基于FPGA的可重构数控系统
一种基于FPGA的可重构计算系统设计
一种基于FPGA的可重构计算系统设计引言：近年来，随着计算机科学和技术的快速发展，人们对于计算系统的需求也日益增加。
可重构计算系统作为一种特殊的计算机体系结构，能够在运行时改变其功能和结构，以适应不同的应用需求。
其中，基于FPGA的可重构计算系统凭借其高度灵活、高性能的特点成为研究的热点之一一、可重构计算系统基本概念可重构计算系统是一种结合了硬件和软件的计算机体系结构。
它有两个关键的特点：一是硬件架构的可变性，即可以在运行时对硬件进行重新配置从而改变其功能和结构；二是能够根据任务进行定制化配置，即针对特定应用场景进行定制设计。
二、FPGA的基本原理FPGA（Field Programmable Gate Array）是可编程门阵列的简称，是一种可重构的数字集成电路。
FPGA由大量的逻辑块、存储器单元和互连通道组成，用户可以通过在FPGA上编程，将逻辑门和互连通道配置成各种不同的电路，从而实现不同的功能。
1.硬件层面设计：在基于FPGA的可重构计算系统中，需要考虑以下硬件设计方面：（1）逻辑单元设计：根据具体应用需求，设计逻辑单元以实现特定的逻辑功能。
（2）互连通道设计：根据逻辑单元之间的通信需求，设计合适的互连通道，以保证高效的数据传输。
（3）存储器设计：设计合适的存储器单元，用于存储中间结果或者配置信息。
（4）时钟设计：设计合适的时钟分配方案，以保证系统的稳定性和性能。
2.软件层面设计：在基于FPGA的可重构计算系统中，需要考虑以下软件设计方面：（1）编程模型设计：设计适合系统特点的编程模型，以便用户能够根据需求进行编程。
（2）编译器设计：设计针对该系统的特定编译器，将高级语言代码转换为硬件描述语言。
（3）运行时支持设计：设计系统运行时的支持环境，例如任务调度、内存管理等。
3.性能优化：在设计基于FPGA的可重构计算系统时，需要考虑性能优化的问题，例如：（1）并行计算：利用FPGA的并行计算能力，设计合适的并行算法和任务划分方案，提高系统的计算性能。
基于Virtex-II Pro系列FPGA的动态部分可重构系统设计与实现
基于Virtex-II Pro系列FPGA的动态部分可重构系统设计与实现赵远宁，吴强，邹祎湖南大学计算机与通信学院，长沙（410082）E-mail：zhaoyuanning@摘要：Xilinx Virtex-II Pro系列FPGA具有支持局部重构的特点。
在XC2VP30平台上利用FPGA局部重构技术实现了动态可重构系统。
在平台内嵌的PowerPC处理器控制下，通过内部配置访问通道（ICAP）对OPB总线上的IP模块进行动态重构。
采用了slice总线宏实现重构模块与静态模块之间的通讯。
系统实现了硬件资源的分时复用，有效的提高系统资源利用率。
关键词：Virtex-II Pro；动态可重构；OPB总线；IP模块；slice总线宏中图法分类号：TP391.71 引言可重构计算技术是当前热门的研究领域，它是指数字系统制造完成以后, 其硬件结构可以根据需要重新配置的技术, 包括全部重构和部分重构两种设计技术[1]。
其中，部分重构能够改变系统部分功能的同时不影响系统其余部分的工作。
部分重构根据在配置过程中是否需要中断程序的运行又分为静态重构和动态重构。
比较而言，动态部分重构是在程序运行过程中进行，能实时改变硬件的配置, 以使系统在不同时刻能够完成不同的功能，具有节约硬件资源和增强系统灵活性的优点。
目前，最适合进行可重构技术设计的平台是基于SRAM 的FPGA。
SRAM型FPGA具有可以反复多次编程的优点。
只需在系统上电时,给FPGA 加载不同的配置数据,可以完成不同的硬件功能。
Xilinx Virtex-II Pro系列FPGA正是基于SRAM的。
Virtex-II Pro系列FPGA是基于查找表的，内部包括可编程逻辑块(CLB、IOB)，SRAM，乘法器模块，时钟管理模块(DCM)，用于实现动态重构的是一个ICAP接口，在嵌入式的微处理器控制下，从PC或者片上存储器中读取配置数据写入该ICAP接口即可完成芯片的动态重构[2]。
基于DSP和FPGA的数控系统研究与开发
南京航空航天大学硕士学位论文基于DSP和FPGA的数控系统研究与开发姓名：魏立军申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：游有鹏20080601南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着数控系统的通用化和小型化，以数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）为核心的数控系统正成为当前数控系统的重要发展方向。
一方面，以DSP作为数控系统的核心处理器，能够发挥其高速运算和编程灵活的特长，便于实现复杂的实时运动控制算法，提高系统的控制性能；另一方面，采用FPGA将大量的逻辑控制功能和外围接口电路集成在其中，可有效减小系统体积，提高数控系统的可靠性和稳定性。
本文在对不同硬件平台数控系统进行比较研究的基础上，设计开发了一款以DSP和FPGA为主控单元的四轴闭环数控系统平台。
首先，在需求分析的基础上规划设计了数控系统硬件方案，对DSP和FPGA 外围电路、数字脉冲输出电路、模拟量输出电路、编码器信号采集电路、通用I/O接口电路等实现方法进行了详细讨论，完成了系统硬件的设计制作。
为提高数控系统的硬件集成度和可靠性，通过对FPGA的编程设计，在FPGA中实现了具有S形加减速的高速平稳运动控制、硬件精插补器、主轴转速控制DAC接口、编码器信号处理电路、手脉信号处理电路、数字I/O信号处理电路和双端口RAM等功能模块，并通过了调试、测试。
