基于FPGA的嵌入式技术

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基于FPGA的嵌入式系统设计与开发研究

基于FPGA的嵌入式系统设计与开发研究嵌入式系统是指具有特定功能的计算机系统，被嵌入到其他设备中以完成特定任务。

嵌入式系统的设计与开发在现代技术领域中具有重要的地位，其中基于可编程逻辑器件（FPGA）的嵌入式系统尤为重要。

本文将探讨基于FPGA的嵌入式系统设计与开发的研究，并分析其在实际应用中的价值与挑战。

首先，我们需要了解FPGA是什么。

FPGA是一种基于可编程逻辑门阵列（PLA）的集成电路芯片，具有灵活性和可编程性，可以通过配置器件中的逻辑门和连接资源来实现各种硬件功能。

相比于传统的固定功能集成电路，FPGA具有更高的性能、灵活性和可靠性，因此广泛应用于嵌入式系统设计与开发中。

基于FPGA的嵌入式系统设计与开发的研究主要涉及以下几个方面：硬件设计、嵌入式软件开发、系统集成与验证。

在硬件设计方面，基于FPGA的嵌入式系统需要首先确定系统的需求和功能，然后进行硬件结构设计。

硬件设计主要包括逻辑设计、电路设计、时序设计等。

通过使用硬件描述语言（HDL）如VHDL或Verilog来描述系统的行为和结构，设计师可以实现各种硬件模块和接口，并通过逻辑综合工具生成对应的电路网表。

随后，通过布局布线工具将电路网表映射到FPGA的逻辑单元和资源中，最终生成比特流文件（Bitstream），供FPGA配置器件使用。

嵌入式软件开发是基于FPGA的嵌入式系统设计与开发中的另一个重要方面。

嵌入式软件开发主要涉及嵌入式处理器的选择与集成、固件编程、设备驱动程序的开发等。

在嵌入式系统设计中，使用处理器核心与FPGA逻辑单元进行协同工作，处理器核心负责控制和高层次算法处理，FPGA逻辑单元负责实时数据处理和硬件加速，使得系统具有较高的性能和吞吐量。

通过使用嵌入式软件开发工具如Eclipse等，设计师可以编写和调试嵌入式软件，并将其烧录到FPGA中。

系统集成与验证是保证基于FPGA的嵌入式系统正常运行的关键步骤。

系统集成主要涉及将各个硬件模块、嵌入式软件和外设等组合到一起，并实现合适的通信和数据交换机制。

基于FPGA嵌入式系统的研究与应用

ＣＪａＬＵｉＵＩｉｎ，ＩＪｎｆｏｐｔｎＩｏｍｔｎＴｃｎｌｇＩｓｔｔ，ｉｎｎｏａｎｖｒｔ，ａｉ１８，ｈｎ）ＣｍｕｒａｄｎｒａｏｅｈｏｏｙｎｔｕｅＬａｉｇＮｒｌｉｅｓｙＤｌｎ０ＣｉａｅｆｉｉｏｍＵｉａ１１６
半导体工业和嵌入式领域所面临的主要课题之一
１ＰＦＧＡ嵌入式系统
１１基本原理．
就是设计片上系统。上系统可以在单芯片上集成嵌入片
式ＣＵ、Ｓ、储器和其他控制功能，而可大大降低ＰＤＰ存从
产品的开发周期。高产品的安全性、靠性，小产品提可缩
的物理尺寸，低成本【。片上系统：１可以包含：处降ｌ１（１微
ＦＧ其技术的关键在于用户可编程性，用ＦＧＰＡ利ＰＡ作为高度并行处理器件来设计嵌入式系统可以提供高信号处理的能力，足样机开发周期短和产品上市快的满
了利用ＦＧ实现嵌入式系统的基本原理和设计方法，重点探讨了其结构的转换难点。通过具体应ＰＡ
用，析了乘法累加驱动滤波器的实现原理和处理过程，计了ＦＧ嵌入式系统的具体实现方式。分设ＰＡ

基于FPGA的嵌入式监控系统设计

进行存储。２图给出了系统的工作流程。需要较多的逻辑资源，因此ＦＧＡ的Ｐ
片内ＬＥ要很丰富，另外ＦＧＰＡ的管
而制造出来的产品同国外同类产品相
比，功能相差太大，没有竞争力，市场基本上被国外公司所占领。因此，开发一个该类嵌入式系统势在必行。
设计、多电平接口的需要，电源都分在设计ＰＣＢ的时候，对给ＰＵ的供电
为两组：ＣＩＴ和ＶＶＣＮＣＣＩＯ，即内核部分要做一些特殊的处理。即使在设Ｌ电源和Ｉ电源，随着芯片内部连线计中没有用到ＰＬ也必须给其供电。／Ｏ
ＤＲ．Ｍ基于嵌入式技术的图像监控系统设备（Ａ转换成ＲＲＷ）ＧＢ格式，帧缓冲模因此ＳＡＭ的容量必须大于１８
６０×４０×３×２１４２０字８＝８３０在我国还只是起步阶段，没有成熟的块（ｒｍｅＢｆｒ每次将相邻两帧图字节ｆ４Ｆａｕｅ）ＤＡ，４位，产品应用。这一现状的根本原因就是像数据写入ＳＲＭ，然后比较这两节）由于每个像素位宽为２我国在开发这类产品时，没有统一的帧图像的差值，如果差值大于设定的同时Ｎｌ０Ｓ是３２位的处理器，所以开发标准和共用的开发平台，而且没阈值，并且人体探测器输出高电平，ＳＲＤＡＭ的位宽最好是３２位。外部提
序，ｌＣ模块对ＣＩ行初始化工作Ｓ进

