基于FPGA的软硬件协同测试的设计与实现
基于FPGA的计算机系统接口实验平台的设计与研制
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实
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第 3 O卷
第 5期
2 0 1 3年 5月
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De s i g n a n d d e v e l o p me n t o f a c o mp u t e r i n t e r f a c e e x p e r i me n t a l p l a t f o r m b a w d o n a d v a n c e d F P GA
Ab s t r a c t :T h i s pa p e r de s c r i b e s t h e d e s i gn a n d de v e l op me nt of a c o m pu t e r i n t e r f a c e e x pe r i me nt al p l a t f o r m b as e d on t he r e c e nt FPG A. T he ne w t y pe of FPGA f e a t ur e s i n c r e a s e d l og i c de ns i t y, e mb e d de d hi gh — s pe e d t r a ns c e i ve r s,PCI e c o r e,a nd DSP p r o c e s s i n g pi e c e [ . I t s s of t wa r e t o ol s c a n s u ppo r t l ogi c d e s i gn,e m be d de d de v e l o pm e nt ,M a t l a b bi nd i n g, s i m ul a t i on, d e bu gg i ng, a nd C O — de s i gn of h a r dw a r e a n d s of t wa r e . The r e f o r e ,
软硬件联合仿真平台的设计
软硬件联合仿真平台的设计作者:奎伟来源:《电子世界》2012年第01期【摘要】在FPGA的设计过程中,调试与仿真工作需要耗费大量时间。
利用C语言相对Verilog语言在过程控制方面具有优势,采取系统C模型通过PLI接口给Verilog模型产生测试矢量,降低了设计仿真工作的复杂度。
但是由于当今的Verilog仿真器速度慢,难以满足大数据量和高实时性的仿真要求。
通过将设计中验证通过的Verilog模型在FPGA中实现并与PC 机通过通信接口实现数据交互,待验证的Verilog模型运行在Verilog仿真器上,构成软硬件协同仿真加速系统,克服了软件仿真慢的特点而实现实时仿真,从而极大的加快了设计的仿真速度。
【关键词】软硬件协同仿真;仿真加速;FPGAThe design of the simulation platform with software and hardwareKui Wei(College of information science and technology,Xiamen university,Xiamen,361005,China)Abstract:During FPGA design,it is very difficult to debugger and simulation for complex hardware circuit design.Because using C language in process control is more superior than Verilog language,the method that system C model generate test signals to Verilog model by PLI interface,will be carried out.It reduces the complexity of design and simulation.However,nowadays Verilog simulators are too slow to fit the requirement,which demands large system data and high real time simulation.So,if Verilog model runs in FPGA,and communicates with C model running on the PC,constituting the software and hardware co-simulation acceleration system.The system will overcome the tardiness of soft simulation and achieve real time simulation.Besides,it greatly speed up the simulation of system.Keywords:Co-simulation Software and Hardware;Simulation Speed-up Technology;FPGA1.前言在做FPGA设计时,软件仿真这个步骤是必不可少的。
FPGA设计验证中的软硬件协同仿真测试方法
FPGA设计验证中的软硬件协同仿真测试方法孙秀睿【摘要】在FPGA设计验证中通常采用软件仿真的手段验证功能的正确性,有时也会配合采用硬件仿真手段,但软件仿真和硬件仿真分别存在仿真过程耗时长和可监测性差的不足,难以很好地满足FPGA验证工作的需求.针对FPGA验证工作中软件仿真和硬件仿真的局限性,通过对软仿、硬仿及软硬协同3种仿真手段进行比较,提出软硬件协同仿真的基本原理及技术手段.在软硬件协同仿真平台上分别对桌基带FPGA软件和某采集控制FPGA软件进行实例验证,并与采用纯软件仿真的结果进行比较.结果表明:相对算法复杂度较高的某基带FPGA软件,纯软件仿真所耗时间为软硬件协同仿真的10倍;相对控制复杂度较高的某采集控制FPGA软件,纯软件仿真所耗时间为软硬件协同仿真的30倍.实验结果证明了该软硬件协同仿真技术的可行性和高效性.【期刊名称】《南通大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2016(015)003【总页数】5页(P41-44,66)【关键词】FPGA验证;软件;硬件;协同仿真;测试【作者】孙秀睿【作者单位】中国工程物理研究院计算机应用研究所,四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TN492为了满足速度、集成度和灵活性要求,FPGA已经成为信号处理系统、控制系统和其他数字系统不可或缺的核心单元.