最后，基于上述硬件平台，采用模块化程序设计方法和C语言编程完成了数控系统的部分软件设计，包括DSP端的运动控制模块测试程序和人机界面单片机控制软件，并完成系统主要功能的硬软件联调。
关键词：数控系统，FPGA，DSP，加减速控制，人机界面ABSTRACTRecently, with the development of micro-electronics, CNC is developing towards generalization and miniaturization. Now, CNC based on DSP and FPGA are becoming popular, which can combine the strongpoints of both DSP and FPGA. On one hand, as kernel controller of CNC, DSP with its high speed operation and flexible programmable ability is convenient for carrying out complicated real-time algorithm. On the other hand, a lot of control logic and components of peripheral circuit can be integrated within FPGA, which can result in the volume minishment of the system and the enhancement of the system’s reliability and stability.After comparing some different hardware architecture of CNC, a four-axis closed loop CNC based on DSP and FPGA was developed in the thesis.Firstly, the hardware structure of the CNC is given based on the analysis of requirements. The hardware design is discussed in detail, such as the peripheral circuits of the DSP and FPGA, the digital pulse output circuits, the analog output circuits, the encoder input circuits and the interface circuits of general purpose I/O.In order to enhance the integration and the reliability of CNC, by programming to FPGA, many function units are designed and implemented within a FPGA, including S curve acceleration/deceleration control, DDA fine interpolation circuits, DAC interface circuits, encoder signal processing circuits, manual pulse generator signal processing circuits, digital I/O signal processing circuits and dual port RAM. These function units all pass test and debug.Finally, based on mentioned hardware, some of software of CNC, including test programme of DSP and HMI software of MCU, was developed with modularization method and C language. Associated test of hardware and software of CNC was accomplished at last.Key Words: CNC, FPGA, DSP, Acceleration/Deceleration control, HMI图表清单图2.1 系统硬件结构图 (11)图3.1 TPS767D318电路连接图 (14)图3.2 TPS3823上电时序图 (15)图3.3 DSP与外设通信示意图 (16)图3.4 SPX1117-1.5电路图 (16)图3.5锁相环电源设计电路图 (17)图3.6 JTAG及AS联合配置电路图 (18)图3.7 串口通信电路图 (18)图3.8 数字脉冲输出电路原理图 (19)图3.9 差分脉冲指令输出格式图 (19)图3.10 DAC8531串行写操作时序图 (20)图3.11 模拟量输出电路原理图 (20)图3.12 主轴模拟量产生电路原理图 (21)图3.13 编码器接口电路原理图 (22)图3.14 开关量输入接口电路图 (23)图3.15 开关量输出接口电路图 (23)图4.1 前加减速示意图 (25)图4.2 后加减速示意图 (26)图4.3 梯形加减速速度曲线 (27)图4.4 梯形加减速加速度曲线 (27)图4.5 七阶段S曲线加减速过程 (28)图4.6 五阶段S曲线加减速过程 (29)图4.7 四段非完整S曲线加减速过程 (29)图4.8 硬件插补器实现原理图 (31)图5.1 Q UARTUS II软件的工程顶层文件图形用户界面 (34)图5.2 FPGA基本设计流程图 (35)图5.3 精插补时序发生电路原理图 (36)承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
