基于FPGA的嵌入式系统设计_外文翻译.doc

浙江大学毕业设计（论文）外文文献翻译毕业设计（论文）题目基于嵌入式平台的认知无线电控制协议的研究与实现翻译题目FPGA-based embedded system design基于FPGA的嵌入式系统设计学 院自动化专 业电气工程与自动化姓 名班 级学 号指导教师基于FPGA的嵌入式系统设计 Fuming Sun, Xiaoying Li, Qin Wang, Chunlin Tang, Circuits and Systems, 2008. APCCAS 2008. IEEE Asia Pacific Conference Page(s):733-736摘要自从最新的IC技术支持了集成在单一硅芯片上的带有专用逻辑功能的软硬件CPU一体化以后，随即带领FPGA进入了嵌入式系统设计中，并且引起了创新的设计方法。在本论文中，主要对嵌入式系统设计进行了介绍和对基于FPGA的SOPC的发展进行了讨论。这套基于FPGA的嵌入式系统可以包含微处理器的IP内核并支持嵌入式操作系统。并将以混合设计流程和数据传输/接收转换器之间的串行端口和网路接口最为一个设计实例。1. 引言嵌入式系统通常是指结合硬件和软件设计的非PC系统。一般说来，它由嵌入式微处理器（8位，16位或32位），存储产品及外设，嵌入式操作系统（实时和多任务）和应用软件组成。嵌入式系统在很多地方都可以找到消费类电子产品，家用电器，商业设备，汽车等。设计基于计算机技术，但又侧重于特定的应用而不是一般的CPU处理。它的硬件和软件都具有可扩展性并可依据功能性，可靠性，成本，体积和耗电量来定制。由于可编程逻辑取得了某种程度的一体化，足以把整个系统或几个系统纳入一个单一的硅芯片，实现系统的裂开级可编程芯片（ SOPC的）的设计正在改变的演变的嵌入式系统。合并的现场可编程门阵列（ FPGA ）技术和嵌入式系统设计对传统的设计方法产生了很大的影响。把更多的关注放在了硬件和软件分区，协同设计和协同验证，系统集成， IP复用等上面。本论文中，在第二小节的嵌入式系统概述中主要介绍了其主要特点，嵌入式处理器和嵌入式操作系统。第三节中，主要对硬件和软件共同设计流程和基于FPGA的嵌入式系统设计流程进行了说明，并给出了相应的数据收/发转换的例子。最后，在第四节中针对讨论内容提出了一些论点。2. 嵌入式系统概述A. 嵌入式系统的主要特点嵌入式系统有一些共同的特点，区别于其他计算系统 1 ：l 小型系统内核。大多数嵌入式系统严格限制的设计指标。系统资源相对有限，该系统的核心是远远小于传统的作业系统（操作系统）。例如，奥斯陆证券交易所的大小分配系统ENEA公司只有5KB。l 特定功能。嵌入式系统有着特殊应用。它并不要求太多的在系统说明下的完整功能。相反，桌面系统执行各种程序的一般处理，这对于以嵌入式系统的成本控制和安全系统来说件好事。l 实时业务特性。许多嵌入式系统必须不断变化的反应系统的计算环境和一定的成果，必须实时，不能有延时。高性能实时操作系统（ RTOS ）是嵌入式系统的基本的和重要的要求。B. 嵌入式系统的硬件和软件在嵌入式硬件，其核心部分是嵌入式微处理器。目前，在世界上有超过千种嵌入式处理器和超过30多个流行的架构，其中英特尔公司的MCS-8051占了绝大多数。近年来，小批量，高性能与低功耗成为了嵌入式系统设计的考虑的主导因素。专业的知识产权（IP）核心供应商如ARM，MIPS。是提供高品质的嵌入式核心的半导体制造商，其中各种不同设备上的适用于各种领域的芯片被广泛生产。比如说，ARM7，ARM9，和ARM11这些16/32位的精简指令级处理器2(ARM公司)在手机和PDA以及拥有全球第三方合作伙伴的多媒体音频/视频设备中有着广泛的应用。它事实上已经成为了一种工业标准。MIPS公司，是另一个提供高质量32/64位嵌入式处理器的厂商，IBM的PowerPC系列同时拥有通用处理器和嵌入式控制器，并拥有广泛的应用领域，从高端工作站，服务器与台式计算机，和来自消费者水平的大型电子通讯设备。其他流行的微处理器包括英特尔的x86 ，摩托罗拉的冷火等。嵌入式系统的软件主要由操作系统及应用软件组成。嵌入式操作系统的硬件接口和应用程序有效地组织资源。其主要任务包括管理程序，通信和同步的程序，内存管理和I / O处理。从上世纪80年代开始，一些国际科技组织和公司就开始着力于研发商业的和专门的嵌入式操作系统。出自风河3公司的VxWorks系统式目前使用最广泛的嵌入式操作系统。其良好的可靠性和出色的实时功能可满足通信，军事，航空航天等领域，例如导弹和火星探索探测器。WINCE是由Microsoft开发的多任务，多优先级的操作系统平台。其内核的基本规模至少有200KB。但是他的缺点是实时性不够好。3Com公司的Palm操作系统在PDA市场占据着非常大的份额。它支持开放源码的API，使开发人员可以探索新的附加应用程序。