d s 可以不仅能够抵御外来干扰，还能够抵御 数据传输线之间的串扰。 因为上述原因，实际电路中只要使用3 5 0 m v 左右振幅的低压差分信号( l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ，l v d s ) ，便能满足近距离传输的要求。假定负载电阻为 1 0 0 q ，采用l v d s 方式传输数据时，如果双绞线长度为l o 米，传输速率可达4 0 0 m b p s ；当电缆长度增加到2 0 米时，速率降为1 0 0m b p s ；而当电缆长度为1 0 0 米 时，速率只能达到1 0 m b p s 左右【引。 在近距离数据传输中，l v d s 不仅可以获得很高的传输性能，同时还是一个低 成本的方案。l v d s 器件可采用经济的c m o s 工艺制造，并且采用低成本的3 类 电缆线及连接件即可达到很高的速率。同时，由于l v d s 可以采用较低的信号电 压，并且驱动器采用恒流源模式，其功率几乎不会随频率而变化，从而使提高数 据传输率和降低功耗成为可能。因此，u s b 、s a t a 、p c ie x p r e s s 以及h y p e r t r a n s p o r t 普遍采用l v d s 技术，l c d 中控制电路向液晶屏传送像素亮度控制信号，也采用 了l v d s 方式。 1 2 2u a r t 的发展及现状 通用异步接收发送器( u a r t ) 产生于7 0 年代，i n t e l8 2 5 0 和i n t e r s i l 6 4 0 2 是现代 c m o s 标准u a r t 的早期产品。 p c 机的发展对u a r t 技术起到了重大推动作用。 u a r t 是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了 r s 2 3 2 数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用r s 2 3 2 接 口的串行设备通信了。 作为接口的一部分，u a r t 还提供以下功能：将由计算机内部传送过来的并行 数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算 机内部使用并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对 从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启停标记，并从接收数 据流中删除启停标记。有一些比较高档的u a r t 还提供输入输出数据的缓冲区，现 在比较新的u a r t 是1 6 5 5 0 ，它可以在计算机需要处理数据前在其缓冲区内存储1 6 5 北京交通大学硕士学位论文 字节的数据，而通常的u a r t 是8 2 5 0 。 1 p c 机中的u a r t l 9 1 9 8 1 年，在i b mp c 机主板上用8 2 5 0u a r t 与m o d e m 或串行打印机进行通信， 由于8 2 5 0 的应用包含对p c 机中b i o s 的支持，因而确定了它的结构和特性。几年后， 8 2 5 0 的结构有所扩展，如速率增加，可驱动快速m o d e m 和“l a p l i n k ”应用软件， 支持l1 5 k 和2 3 0 1 0 速率，其总线接口也有所改善。在此基础上产生了1 6 5 5 0u a r t ， 它是8 2 5 0 的直接扩展，但是，即使以这样的速度，p c 机的中断和软件响应时间仍 显得不够，在1 1 5 k 速率时，每字节近1 0 0 u s ，2 0 u s 的中断时间和3 0 u s 的缓存时间， 需占用5 0 的c p u 时间，这在实际应用中是难以接受的。 下一个发展阶段就是在u a r t 中增加硬件缓存，其代表性产品1 6 5 5 0 在功能上 比8 2 5 0 多1 6 字节的接收、发送f i f o ，后来f i f o 增加到3 2 字节( 1 6 c 6 5 0 ) 和现在的 6 4 字节( 1 6 c 7 5 0 ) ，大容量的f i f o 可减少返回次数和提高速度。新一代的u a r t 将实现智能通信，目前已经开始在p c 卡上出现。 2 非p c 系统中的u a r t p c 是u a r t 的主要市场，在非p c 系统中，一般其主要组成部分仍然是p c ，系 统间的通信也由p c 间接带动，而且要求u a r t 与p c 保持同步，因此，非p c 系统在 价格、功耗等方面对u a r t 也提出了新的要求。u a r t 具有相对综合的逻辑功能， 并用现代的e d a 工具集成在硅片上，因而，这种片上系统模型对于大规模数字系 统越来越有吸引力。 对低功耗系统( 手持工业设备，条形码阅读器，测试设备和消费产品) 经常 用很小的微控制器。低价格低功耗的微控制器( m i c r o c h i p 的p i c l 6 c 5 4 和m o t o r o l a 的6 8 h c 0 5 j 2 ) 都没有u a r t ，这些系统实现串行通信是由软件完成的，这将占去 c p u 的大部分时间。如果由于带宽和性能的原因，需要一个硬件u a r t ，可能会 用一个带有u a r t 的高档微控制器，如果微控制器内的u a r t 功能不够完善，将不 得不用一个全功能的u a r t 。这类系统设计很难选择。如果量大，设计者会研制适 合自己的u a r t ，如果量少这一功能会被取消。 1 2 3f p g a 的发展历史及发展趋势 1 f p g a 的发展历史 作为一种可编程逻辑器件，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 e a r r a y ， f p g a ) 的出现是可编程逻辑器件发展变化的必然，它的出现推动可编程逻辑器件 的进一步发展。 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 6 引言 的产物 1 0 。它是作为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有限的缺点。 