毕业论文-基于ARM和FPGA的数控系统的硬件设计(new)
目录第一章绪论51.1引言51.2研究背景及国内外发展现状61.2.1研究背景61.2.2国外发展状况71.2.3国内研究现状81.3本论文课题来源和研究内容81.3.1课题来源81.3.2研究内容81.4论文结构安排9第二章体系结构设计9 2.1 数控系统体系结构92.2 技术要求102.2.1 主要性能指标102.2.2 系统输入输出接口要求122.2.3 精度指标132.2.4 其他要求132.3 总体结构分析142.4 软硬件功能划分162.4.1 软硬件功能划分的原则162.4.2 软硬件功能划分的具体实现172.5 硬件系统划分182.6 板级功能划分202.6.1 CPU子系统202.6.2 FPGA子系统202.6.3 DA转换子系统212.6.4 信号隔离与转换子系统212.6.4 电源子系统222.7 芯片级功能划分222.7.1 总线接口模块222.7.2 复位控制模块222.7.3 中断控制模块232.7.4 定时器模块232.7.5 键盘扫描模块232.7.6编码器计数器模块232.7.7驱动器控制模块232.7. 8 IO控制模块24第三章板级硬件设计24 3.1 板级设计的原则243.1.1 模块化设计243.1.2 尽量基于成熟的设计243.1.3 可重构原则243.1.4 兼容性原则253.2 性能分析与初步设计253.2.1 CPU计算能力253.2.2 实时性263.2.3 存储能力273.2.4 FPGA的选择和IO扩展能力273.2.5 实现方案283.3 CPU子系统283.3.1 ARM子系统283.3.2 存储器子系统303.3.3 通信接口303.4 LCD接口303.5 FPGA子系统313.5.1 配置电路和下载接口313.5.2 并行接口323.6 DA转换子系统323.6.1 隔离323.6.2 转换323.6.3 放大333.7 信号隔离与转换子系统333.8 电源子系统35第四章芯片级硬件设计35 4.1 FPGA介绍354.2 FPGA的开发364.2.1 HDL语言364.2.2 开发流程与EDA软件374.3 ACEX系列FPGA374.4 功能实现394.4.1总线接口模块394.4.2 复位控制模块394.4.3 中断控制模块404.4.4 定时器模块424.4.5 键盘扫描模块434.4.6 计数器模块444.4.7驱动器控制模块464.4.8 IO控制模块464.5 HDL编写注意事项474.5.1 HDL的可综合性474.5.2 硬件思想474.5.3 良好的编码风格484.6 设计要点494.6.1 同步设计和异步设计494.6.2 与异步器件的接口问题494.6.3 面积与速度49第五章软件接口设计505.1 uC/OS-II实时操作系统505.2 引导结构515.3 硬件检测系统525.4 数控系统程序接口535.4.1 FPGA接口535.4.2 电机运动控制55第六章硬件系统调试556.1 CPU子系统556.2.1 ARM的基本调试接口JTAG556.2.2 程序的下载与NOR FLASH的烧写566.2.3 ARM系统的调试步骤576.2 LCD接口586.3 FPGA子系统586.3.1 基本电路586.3.2 驱动器控制模块596.4 DA转换子系统59第七章软硬件联调和机床加工试验59 7.1 IO控制试验597.2 DA输出试验607.3 编码器读取试验607.4 电机控制试验607.4.1 位置精度试验607.4.2 转速平稳性试验607.4.3最大速度试验607.5 加工轨迹图画图试验617.6 实际工件加工试验617.7 系统长时间连续运行试验61结束语61参考文献62攻读硕士期间论文发表情况62攻读硕士期间科研与获奖情况63致谢63第一章绪论1.1引言近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。
基于FPGA的数控系统位置控制模块实现技术
，
（ ． ｃｏｌ ｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｃ ａ ｇｈ ｕＵ ｉ ｒ ｔ， ｈ ｎ ｚｏ ｉ ｇｕ２ ３ １ ， ｈｎ ； ．ｉ ｇ １ Ｓｈ ｏ ｏ ｈ ｎ ａ ｅｇｎｅｉ ， ｈｎ ｚｏ ｎｖ ｓ ｙ Ｃ ａ ｇｈ ｕＪ ｎ ｓ １０ ６ Ｃ ｉａ ２ Ｊ ｎ — Ｍｅ ｃ ｎ ｅｉ ａ ａ Ｓ ｅｃ ｅｓＵ ｉ ｒ ｔ ｏ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｃ ａ ｇｈ ｕＪ ｎ ｓ ０ ， ｈｎ ） ＵＴ ａｈ ｒ ｎｖ ｓｙ ｆ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈ ｎ ｚｏ ｉ ｇｕ２ ０ Ｃ ｉａ ｅ ｉ ｏ ａ １ １ ３
用 纯硬 件 实现 ， 成 位 块 包 含 细 分 技 术 模 块 、 相 模 生 完 鉴
块、 计数 器模 块 、 比较 器模 块 等 ６个子模 块 ， 经过 仿真 ， 验证 了设 计 的正确 性 ， 数 器模 块 中的 圈计 数 计