设计师采用硬件描述语言完成代码编写工作后,需要验证代码设计与需求的一致性和正确性,验证工作越充分,越能尽早地多暴露缺陷,避免造成问题的堆积及设计后期的被动弥补,有利于加快设计进度并提升设计的可靠性.在HDL仿真器中用纯软件仿真方式进行前仿真和后仿真是常用的验证手段[1].但随着设计需求的不断发展,使用的FPGA芯片规模正呈现指数式上升,日益流行的IP核的使用和嵌入式CPU的应用,导致功能性验证变得越来越复杂.当设计集成度突破百万门级之后,验证所需要花费的时间和难度远远超过设计本身,传统的纯软件验证手段已经远落后于设计发展的速度,采用纯软件仿真方法完成整个设计的全功能仿真耗时非常严重,而且经常导致内存溢出等不可恢复错误;硬件仿真手段对于中间信号的监测十分不便,故障定位难度大.如何采用新的验证思想和验证手段提高验证效率,减少验证复杂度,缩短验证时间,将成为验证工作关键的一环,本文在这一需求背景下提出了软硬件协同仿真技术.FPGA软硬件协同仿真验证技术基于FPGA芯片的硬件平台,通过把待验证的设计映射到这些可配置、可编程的硬件仿真平台上,测试激励则继续保留在软件仿真平台上,通过HDL仿真工具提供的外部编程语言接口(PLI/VPI)实现硬件仿真平台和软件仿真平台相互通信.工程师利用PLI/VPI接口创建自己的系统调用任务和系统函数,通过C语言编程对测试验证进行辅助仿真,完成整个FPGA设计的全面测试和验证[2].软件仿真、硬件仿真和软硬件协同仿真的结构比对如图1所示.图中,虚线左上侧为软件仿真模式,测试激励和被测件均运行在HDL仿真器中;虚线左下侧为硬件仿真模式,测试激励和被测件均运行在FPGA芯片中;虚线右侧为软硬件协同仿真模式,由于被测软件类型的多样性,大部分都不能原封不动地直接下载到仿真平台上运行,而是需要把被测件进行区分,分为可综合部分和不可综合部分.不可综合指硬核、原语等与器件紧密相关的部分,其余的则为可综合.被测件的可综合部分运行在硬件仿真平台上,测试激励和不可综合的部分代码运行在HDL仿真平台上,FPGA与HDL仿真器间的数据传输由仿真器提供的编程语言接口(PLI/VPI)来实现.PLI/VPI为verilog/vhdl代码调用C语言编写的函数提供了C语言动态链接程序与仿真器的接口[3].在协同仿真过程中,用户在verilog/vhdl语言编写的测试激励中调用这些接口函数,C函数将数据及其他信息传递给HDL仿真器,实现测试激励的下传及硬件仿真结果的上传,执行C函数可以像仿真verilog/vhdl代码一样进行仿真,达到verilog/vhdl语法不能实现的功能.2.1 软件仿真软件仿真是在进行可编程逻辑软件功能测试时,仿真引擎运行在服务器或PC机上,被测件的顶端被施加激励,在HDL仿真器中进行动态仿真,包括行为级仿真和时序仿真,并实时监测仿真结果[4-5].软件仿真的特点是调试方便,结果直观,但速度慢.对于规模较小的设计来说,这种验证方式不失为一种行之有效的技术手段,但当设计规模呈指数级增加,尤其是设计中存在大数据量复杂运算的情况下,传统的纯软件仿真验证手段立刻显示出其局限性.同时,在FPGA设计的验证工作中,需要不断的修改和完善测试激励以达到更高的测试覆盖率,这样的工作方式需要多次执行全模块级的功能仿真,而仿真效率低下的纯软件仿真环境已经远远不能满足验证工作需求.2.2 硬件仿真硬件仿真是将被测件及测试激励共同综合编译及布局布线,形成烧结文件后下载到硬件平台上;或是将测试激励预先存储在存储芯片中,被测件运行在FPGA芯片上[6-7].在硬件上电运行过程中,被测件自动读取测试激励产生的数据进行处理,得到处理结果后输出到测试端口上,再借助示波器或频谱分析仪等测试工具在测试端口上对输出结果进行监测和判读.硬件仿真的好处在于仿真速度快,无论设计的规模有多大,复杂度有多高,其运行时间相对于测试向量的运行时间基本是一样的.缺点是不能对过程进行监测,可见程度差,一旦出现错误,工程师进行故障定位难度大,即使在设计中插入嵌入式逻辑分析仪,受到测试深度与测试端口数量的限制,使用不便;且嵌入式逻辑分析仪会占用FPGA逻辑资源,并影响布局布线结果;此外,由于测试激励需要不断地修改和完善以达到更高的测试覆盖率,如果测试激励发生变化,需重新进行编译和烧写,不利于验证工作效率的提升.2.3 软硬件协同仿真软硬件协同仿真是将设计中可综合部分经综合和布局布线后下载到硬件仿真平台上运行,而将设计中不可综合的部分运行在HDL仿真器上,同时测试向量也运行在HDL仿真器上,FPGA与HDL仿真器间的信息交换由仿真器提供的硬件编程语言接口(PLI/VPI)来完成,实现测试激励的下传和硬件仿真结果的回读,最后将软硬件仿真后的结果进行拼接得到最终的仿真输出.软硬件协同仿真平台结构示意图如图2所示,其中软件平台为运行在主机上的HDL仿真器,硬件平台为基于FPGA芯片的通用原型验证板卡,主机与原型验证板通过通用总线连接,在通用总线控制器的控制下进行原型验证板卡与主机之间的通信.软硬件协同仿真吸取了软件仿真和硬件仿真的优点,既有软件仿真具备的易于故障定位的特点,又有硬件仿真具备的仿真速度快的优势,软硬件优势互补,为功能仿真提供了更好的技术手段.除了具备提高仿真效率的优势外,由于大量的数据运算都在硬件中完成,不需要使用HDL软件仿真器进行运算,所以协同仿真可以轻松处理来自外场试验和各种系统联试产生的大量试验数据.此外,复杂测试向量的产生可以跳出verilog/vhdl的测试激励的编写限制,而使用C/C++/SystemC等语言编写复杂测试向量[8],大大丰富了测试向量的生成能力和测试范围.而且,硬件平台具备丰富的硬件资源,这些资源可以在FPGA设计验证过程中避免使用复杂的HDL模型来模拟这些硬件,丰富了硬件仿真与测试的模型,从而更进一步简化了验证工作,提高了验证工作的效率.硬件仿真加速流程可以大致划分为预处理、封装、编译综合和仿真执行等4个步骤[9]:1)预处理可以在设计调试的集成开发环境中完成代码预处理,也可以在编辑器中完成.在这一步,对被测件进行分割,单独提取代码中需要放入HDL仿真器中运行的部分,与测试激励文件放在软件平台中,同时对被测代码进行相应地修改,确保原设计连接关系不变;2)封装在对被测件进行预处理后,将经过预处理后需要运行在硬件仿真平台上的模块进行封装,去掉I/O和管脚约束,将整个设计的顶层另封装一个外壳,所有的I/O信号都被收集到BUFG中,同时,插入PLI/VPI接口的通信模块,此通信模块用于HDL仿真器与FPGA之间的数据通信;3)编译综合将封装后的代码进行编译综合,得到烧结文件,下载配置到硬件平台的FPGA芯片上,此时,软硬件协同仿真所需要的通路建立完毕,软件仿真平台和硬件仿真平台状态均准备好;4)仿真执行在HDL仿真器中完成.在这一步中,测试激励通过数据传输总线和通信接口模块下载到下位机,硬件仿真的处理结果又经过这条通路回传到上位机的HDL仿真器,完成数据的交互.