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 ) 是2 0 世纪7 0 年代发展 起来的一种新型器件。它的应用不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统 的可靠性，而且给数字系统的设计方式带来了革命性的变化。可编程逻辑器件的 发展以微电子制作技术的不断进步为基础，其结构和工艺的变化经历了一个不断 发展变革的过程。 早期的可编程逻辑器件有可编程只读存储器( p r o m ) 、可编程逻辑阵列 ( p r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ，p l a ) 、可编程阵列逻辑( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o 百c ， p a l ) 。这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功 能，但由于其结构过于简单，因此，只能用于实现较小规模的电路设计。 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期，著名的可编程逻辑器件厂商a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了扩展型的复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ，c p l d ) 和类似于标准门阵列的现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 。c p l d 和f p g a 的功能基本相同，只是芯片的内部原理和结构有 些差别。这两种器件兼容了p a l 和g a l 器件的优点，具有体系结构灵活、逻辑资 源丰富、集成度高以及使用范围广泛等特点，可用于实现较大规模的电路设计。 如今，f p g a 器件已成为当前主流的可编程逻辑器件之一。经过近几十年的发 展，可编程逻辑器件已经取得了长足的进步，资源更加丰富，使用越来越方便。 将来的可编程逻辑器件，密度会更高、速度会更快、功耗会更低，同时还会增加 更多新的功能，向着集成了可编程逻辑、c p u 、存储器等组件的可编程单片系统 ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 方向发展。 f p g a 内部最主要的部件是c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ，可配置逻辑块) 、 i n p u t o u t p u tb l o c k ( 输入输出块) 和b l o c kr a m ( 块r a m ) 1 1 】。 c l b 是f p g a 具有可编程能力的主要承担者。一个大规模的f p g a 可能含有 数量巨大的c l b ，通过配置这些c l b 可以让f p g a 实现各种不同的逻辑功能。 i n p u t o u t p u tb l o c k 分布在f p g a 的周边，也具有可编程特性，可以配置支持 各种不同的接口标准，如l v t t l 、l v c m o s 、p c i 和l v d s 等，使f p g a 可以方 便的应用在各种场合。 b l o c kr a m 是成块的r a m ，可以在设计中用于存储数据，是重要的设计资源。 大规模设计选择f p g a 时，r a m 资源是否够用是重要的考虑因素。 2 f p g a 的发展趋势 工艺技术的进步和设计理念的创新，推动着集成电路产业不断向前发展。做 为可编程逻辑器件中的优秀代表，f p g a 正在向着更大规模、更高速度、更低成本、 7 北京交通大学硕士学位论文 更低功耗的方向发展。 f p g a 芯片朝着高密度、低压、低功耗的方向挺进。采用深亚微米的半导体工 艺后，器件在性能提高的同时，价格也在逐步降低。由于便携式应用产品的发展， 对现场可编程器件的低压、低功耗的要求日益迫切。 f p g a 动态可重构技术意义深远。基于s r a m 编程的f p g a 可以在外部逻辑 的控制下，通过存储与存储器中不同的目标系统数据的重新下载，来实现芯片逻 辑功能的改变。基于静态系统重构的技术，可以利用芯片的分时复用特性，用较 小规模的f p g a 芯片来实现更大规模的数字时序系统。常规的s r a m 的f p g a 只 能实现静态系统重构，这是因为该芯片功能的重新配置大约需要数毫秒到数十毫 秒量级的时间，而在重新配置数据的过程中，旧的逻辑功能失去，新的逻辑功能 尚未建立，电路逻辑在时间轴上断裂，系统功能无法动态连接。要实现高速的动 态重构，要求芯片功能的重新配置时间缩短到纳秒量级，这就需要对f p g a 的结 构进行革新。一旦实现了f p g a 的动态重构，则将引发数字系统设计思想的巨大 转变。 1 3论文的主要内容及结构安排 本论文对以下内容进行了相应的研究。 1 提出了图像处理系统外部接口板的设计及总体构架，设计一个外部接口板 接入图像信号和数据信号，把系统外部可能采用的各种不同种类的接口接入到系 统。外部接口板和内部p c i 板之间的数据，采用l v d s 信号连接。 2 基于f p g a 采用通用异步收发器( u a r t ) 将8 路r s 一2 3 2 信号及1 6 路r s 4 2 2 信号进行接入设计。重点是对通用异步收发器( i ，a r t ) 进行设计，对u a r t 的波 特率发生模块、接收模块、数据缓冲模块、发送模块进行设计。 3 时分复用的设计，基于f p g a 对多路信号进行时分复用模块的设计，将8 路r s 2 3 2 信号及1 6 路r s 4 2 2 信号分别转换为1 路l v d s 信号。 4 在x i l i n xi s e9 2 i 的环境下，基于x i l i n x 公司的v i r t e x 4 芯片x c 4 v f x 6 0 对通用异步收发器的各个模块及时分复用模块的功能在i s es i m u l a t o r 中进行了仿 真验证，证实了将8 路r s 2 3 2 信号、1 6 路r s 4 2 2 信号通过u a r t 接入的可行性 以及多路时分复用的可行性。 全文结构如下： 第一章为引言，主要介绍了课题的研究内容；课题研究的发展