基于FPGA的嵌入式技术

基于FPGA的嵌入式技术“嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断的产业，应用在通信、航空航天、消费类电子产品等各种领域中。

”随着经济的发展，各领域对嵌入式产品的应用需求呈现多样化，嵌入式系统设计技术和芯片技术也不断革新。

传统设计ASIC的成本很低，但设计周期长、上市时间晚、风险较大。

基于FPGA的嵌入式系统设计可以缩短设计周期，加快上市时间，抢占市场先机。

1、概述现场可编程门阵列FPGA（Field-Programmable Gate Array）是由复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex-Programmable Logical Device）发展而来。

其功能强大，设计灵活。

设计性能能够与ASIC媲美。

而且，性能价格比也可以与ASIC抗衡。

因此，FPGA在嵌入式系统设计领域越来越重要。

FPGA的基本结构由以下几个部分：CLB（Configurable Logic Blocks）、IOB （Input/Output Blocks）和PI（Programmable Interconnection）。

随着工艺的进步和应用需求，一般在FPGA中还包含以下可选结构：Memory、数字时钟管理单元、Select I/O、乘法器和加法器、硬IP核和微处理器等。

随着FPGA性能提高和设计人员能力提高，FPGA将进一步扩大可编程芯片领地，使专用芯片更高端和超复杂。

[1]2、可编程片上系统（SOPC）可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统。

片上是指由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；可编程使其具有灵活的设计方式，可以裁剪、扩充、升级。

并且，SOPC结合了SOC和FPGA各自的优点，具备软硬件在系统可编程的功能。

SOPC至少包含一个嵌入式处理器内核，具有小容量片内高速RAM，一部分IP Core（简称IP），大量的片上可编程逻辑，处理器调试接口和FPGA编程接口等。

SOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容。

基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现

2、输入模块设计
输入模块主要包括乐曲信息的采集和传输。本系统中，乐曲信息采用MIDI格式进行存储和传输。用户可以通过MIDI键盘或者其他MIDI设备将乐曲信息输入到系统中。
3、处理模块设计
处理模块主要由FPGA完成，其主要任务是将输入的乐曲信息转换为硬件可以识别的控制信号。
具体来说，FPGA首先需要将MIDI格式的乐曲信息解析为数字信号，然后通过内部算法进行处理，生成控制音频硬件的信号。本系统中，FPGA主要通过VHDL编程语言来实现上述功能。
基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现
目录
01 基于FPGA的嵌入式系统设计与实现
02 参考内容
基于FPGA的嵌入式系统设计与实现
随着科技的不断发展，嵌入式系统在各个领域的应用越来越广泛。FPGA（现场可编程门阵列）作为一种灵活、高效的硬件设计技术，为嵌入式系统设计提供了新的解决方案。本次演示将介绍基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现。
经过以上步骤，我们可以得出基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现具有以下优点：首先，FPGA的可编程性使得硬件设计更加灵活，可以根据不同需求进行定制和优化；其次，FPGA的高速并行处理能力可以提高整个嵌入式系统的运算效率和性能；再次，使用FPGA可以降低系统功耗和成本，同时减小了系统的体积和重量；最后，FPGA的可重构特性使得系统升级和维护更加简便。
1、硬件设计
系统的硬件部分主要包括DSP、FPGA、RAM、Flash等。其中，DSP用于实现信号处理算法，接收GPS和惯性导航等传感器数据，计算出位置、速度等信息； FPGA用于实现硬件接口、数据传输和控制逻辑，连接各个硬件模块，保证系统的正常运行；RAM用于存储运行时的数据和程序；Flash用于存储固件程序和常量数据。

基于fpga的嵌入式系统设计_修改版

基于fpga的嵌入式系统设计_修改版摘要本文设计完成的是基于FPGA的嵌入式系统开发板，它可以完成FPGA、嵌入式系统和SOPC等的设计和开发。

开发板以Altera公司的Cyclone系列FPGA—EP1C6为核心，在其外围扩展FLASH、SRAM、A/D、D/A、键盘、LED显示、LCD显示、串口通信、VGA接口、PS2接口和USB接口等器件，使其成为一个完整的嵌入式开发系统，系统采用模块化设计，各个模块之间可以自由组合，使得该开发板的灵活性和可扩展性大大提高。

同时开发板所提供的丰富的接口模块，供人机交互和器件间通信使用，方便了开发者的设计和系统的嵌入，可以满足普通高等院校、科研人员等的需求。

开发者可以使用VHDL语言、Verilog HDL语言、原理图输入等多种方式进行逻辑电路和功能模块设计，也可以利用Altera公司提供的IP资源和Nios 16/32位处理器开发嵌入式系统，借助QuartusII和Nios SDK Shell软件进行编译、下载，并通过本嵌入式系统开发板进行调式和结果验证。

