基于FPGA的嵌入式系统设计_外文翻译

1、毕业设计翻译题目学 院专 业姓 名班 级学 号浙江大学（论文）外文文献翻译基于嵌入式平台的认知无线电控制协议的研究与实现fpga-based embedded system design基于fpga的嵌入式系统设计自动化电气工程与自动化指导教师基于fpga的嵌入式系统设计1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

2、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硕件和软件设计的非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一一消费类电子产品，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（

3、sopc的）的设计止在改变 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m :小型系统内核。大多数嵌

4、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5kbo特定功能。嵌入式系统有着特殊应用。它并不耍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fuming sun, xiaoying li, qin wang, chunlin tang, circuits and systems, 2008. apccas 2008. ieee asia pacific conference page(s):733-736成本控制和安全系统来说件好事。实时业务

5、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，必须实吋，不能有延吋。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，其屮英特尔公司的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, mipso是提供高品质的嵌入式核心的半导体制 造商，其屮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arm 1

6、1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咅频/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 大型屯子通讯设备。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

7、/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。但是他的缺点是实吋性不够好。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, gclinux, |ic/os i

8、i,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-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ofpga的内

9、部资源（如xilinx公司)是可配置逻辑块(clb),输入和输岀块(iob)和可编程互连接口 (pi)的(图 do xilinx公司的最新设备virtcx-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屮到了其屮。5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内核也由此岀现， 一些先进的e

10、da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)，

11、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niosil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

12、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

13、本，如何彫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

14、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牛的二进制文件代码，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。target boardon-chip ramflashembedded processor-7"programmable logiccacheseri al port uartexternal businterfacefpga图3基于fpga的嵌入式系统设计图:c code；en

15、try1c/c+ cross compiler111111 1 1debuggeri二 rdilinker1111load sw codeuito flashjtagpc embedded sw flowfpga hw flowhdl entrysimulatioivsyntliesisimplementationdownload hw biliary file into fpgac. 设计实例在本小节屮，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pclinux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