嵌入式Linux系统，如RT-Linux，clinux，c/os II，是近年来蓬勃发展的完全开放源码的嵌入式操作系统，他们小巧，容易裁剪和定制，成本低，和众多的软件支持。3. 基于FPGA的嵌入式系统设计FPGA技术已经从可编程逻辑器件像包括PAL，GAL器件和可编程逻辑器件中发展起来。一个FPGA一系列相互关联的可编程逻辑块的可编程路由资源组成。具有可编程性和可配置性的FPGA允许它应用于各种数字的小型有限状态机到大型的复杂系统。作为特定应用集成电路（ASIC）的替代品，快速的上市时间和较低的非重复性工程费用成本促成了它惊人的发展速度。Xilinx 4和Altera 5是主要的全球FPGA厂商，他们芯片的功能和设计流程基本上是相同的。FPGA的内部资源（如Xilinx公司）是可配置逻辑块（CLB），输入和输出块（IOB）和可编程互连接口（PI）的（图1）。Xilinx公司的最新设备Virtex-5，采用65nm制造工艺，可以得到550 MHz系统时钟频率，同时也支持多种I / O电压标准。如今，FPGA技术的趋势是高密度，高速，宽带，高速，低电压，低功耗和低成本。其内置的IP内核还可以延长应用领域，缩短研发周期，在单个FPGA芯片中，越来越多的功能核心如通信，网络，音频，视频和图像处理都集中到了其中。图1 FPGA架构(Xilinx)随着硬技术和软IP核技术的不断增长，许多微处理器级别IP内核也由此出现，一些先进的EDA工具也因此发明。虽然FPGA具有并行处理和灵活动态重新配置的高端优势，但它仍然不便执行复杂算法的纯硬件逻辑器件。FPGA和RISC处理器的相结合则更适合于这种具有复杂算法和控制逻辑的系统。近年来，系统级芯片或可编程芯片（SoC/SOPC）的设计正在改变传统的方法，并导致电子系统全新的设计方式。SoC设计的重点是IP复用，但它不只是把所有的核心或几个系统在一个单一芯片中。这是一个复杂的HW/SW联合设计，验证和一体化进程，依靠IP复用和亚微米制造工艺。在SOPC中，内嵌的微型处理器IP核的核心部分是小而快速的片上RAM ，其他功能的IP内核，可来源于编程逻辑部件（数字和模拟），的I/O部件等。最初，嵌入式处理器内核的软IP，如Xilinx公司的32位MicroBlaze，Altera的32位NiosII。设计人员将可移植的程序运行在新的基于FPGA的嵌入式处理器上。其他逻辑可以硬件描述语文（HDLs）来实现。在一个高容量的FPGA中，可以包含几百个不同的类型的软处理器核心，16位或32位等，目前除软内核外，Xilinx的Virtex-4 FX可以集成450MHz双32位PowerPC硬核。每个处理器可以运行超过700 MIPS的整数运算。相比之下，Altera公司的EPXA10系列是一种包含了200MHz的ARM922T核心，100万可编程逻辑元件，3兆片上RAM，512可编程I/O，支持32位ARMv4T指令集和16位的Thumb扩展，内存管理单元（MMU），8K的指令和数据缓冲器，同时支持C和汇编语言的实时操作系统。重新配置和日益增加的高密度和更快的时钟速度使FPGA更好的与嵌入式系统结合。A. 硬件/软件协同设计流程嵌入式系统和FPGA设计的合并改变了传统的设计流程，并强调硬件/软件协同设计。如图2所示，基于系统规格，设计人员可以利用有限状态机（FSM）或CSP在系统级上获得一个抽象的描述。在硬件和软件上，如何分割设计到功能，是创造嵌入式系统的一个关键组成部分。软/硬体的分割必须考虑硬件/软件的二重性，它是如何处置开发成本，如何影响系统的灵活性和风险，是否容易更新未来的趋势6。设计分割后，模块级设计是由硬件合成器（或硅汇编），软件编制，和软/硬体接口执行。然后合成与配置硬件模块和软件代码的参数应该综合在一起。目前，在无缝开发平台上，许多独立的工具和设计环境可以合作运行。此外，在评价嵌入式系统的设计流程上，HW/SW联合仿真和联合认证也很重要，而且是不可避免的。图2 HW/SW协同设计流程B. 基于FPGA的嵌入式设计流程如图3所示，嵌入式系统设计与FPGA技术的合并都结合了这两个流程。硬件设计步骤要以FPGA设计为标准，如设计输入，仿真，综合，和执行。软件的设计从C代码的C/C+汇编链接器和调试器到嵌入式软件的基础阶段。软件调试，硬件调试工具，如Xilinx的Chipscope和Altera的SignalTap在纠错方面是非常重要的。为FPGA配置和软件编写同时产生的二进制文件代码，通过JTAG下载到目标板的闪存中去。在FPGA方面，它包含嵌入式处理器，小型存储， IP地址，可编程逻辑和几个接口。图3 基于FPGA的嵌入式系统设计图C 设计实例在本小节中，将以32位的Nios软处理器执行一个UART和以太网收/发转换作为嵌入式SOPC设计的实例。应用程序是探讨关于Microtronix的clinux作业系统7。如图4所示，硬件框架由一个核心SOPC的芯片（如Altera的Cyclone系列），两个512KB的