Ｉ ｐｌｍ ｅ ａ ｉ ｎ Ｔｅ ｈｎ ｏ ｆＰｏ ｉｉ ｎ Ｃｏ ｒ ｌＭ ｏｄ ｅ ｉ ｍ ｅ ｎｔ ｔｏ ｃ ｏｌｇｙ ｏ ｓｔｏ ｎｔ ｏ ｕｌ ｎ
Ｎｕｍ ｅ ｉａｌＣｏ ｒ ｓｅ ｓ ｄ ｏ ｒｃ ｎｔｏｌＳｙ ｔ ｍ Ｂａ ｅ ｎ ＦＰＧＡ
Ｘｉ ． ａ ， Ｚ ｉ ｎ ｒ ｉ ， ＺＨ Ｕ ｎｇ ｈｕ 。 Ｗ ＡＮＧ ｕ．ａ ，ＸＵ ｉｙ ｎ ＵＯ Ｊａ ． ｎ 。 ａ Ｍ １ｎ Ｋａ ．ｕ
文章 编 号 ：０ １～ ２ ５ ２ １ ） １ ０ ５ ０ １０ ２ ６ （０ １ １ — ０ ５— ４
基于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的数控 系统位置控制模 块实现技术 木
左健 民 ， 兴 华 ， 一朱 汪木 兰轴， 开 芸。 徐
（． １ 常州 大学 机械 工 程 学 院 ， 江苏 常州 ２ ３ １ ； ． 苏 技术 师 范 学院 ， 苏 常 州 ２ ３ ０ ； ． １０ ６ ２ 江 江 １０ １ ３ 南 京工 程 学院 ａ 先进 数 控技术 江 苏省 高校 重点建 设 实验 室 ； ． ． ｂ 自动化 学院 ， 南京 ２ １ ６ ） １ １ ７
一种基于FPGA的可重构计算系统设计
用专用特定的集成电路．以完全硬件的方式来实现计算任务。 这种方法的主要特点是为特定计算任务专门设计．充分挖掘问 题本身的并行性，利用大规模并行电路进行计算。可得到很高 的运算速度及效率．但这种方法的最大缺陷是它几乎没有任何 灵活性。或者说是不可编程的，任务稍有变化就必须修改电路。 其二是通用微处理器方法．选择处理器的指令依某种算法构成 一个新的指令序列．就成了完成特定计算任务的软件。通过修 改软件便可达到改变系统功能的目的．而硬件无需做任何改 动．这种方法灵活性强，或者说是可编程的，然而这种可编程性 是以牺牲系统的性能和速度为代价换来的。可重构计算
复位状态：配置状态 圈２
二二甄西’‘二＞Ｉ＜画垂巫亟
’初始化状态：工作状态
…二ｒ—一
ＰＳ配置时序圈
ＰＳ配置过程为：ｎＣＯＮＦＩＧ信号首先产生一个最少４０ｐ，ｓ的 低脉冲．ｎＳＴＡＴＵＳ、ＣＯＮＦ ＤＯＮＥ信号被拉低，ＦＰＧＡ进入复位 状态：ｎＣＯＮＦＩＧ变高后。ｎＳＴＡＴＵＳ随后变高，ＦＰＧＡ进入配置状
ｎＣＯＮＦＩＧ低脉 冲延迟４０ｐ，ｓ ＣＯＮＦ－ＤＯＮＥ＝０
＆ｎｓｌＡＴＵＳ＝Ｉ
依次读兀ＦＯ 并串变换 低位在前 ＤＡＴＡ数据有效 开始配置Ｈ，ＧＡ
ＣＯＮＦ ＤＯＮＥ＝０
＆ＲＤ＿ＥＭＰｒＹ＝ｏ ＤＣＬＫ有效 延迟４０ｕｓ
＆ｎＳＴＡＴＵＳ＝Ｉ
ＲＤＪＭＰｒＹ＝０
＆ＲＤ＿ＥＭＰＴＹ＝Ｉ
ｊ
ＤＣＵ（停止 配置暂停
ｓｔｏｒｅ
ｃｏｎｃｅｐｔ
ａｒｅ
ｏｆ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ
ｏｎ
ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ＦＰＧＡ
ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ
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ＦＰＧＡ
ｄｅｖｉｃｅｓ
ｗｈｉｃｈ
ｕｓｅ
FPGA的可重构测控系统应用设计
F PG A的可重构测控系统应用设计3■泰山学院 王春玲 刘磊 摘 要可重构器件技术的发展和测控系统结构模式的通用化是实现可重构测控系统的前提。
通过对常规计算机测控系统存在的问题、结构模式和多任务特征以及可重构器件技术发展的分析,提出基于FPGA器件设计可重构测控系统平台的设想,对可重构测控系统设计原则、硬件结构单元设计和软件重构方法进行了分析,并给出应用于雷达信号实时侦测的基于CPCI总线的可重构测控系统硬件设计的实例。
关键词可重构测控系统可重构器件可重构主控制器雷达信号侦测1可重构测控系统的提出测控系统一般是指基于计算机实现数据采集和控制的系统。
测控系统在工业现场控制、家庭数字化管理、通信和网络等方面应用广泛,并不断向低成本、高速、高性能、智能化、开放化方向迈进。
但现代测控系统在设计和应用中仍然面临不少的难题:①设计速度难以适应产品更新换代的快速变化。
一般测控系统的设计都是针对某个特定的任务,从设计到投入使用的周期至少1～2年,甚至长达4～5年。
因此,在设计阶段堪称先进的方案往往在投入使用伊始就已落后了。
②设计方案功能固定,通用性差,难以满足不同层次、不断变化的用户需求。
测控系统设计针对具体用户,配置各异,通用性较差。
如何满足不同用户、不同层次的需要,尤其是多任务用户需要是一大难题。
③虚拟仪器技术的应用使得软件重构成为可能,但是达到还难以达到硬件重构和“即插即用”的效果。
因此,研究一种软硬件可重构、开放化、普适性的测控系统,对于实现测控系统的快速、开放式设计,降低用户使用成本具有很高的应用价值。
本文基于现代测控系统的通用化结构特征和可重构的现场可编程门阵列FPGA技术的发展,提出一种可重构测控系统(Reconfigurable Mo2 nito ring System,RMS)的设计构想,并给出其应用实例。
1.1 测控系统的结构模式和多任务特征随着计算机软硬件技术和测控技术的不断深入融合,现代测控系统在结构上呈现出通用化特征,即“系统前端3泰山学院科研立项重点项目(项目编号622)。
一种基于FPGA的可重构计算系统设计
ｌ 引 言