关键词：嵌入式系统，Nios嵌入式处理器，SOPC，FPGAIABSTRACTThe thesis completes a design of an embedded system development board based on FPGA.The development board can complete the design of FPGA,embeded system,SOPC and so on.The development board is based on Altera Cyclone device—EP1C6，the board extends several peripheral devices such as,FLASH,SRAM, A/D,D/A,LED,LCD,keyboard,serial port,VGA interface,PS2 interface,USB interface and so on.All the devices constitute an integrated embeded development system. The development board offers us plenty of interfaces to meet the need of the device communication and the intercommunion between human and computer,which makes the design and the embedding of the system more easier.The Nios Development Board can meet the need of scientific researchers and other college researchers.The developers can use VHDL,Verilog HDL,schematic input mode and so on to design logic circuit and function block,they can alse use the IP core and Nios microprocessor which are offered by AlteraIto develop embedded systems. The developers can utilize QuartusⅡ and Nios SDK Shell to compile and download,then they can use this development board to debug and validate the result.KEY WORDS: embeded system, Nios embeded CPU，SOPC，FPGAI目录前言 (1)第1章绪论 (3)1.1嵌入式系统概述 (3)1.1.1嵌入式系统的特点 (3)1.1.2 片上系统和可编程片上系统 (6)1.2 Nios嵌入式处理器 (7)1.2.1 Nios嵌入式处理器特性 (7)1.2.2 Nios嵌入式处理器系统组件 (10)1.2.3 Avalon交换结构总线 (11)第2章 Nios嵌入式系统开发板整体理论分析 (16)2.1 系统设计目标 (16)2.2 系统设计原理 (16)2.3 开发板组件与理论分析 (19)2.4 开发板电路设计原理图与PCB布线图 (24)第3章 Nios嵌入式系统开发板硬件开发环境 (26)3.1 硬件开发环境概述 (26)3.2 FPGA：EP1C6QC240C8的特性和电路设计 (26)I3.2.1 特性和封装 (27)3.2.2 引脚说明 (28)3.2.3 工作条件 (28)3.3 串行配置器件：EPCS1的特性和电路设计 (28)3.3.1 Cyclone FPGA的配置 (28)3.3.2串行配置器件： EPCS1/EPCS4 (31)3.3.3 EPCS1的电路设计 (34)3.4 SRAM：IDT71V016的特性和电路设计 (34)3.4.1 器件特性 (34)3.4.2 IDT71V016工作方式 (35)3.4.3 IDT71V016的电路设计 (37)3.5 FLASH：AM29LV800B的特性和电路设计 (39)3.5.1 器件特性 (39)3.5.2 器件工作方式描述 (40)3.5.3 AM29LV800总线操作 (42)3.5.4 AM29LV800的电路设计 (44)第4章软件开发环境：QuartusⅡ和SOPC Builder (45)4.1 QuartusⅡ及其开发流程 (45)4.2 SOPC Builder (46)4.3 GERMS监控 (49)第5章 Nios嵌入式系统开发板调试 (52)I5.1 片内RAM、ROM调试 (52)5.2 GERMS监控调试 (59)5.3 扩展SRAM调试 (66)5.4 扩展FLASH调试 (69)第6章底板部分 (76)6.1 底板概述 (76)6.2 高速A/D：TLC5540 (77)6.3 高速D/A：DAC908 (79)6.4低速A/D：MCP3202 (82)6.5 低速D/A：DAC7512 (83)6.6 LED数码管及键盘管理器件：ZLG7289A (85)6.7 图形LCD液晶显示屏：HD61202 (88)第7章应用实例：利用Nios嵌入式系统开发板完成DDS的设计 (91)7.1 理论分析 (91)7.2 利用开发板实现的优点 (94)7.3系统设计与实现 (95)7.3.1 参数选取 (95)7.3.2 系统设计 (96)7.3.3 系统实现 (97)第8章总结 (98)8.1 主要工作总结 (98)I8.2 结论 (98)8.3 改进意见 (99)致谢 (100)参考文献 (101)附录 (102)附1 英文原文 (102)附2 中文翻译 (113)附3 Cyclone器件引脚功能、定义和工作条件 (121)附4 测试程序led.c (142)I前言FPGA的特点及其发展趋势：嵌入式系统，是一个面向应用、技术密集、资金密集、不可垄断的产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一次又一次的革新。

基于FPGA的嵌入式系统设计

计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇基于ＦＰＧＡ的嵌入式系统设计周汝（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲４１２００８）—基于ＦＰＧＡ设备驱动的解决方案。

该方案使用处摘要：在对现有的ＩＲＬ实现方案进行分析的基础上，提出了一种新的解决方案——理器控制方式结合嵌入式实时操作系统实现了通过互联网进行远程配置的功能，并且具有体系结构简单、跨平台、配置过程灵活快速、硬件成本较低等特点。

关键词：ＦＰＧＡ；嵌入式系统；ＩＲＬ系统中图分类号：ＴＰ３９３文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００８）１４－２０９５４－０２ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍｓＤｅｓｉｇｎＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡＺＨＯＵＲｕ（ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｃｈｅｍｅｒｅｓｏｌｖｉｎｇｓｏｌｖｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｓｃｈｅｍｅｄｒｉｖｅｓｏｗｉｎｇｔｏＦＰＧＡｅｑｕｉｐｍｅｎｔｒｅａｌｉｚｉｎｇａｓｃｈｅｍｅｈａｖｉｎｇｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｏｎｅｋｉｎｄｉｓｎｅｗｏｎｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｂａｓｉｓｂｅｉｎｇｉｎｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｆａｃｅｔｏｆａｃｅｎｏｗａｖａｉｌａｂｌｅＩＲＬ．Ｏｗｅａｓｃｈｅｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｓｕｃｈａｓｕｓｉｎｇｔｈｅｐｒｏ－ｃｅｓｓｏｒｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｔｏｈａｖｅｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｂｙｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔＩｎｔｅｒｎｅｔｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｌｏｎｇ－ｒａｎｇｅａｌｌｏｃａｔｉｏｎｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｉｍｐｌａｎｔｉｎｇｄｙａｄｉｃｒｅａｌｔｉｍｅＯＳ，ａｎｄｈａｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｒｉｄｉｎｇｏｖｅｒｐｌａｔｆｏｒｍ，ｎｉｍｂｌｅｆｌｅｅｔｎｅｓｓｏｆａｌｌｏｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｈａｒｄｗａｒｅｃｏｓｔｓｉｍｐｌｅｌｙ，ｃｏｍ－ｐａｒａｔｉｖｅｌｙｌｏｗ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；Ｉｍｐｌａｎｔｄｙａｄｉｃｓｙｓｔｅｍ；ＩＲＬｓｙｓｔｅｍ１引言互联网可重配置逻辑ＩＲＬ（ＩｎｔｅｒｎｅｔＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＬｏｇｉｃ），是一种能够通过互联网对目标系统的硬件进行远程更新和动态重构的设计方法。

