【毕业学位论文】（Word原稿）基于FPGA嵌入式系统设计-电子信息科学与技术

华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 1 华东师范大学 学 士 学 位 论 文 基于 入式系统设计 年级 2003 级 姓名 徐伟钧 专业 电子信息科学与技术 指导老师 金之诚 二零零七年五月 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 2 E a s t C h i n a N o r m a l U n i v e r s i t y N 2003 u 东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 3 目 录 摘要 . 4 . 5 第 1 章 绪论 . 6 言 . 6 入式技术概述 . 6 究内容及论文安排 . 7 究内容 . 7 文结构安排 . 7 第 2 章 绍 . 9 么是 . 9 术介绍 . 10 2. 3 核介绍 . 11 么是 核 . 11 理器同外部设备的接口 线 . 12 第 3 章硬件平台简介 . 14 心处理器 . 14 围电路 . 14 第 4 章系统软件环境简介 . 16 发工具 . 16 试工具一 L . 16 件开发调试工具一 I . 17 第五章 小应用 . 18 马灯 . 18 秒表显示 . 20 示 . 21 频输出 . 22 结 . 24 第 6 章总结与展望 . 26 参考文献 . 27 附录一 验板 . 28 致 谢 . 29 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 4 摘要 嵌入式系统是当今最热门的概念之一，是当前电子技术发展的又一新热点。它具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用等突出特征，目前己经广泛应用于军事、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域 。 嵌入 式技术在硬件上开始进入 n 上系统 ) 阶段 。 目前，基于 术的嵌入式系统设计主要有两种方法 ： 基于 ，专用集成电路的 及基于可编程逻辑器件的n a 随着近年来可编程逻辑器件的飞速发展，基于可编程逻辑器件的 术的优势也逐渐体现出来，设计快速、灵活，完备的软件开发平台，丰富的 等等，使基于可编程逻 辑器件的 到了越来越广泛的应用 。 本论文所采用的 I ) 是 司专门为 以 的形式提供给嵌入式系统设计者 。 它的可配置特性给嵌入式系统设计带来了更大的灵活性，可以说它为嵌入式系统的设计提供了一种全新的思路。 本文 基于课程建设， 简要 介绍了整个系统平台的研究开发和设计实现过程。分为 系统简单介绍， 系统 软核设计、 程序设计三 大 部分。 系统简单介绍 部分介绍统核心设计、接口电路设计和 具 以及 试 工具 。 系统 软核设计 部 分介绍通过使用 司提供的 的 设计系统软核 ，设计及配置 各种接口 。程序设计部分介绍在软核设计完成后，在系统上跑一些简单的小程序来实现一些功能。 本设计选用 验板，该板采用 I 系列的为系统核心，组建包括 示，按键， 器件在内的完整的硬件平台， 可以 完成硬件平台的调试、 核的设计以及 设计。 关键词 ： 嵌入式系统 ， 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 5 is of it is in of s it to it in as OC of OC OC ( on a in OC so OC on PU(in I ) is a PU is to as P o be of it be it a of is of as an so of of in a on 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 6 第 1 章 绪论 言 司在可编程系统级芯片 (域中处于前沿和领先的地位，其 2003年度的年收入高达 美元 4,000 家客户提供超值的可编程解决方案。 学计划为全球范围内的大专院校提供先进的开发软件、可编程逻辑器件、开发工具以及完整的设计套件 ,有效地补充了现有的数字逻辑设计教学 括入门级的逻辑设计和高级的计算构架。 处理器能 从外设和存储器接口库中进行选择，将处理器、外设、存储器和I/O 接口集成在单片 ，定制自己设计的系统，并且对各种外围设备的实现提供了强大的支持平台； 统开发工具可以自动生成组件以及联接组件的总线，所有软件开发任务编辑、构建、程序调试都能 完成，从而简化了开发过程，降低了系统成本、复杂性以及功耗，并且通过移植到 结构化 现低成本、大批量产品。具有可配置，长生命周期、低成本、高性能等优点，是世界上最通用的处理器。 on a 上可编程系统）是 司提出的一种灵活、高效的 决方案。它将处理器、存储器、 I/O 接口、 件上，构建一个可编程的片上系统。它是可编程系统，具有灵活的设计方式，软硬件可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。可编程器件内还有小容量高速 源。由于市场上有丰富的 源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的系统，如单处理器、多处理器。有些可编程器件内还可以包含可编程模拟电路。除了系统 使用的资源外，可编程器件内还有足够的可编程逻辑资源，用于实现其它附加逻辑。 