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VLSI

z半定制ASIC

z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：ASIC

ASSP

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/

Verification

Libraries/

IP

Compilation/

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 Tools

CPU

Logic Design Tools

I/O FPGA

Memory

Logic Design Tools

FPGA + Memory + IP +High Speed IO (4K & Virtex ™)

Embedded Software Tools

CPU

I n t e g r a t i o n o f F u n c t i o n s

Time

Logic Design Tools

Embedded Software Tools

Logic + Memory

+ IP + Processors + RocketIO (Virtex-II Pro ™)

Programmable Systems usher in a new era of system

design integration possibilities