计 算 目标 的 实 现 主 要 有 两 种方 式 ： 其一 是 Ａ Ｉ ＳＣ方法 ， 使 即 用 专用 特 定 的集 成 电 路 ．以 完 全 硬件 的方 式 来 实 现 计 算 任 务 。 这 种方 法 的 主要 特 点 是 为 特 定 计 算 任务 专 门设 计 ． 分 挖 掘 问 充 题 本 身 的并 行 性 ． 用 大 规 模 并 行 电路 进 行 计 算 ． 得 到 很 高 利 可 的 运 算 速 度 及效 率 ． 这 种方 法 的最 大 缺 陷 是 它 几 乎 没 有 任 何 但 灵 活 性 ． 者 说 是 不 可 编 程 的 ． 务 稍 有 变 化就 必 须 修 改 电路 。 或 任
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吴冬 冬 ２ 杨 晓君 １ 刘新 春 江先 阳 － －
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可重构数控系统关键技术研究的开题报告
可重构数控系统关键技术研究的开题报告一、选题背景随着数控技术的快速发展和应用，数控设备在现代制造业中的地位越来越重要。
相对于传统数控系统，可重构数控系统具有更高的灵活性和性能优越性。
因此，可重构数控系统的研究成为了数控领域的一个重要研究方向。
可重构数控系统是指采用可重构硬件为基础，通过具有高度灵活性的硬件结构和软件技术，实现对数控系统的功能重构。
可重构数控系统的核心是FPGA芯片，可以通过编程实现功能的快速改变和升级，从而适应各种不同的生产需求。
与传统的定制化数控系统相比，可重构数控系统具有更高的灵活性和可扩展性，可以为不同的生产任务提供一种通用的解决方案。
二、研究内容1. 可重构芯片技术研究可重构芯片是可重构数控系统的核心，具有完全自定义的硬件实现功能。
本研究将对可重构芯片的体系结构和设计方法进行深入研究。
2. 可重构数控系统软件设计针对目前市场上常见的数控软件，本研究将基于可重构芯片设计出一套功能更为强大、灵活的软件。
同时，将研究数控系统中其他相关软件组件的设计和实现方法。
3. 可重构数控系统集成与测试研究集成可重构芯片、数控软件和其他相关组件的方法和流程，同时进行系统测试和优化。
三、研究目的及意义1. 探索可重构数控系统的核心技术，为替代传统数控系统提供更加先进的技术支持。
2. 研发出更加灵活、高效的可重构数控系统，为企业提供更有竞争力的生产解决方案。
3. 推动可重构硬件在数控领域的应用，为硬件设计和实现提供新的思路。
4. 增强研究生的系统设计和理论研究能力，在实践中提高综合素质。
四、研究方法与技术路线1. 系统性分析和研究可重构芯片和相关技术。
2. 研究并实现可重构数控系统所需核心组件，包括可重构芯片、数控软件和相关组件等。
3. 进行系统集成和测试，并在实际生产环境中验证可重构数控系统的性能。
五、预期成果1. 设计并实现出一个功能更加强大、灵活的可重构数控系统。
2. 探索可重构数控系统相关技术的研究思路和方法，为相关领域的研究提供新的理论和实践支持。
基于FPGA的嵌入式数控系统
Shift clock Write latch Data input Reset
cnt4 wen regin[10:0] rst
t_flag
Send flag
txd
Serial output
图 5 信号接口
动丝杆的螺距，一个脉冲驱动伺服电机走的转角和 伺服电机驱动器的细分度等参数来换算得到。起跳 频率 f0、加速度 a、设定加工速度即最大速度 Vmax 都可由键盘或 PC 机控制设定，并且通过起跳频率 f0 我们可以得到初始速度： V0=δ×f0。 使用的FPGA的时钟晶振为40MHz,那么每个时 钟周期为 25ns, 为了运算方便我们以 100ns 为一个 极小的时间段Δt, 即4 个时钟周期为一个最小单位 时间。由于PC机能对初定数据进行前期预处理, 通 过串口传输，FPGA可以得到加速度a、初速度V0、 加工速度Vmax，同时还能得到一条完整长度的由所 有小直线构成的曲线S的脉冲数Ps、其中每条小段 直线x、y、z三轴方向的脉冲数Px、Py、Pz及每条直 线的矢量长度l所对应的脉冲数Pl。 根据上述的基本 参数,在加速段得到如下递推关系式：
伺服电机位置和速度检测模块、电机驱动控制模块 等。 键盘/显示模块的作用是设定加工参数和显示雕 刻图形； 串行接收数据解包模块将 G 代码进行解码， 为执行部件动作做准备；可编程脉冲信号发生器模 块、电机驱动控制模块以及伺服电机位置和速度检 测模块相互协调控制机械轴进行精确的定位、 刻图； EEPROM 模块用来存储 FPGA 的配置数据。
1 可重构数控系统架构
FPGA 是基于查找表结构的，FPGA 最大的特 点就是它的内部逻辑的在线可重构性。上电时， FPGA 芯片将非易失性存储器中数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。掉电 后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此， 基于查找表结构的 FPGA 是易失性的，在系统上电 后需要对 FPGA 进行重新配置，这些配置数据决定 了其内部的互连关系和逻辑功能，改变这些数据， 也就改变了器件的逻辑功能。配置信息通常存放在 EPROM、EEPROM 或 FLASH ROM 等非易失存储 器内， 以便使系统在上电时下载到内部 SRAM 单元 中,从而实现在线可重配置[3]。 本系统结合数控雕刻机进行设计，其结构采用 ARM 嵌入式处理器为核心，以 FPGA 电路作为控 制接口，可以通过串口和 PC 机连接。系统粗插补 后，进行精插补运算、补偿运算，并向各轴发出对 应的脉冲以驱动各电机实现平滑加工。三维数控硬 件系统结构如图 1 所示。 数控雕刻机系统采用模块化的设计原则，将各 个功能模块的设计分为以下几个部分： 键盘/显示模 块、串行接收数据解包模块、串行发送数据打包模 块、可编程脉冲信号发生器模块、中断控制模块、