基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发

基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发嵌入式系统在现代科技中起着至关重要的作用，它们被广泛应用于智能手机、汽车、医疗设备和工业控制等领域。

嵌入式系统的设计与开发过程中，FPGA（Field Programmable Gate Array）技术成为一种常用的解决方案。

本文将探讨基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发的相关内容。

一、嵌入式系统设计与开发的基本概念嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被嵌入到其他设备或系统中，以实现特定的功能。

嵌入式系统通常具有实时性要求、资源受限、功耗低等特点，因此对其设计与开发的要求较高。

基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发，采用可编程逻辑芯片FPGA作为硬件平台，通过对FPGA内部逻辑电路的编程实现所需功能。

相比于传统的ASIC（Application Specific Integrated Circuit）设计流程，FPGA技术具有可重构性、快速原型开发、灵活性等优势。

二、FPGA技术在嵌入式系统设计与开发中的应用1. 快速原型开发FPGA技术可以提供快速的原型开发平台。

设计人员可以使用HDL （Hardware Description Language，硬件描述语言）如Verilog或VHDL编写嵌入式系统的逻辑电路，并通过FPGA工具链将其综合为FPGA可接受的二进制配置文件。

这样，设计人员可以在相对较短的时间内验证系统的功能和性能。

2. 灵活性与可重构性FPGA技术允许设计人员在硬件平台上灵活地重新编程和更改逻辑电路。

这意味着设计人员可以在嵌入式系统的开发过程中进行迭代和调试，以满足不断变化的需求。

与传统的ASIC设计相比，FPGA技术大大缩短了设计和开发周期。

3. 高性能与低功耗由于可以根据具体功能需求对FPGA进行高度优化，因此基于FPGA技术的嵌入式系统可以实现高性能和低功耗的平衡。

设计人员可以通过优化逻辑电路、使用流水线技术以及利用FPGA内部资源等方法来提升系统性能，并在功耗控制上进行权衡。

面向FPGA的嵌入式开发

面向FPGA的嵌入式开发嵌入式开发是指将计算机技术应用于嵌入式系统中的过程，而面向FPGA（Field-Programmable Gate Array）的嵌入式开发则是指针对FPGA硬件平台进行软硬件协同设计和开发的过程。

本文将重点探讨面向FPGA的嵌入式开发的重要性、流程和应用。

1. 面向FPGA的嵌入式开发的重要性嵌入式系统凭借其高效、低功耗、高可靠性等特点，在现代社会中得到广泛应用。

而面向FPGA的嵌入式开发则利用FPGA的可编程性，更加灵活地实现嵌入式系统的设计与开发。

它不仅能够提供更高的性能，同时还能够加速产品的开发周期，降低开发成本。

因此，面向FPGA的嵌入式开发具有重要的实际意义。

2. 面向FPGA的嵌入式开发的流程面向FPGA的嵌入式开发的流程可以大致分为硬件设计、软件开发和系统集成三个主要阶段。

硬件设计阶段：在硬件设计阶段，首先需要对系统进行功能和性能需求的规划和分析。

然后，根据需求规划，进行硬件电路设计，包括选型、原理图设计、硬件布局、电路仿真等。

设计完成后，还需要进行电路的验证和测试，保证硬件电路的正确性和稳定性。

软件开发阶段：在软件开发阶段，首先需要明确软件开发语言和开发环境。

根据硬件设计的要求和系统功能需求，进行软件的编写和开发。

在开发过程中，需要编写相应的驱动程序、操作系统、中间件等，以实现系统所需的功能。

同时，还需要进行软件的测试和调试，确保软件的正确性和稳定性。

系统集成阶段：在系统集成阶段，需要将硬件和软件进行集成，以构建完整的嵌入式系统。

这一阶段包括硬件和软件的相互配合、接口的定义和调试、系统层面的集成测试等。

集成完成后，还需要对整个系统进行性能测试和优化，确保系统的稳定性和可靠性。

3. 面向FPGA的嵌入式开发的应用面向FPGA的嵌入式开发广泛应用于各个领域，以下是一些典型的应用案例：3.1 通信领域：面向FPGA的嵌入式开发在通信领域中得到广泛应用。

通过利用FPGA的高性能和可编程性，可以实现高速数据传输、信号处理、协议解析等功能，从而提高通信系统的性能和可靠性。

基于FPGA的嵌入式系统设计

基于FPGA 的嵌入式系统设计王俊雄,黄　铉,刘正义(西南交通大学电气工程学院,四川省成都市610031)摘　要:提出了一种基于FPG A (现场可编程门阵列)和软核CP U 的嵌入式系统设计的新方法。