下面举例来说明预处理过程.假设FPGA设计的顶层文件dut_top包含2个模块,分别是U1和U2,顶层端口信号为a_in,b_in,c_in 3条输入及data_out 1条输出.如果不对被测件进行分割,则stimulus_module运行在HDL仿真器中,dut_top将作为整体被封装下载到硬件仿真平台上运行,此时代码示意如下:现在将U1模块单独提出,放入HDL仿真器中运行,则需对上面的代码进行修改:U1模块从dut_top模块中剥离出来,和stimulus_module运行在HDL仿真器中,dut_top经编译综合后下载到硬件仿真平台上,信号连接关系与预处理之前保持不变.采用软硬件协同仿真方法对某基带系统FPGA软件和某采集控制FPGA软件进行实测验证,同时采用纯软件仿真方法对这2个软件进行仿真.计时仿真时间,比较协同仿真方法和纯软件仿真的效率.在选择被测件时,除了考虑到设计规模的因素外,还充分考虑了算法为主和控制为主两种情况,其中基带系统FPGA软件设计为中等设计规模,但设计中存在大量复杂的数学运算;而采集控制FPGA软件以状态控制为主,只有少量的数学运算.实测结果如表1所示.从表1中可以看到,不论是算法复杂度较高的FPGA设计还是控制逻辑复杂度较高的FPGA设计,协同仿真的速度较纯软件仿真方法相比有不同程度的提高.不过该软硬件协同仿真方法需要注意:在进行代码预处理时,尽量减少从设计中剥离出的模块的数量.如果过多地将模块从设计中分割出来放入HDL仿真器运行,不仅增加了修改设计的工作量,而且会由于上下位机之间的信号连线过多,导致上下位机之间过于频繁地数据交互,反而会拖累协同仿真速度.采用软硬件协同仿真技术,降低了仿真复杂度,缩短了验证周期,验证效率大大提升.经实测,采用协同仿真验证技术与纯软件仿真手段相比,仿真速度提高数十倍;且与硬件仿真手段相比,协同仿真具备更好的可见性,能够实时对输出结果进行监测,有利于快速发现问题和故障定位,很好地满足了验证工作效率和准确性的要求.【相关文献】[1]孟宪元,钱伟康.FPGA嵌入式系统设计[M].北京:电子工业出版社,2007.[2]来晓岚.数字系统硬件/软件协同设计(Codesign)技术[J].电子技术应用,1999,25(9):47-49.[3]王泉,史维峰,田泽.一种基于SymtemC的系统级软硬件协同设计新模型[J].电子技术应用,2009,35(8):148-151.[4]张炯,董西路.航电系统数字化综合验证平台的设计[J].计算机仿真,2014,31(6):32-35.[5]吕欣欣,刘淑芬.FPGA通用验证平台建立方法研究[J].微电子学与计算机,2010,27(5):46-49.[6]李丽斯,崔志华,殷晔,等.基于 FPGA的 PCIe总线DMA控制器的设计与验证[J].计算机测量与控制,2014,22(4):1166-1168.[7]郭利,赵会龙.基于FSM的可编程集成芯片功能测试[J].计算机测量与控制,2011,19(3):519-521.[8]胡军强,李津生,洪佩琳.基于Modelsim FLI接口的FPGA仿真技术[J].电子技术应用,2002,28(7):75-77.[9]李云松,宋锐,雷杰,等.Xilinx FPGA设计基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.。
基于fpga 的toe 系统设计与实现-概述说明以及解释
基于fpga 的toe 系统设计与实现-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述FPGA(Field Programmable Gate Array)是一种可编程逻辑器件,它可以根据用户的需求进行灵活的逻辑电路重构。
TOE(TCP/IP Offload Engine)系统是一种通过硬件加速的方式来提高网络性能的解决方案。
本文将介绍基于FPGA的TOE系统的设计与实现。
随着互联网的普及和发展,网络通信已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
然而,传统的软件实现方式在高速网络环境下往往无法满足大规模数据通信的需求。
为了克服这样的问题,TOE系统应运而生。
TOE系统通过将TCP/IP协议的处理功能从通用计算机系统中分离出来,并放置在专用硬件中,以提高网络数据包的处理能力。
而FPGA作为一种灵活、可重构的芯片,能够满足TOE系统中对于高性能、低延迟的硬件加速需求。
本文将分析FPGA技术的基本原理和特点,探讨TOE系统的设计原理以及FPGA在TOE系统中的应用。
通过对TOE系统的设计与实现进行总结与展望,将提供对于基于FPGA的TOE系统设计的理论和实践指导。
通过本文的研究,我们可以深入了解基于FPGA的TOE系统在优化网络性能方面的巨大潜力,以及其在适应未来高速网络发展的前景。
我们相信,基于FPGA的TOE系统将在未来网络通信领域发挥重要作用,并为网络性能的提升做出积极的贡献。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写:1.2 文章结构本文分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分概述了文章的背景和目的,提供了对整篇文章的整体理解。
首先,概述了基于FPGA的TOE系统设计与实现的主题,并简要介绍了TOE系统和FPGA技术的背景和重要性。
接着,给出了整篇文章的结构和章节划分,以便读者能够清晰地了解每个部分的内容。
最后,说明了本文的目的,即通过对FPGA在TOE系统设计与实现中的应用进行探讨,促进TOE系统的发展和未来的研究。
EDA技术复习题
一、填空1、ASIC的中文含义是__专用集成电路_____;2、EDA的中文含义是_电子设计自动化;3、PROM的中文含义是_______4、EEPROM的中文含义是_______5、SOPC的中文含义是_______6、PLD的中文含义是______可编程逻辑器件_____________;7、HDL的中文含义是_硬件描述语言;8、CPLD的中文含义是_复杂可编程逻辑器件;9、FPGA 的中文含义是_现场可编程门阵列。
10、LUT的中文含义是__查找表_______________。
11、RTL的中文含义是_寄存器传输级(Register Transfer Level)12、PAR的中文含义是_布局布线13、UUT的中文含义是_被测单元(Unit Under Test)14、JTAG的中文含义是_联合测试行动小组(Joint Test Action Group)15、在ISE软件中的原理图输入时,用元件符号INV表示非门。
16、目前应用最广泛的HDL(硬件描述语言)有__VHDL语言,_Verilog HDL_语言。