基于FPGA的可重构计算技术及其应用
基于FPGA的可重构计算技术及其应用/邮件群发可重构计算技术概述随着20世纪80年代中期Xilinx公司推出其第一款现场可编程门阵列(FPGA)以来,另一种实现手段——可重构计算技术逐渐受到人们的重视,因为它能够提供硬件功能的效率和软件的可编程性,随着可编程器件容量根据摩尔定律的不断增大和自动设计技术的发展,可重构技术正迅速地成熟起来。
可重构概念最早由美国加利福尼亚大学的 Gerald Estrin在2O世纪60年代末提出．由于当时实现技术尚不完善，Estrin研制的可重构系统只是理论设计的粗略近似．直到1975年，Merlin和Back将重构技术应用于配电网，才得以与实际系统相结合，并显示出其对系统性能的优化和维护上的优势．此后，越来越多的研究者对重构技术进行了不断探索，得出了很多宝贵结论，并将该技术推广应用于很多领域．进入20世纪90年代，随着微电子技术的发展，特别是可编程逻辑器件(PLD)的出现，以及电子设计自动化(EDA)技术的发展，基于具有可重构能力的芯片FPGA的硬件可重构研究就成为新的研究热点。
可重构处理技术是一种全新的信息处理方法，对提高电子信息系统的实时处理能力、自适应能力、可靠性、降低硬件系统的规模和功耗具有重大的理论和实际意义。
可重构技术按照其实现原理可分为静态重构和动态重构两种．如果重构必须在中断程序的情况下运行，称其为静态重构；如果重构过程可与程序执行同时进行，则称其为动态重构．在实际应用中，静态重构常与动态重构一起混合使用：静态重构产生一个系统运行的初始配置和方案；在系统运行过程中，动态重构根据系统的对象的运行状况和环境的变化产生一个优化的配置或方案。
可重构技术的应用随着可重构计算技术逐渐成为研究热点，它也从一开始仅在军事、航天领域应用逐渐扩展到民用汽车电子领域的应用。
澳大利亚科学卫星FedSat号（2002年12月发射升空）率先将可重构计算技术运用于航天领域。
这颗卫星中采用的可重构器件（Xilinx公司的FPGA）是卫星高性能计算有效负载的关键器件。
基于MC68K和FPGA的嵌入式可重构数控系统的研究
（ ． ｃ ｏ ｌｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｉ ｅ ｉ ， ｉｎｉ Ｕ ｉ ｒｉ ， ｉｎｉ ３ ０ ７ ， ｉａ １ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｈ ｎｃ ｇｎ ｒ ｇ Ｔａ ｊ ｎ ｅｓｙ Ｔａ ｊ ０ ０ ２ Ｃｈｎ ； Ｍｅ ａＥ ｅ ｎ ｎ ｖ ｔ ｎ
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型 数控 系统 ，具 有性 价 比高 ，可升 级性 和可扩 展性
好 的突 出优 点 。
１ 嵌入式可重构数控 系统硬件结构设
计
１１ 主控芯 片 ＭＣ ８ ３ ５的优 良性 能 ． ６Ｆ７
主 控芯 片 ＭＣ ８ ３ ５ ６ Ｆ ７ ，是 ＭＯ Ｏ ＯＬ Ｔ Ｒ Ａ公 司开 发 的 ６ Ｋ系列 ３ ８ ２位 嵌 入 式微 处 理 器 中最 先 进 的 ＭＣ 其具 有强 大的控 制功 能 ， 作频 率为 ３ ＭＨｚ Ｕ， 工 ３ ， 片 上 各 功 能 高 度 集 成 ，分 为 ＴＰＵ ３， ２， ＣＰＵ ３ ＱＡ ６ ， ｏ Ｃ Ｎ， ＭＣ 等 几大模 块 ， 图 ｌ ＤＣ ４ Ｔ ｕ Ａ ＱＳ Ｍ 如
一种基于FPGA的可重构计算系统设计
１引言计算目标的实现主要有两种方式：其一是ＡＳＩＣ方法，即使用专用特定的集成电路，以完全硬件的方式来实现计算任务。
这种方法的主要特点是为特定计算任务专门设计，充分挖掘问题本身的并行性，利用大规模并行电路进行计算，可得到很高的运算速度及效率，但这种方法的最大缺陷是它几乎没有任何灵活性，或者说是不可编程的，任务稍有变化就必须修改电路。
其二是通用微处理器方法，选择处理器的指令依某种算法构成一个新的指令序列，就成了完成特定计算任务的软件。
通过修改软件便可达到改变系统功能的目的，而硬件无需做任何改动，这种方法灵活性强，或者说是可编程的，然而这种可编程性是以牺牲系统的性能和速度为代价换来的。
可重构计算（ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ）恰好补充了两者的缺陷，它利用硬件电路进行计算，具有极高的系统性能，同时它还具有可编程性，可以根据应用或中间结果的需要动态配置电路的实现形式，不同的应用在同一可重构计算硬件平台上都能获得非常高的计算加速比［１］。
可重构计算系统的关键特征是通过硬件完成计算从而提高性能，并保留软件手段的灵活性［３］。
应用软件的性能需求不断超越计算平台的能力极限，为适应性能需求芯片需要集成各种功能模块，不断复杂化的体系结构导致芯片的晶体管数目不断增加，但是性能的提升速度低于复杂度和集成度的提升速度。
可重构的体系结构能够根据不同的计算应用调整自身的硬件资源，可重构计算为如何更有效利用芯片逻辑资源提供了新的发展方向［４］。
对于数字信号处理、图像处理、模式识别、密码学、生物信息处理等计算密集型应用，可重构计算技术可以发挥巨大的优势。
基于ＳＲＡＭ工艺的ＦＰＧＡ具有易失性的特点，每次重新加电ＦＰＧＡ都要重配置。
这一特点一度被很多用户认为是个不利因素，但由此导致的ＦＰＧＡ器件的资源配置可改变特性刚好满足可重构体系结构的要求，这一特征成为ＦＰＧＡ在许多新领域获得广泛应用的关键，并成为了可重构计算系统发展的持续驱动力量［２］。
一种基于FPGA的可重构计算系统设计
一种基于FPGA的可重构计算系统设计引言：随着计算需求的不断增加，传统的通用计算机面临着越来越大的挑战。