FPG A 芯片选用A ltera 公司的Cycl one 系列芯片作为处理器,配合A ltera 公司的N I O S 软核嵌入式处理器构成整个系统的核心;操作系统采用μC /OS 嵌入式系统,并移植到FPG A 平台上;外围添加US B 接口作为扩展接口,使用Cyp ress 公司的EZ_US B 系列芯片;整个系统以FPG A 和N I O S 为中心进行设计,外围接口包括JT AG 、串口、US B 口等。

给出了系统硬件架构以及与US B 芯片的接口应用电路。

关键词:FPG A;N I O S;μC /OS;US B;嵌入式系统中图分类号:TP368收稿日期:2005210217。

0　引　言嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统是一个外延极广的名词,凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的系统都可以叫嵌入式系统,很难给它下一个准确的定义。

因此,目前通常把嵌入式系统的中心放在“系统”(即操作系统)上,是指能够运行操作系统的软硬件综合体。

总体上,嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分。

硬件一般由高性能的微处理器和外围接口电路组成,软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成,软件和硬件之间由所谓的中间层即BSP (板级支持包)连接。

传统的嵌入式处理器一般都选用ASI C (专用集成电路)。

ASI C 是一种为具体任务而特殊设计的专用器件,由于在设计过程中进行了专门优化,其性能、性价比都非常高,减少了系统软件和硬件设计的复杂程度,降低了系统成本,但还是存在一些缺点如前期设计费用高,且一旦设计完成就无法升级和扩展等。

基于FPGA的嵌入式开发

文献标识码: 八
文章编号: 1672 3791(2007)( 片上围设备总线) 、 X P S 中。夕卜 DCR 总线(设备控制总线)、 OCM总线(片卜存 (3 软件开发。软件开发实际七 ) 就是驱动储器总线) 、I MI弓总线( 内部存储器总线) 和程序的开发，通用集成电路I 进行印刷电路板尸 C CH的设计在创建I 核的时候， ) S 已经提 P Xl 1 喀L总线，其中Mic 0I aze 系统使用的总线为 r 3 l 供了一些基本的函数可供使用，其中包括读/ 和调试，而是转向以大规模现场可编程逻辑阵 0 尸总线、L M B 总线和 F S L 总线。 B 列 1 PGA} 2](1 ield Prog r amm able Gat c 刃 ’ 了写寄存器函数等。在软件开发过程中，是不需要对硬件部分进行更改的，因此，可以反复进 Ar ay ， r 现场可编程门阵列)或专用集成电路 A SI C 为物理载体的系统级的毖片设计。使 3 基于F G P A的嵌入式开发流程行调这个过程开发周期比较短。试， ( 4 ) 凋试与验证。在使用 I E 进行设计 S 用AS C为物理载体进行芯片设计的技术称为 I 在设计一个嵌入式系统时，首先要创建一时，可以使用的仿真工具有Models i， 6. 1(1和 :1 个嵌人式开发平台，这个「 _作主要由Xi in x l 片上系统技术， o c 。即s n F P GA 具有体系结构完整和逻辑单元灵 platfornl s tudio s . 11 (简称为x Ps )来完成。 Chipsco详 8. 11。使用Mo(lels ir 6. ld 进行验证主要以书写Te 山ench 为主， s 观察输出波活、集成度高以及适用范围 ‘ ) 等特点。 ID J 使用XPS 进行嵌入式开发的主要过程为: 以丁 I }} 言来表达设计意图， ’ 语以FPGA 作为硬件载 (1)使用 Baso s yste:n Buil〔 (简称为 ler 形，可以进行的验证包括功能验证、布局布线贝 { 体，以计算机为设计开发工具，以EDK 软件为 BSB) 「具创建一个包含基本功能的嵌人式开后验证等。使用Chips cope s . 11验证，1是开发环境，八 C、SOC 和 J 技术等为综合以 S I ， l 发平台。在这个过程中主要完成的工作是将设计下载到FPGA 内，通过Ch ps ope 观察 i c 设计的方法，已成为硬件设计工程的主要特 FI〕开发板的选择， Vir tcx 4 ML402 FPGA 内部实际信号来进行验证。Ch ps co洋 i GA 如征。 GA 信号的宽度和深 EV altlatiO Platform(用于 ll 嵌人式开发)或者占用F尸内部存储器资源， Vir tex 4 ML403 Eva luati()n 冬〕 latform (用度可以任意设置，但是，要对资源的利用率有 Z MicroBI。 ze系统准的。确估计使用system Generator 工创具于DSP 开发)，也可以选择其他Xi nx FPGA i l 建模块会自动产生Tcs b“ h 文件用于 t c I 测试。就必须要对系统一个典型的Mic oB aze 系统如图 1所示，的开发板。如果选择后者， r l 具包括处于核心地位的是软核处理器Mic oB a e。进行定义。其中包括 : 处理器的定义 ; 设置处在 XP S 中可以使用的仿真与验证工 r l z ChiP co谬、门 Mlcr oProces or Debugger S Xi]1 x s 可以在 Xi i x 公司任何系列 F 尸上创建理器时钟频率;设置总线时钟;设置调试方式; l n GA SDK。Chips cope 用于抓取、 Mi r B a e ， c o l z 占用一定的内部资源。处理器通设置数据存储器和指令存储器的容量; 设置基 (简称为XMD)、 XMD 对于察看寄过LMB 本地存储器总线)总线与数据存储器本 / 0 设 ( 的1 备等。蓄之一个含观察 FPGA 内部真实信号，设一豁完毕后，包存器的依非常有效，可以察看甲核使用的寄存和指令存储器进行交互。1 _MB 总线可在单个基本功能的硬件平台就设计完毕。 ‘ SDK 软件对软件调试非常有效。 (2 硬件设计。为 ) 完成嵌入式设计， PS 器的值，在x 时钟周期内访问片内存储器 BR AM 。处理器中提供了一此基本功能模块，如存储器控制通过 OPB 总线与 I 核进行交互，护核包 P 这些器、输入 / 输出设备、中断控制器、存储器、参考文献括微处理器调试模块、文件系统、存储器控制 P 【王诚. FPGA/ CPLD 设计I几 ] 1 具 i x linx 器、通用输入 / 输出设备、D D R 控制器、调试设备、数字时钟管理器等。如果这些工核能够满足用户的设计需求，那么直接将他们 ISE 使用详解【 . 北京: 人民邮电出版社， M】 UART 、中断控制器以及用户甲核。通过这 2 00 5 . 并连接到总线卜。用户可以使用即可些 I 核又可以与 FPGA 片外资源进行交互。实例化， P [M]. 在使用 Xi nx 公司FPGA 进行嵌入式开 i l ISE 不 [ISystcr Generator 等软件来设计完成 [2] 王冠.Verilog ll DL 与数字电路设计 n 不同功能的模块，然后将其作为 I 核引入到 P 发时，可以使用的总线包括: PLB 总线(处理器北京: 机械工业出版社， 2005. 1 刘韬. FPGA 数字电广 ] 3 系统设计与开发实例导航【北京: 人民邮电出版社， M}. 2005.