17、FPGA在结构上主要分成三个部分:可编程逻辑单元,可编程输入输出单元,可编程连线.CPLD在结构上主要分成三个部分:可编程逻辑宏单元,可编程输入输出单元,可编程内部连线18、目前主流的FPGA都采用了基于SRAM 工艺的查找表结构。
FPGA芯片主要由6部分构成,分别是可编程I/O单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。
19、CPLD由可编程的与/或阵列以及宏单元库构成,CPLD主要由可编程I/O单元、基本逻辑块、互连资源和其它辅助功能模块构成。
20、Xilinx 公司器件主要包括Xilinx CPLD 芯片、FPGA 芯片、PROM 芯片,其中,XC9500系列是属于CPLD 芯片,而Spartan 类和Virtex 类是属于FPGA芯片,在这两大类芯片中Virtex 类是高端产品。
软硬件协同设计
基于底层硬件的软件设计,涉及了设备驱动程序的设计、嵌入式实时操作系统的定制/移植、基于底层硬件的软件体系架构等实用技术。
主要包括两个方面的内容:一是通用计算机在Windows、Linux和VxWorks等常见操作系统下的串/并/网络通信实现和USB、ISA、PCI 设备/板卡的驱动程序设计;二是嵌入式应用体系的直接基本软件架构与基于μC/OS、DSP/BIOS、WinCE/EXP、μCLinux及VxWorks等常见嵌入式实时操作系统下的基本软件架构及各类常见嵌入式软件体系下的UART、SPI、CAN、EMAC、ADC、DAC、存储器件等外设/接口的驱动软件设计。
书中还介绍了如何使用CPLD/FPGA/PAC等器件进行可编程数字/模拟逻辑软件的设计,进而实现所需的特定外设/接口及其连接与FPGASoPC软硬件协同的设计。
请参考《基于底层硬件的软件设计》软硬件协同设计一、软硬件协同设计的定义:软硬件协同设计是指对系统中的软硬件部分使用统一的描述和工具进行集成开发,可完成全系统的设计验证并跨越软硬件界面进行系统优化。
二、软硬件协同设计理论:首先是系统的描述方法。
目前广泛采用的硬件描述语言是否仍然有效?如何来定义一个系统级的软件功能描述或硬件功能描述?迄今为止,尚没有一个大家公认的且可以使用的系统功能描述语言可供设计者使用。
其次是这一全新的设计理论与已有的集成电路设计理论之间的接口。
可以预见,这种全新的设计理论应该是现有集成电路设计理论的完善,是建立在现有理论之上的一个更高层次的设计理论,它与现有理论一起组成了更为完善的理论体系。
在这种假设下,这种设计理论的输出就应该是现有理论的输入。
第三,这种全新的软硬件协同设计理论将如何确定最优性原则。
显然,沿用以往的最优性准则是不够的。
除了芯片设计师们已经熟知的速度、面积等硬件优化指标外,与软件相关的如代码长度、资源利用率、稳定性等指标也必须由设计者认真地加以考虑。
基于软、硬件协同的FPGA软件交联仿真验证技术
2017年第4期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.4 2017 总第354期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.354收稿日期:2016-11-26;修回日期:2017-04-15作者简介:刘海山(1982-),男,工程师,主要研究方向为电力电子与电力传动及嵌入式软件文章编号:1004-7182(2017)04-0072-06 DOI :10.7654/j.issn.1004-7182.20170417基于软、硬件协同的FPGA 软件交联仿真验证技术刘海山,乔 森,丁怀龙(北京精密机电控制设备研究所,北京,100076)摘要:针对型号伺服控制系统硬件架构特点,提出一种基于软、硬件协同的现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray ,FPGA )软件交联仿真验证技术,利用黑白盒测试相结合的思想,分别建立软件仿真验证环境和硬件仿真验证环境;应用器件建模技术,在软件仿真验证环境中构建一个近似于真实的、虚拟的硬件运行环境;简化传统的FPGA 设计验证流程,将验证的重点只放在功能和时序上,在保证验证全面性的前提下提高验证效率;利用故障仿真分析技术,充分检验FPGA 软件的可靠性、抵御故障的能力及抗干扰能力。
关键词:软、硬件协同;FPGA 软件;交联仿真;器件建模 中图分类号:TP391.9 文献标识码:AField Programmable Gate Array Hardware-Software Co-Simulation VerificationLiu Hai-shan, Qiao Sen, Ding Huai-long(Beijing Research Institute of Precise Mechatronic and Controls, Beijing, 100076)Abstract: A FPGA hardware-software co-simulation technology is presented in this paper based on servo control systemhardware architecture and white box and black box software testing method. A software simulation experiment system, approximately equivalent to electric arc furnace system is established based on component modeling technology. The software simulation experiment system just brings forward key technology in the circuit function and timing to ensure the comprehensiveness and high efficiency. The FPGA software can achieve high reliability and good anti-interference ability by the software simulation experiment system and modeling and fault simulating technology.Key words: Hardware-software; Field programmable gate array; Co-Simulation; Component modeling0 引 言在新型战略武器及运载型号伺服系统的研制中,传统伺服控制系统的单核心处理器硬件架构已无法满足型号的控制要求,越来越多的伺服控制系统引入现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array ,FPGA )参与控制,采用数字信号处理(Digital Signal Processing ,DSP )高速数字信号处理器+FPGA 协同处理器的硬件架构,利用FPGA 对数字系统进行逻辑规划,实现对大量A/D 、D/A 转换通道的控制和总线时序的控制。