入式技术概述 嵌入式系统 (当今最热门的概念之一，然而到底什么是嵌入式系统 ?什么样的技术可以称之为嵌入式技术 ?嵌入式系统 (是“嵌华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 7 入式计算机系统”的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。 根据电气工程师协会 (定义，嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等的大规模系统的设备 。 国内一般定义为 :以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够 满足实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统 。 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、相关支撑硬件、支持程序、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成。它是具有特定功能或用途的、可独立工作的计算机软硬件集合体。 究内容及论文安排 究内容 本论文主要是做课程建设，可以从以下三方面来完成： 1. 系统简单介绍 部分介绍 统核心设计、接口电路设计和 具以及试 工具。 简单的 介绍 硬件平台和软件平台，这个部分不需要用大量的时间，每个部分用 2 3 个课时就可以了。 2. 系统 软核设计 部分介绍通过使用 司提供的 的 设计系统软核 ，设计及配置 各种接口 。 这个部分是基础，需要让同学充分理解一系列的开发过程，所以可以在这部分详细介绍，可以用 4 6 个课时。 3. 程序设计部分介绍在软核设计完成后，在系统上跑一些简单的小程序来实现一些功能。 这个部分就是让同学发挥自己的能力，在老师讲解了一些小例子以后，自己作一些有一定用途的小应用。 老师讲解可以用 4 6 个课时左右，其余的时间都让学生自己发挥。 文结构安排 本文共分 6 章，具体结构安排如下 : 第 1 章 :绪论。从应用角度出发，通过论述嵌入式系统的概况、国内外嵌入式系统发展现状，指出了基于 嵌入式系统设计的重要性。 让同学知道本学科的背景。 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 8 第 2 章 : 绍。介绍 司主流的 及一种新的嵌入式系统设计方法 第 3 章 :硬件平台 介绍 。介绍 实验的硬件平台 道一些器件的功能和应用。 第 4 章 :系统软件 环境简介。 简单介绍 司的配套软件 作用与简单应用。 第 5 章 :小应用。 在软核设计完成后，在 子上跑一些小程序 。 可以先详细的介绍如何一步一步的设计，具体步骤是如何的，然后让学生自己发挥。 第 6 章 :结论 :对论文工作做结论性概括，并归纳其不足以及进一步深入的工作方向。 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 9 第 2 章 绍 本章主要 介绍 司主流的 及一种新的嵌入式系统设计方法 简单的设计流程 。让初学者有一个大体上的了解。 么是 现场可编程门阵列，它是在 可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 (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数有限的缺点。 使用非常灵活，同一片 过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。 通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低， 将进入更多的应用领域。 如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低 直是采用 系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着 更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多 方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于 所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。 例如，领先 商 近推出的 列采用 65艺，可提供高达33 万个逻辑单元、 1,200 个 I/O 和大量硬 。超 大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测，由此带来更严重的时序收敛问题。此外，针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、 入式处理和接口模块，也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。 幸运地是， 商、 具供应商正在通力合作解决 65特的设计挑战。不久以前， 布成立超大容量时序收敛联合工作小组，旨在最大程度帮助地系统设计工程师以更快、更高效的方式应用 65件。设计软件供应商 出的综合工具 帮助建立优 化的布局，加快时序的收敛。 