基于FPGA的嵌入式系统的研究及设计的开题报告

基于FPGA的嵌入式系统的研究及设计的开题报告一、研究背景及意义随着信息技术的发展，嵌入式系统在社会生产、科学技术等各个领域中得到了广泛应用，其中基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）的嵌入式系统在高性能、低功耗、可重构性等方面具有独特的优势，日益成为研究的热点和应用的重要方向。

本课题旨在研究基于FPGA的嵌入式系统的设计及其应用，在对现有相关技术和理论进行深入分析的基础上，结合具体应用场景进行相关系统设计与实践开发，探索FPGA嵌入式系统的优化设计和功能实现，推动信息技术的发展与应用。

二、研究内容及目标本课题的主要研究内容包括以下几个方面：1、基于FPGA的嵌入式系统设计理论研究，包括FPGA基础概念、数字电路设计、EDA工具等相关理论技术的研究。

2、基于ARM处理器的FPGA嵌入式系统架构设计与优化，主要涉及ARM处理器架构、信号处理、寄存器设计等。

3、基于FPGA的嵌入式系统开发及应用实践，实现各类控制、通信、图像处理等应用场景。

本课题的主要研究目标包括以下几个方面：1、深入掌握基于FPGA的嵌入式系统的设计原理和关键技术，具备开发和应用FPGA嵌入式系统的能力。

2、基于ARM处理器的FPGA嵌入式系统架构设计与优化，在提高系统性能和功耗效率的同时，实现系统的实时控制和数据处理等功能。

3、基于FPGA的嵌入式系统开发及应用实践，实现控制、通信、图像处理等应用场景，验证系统性能和可靠性。

三、研究方法和技术路线本课题采用文献研究法、实验研究法和案例研究法相结合的方式进行研究，具体技术路线如下：1、文献研究法。

通过查阅相关文献资料和参考书籍，深入研究FPGA的基础理论、数字电路设计和ARM处理器的嵌入式系统架构等领域的最新研究成果，了解国内外相关领域的发展动态及趋势。

2、实验研究法。

基于FPGA平台，搭建实验环境并进行算法实现、实际调试和性能测试，对系统进行不断优化和完善，验证系统设计的可行性和有效性。

基于fpga的嵌入式系统设计——复习题

基于fpｇa的嵌入式系统设计——复习题————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:《基于fpga的嵌入式系统设计》复习题1、名词概念解释：（1）ASIＣ,ＦPGＡ，SOC,SOPＣ,NIＯS ＩI,I/O ,ＩP ；（2）VHDＬ,veriｌog HＤL,HDＬ，EDA ；（3）功能仿真,后仿真，设计综合，设计验证；（4）嵌入式系统的定义:以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

（5）嵌入式系统的组成:嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统及应用软件等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。

其中：嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，具有小型化、高效率、高可靠性、高集成度等特点。

外围设备是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的部件。

2、填空题（1）NiosIＩ处理器有三种运行模式: ____＿_＿＿___ ，_＿__＿____＿_ ,＿＿__＿____＿_＿_。

（2）CycｌｏｎeＩI FPGＡ支持串行配置器件的isp编程，该特性是通过＿________＿_＿_利用JTＡＧ接口实现的。

（3）在SＯPＣBuildｅr中，复位地址的偏移量是__＿＿＿__＿,异常地址的偏移量是___＿__＿＿。

（4）在ＮｉｏsＩＩ的多处理器系统中,最常用的共享资源是___＿____＿___。

（5）根据Flaｓｈ是否支持处理器的直接读操作,NiosII处理的bootloａｄeｒ分成两种模式：___＿_＿_______＿__bootｌoａｄer、＿_＿＿______＿__＿__ boｏtlｏadｅr。