基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现
基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现摘要:随着红外图像在军事、航天、安防等领域的广泛应用,对红外图像的实时采集和处理需求越来越高。
本文基于FPGA设计并实现了一个红外图像实时采集系统,通过系统硬件框架、图像采集流程设计以及软硬件协同优化等方面的探究,实现了高效、稳定的红外图像实时采集和传输,为相关领域的探究和应用提供了重要支持。
一、引言红外图像技术是一种利用物体发射的红外辐射进行成像分析的技术,具有透过阴郁、烟雾等不利环境的能力。
它在军事、航天、安防等领域具有重要应用价值。
红外图像的实时采集和处理对于这些领域的探究和应用至关重要,然而传统的红外图像采集系统存在采集速度慢、波动大、传输距离限制等问题。
因此,设计并实现一种基于FPGA的红外图像实时采集系统具有重要意义。
二、系统框架设计基于FPGA的红外图像实时采集系统主要由硬件和软件两个部分组成。
硬件部分包括红外探测器、FPGA开发板、存储器、图像传输模块等;软件部分主要包括图像采集控制程序和数据处理程序。
硬件框架设计接受分层结构,分为红外图像采集层、控制层、存储层和传输层四个部分。
红外图像采集层包括红外探测器和模拟-数字转换电路,负责将红外辐射信号转换为数字信号。
控制层包括FPGA芯片和时钟控制电路,负责采集信号的控制和同步。
存储层包括高速存储器和图像缓存,负责暂存采集到的红外图像数据。
传输层包括数据传输电路和网络接口,负责将采集到的图像数据传输到外部设备。
三、图像采集流程设计图像采集流程是指将红外图像转换为数字信号并存储的过程。
在红外图像采集层,红外探测器将红外辐射信号转换为模拟信号,经过模拟-数字转换电路转换成数字信号。
在控制层,FPGA芯片控制采集信号的采样频率和位宽,通过时钟控制电路实现同步。
在存储层,高速存储器负责将采集到的图像数据暂存起来,图像缓存则将暂存的图像数据进行处理和压缩。
在传输层,数据传输电路将处理和压缩后的图像数据传输到外部设备。
大规模软硬协同哈希表设计与实现
大规模软硬协同哈希表设计与实现杨文韬;张士军;张进;唐寅;于洪涛【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2023(32)1【摘要】哈希表在网络报文处理,尤其是带状态的报文处理中发挥着重要作用.伴随着网络流量的快速增长,传统软件哈希表难以满足网络性能需求,而查找是影响哈希表性能的关键之一,如何提升哈希表的查找速率也一直是一个难点问题.经研究表明,现有的网络流量呈现Pareto分布特征,即存在少数的大流量数据——大象流.基于当前数据中心广泛采用的软硬协同计算模式,提出了一种基于DPDK+FPGA的大规模软硬协同哈希表架构.根据现有网络流量特征,将流量分成大象流与背景流.同时也将哈希表分成硬件表与软件表.在FPGA中构造小规模硬件表,卸载所有报文的哈希计算,以及大象流的哈希查找.在软件中基于DPDK构建大规模软件表,利用FPGA 卸载哈希计算,加速背景流的查找.软件拥有所有流信息,利用采样法识别大象流并将大象流的键值对信息(key-value)更新到FPGA的硬件表中,以加速软件中大规模软件表的查找速率.采用Xilinx U200加速卡和通用服务器作为硬件平台,实现了软硬协同的大规模哈希表,并利用测试仪构造了符合当前网络特征的流量数据,以DPDK 精确转发为例,验证了软硬协同哈希表的性能.结果表明,在大象流哈希查找完全卸载的情况下,其性能相较DPDK原有的精确转发提升了64%–75%;在大象流未卸载的情况下,其性能提升了5%–48%.【总页数】14页(P61-74)【作者】杨文韬;张士军;张进;唐寅;于洪涛【作者单位】东南大学网络空间安全学院;紫金山实验室内生安全研究中心;战略支援部队信息工程大学【正文语种】中文【中图分类】TP3【相关文献】1.单片机实现数字电压表的软硬件设计2.业内领先的软硬件协同加速验证系统利用美国ALDEC公司的Riviera-IPT实现ARM设计的软、硬件协同加速验证3.一种基于硬件的大规模哈希流表设计与实现4.应用于大规模SoC软硬件划分的多种群协同进化方法研究5.深度卷积的软硬件协同优化设计与实现因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于FPGA的高性能计算加速器设计与实现
基于FPGA的高性能计算加速器设计与实现高性能计算在当今科学研究和工程领域中扮演着重要的角色。
为了满足对计算速度和效率的需求,许多研究人员和工程师开始探索新的计算加速方法。
其中,基于FPGA的高性能计算加速器设计与实现成为一种备受关注的方法。
FPGA(可编程逻辑门阵列)是一种可编程的硬件设备,能够用于构建各种数字电路。
它相比其他硬件设计方法具有更高的灵活性和适应性,使得它成为设计计算加速器的理想选择。
基于FPGA的高性能计算加速器设计与实现的关键在于将计算任务映射到FPGA的可编程逻辑中,并通过并行和硬件优化来提高计算性能。
下面将介绍几个关键方面,使你对这一领域有更深入的了解。
首先,设计和实现一个基于FPGA的高性能计算加速器需要一个合适的硬件架构。
这个架构应该被精心设计,以适应特定的计算任务。
一个合理的硬件架构可以通过并行计算单元、高带宽内存接口和高速数据传输通道来提高计算速度。
其次,为了实现高性能的计算加速,优化算法和数据结构是非常重要的。
通过合理选择和设计算法,可以提高计算效率和性能。
此外,通过优化数据结构的存储和访问方式,可以减少数据传输和存取的开销,进一步提高计算速度。
同时,要注意到FPGA和CPU之间的数据传输延迟问题。
由于FPGA与CPU 通常通过PCIe等总线进行通信,数据传输往往会成为整体计算性能的瓶颈。
一种解决方法是使用流水线或者数据并行的方式来降低数据传输的延迟。
此外,对于大规模计算任务,使用多个FPGA协同工作也是一种有效的方法。
通过将计算任务划分成多个子任务,并使用多个FPGA并行进行计算,可以进一步提高计算速度和性能。
最后,为了实现基于FPGA的高性能计算加速器的设计和实现,软件开发和硬件描述语言编程(HDL)技术是必须的。
通过使用HDL(如Verilog或VHDL)编写硬件描述代码,可以描述FPGA的架构和功能。
然后,通过软件开发工具(如Xilinx或Altera提供的开发工具)将硬件描述代码编译成可在FPGA上运行的二进制代码。
Board从入门到精通(五):软硬件协同设计
Board 从入门到精通(五):软硬件协同设计
Zynq 最大的优势在于,同时具备软件、硬件、IO 可编程,即All Programmable。