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 10 术介绍 随着集成电路工艺技术的不断发展和集成度的大幅度提高，嵌入式系统也由板级向芯片级过渡，即片上系统 on a 上可编程系统，是由 司于2000 年提出的一种灵活高效的 决方案 14 a 以 编程逻辑器件 )取代 加灵活、高效的解决方案 表一种新的系统设计技术，也是一种初级的软硬件协同设计技术。设计师使用 司提供的专用开发工具，在 即用 建软核 参数化的接口总线 此基础上可以很快的将硬件系统 (包括处理器、存储器、外设接口和用户逻辑电路 )与常规软件集成在单一可编程的芯片中 术融合的结果，它可编程的灵活性和 计的重用性，易于保证产品之间的差异性，降低了开发风险。 处理器、存储器、 I/O 口、 L系统设计需要的功能模块集成到一个 件上，构建成一个可编程 的片上系统。它是可编程系统，具有灵活的设计方式、可剪裁、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能 。 合了 可编程逻辑器件各自的优点，一般具备以下基本特征 ： 至少包含一个嵌入式处理器内核。 具有小容量片内高速 源 . 丰富的 资源可供选择。 足够的片上可编程逻辑资源。 处理器调试接口和 程接口 . 可能包含部分可编程模拟电路。 单芯片、低功耗、微封装 . 计技术涵盖了嵌入式系统设计 技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统 (中心的软件设计技术、以 信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外， 涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术 。 与 较起来，可编程逻辑器件设计起来十分灵活、便捷，可以缩 短上市时间，再加上可编程逻辑器件是按标准器件生产出来的，规模效应使得成本十分低廉，故而在半导体领域中可编程逻辑器件呈现出一枝独秀的增长态势，越来越多地成为系华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 11 统级芯片设计的首选 取代 为 计的新趋势 2. 3 核介 绍 么是 核 简单说来， 一个处理器的 ，系统设计者可以将它放入 ，它只占芯片内部很少的一部分逻辑单元，成本很低。 核处理器是一个基于流水线的精简指令集通用微处理器，时钟信号频率最高可达 75指令集的大部分指令均可在一个时钟周期内完成，它具有以下一些特点 ： 它是一种可配置的 ，设计者可以通过 发工具对其参数进行配，以适应不同场合的需要 。 具有 16 位和 32 位两种可自由选择的体系结构 . 16 位的指令宽度，减少了代码的长度以及指令存储器的宽度。 通过对其参数进行配置最多可具有 512 个通用寄存器 核处理器的内核参数如表表 2示，其结构框图如图 2示。 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 12 理器同外部设备的接口 线 线是 司提出的一种总线结构，设计它的目的是为了能够简单可靠的将处理器和外围设备连接起来构成一个 统 。 在同一块芯片内， 须使用 线同外围设备相连 。 线除了定义了主设备和从设备之间的连接端口，还定义了主从设备之间的连接时序。 线具有以下的一些特点 ： 线最大寻址空间为 4 线的所有信号都同步与 线的时钟。 线为每个外围设备提供单独的地址线、数据线和控制线， 这样简化了外围设备接口的复杂度。 线内的多路选择器会自动为特定的传输建立专门的数据通 路。 线会自动生成外围设备的片选信号，也即是说它内置了地址解码功能，这简化了外围设备接口的设计 。 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 13 线为并行多主设备结构，允许多个主设备同时进行数据传输。 线可以自动完成不同数据宽度设备之间的数据传输。 线具有中断处理功能。每个外围设备均有单独的中断请求信号线同线相连， 线会生成对应的中断号并传送给 线很好的避免了传统总线中的性能瓶颈。它的每一个主设备和该主设备需要访问的从设 备之间有专门的数据通路。当一个主设备需要访问某一个从设备时，多路选择器会为两者打开它们的专用通路 。 线中每一个同多个主设备有数据交互的从设备都有一个专用的总线仲裁器。 总线仲裁不是仲裁总线的使用权，而是仲裁主设备对从设备的使用权，也就是说当多个主设备需要访问同一个从设备时总线仲裁机制才发挥作用。可以看出，在 线结构下多个主从设备对可以同时进行数据传输，这对系统的整体性能都有很大的提高。 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 14 第 3 章硬件平台 简介 本章简要介绍 验板上的处理器和其他外围器件。 让学生了解硬件平台。 心处理器 目前， 列的 括 型号。 的 理器 有如下几个特点 ： 有拥有 33216 个逻辑单元 (足够装入一个 核，以及用户自定义逻辑设计，并且拥有最多 475 个通用 I/O 口，能够提供足够多的扩展口。 司提供完整的开发工具。通过 司的 I 软件可以对 I/O 脚很方便的进行定义、配置 ； 允许通过编程下载到 不改变硬件电路板的基础上得到需要的功能模块电路、各类外围接口、或者控制功能 :通过 以对 核外围基本器件进行配置。 较低廉，而且市场上货源充足，适合进行实验性开发。 