（6）用uＣ/OS-IＩ操作系统实现以太网与轻量IP功能的时候,以太网的中断号至少是_＿＿＿___＿____。

基于FPGA的嵌入式系统设计

基于FPGA的嵌入式系统设计一、嵌入式系统概述嵌入式系统是指被嵌入到其他系统或机器中，拥有特定功能的计算机系统。

它被广泛应用于工业生产，医疗器械，家庭设备等领域。

传统的嵌入式系统使用单片机和DSP等处理器，但随着FPGA（Field-Programmable Gate Array）的逐渐成熟和普及，越来越多的嵌入式系统开始采用FPGA作为核心控制器，以实现更高效、更灵活的系统设计。

二、 FPGA简介FPGA是一种可现场编程（Field Programmable）的门阵列（Gate Array）器件，它具有抗干扰能力强，灵活性高，可重构性好，功耗低等特点，可以在设计硬件时替代传统的ASIC。

FPGA由大量的逻辑单元、存储器和输入输出引脚组成，用户可以通过设计相应的电路图和底层语言（如Verilog或VHDL），在FPGA内部实现各种逻辑功能和数据处理。

此外，设计好的电路图也可以通过外部编程器下载到FPGA中。

三、 FPGA在嵌入式系统中的应用对于一些需要快速处理大量数据、低功耗、高稳定性的嵌入式系统，传统的处理器已经无法满足需求。

而FPGA则能够提供更高效、更灵活的解决方案。

1. 图像处理图像处理是FPGA在嵌入式系统中的重要应用领域之一。

图像处理通常需要大量并行处理和高带宽数据传输，FPGA能够实现高速、低时延的图像数据采集、处理和输出。

比如安防摄像头、工业相机等。

2. 数字信号处理FPGA在数字信号处理中也有广泛应用。

由于FPGA具有抗干扰能力强和并行处理能力强等优势，它能够轻松实现高速FFT、滤波、解调、编码等数字信号处理算法，实现高速数据的采集、处理和存储。

比如基于FPGA的音频解码器、雷达信号处理器等。

3. 无线通信应用FPGA也被广泛应用于无线通信领域，如基站、卫星通信等。

FPGA可实现高速数据传输、串行通信和多路复用等功能，可以使无线通信设备有更快更可靠的数据传输速度。

4. 军事设备军事设备通常要求具有高度的可靠性、防错能力和实时性。

基于FPGA的嵌入式系统综述

ＪｉａｎｇＹｕａｎ
（陕西理工学院物理系，陕西汉中７３０）２０１（ｈｅａｔｅｔｏｈｓｃ，Ｓａｘｎｖｒｉｙｏｅｈｏｏｙｈｎ￥Ｈｎｈｎ７３０）ＴｅＤｐｒｍｎｆＰｙｉｓｈｎｉＵｉｅｓｔｆＴｃｎｌｇ，Ｓａｘａｚｏｇ２０１摘要：嵌入式系统的设计正在向片上系统（ＯＣ＠方向发展。文章主要介绍了ＳＰ）嵌入式系统的组成及发展趋势和ＦＧ与ＰＡ
２嵌入式系统的发展趋势
嵌入式系统是集软、硬件于一体可独立工作的器件。硬件系统包括嵌入式处理器、各种类型存储器、模拟电路（含各类传感器）ＡＤ、／转换器及电源、口制器及接插件；接控软件系统包括实时操作系统（ＴＳ、板级支持包（Ｓ）ＲＯ）ＢＰ、设备驱动（ｅｉｅＤｉｅ）Ｄｖｃｒｖｒ、协议栈（ｒｔｃｌＳａｋ、应Ｐｏｏｏｔｃ）
ＫｅｗｏｄＥｂｄｅＳｓｅｖｒ：ｍｅｄｄｙｔｍ；ＤｓｇｅｓｅｉｎＲｕｅ；ＩＰ；ＦＧＰＡ；ｓＰｏｃ
０引言
耗：便携式系统中需考虑的重要指标；可靠性和灵活性；上市时间；设计、制造和测试时间。嵌入式处理器目前可以分为微控制器（Ｃ）微处理器（Ｐ）数字信号处理器（Ｓ）ＭＵ、ＭＵ、ＤＰ、混合处理器和片上系统（Ｏ）可编程片上系统（ＯＣ嵌ＳＣ、ＳＰ）入式实时操作系统ＲＯ的基本特征为高效的任务管理，ＴＳ包

FPGA实现嵌入式系统

FPGA实现嵌入式系统北京理工大学雷达技术研究所陈禾主要内容嵌入式系统概念与组成基于FPGA的嵌入式系统设计系统集成开发环境嵌入式系统—定义计算系统无处不在，由个人计算机、笔记本电脑、工作站、大型机和服务器等构成计算系统并不奇怪，但是，更广泛的是为完全不同的目的构造的计算系统，它们嵌入在更大的电子器件内，分别完成特定的功能，而不被器件的使用者所识别。

对于这样的嵌入计算系统，简称为嵌入式系统，可以定义为除了计算机或电脑之外的几乎任何的计算系统。

这个不很精确的定义，可以使我们着手考察嵌入系统设计者所面临的挑战。

嵌入式系统的一般特性嵌入系统一般功能单一，重复执行一个特定的程序，除非嵌入系统的程序用新的程序版本更新，或者因尺寸限制它有几个程序倒进和倒出。

对嵌入系统的约束特别严格，诸如成本、尺寸、性能和功耗等作为实现的特性，嵌入系统要求成本是极低的价格，尺寸限制到最小、但达到实时快速地处理数据，且消耗最少的功率，能延长电池受命，也不需要冷却等。