而基于FPGA的可重构计算系统是一种灵活高效的解决方案，可以根据特定的应用需求进行硬件的定制化设计，以提高计算效率和性能。
本文将介绍一种基于FPGA的可重构计算系统的设计，主要包括系统架构、硬件设计和编程模型等方面的内容。
一、系统架构设计基于FPGA的可重构计算系统的系统架构主要包括三个核心组件：FPGA、计算单元和通信接口。
FPGA作为可编程逻辑设备，可以根据特定的应用需求通过重新配置实现硬件加速。
计算单元是一个独立的硬件处理单元，可以包含多个定制的计算核心，通过配置FPGA与FPGA进行通信。
通信接口用于连接计算单元与主机系统，可以通过PCIE、以太网等标准接口进行数据传输。
二、硬件设计基于FPGA的可重构计算系统的硬件设计主要包括：计算单元设计和通信接口设计。
计算单元的设计需要根据应用需求进行定制化设计。
可以根据不同的计算需求，设计包括加法器、乘法器、流水线、存储器等功能模块。
同时，考虑到计算单元的并行性，可以采用流水线并行、数据并行等不同的架构设计方法，以提高计算效率。
通信接口的设计需要与主机系统进行高效的数据传输。
可以使用高速接口如PCIE Gen3、以太网等进行数据传输。
在设计通信接口时需要考虑吞吐量、延迟和可靠性等因素，以满足不同应用场景的需求。
三、编程模型基于FPGA的可重构计算系统在编程模型上需要提供高层次的开发接口，以降低开发者的门槛。
可以采用类似于CUDA的编程模型，通过高级语言如C、C++进行开发，并提供相应的编译器和工具链进行编译和调试。
同时，还可以支持类似于OpenCL的编程模型，通过编写特定的内核函数进行开发。
编程模型的设计需要提供对硬件资源的抽象和对通信接口的支持，以使开发者能够方便地进行编程和调试。
结论：基于FPGA的可重构计算系统是一种灵活高效的计算加速方案。
基于新型FPGA的自可重构系统设计研究的开题报告
基于新型FPGA的自可重构系统设计研究的开题报告一、研究背景FPGA是一种重要的可编程逻辑器件，它可以根据设计者的需求动态地配置硬件资源，以实现各种不同的应用程序。
但由于FPGA的配置过程需要大量的时间和计算资源，以及FPGA性能的限制，使得FPGA在设计过程中存在一定的局限性。
而自可重构技术是在FPGA基础上进行优化，希望通过动态地重构硬件资源，以实现设计自动化、性能的提升和硬件资源的最优化利用，进一步拓展FPGA的应用领域。
二、研究内容本研究旨在设计一种基于新型FPGA的自可重构系统，主要包括以下几个方面的内容：1. 对现有自可重构技术进行研究和分析，探讨其优缺点并总结出设计要点。
2. 基于新型FPGA硬件资源，设计一种自可重构的硬件平台，以实现动态的硬件资源配置，并能够支持不同的应用场景。
3. 针对自可重构系统中的软件部分进行分析和设计，包括系统控制、算法实现、信号处理等方面，以实现系统的高效率和可靠性。
4. 设计实验验证平台，对自可重构系统进行功能测试和性能评估，验证系统的可行性和优越性。
三、研究意义本研究的主要意义在于：1. 推动自可重构技术的发展，促进FPGA在各种应用领域的广泛应用。
2. 设计出一种基于新型FPGA的自可重构系统，为相关应用提供更好的解决方案，提升系统的性能和可靠性。
3. 研究自可重构系统的软硬件设计，为类似系统的设计提供借鉴和参考。
四、研究方法本研究采用文献分析，理论探讨和实验分析相结合的方法。
具体地，通过对自可重构技术的相关文献进行分析和总结，对新型FPGA的硬件资源进行研究和设计，通过软件编程实现系统功能，最后通过实验验证和性能测试，对研究结果进行分析和验证。
五、研究进度目前研究进度如下：1. 完成对自可重构技术的文献分析和总结，并提出设计要点。
2. 完成对新型FPGA硬件资源的研究和设计，已完成硬件平台的搭建。
3. 设计自可重构系统的软件部分，正在进行软件实现。
基于FPGA的可重构计算架构研究
基于FPGA的可重构计算架构研究近年来，随着科技的不断发展和进步，信息技术已经成为人类社会中最重要的部分之一。
智能控制、图像处理、高性能计算等领域的数字信号处理应用需求日益增长，传统的计算机处理器已经不能满足这些需求。
可重构计算架构技术应运而生，成为了数字信号处理的重要技术手段之一。
基于FPGA的可重构计算架构就是其中比较常见的一种。
一、FPGA的基本概念FPGA（Field-Programmable Gate Array），中文翻译为现场可编程门阵列，是一种可编程逻辑器件。
与ASIC（Application Specific Integrated Circuit）专用芯片不同，FPGA是一种基于可编程单元的可重构结构。
FPGA可以根据用户的需要进行重新设计、重新配置，从而用于不同领域的数字信号处理应用。
二、FPGA的原理和结构FPGA是由可编程单元（Logic Cell）、输入/输出块（I/O Block、即输入输出端子）和可编程互连资源（Programmable Interconnect）构成的。
可编程单元是FPGA中最基本的逻辑单元，可以根据用户需求进行编程实现不同逻辑函数。
输入/输出块用于与外界电路进行连接，可编程互连资源则用于连接可编程单元和I/O Block，实现CPLD（Complex programmable logic device）的交叉互连功能。
三、FPGA的应用领域及优点FPGA具有灵活性高、性能优秀、功耗低等优点，被广泛应用于计算机、通信、数字信号处理等各个领域。
由于其可以根据用户需要进行重新编程，可以完成不同的应用任务，所以被认为是一种“可重构计算架构”。
在视频处理、音频处理、图像处理等领域中，FPGA的应用可以提供更高的性能和更低的功耗。
四、FPGA的可重构计算架构在FPGA的基础上，人们设计出了基于FPGA的可重构计算架构，使其可以更灵活、高效地完成数字信号处理任务。