围电路 除了核心处理器， 验板上还有如下器件： 8 512 1 16 2 的 8 只七段数码管 18 只红色发光二极管 9 只绿色发光二极管 4 只按钮开关 18 只电平开关 P/2 等接口 如图 3 1： 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 15 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 16 第 4 章系统软件 环境简介 软件平台的介绍，让学生们了解开发 用到的软件和简单的用法 。 发工具 是由 司推出的 发工具，它将软硬件的设计结合起来，提供给客户一个很好的开发环境。 一个软件工具，它属于一种基于 者平台的设计方法 理器、 线、以及片内存储器。利用 户可以方便的将处理器，存储器和其它外设模块连接起来，形成一个完整的系统。经包括了 理器及其它一些常用的外设 块 P 外设模块。 从用户的角度来看， 一个能够生成复杂硬件系统的工具。但从内部来看， 含两个主要部分 :一个图形用户界面 (和一个系统生成程序。 图形用户界面提供管理 块，配置系统的报告错误等功能。用户通过图形用户界面设计系统。完成设计之后，单击 动系统生成程序。系统生成程序通常从图形用户界面中启动。系统生成程序执行大量的功能，能够创建几乎所有的 出文件 (辑文件、 C 程序的头文件和库论据，模拟文件等等 )。 所以 以看作是一个以 块为输入，集成系统为输出的工具。 试工具一 l 司的 I提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，是单芯片可编程系统 ( 计的综合环境和 发的基本工具，并为发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。 I 设计工具完全支持 设计流程，其内部嵌有 辑综合器。 I 也可以利用第三方的综合工具，如 I，并能直接调用这些工具 I 具有仿真功能，同时也支持第三方仿真工具，如 外， I 与 合，可以进行基于 统开发，是 件系统实现的关键 具 . I 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 ( 表文件生成器 (、编辑数据接口 (等，编译时，可以选择运行所有模块，也可以选择运行单个的模块。此外， I 还包含 T 很多十分有用的 块，它们是复杂或高级系统构建的重要组成部分，在 计中将 被大量使用，也可与 I 普通设计文件一起使用。 数均基于 件的结构做了优化设计。 在许多情况中，必须使用宏功能模块才可使用一些 定器件的硬件功能，例如各类片上存储器、 块、 动器、 及 路模华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 17 块等。这可以使用 I 的 建立 功能模块， 数和 数，用于 I 综合工具的设计。 件开发调试工具一 I I 司为进行 件开发提供的集成开发环境（ 是入式处理器的基本软件开发工具。所有软件开发任务都可以在 I 括编辑、编译和调试程序。 I 供了一个统一的开发平台，能够用于所有 I 处理器系统。设计人员只需通过一台 、一片 载电缆，就能够往 I 处理器系统写入程序以及和与 . I 软件开发提供四个主要的功能 : 工程管理器 I 供多个工程管理任务，加快嵌入式应用程序的开发进度。新工程向导一 I 出了一个新工程向导，用于自动建立 C/C+应用程序工程和系统库工程。采用新工程向导，能够轻松地在 I 创建新工程。 软件工程模板 除了工程创建向导， I 1以工程模板的形式提供了软件代码实例，帮助软件工程师尽可能快速地推出可运行的系统。 编辑器和编译器 司推出的 I 供了一个全功能的源代码编辑器和 C/C+编译器文本编辑器一 本编辑器是一个成熟的全功能源文件编辑器。这些功能包括 :语法高亮显示、 C/C+、代码辅助 /代 码协助完成、全面的搜索工具、文件管理、广泛的在线帮助主题和教程、引入辅助、快速定位自动纠错、内置调试功能 . C/C+编译器一 I 译器提供了一个图形化用户界面，I 译环境使设计 I 处理器软件更容易，它提供了一个易用的按钮式流程，同时允许开发人员手工设置高级编译选项。 I 译环境自动地生成一个基于用户特定系统配置 (成的 件 )的 I 编译 /链接设置的任何改变都会自动映射到这个自动生成的 些设置可包括生成存储器初始化文件 (选项、闪存内容、仿真器初始化文件 (及 结文件的相关选项。 调试器。 I 含一个强大的、在 试器基础之上的软件调试 器 调试器提供了许多基本调试功能，以及一些在低成本处理器开发套件中不会经常用到的高级调试功能。 基本调试功能 I 试器包含如下的基本调试功能 ;运行控制、调用堆栈查看、软件断点、反汇编代码查看、调试信息查看、指令集仿真器。 高级调试 除了上述基本调试功能之外， I 试器还支持以下高级调试功能 :硬件断点调试 闪存中的代码、数据触发、指令跟踪。 闪存编程器。 使用 I 处理器的 开发板上都采用了闪存用来存储 置 数据或I 编程数据 I 供了一个方便的闪存编程方法。任何连接到 的闪存器件都可以通过 I 存编程器来下载数据。除 存之外， I 存编程器能够对连接到 任何 行配置器件进行编程。 华东师范大学学士学位论文 基于 嵌入式系统设计 18 第五章 小应用 通过本章的学习，让学生有了一个具体的了解怎样一步一步的设计 统，以及如何打通 一些器件的，使的他们有一定的功能。 马灯 跑马灯程序就是在实验板上实现 8 个 流点亮，其中延时为 200往在单片机系统里可以很容易实现这样的功能，在 统中同样也可以很容易的实现，但是与单片机系统