其它如NRE成本、灵活性、样机的时间、上市的时间、可维护性、准确性和安全性。

反应和实时性：许多嵌入系统必须对系统环境的变化连续地反应，且要无滞后地实时计算确定的结果。

嵌入式系统应用嵌入式系统组成硬件嵌入式系统实现的基础应用程序实现特定任务和功能操作系统（可选）对应用软件进行管理使硬件对应用软件透明嵌入式系统硬件部分微处理器或微控制器嵌入式系统的核心存储器用来存储程序和数据外设如定时器、中断控制器、UART、 GPIO等电源部分其它辅助部分嵌入式系统软件部分应用软件实现所需功能，执行特定任务操作系统（RTOS）提供对应用软件的一组服务使硬件细节对应用软件透明嵌入式系统的软/硬件设计软件设计重要的是微处理器的内部操作如何进行硬件设计重要的是总线接口，与微处理器的逻辑连接要遵循总线协议的全部规则，才能保证硬件设计正确嵌入式系统的软/硬件设计内部操作包括指令集：处理器可以运行的指令的格式寄存器：通用寄存器、状态寄存器和程序计数器的某种组合 Cache：专门的高速缓存，储存经常利用的数据和指令等流水：不同级的指令处理提供增加的性能存储器管理单元（MMU）提供实现虚拟存储器需要的地址变换，操作系统利用它来防止程序或任务造成系统崩溃外部接口包括存储器总线接口，对总线仲裁器的规则协处理器总线接口中断：一般有多个不同优先级的中断嵌入式系统设计的核心技术|处理器技术z通用处理器z单用途处理器z专用处理器|IC技术z全定制VLSIz半定制ASICz可编程ASIC-FPGA|设计验证技术嵌入式系统—处理器技术|通用处理器或微处理器软件——编程处理器的存储器完成要求的功能控制器：程序存储器数据通道：含寄存器堆或通用ALU|单用途处理器硬件—设计数字电路准确地执行一个程序甚至设计定制数字电路产生单用途处理器控制器：有限状态机，不需要程序存储器数据通道：只包含为执行此程序的基本元件|专用处理器：为特定类应用优化的可编程处理器微控制器（单片机）：为嵌入控制应用优化的处理器数字信号处理器（DSP）：执行数字信号的常用运算嵌入式系统—IC技术通用处理器专用处理器单片机DSP单用途处理器FPGA CPLD 半定制：标准单元门阵列（结构化ASIC）全定制：ASICASSP嵌入式系统—设计验证技术系统技术条件行为技术条件RTL技术条件逻辑级技术条件门级仿真门电路/单元电路逻辑级综合HDL仿真RTL元件RTL级综合Hw-Sw协同仿真Cores行为综合Model仿真/校验Hw/Sw/OS系统级综合Test/VerificationLibraries/IPCompilation/Synthesis至最终实现可编程系统FPGA内嵌处理器FPGA 嵌入式系统的发展Embedded Software ToolsCPULogic Design ToolsI/O FPGAMemoryLogic Design ToolsFPGA + Memory + IP +High Speed IO (4K & Virtex ™)Embedded Software ToolsCPUI n t e g r a t i o n o f F u n c t i o n sTimeLogic Design ToolsEmbedded Software ToolsLogic + Memory+ IP + Processors + RocketIO (Virtex-II Pro ™)Programmable Systems usher in a new era of systemdesign integration possibilitiesFPGA嵌入式系统的发展嵌入式系统市场|工业分析家普遍预测全球半导体需求市场将是一个稳中带降的趋势。

FPGA嵌入式开发技术

FPGA应用
基于FPGA的嵌入式开发技术
嵌入式系统概述
• 以计算机技术为基础的专用应用系统，软、硬件可剪裁
• CPU/DSP为核心硬件 • 硬件固定，软件可灵活配置
• 基于FPGA的嵌入式系统
• 软硬件协同设计、工作 • 硬件可编程 • SOPC（片上可编程系统）
FPGA嵌入式系统分类
• 状态机模式：可以无外设、无总线结构、无实时操作系统(RTOS),低成本
MicroBlaze体系结构
• RISC架构：精简指令系统 • 哈佛结构：数据、指令32位双总线(指令和数据总线) • 3级流水线 • 32个通用寄存器：R0~R31 • 特殊寄存器：PC(程序计数器),处理器状态寄存器(MSR) • ALU,Shift,两级中断响应单元，3/5级流水线，桶形Shift • 内存管理/内存保护单元,浮点单元(FPU)，高速缓存，异常调试和调试逻辑 • 目前版本MicroBlaze V7.0
常用IP核及设备驱动
• • • • • • • 嵌入在EDK环境中的外设 I/O设备中断控制器设备定时器外部存储器控制器以太网串口
常用IP核及设备驱动
• • • • • • • 嵌入在EDK环境中的外设 I/O设备中断控制器设备定时器外部存储器控制器以太网串口
GPIO实现(硬件结构)
• IP目录：列出了EDK IPCore和用户定义IP Core，可以添加到系统中
应用页面
• Set Compiler Options:设置编译器属性 • Mark to Initialize BRAMs：将软件打包到初始化RAM中 • Build Project：编译，生成.elf可执行文件 • Make project Inactive：从初始化模块中剔除 • Generate Linker Script:自动生成链接脚本