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用相 当广 泛 ， 利用 可重构逻 辑器件 Ｆ Ｇ 现场 可编程 Ｐ Ａ（
门阵列 ） 可 以实现 ＩＯ处理 ， 冲发生 、 ， ／ 脉 计数 、 学运 数
算等功 能 ， 应用在数 控 系统 上可 以大 大简 化接 口控 制 设计 引。本次设计 以 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ作 为系统控制 处理 芯片 ， 代替传统 的 ＭＣ 控制 板 ， Ｕ＋ 实现 数控 系统 的加 工 和监 测， 具有硬件普适 性 ， 并着 重介绍基 于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的经济 型
块、 发送数据 打包模 块 等。全 部 连接 在 内部数 据 总线
及 地址总线上 。将 不 同的功能模块 由 Ｆ Ｇ 的不 同进 ＰＡ
ห้องสมุดไป่ตู้
程实 现 ， 这样 既提高 了系统 的实时性 ， 又方便 了软件 的 编制 、 系统维护及重 构 引。
串口 ｌ Ｉ 下载线接 口 ｌ广１ 驱动器 ｘ Ｈ 电机
ｃ ｏｍ ｍ ｔＢｉ ａ ｉ ｎ ｌ ｃ ｔｏ ｉ
０ 引言
现 的功 能 ， Ｆ Ｇ 将 Ｐ Ａ片内逻辑设计 分为 以下功 能模块 ：
近几 年 ， 可重 构设计 方 法在 机 电一 体化产 品上应
键盘扫描模 块 、 计数 器模 块 、 中断控 制模 块 、 电机 位置 和速度检测模 块 、 电机 速度控制模 块 、 收数 据解包模 接
Ａ ｓ ａ ｔＭａ ｉ ｅｔＬ Ｐ Ａ ｂ ｎ ａ ｔｏ ｉ ｒ ｏｒ ｓ ｎ ｒｇａ ａｌ ｃａａｔ ｉｉ ｔｉ ａｔ ｌｐ ｔｏ ａｄａ ｂ ｔ ｃ ： ｋ ｇｂｓ Ｉｅｏ Ｆ Ｇ ａ ｕｄ ｎ ｌ ｃ ｅ ｕｃ ｄｐｏｒｍｍ ｂ ｈ ｒｃ ｒｔ ｓ ｒｃ ｕｆｒ ｒ ｒ ｎ Ｙ ｆ ， ｇ ｓ ｅａ ｅ ｅ ｓｃ ｈ ｉｅ ｗ ｈ ｎ ｗ ｒ ｄｓ ｎｍ ｔｏ ｅｎ ｇ ｒｂ Ｎ ｓ ｍ， ｓ ｅ ｓ ｈ ｎ ｏ ｃ ｔ ｅｉ ｈ ｍ Ｃ Ｃｓｓ ｍ ｍ ｉｌ ａ ｄ ａｅ ｅ ｇ ｅ ｄｏ ｒ ｏ ｕａｌ Ｃ Ｃｓ ｔ ａ ｗ ｌａ ｔｅ ｏ ｔ ｌ ｅ ｅ ｄｓ ｎｓ ｅ ｅ ａ Ｎ ｔ ａｎ ｉ ｈ ｆｅ ｆ ｉ ｅ ｙｅ ｌ ｃ ｒ ｎ ｒ ｇ ｃ ｆ ｏ ｙｅ ｙ
数控 系统 的电机 控制方法及 其与 Ｐ ｃ机 的串行通 信 。
１ 可重构数控 系统 总体 设计 该 系统设 计 结构 以 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ为控 制 核 心 ， 要 负责 主
ＥＰＯ ＥＲＭ
驱动 器 Ｙ Ｈ
电机
加减速插 补运算 、 补偿 运算 、 向各 轴发 出对应 的脉冲 以
驱动各 电机 平 滑运 行 加工 ， 通 过 串 口与 Ｐ 并 ｃ机 的通 信等 。三维数 控硬件 系统结构如 图 １ 所示 。
Ｋ ｙ ｗ ｒ ｓ ｎ ｍ ｒ ａ ｃｎｒｌ；ｒｃｎｉ ｒｂ ；Ｆｅ —ｒｇａ ｍａｌ Ｇ ｔ Ａ ｒｙ（ Ｐ Ａ） ｔ ｐ ｇ ｍ ｔ ；ｓｒ ｌ ｅ ｏｄ ： ｕ ｅｉ ｌ ｏｔ ｓ ｅｏ ｆ ｕａｌ ｃ ｏ ｇ ｅ ｉ ｄＰｏｒｍ ｂｅ ａ ｒ ｌ ｅ ａ ＦＧ ；ｓ ｐ ｉ ｏ ｒ ｅｉ ｅ ｎ ｏ ａ
关 键 词： 数控 系统 ； 可重 构 ； 场 可编 程 门阵 列 （ Ｐ Ａ） 步进 电机 ； 现 ＦＧ ； 串行 通信
中 图分 类 号 ：Ｐ ７ Ｔ２３
文献 标 志 码 ： Ａ
文 章编 号 ：０５２ ９ （０ １ ０ － ４ － １０ —８５ ２ １ ） １ ０ ００ ０ ３
Ｒｅ Ｏ ｆｇ ａ ｌ ｃ ｎ ｉ ｕｒ ｂ ｅ ＣＮＣ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｏ Ｓ ｓ ｅ Ｂａ ｅ ｎ ＦＰＧＡ
Ｚ ＨＵ ｏ ｆｎ Ｚ Ｇａ —ｅ ｇ， ＨＡＮＧ ｎ ｌｉ Ｙａ —ｅ
（ ｅａ ｍ ｎ ｆ ｈｓ ｓ ｎ ｆｒ ａｏ ｎｉ ｅ ｎ ， ｕ ａ ｓｔｔ ｏ ｕ ａｉｅ Ｓｉ ｃ ｎ ｅｈｏｏｙ Ｌｕｉ １０ １Ｃ ｉａ Ｄ ｐｒ ｅｔ ｙｉ ｄＩ ｏｍ ｔｎＥ ｇ ｅｒ ｇＨ ｎｎＩ ｔｕ Ｈ ｍ ｎｔ ｓ ｃ ｎｅａｄＴ ｃｎｌ ，ｏｄ ４ ７０ ，ｈｎ） ｔ ｏＰ ｃ ａ ｎ ｉ ｎ ｉ ｎｉ ｅｆ ｉ ｅ ｇ
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制核 心 的 数控 系统 设 计 方案 ， 点 分 析 了对 电机 的速 度 控 制 及 与 Ｐ 重 Ｃ机 的 串行 通 信 等 。 开发 了 以 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ为 控 制 核 心 的经
济型数控系统 。其响应速度快 ， 可重构性 强， 大大减少 了系统的外围接 口器件 ， 同时有效降低 了系统成本。 图４参 ９
第２ ９卷 第 １ 期 ２１ ０ １年 ２月
轻工 机 械 Ｌ ｇ ｔ ｎ ｕｔｙＭａ ｈ ｎ ｒ ｉｈ Ｉ ｄ ｓ ｒ ｃ ／ ｅｙ
Ｖ １２ ｏ １ ｏ． ９ Ｎ ． Ｆ ｂ ２ １ ｅ ．０ １
（ 湖南人文科技 学院 物理 与信息 工程 系，湖 南 娄底
摘
４７０ ） １０ １
要： 用 Ｆ Ｇ 利 Ｐ Ａ丰 富的 逻 辑 资 源及 其 内部 可 编程 的特 点 ， 提 出 了可 重 构 数 控 系统 硬 件 设 计 方 法 及 以 Ｆ Ｇ 为控 文章 ＰＡ