在设计Zynq 过程中,同样要建立一种意识,就是从原来单纯的软件思维(或单纯的硬件思维)中解脱,转向软硬件协同设计的开发方
法。
软件设计,即基于ARM 的软件开发,我们第三节里面已经做过例子了,基本就是通过某一硬件地址映射寄存器与相应的硬件进行交互,这类硬件包
括ARM 外设如GPIO,EMIO,SPI,TImer 等,也包括挂载到AXI 总线上的PL。
除此之外,软件还要处理好诸如操作系统、网络等高层任务。
硬件设计,即基于FPGA 的逻辑开发,主要通过实例化一些现成的IP,
利用状态机实现自身逻辑功能,然后实现AXI 接口与ARM 进行通信。
将软硬件结合进行设计,需要AXI 总线。
我们反复强调了AXI 的重要
性,可以说它决定了软硬件协同设计的成败。
关于Zynq 的网络教程也有很多了,像懒兔子的,笔者初学Zynq 时是按。
基于FPGA的雷达轴角测试系统实现及软硬件协同仿真
在 对 j 系 统 的 仿 真 中 ,使 用 了 M t a 赠试 a l b的 全 新 组 件 1 n f r o e s m 1 k o M d l i 。打 破 了软 硬 件 问 的 屏 障 ,大 大 加 快 了 系 统 的 功 能 验 证 。实 验 结 果 表 明 :该 验 证 方 法 具 有 结 果 直 观 ,操 作 简 单 ,效 率 高 等 优 点 。
A bst ac t Com b ni i h he r f d gi ls gn lpr e s n r : i ng w t t e t e y o i t i a oc s i g,t i ap r pr s h a hs p e e en s a ne t w me h t od of a i - n e m e s i x s a gl a ur ng.Be i s F s de , PG A s c os n t m p em e t n t e s m u a i n i h e o i l nti.I h i l to o h f t e Axi- gl ea u i g s s em ,Li k f o s An e m s rn y t n orM de s m f M a l b i ed.I br ak h a r li o ta s us t e s t e b ri er
动 产 生 测 试 向量 并 检 查 仿 真 结 果 。 我 们 在 F GA系 统 的 设 计 和 调 P
试 过 程 中 ,利 用 相 关 仿 真 软 件 的 协 同 仿 真 功 能 ,提 出 了 自 动 产 生 仿 真
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U =A・iO・O ( ・+ p) s n C S )f ( 0 o U .o O.O ( . ( ) ) : cs C S)H P ( 0 0
基于YOLOv4-Tiny 的硬件加速系统的设计与实现
基于YOLOv4-Tiny 的硬件加速系统的设计与实现
作者:姜明飞冯凤阳冯赟魏天东陆山
来源:《电脑知识与技术》2024年第10期
摘要:随着神经网絡算法的迅猛发展,将其部署在边缘设备上面临着功耗和计算时间的制约。
针对YOLOv4-Tiny算法在资源受限的边缘端部署困难等问题,文章提出了一项软硬件协同优化策略。
为了提升硬件资源使用率和推理效能,文章采用了输入输出通道与权重通道的双重缓冲机制,并在此基础上,结合双缓冲结构与强化的高度并行流水线设计,开发了一种基于Zynq FPGA硬件平台的目标检测加速系统。
实验结果显示,该系统在Zynq KV260平台上的运行功耗仅为3.712 W,单帧推理时间缩短至0.43 s,与现有的FPGA硬件加速器平台相比,实现了更优的性能表现。
关键词:YOLOv4-Tiny;目标检测;卷积神经网络;硬件加速系统;现场可编程门阵列
中图分类号:TP311 文献标识码:A
文章编号:1009-3044(2024)10-0011-04。
《基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现》
《基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现》一、引言随着工业自动化和智能化的快速发展,可编程逻辑控制器(PLC)作为工业控制的核心设备,其安全性和可靠性显得尤为重要。
传统的PLC设计往往面临计算能力有限、扩展性不足以及安全性不够高等问题。
为了解决这些问题,本文提出了一种基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现方案。
该方案结合了ARM的高性能计算能力和FPGA的并行处理能力,实现了高效率、高安全性的PLC控制。
二、系统设计1. 硬件设计本系统采用ARM+FPGA的异构计算架构。
ARM作为主控制器,负责运行操作系统和高级算法;FPGA则用于实现高速并行数据处理和接口控制。
此外,系统还包括电源模块、存储模块、通信接口等。
(1)ARM处理器选择选用高性能的ARM Cortex-A系列处理器,具有高计算能力、低功耗和良好的扩展性。
(2)FPGA选择选用适合工业应用的FPGA芯片,具有高并行处理能力、低延迟和高可靠性。
(3)存储模块设计采用高速、大容量的存储设备,如SSD或DRAM,以满足系统对数据存储和读取的需求。
2. 软件设计软件设计包括操作系统、通信协议、安全机制等。
(1)操作系统采用实时操作系统(RTOS),以保证系统的实时性和稳定性。
(2)通信协议支持多种工业通信协议,如EtherNet/IP、Modbus等,以满足不同工业应用的需求。
(3)安全机制采用加密、认证、访问控制等安全机制,保证系统的数据安全和防止未经授权的访问。
三、关键技术实现1. ARM与FPGA的协同工作通过桥接电路实现ARM与FPGA的协同工作。
ARM负责任务调度和数据处理,FPGA负责高速并行数据处理和接口控制。
两者协同工作,实现高效的数据处理和控制。
2. 数据加密与认证采用高级加密标准(AES)对数据进行加密,保证数据在传输和存储过程中的安全性。
同时,采用数字签名技术对数据进行认证,防止数据被篡改。
3. 访问控制与权限管理通过访问控制和权限管理机制,对系统资源进行保护,防止未经授权的访问和操作。
一种基于Zynq的ROS软硬件协同计算架构设计与实现
一种基于Zynq的ROS软硬件协同计算架构设计与实现赵可可;柴志雷;吴东
【期刊名称】《微电子学与计算机》
【年(卷),期】2017(34)9
【摘要】针对复杂机器人算法在嵌入式系统上运行时间过长的问题,设计并实现了一种在Zynq平台上通过软硬件协同机制实现机器人操作系统(ROS)节点的方法,利用FPGA加速ROS中的复杂图像算法.ARM端软件进行接口间的转换,可以和其他ROS节点正常通讯.随后测试了双目匹配算法census在系统中的实现.实验证明,在处理复杂图像算法时相对于纯软件实现具有明显优势.
【总页数】5页(P87-91)
【关键词】机器人操作系统;FPGA;软硬件协同;立体匹配
【作者】赵可可;柴志雷;吴东
【作者单位】江南大学物联网工程学院;数字工程与先进计算国家重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】TP302.1
【相关文献】
1.一种八轮车电气架构设计及其软硬件实现 [J], 周慧强;熊璐
2.一种基于ROS的机器人云平台架构设计 [J], 陈彬;黎晓东;尹作重
3.基于Zynq7020的组合导航处理平台软硬件系统的设计与实现 [J], 王世臣; 张代省; 范兴民
4.一种基于ZYNQ与AD9361的多目标雷达信号模拟器的设计与实现 [J], 尹湘凡; 洪成; 王正伟; 刘志刚
5.一种基于Zynq的CNN加速器设计与实现 [J], 许杰;张子恒;王新宇;佟诚;梅青;肖建
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基于FPGA的软硬件协同测试的设计与实现
关键词 : F P GA; 软 硬 件 协 同测 试 ; 设计 ; 实 现
中图分 类号 : T P 3 3 4 . 4
文献标识码 : A
文章 编号 : 1 6 7 3 — 1 1 3 1 ( 2 0 1 3 ) 0 8 — 0 0 7 5 - 0 2 单 向传输通道或是双 向传输通道进行选择 。
情况。所 以, 待测硬件设备的数据 输入 、 输 出等实时传输是对 测试系统的最基 本要 求,也是保证硬件设备进行测试结果的 真实性 。P C机的数据传输与待测试硬件 设备有所不 同, 前者
的通信模式通常是不定时的、 突发 的 , 后者往往是连续的 、 不 问断的, 因此 , 在 实 现 数 据 的双 向实 时 传 输 的过 程 中 , 测 试 系 统对 P C机 的设 计 存 在 着 很 大 的 改 进 空 间 。
+ ” + ・ ・ + 一 + ・ — + i“ + “+ ”+ ” + ” + ” + “ + “ + ”+ ”+ ” + ” + ”+ 。 ・ + “ +
F P G A是现场可编程 门阵列, 是集成 电路的一个新型门类 , 具有 高度的灵活性、 可现场定义相关数据存储容的能力、 可反复 改写程序等特点。 在不久的将来, F P G A将在很大程度上取代标 准 的数 字 集 成 电路 , 从 而 引起 电子 数据 系 统 在 设计 方 式 上 的变 革, 使其朝着集成 电路 的方 向发展 。目前, 我 国在计算机应用领
摘要: 在 软硬 件的 开发 阶段 中, 测试结果直接关 系到这个软硬件能 否顺利进行调试应 用。其 中, 硬件的测试往往容 易受
基于FPGA的SOC技术毕业设计
摘要随着半导体工艺技术的迅猛发展,可编程逻辑器件的集成度越来越高,FPGA中的逻辑资源也日益丰富,已达到百万门量级,这使得使用FPGA实现片上系统成为可能。
基于FPGA的片上系统设计方案具有开发周期短、设计成本低、软硬件在系统可编程、系统设计灵活、可裁减、可扩充、可升级等优点,正在成为电子系统设计的研究热点。
随着设计与制造技术的发展,集成电路设计从晶体管的集成发展到逻辑门的集成,现在又发展到IP的集成,即SOC设计技术。
SOC可以有效地降低电子信息系统产品的开发成本,缩短开发周期,提高产品的竞争力,是未来工业界将采用的最主要的产品开发方式。
FPGA将现代的VLSI逻辑集成的优点和可编程器件设计灵活,制作及上市快速的长处相结合,使设计者在FPGA开发系统软件的支持下,现场直接根据系统要求定义和修改其逻辑功能。
使一个包含数千个逻辑门的数字系统设计实现,采用FPGA技术,即可几天内完成。
本设计实现一种基于FPGA的SOPC解决方案,实现了系统的灵活性架构,以及参数化配置,便于系统的集成与设计修改,具有良好的可继承性与可移植性。
关键词:系统级芯片(片上系统);现场可编程门阵列;NiosⅡAbstractWith the rapid development of semiconductor technology,logic resources in FPGA have reached millions orders of magnitude,which make system-on-chip (SOC) based on FPGA has become possible. The design of SOC based on FPGA has many advantages,such as a short development cycle,low-cost,software and hardware in-system programmable,system design flexibility and can be trimmed,sealable,upgradeable,etc,Because of these,it has became a hot spot of research of electrical system design.With the design and manufacturing technology, integrated circuit design from transistors to integrated development of integrated logic gates, and now developed to the IP integration, that SOC design technology. SOC can effectively reduce the electronic information system product development costs, shorten development cycles, improve product's competitiveness, is the next most important industry will use methods of product development. FPAG the modern logic of integration of the advantages of VLSI and programmable device design flexibility, faster production and market strengths combined to enable FPGA designers to develop system software support, on-site directly from system requirements definition and change its logic function. Make a logic gate that contains thousands of digital system design and implementation, using FPGA technology can be completed within a few days.The Design and Implementation of FPGA-based SOPC solutions to achieve the flexibility of the system structure and parameters of configuration, ease of system integration and design changes, has a good inheritable and portability.Key words:SOC;FPGA;Nios Ⅱ目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2目的及意义 (1)1.3国内外研究现状 (1)1.4论文章节安排 (2)2基于FPGA的SOC技术 (3)2.1 FPGA简介 (3)2.2 SOC概述 (7)2.3 SOPC概述 (8)2.4软核与硬核 (11)3 系统硬件设计 (14)3.1 QuartusⅡ简介 (14)3.2 SOPC Builder工具简介 (14)3.3嵌入式软核Nios II处理器 (15)3.4 Nios II CPU的搭建 (16)4 Nios ⅡIDE的软件设计 (22)4.1 新建软件工程 (22)4.2主程序设计 (23)4.3 UART串口 (24)4.4 LED控制 (26)结论 (29)致谢 (30)参考文献 (31)附录1:英文文献 (32)附录2:中文文献 (38)附录3:程序代码 (43)1 绪论1.1 课题背景EDA(Electronic Design Automation)技术是近几年迅速发展起来的计算机软件,硬件和微电子交叉的现代电子学科,涉及计算机操作系统、计算数学、电路理论和微电子学等领域,其内容广泛,综合性强。
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很难正确定位 , 也给产品的开发带来 了困难 。普通 的示波器或逻辑分析仪采样通道 和存储 空 间都很 小, 对运行结果的采集和分析都不方便。因此 , 测试
1 系统框架的设计
1 1 软 硬件协 同测 试 的原 理 .
软硬件协同测试是指利用 P C机模拟输入 、 输
收稿 日期 :0 60 —5 2 0 -10 作者简介 : 于 源 (9 0一 , , 1 8 ) 女 硕士研究生 , 研究方 向为 集成 电路设计 , 视频编解码 ,aoy_ u un 6.o l crln y y a @1 3 cn ;
过程 中输入、 出设备 的选用, 输 往往会造 成成本增
加、 测试困难、 开发周期延长等问题。
响到产品竞争力 。传 统的测试过程 中, 设计者 需要 为待测设备 ( U ) D T 准备各种输入 、 输出设备, 来满 足待测设备的工作条件 。输入设备虽然能够为待测 设备提供实际的工作环境 , 但不易受人为控制, 我们 无法保证数据 的全 面性 , 易造成测试 中的欠 缺。 容
me t n ,wh l i lt n b o t r l c s o c i . I iw ft i iu to i smu ai y s fwa ewi o tt o mu h tme n ve o h sst ain,a meh d lg f e o l t o oo y o
HW/ W otsigi po oe ,w i ae ul d atg fP Srsucsa dhrwae Ssed S c- t s rpsd hc tk sflav naeo C’ eo re n ad r’ pe. e n h
FP GA t ie Oa c mpiht ec n r l n u cin a d t sa l h ahg - p e e l i iie t n l i u i z dt c o l h o tol g f n t n e t bi ih s e dr a- mebdr ci a s l s i o O s t o
wiey u e n t eme s rme ta d a ay i fv ro sd vc s d l sd i h a u e n n n lsso ai u e ie .
K yw rs H | W otsig e od S c - t ;US S R e n B; D AM o tolr cn rl e
YU a Yu n,X U Yu - n,ZH EN G e ,ZH ANG anxi W i
( p vret fIf r t nS i c Dea t n o n omai ce e& Elc o i E gn eig, hjagU ies y,Hag h u3 0 2 ,C ia n o n et nc n iern Z ein n vri r t n z o 1 0 7 hn )
而且由于数据的不确定性 , 测试过程中出现 了问题
本文提 出一种软硬件协 同测试 的设计方法, 充 分利用 P C机运算 能力强、 存储空间大 、 易于编程 、 灵活性高等特点 , 模拟实际的输入 、 输出设备, P 将 C 机与待测设备通过测试系统连 接起来, 从而克服了 上述困难 , 改善了测试的方法 。
E] 巳 C: 2 0 7 1 B
基 于 F GA 的软 硬 件 协 同测试 的设 计 与 实现 P
于 源 , 徐元欣 , 郑 伟 , 张 明
( 浙江大学信息与 电子工程学系 , 杭州 302) 10 7
摘
要: 硬件开发过程中, 测试往往是影响产品的重要环节。纯硬件的测试往往受到设备及环境的影响, 而如果完全用软件
d t ah Th n e f c O t ed vc n e e ti fe i l e in d b PGA , t u h y t m a e a ap t. ei tra e t h e ie u d r ts s l xb y d s e y F g h s t e s se c n b
关键词 : 软硬件协同测试; 通用串行总线 ;D A S R M控制器
中图分 类号 :P 7 . T 24 5
文献标 识码 : A
文 章编 号 :o599 (06 o —2 80 1o —4O 20 )41O -3
测试是 I C设计中的重要环节。测试方法的选 取关系到产 品开发的周期 、 成本和质量, 从而直接影
Ab ta t Te tn e n fh r wa ed sg .Ha d r e tn safc e ye u p n sa d e vr n sr c : sigi ak yl ko a d r e in s i r wa etsigi fe td b q ime t n n io —
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第2 卷 9
第4期
电 子 器 件
C iee J t a f Eeto hn s o ̄ l0 lcrn D
Vo. 9 No 4 I2 . De . 0 6 c20
20 0 6年 1 2月
D s nfr w / w oTsig ae iF G ei g o n s C -et sdO P A n B l
仿真 , 则速度太慢 , 响开发进度。针对 这种情 况 , 影 作者提 出一种 软硬 件协 同测试 的方法 , 利用 F G P A实现 P C机与待 测设备 的互 连 , 不但充分利用了 P C机的丰富资 源 , 同时发挥 出硬 件工作速 度快 的特点 。该系统 采用 F G 完成控 制功能 , PA 实现 高 速、 实时的双 向数据通道 , 同时 , 利用 F G P A灵活设计待测设备 的接 口 , 使该系统可广泛应用于各 种设 备的测试 与分析 。