“计算机组成原理”是计算机专业的一门核心课程。传统的计算机组成原理实验是在指令格式、寻址方式、运算器、控制器、存储器等都相对固定的情况下进行，学生主要进行功能实现和验证，缺少自主设计和创新过程。 为改变这种状况，须更新现有的计算机组成原理实验系统。采用FPGA芯片作为载体，使用EDA开发工具，用硬件描述语言实现不同的硬件逻辑，再与硬件的输入输出接口线路相连，最终组成一台可用于组成实验教学的完整计算机系统。这期间学生将掌握组成原理实验系统的各个部件的功能及其相互之间如何协作。本实验系统能够让学生完成有关计算机组成原理的部件实验和整机实验：部件实验包括加法器、乘法器、除法器、算术逻辑运算单元、控制器、存储器等；整机实验可以独立实现各部件的功能描述。该系统能够帮助学生巩固课堂知识并增强设计能力。 为实现上述目的，依据EDA技术的开发流程和方法，建立了一个完整的体系，其中包括控制模块、内存模块、运算器模块、通用寄存器组及其控制部件、程序计数器、地址寄存器、指令寄存器、时序部件、数据控制部件、状态值控制部件，以及为帮学生调试而专门设计的输出观察部件。在Quartus Ⅱ开发环境下，使用Altera公司FPGA芯片，采用VHDL，语言设计并实现了上述模块。经过仿真测试，所实现的各功能模块作为独立部件时能完成各自功能：而将这些部件组合起来的整机系统，可以执行程序段和进行各种运算处理，达到了设计要求。
上传时间： 2013-06-01
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本文提出一种基于PC104嵌入式工业控制计算机与现场可编程门阵列(FPGA)的PCB测试机的硬件控制系统设计方案。方案中设计高效高压控制电路，实现测试电压与测试电流的精确数字控制。选用双高压电子开关形式代替高压模拟电子开关，大幅度提高测试电压。采用多电源方式在低控制电压下实现对高压电子开关的控制。设计高速信号处理电路对测试信号进行处理，从硬件上提高系统测试速度。 本设计中选用Altera公司的现场可编程器(FPGA)EP1K50，利用EDA设计工具Synplify、Modelsim、QuartusⅡ以及Verilog硬件描述语言完成了控制系统的硬件设计及调试，解决了由常规电路难以实现的问题。
上传时间： 2013-06-04
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随着计算机技术的飞速发展，嵌入式系统在人们的生产生活中发挥着越来越重要的作用。近年来，基于ARM处理器和μC/OS-II操作系统的嵌入式技术已经成为当前嵌入式领域的研究热点之一。 论文主要研究基于ARM7处理器和μC/OS-II操作系统的嵌入式测控平台架构，为测控系统开发提供一个方便功能扩展的软硬件环境。在此基础上，以加速度计为对象，利用嵌入式系统的丰富资源，完成对其内部温度及加速度信号的采集实例。硬件设计分为核心系统设计和数据采集控制子系统设计两部分。核心系统主要包括控制核心S3C44BOX模块、存储器模块、调试接口模块、液晶显示模块以及数控键盘模块等。完成了母板的设计与验证，并预留多种接口，增强了可扩展性。采集控制子系统作为数据采集及控制机构，主要由A/D转换芯片完成和串行通信模块，用来接收传感器传输的数据，经ARM处理器分析处理后，通过串行通讯方式与下位机通信。由于有多个下位系统，平台设计扩展了8路带高速缓冲的异步串行通信模块。最后，对各硬件模块进行总体调试，并对调试结果进行了分析。 调试结果表明，该硬件平台不仅响应速度快、成本低、可靠性好，而且具有良好的可移植性和可裁剪性，便于根据实际需求进行功能扩展和裁剪，达到了预期的设计目标。
上传时间： 2013-07-26
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运动控制系统是机器人控制系统的重要组成部分。本文将ARM与CPLD技术应用于机器人运动控制系统，使控制系统更加开放、更加模块化，同时ARM芯片的高速大容量的数据处理能力以及CPLD的高集成度，可编程性，能够逾越以往控制系统中实时、高速、高精度的技术瓶颈. 嵌入式技术是当今最热门的技术之一，由于简洁、高效等优点，使得其广泛应用在各个领域；所谓嵌入式系统就是以应用为中心，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。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。 本文主要阐述了基于嵌入式处理器S3C44B0X的机器人控制器的设计过程。文章首先介绍了机器人本体规划、嵌入式系统和嵌入式微处理器S3C44B0X的结构特点；接着介绍了基于S3C44B0X的智能控制器的设计，包括硬件设计和CPLD软件设计。其中控制器硬件平台扩展了外部存储器、串行口，通过输出PWM信号进入驱动电路模块，从而实现控制机器人运动的目的。在CPLD设计过程中，引入JTAG调试接口，方便系统程序的下载和调试，通过自上而下、分块设计的思想给出了QUARTUSⅡ设计环境下的软件代码。本系统利用不同任务间的切换来实现通信过程，而不再采用无操作系统的工程文件的形式，这样不但有利于项目的调试，也有利于对其它接口的扩展。最后对该控制器进行了测试和分析。
上传时间： 2013-07-19
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视频目标识别与跟踪技术是当今世界重要的研究课题,它涉及图像处理、自动控制、计算机应用等学科,该文主要论述该项目的具体实现及相关理论分析,重点在于该系统的硬件模块实现及分析.该系统的硬件模块是典型的高速数字电路,这也是当今世界电路设计的一大热点.同时,该系统的硬件模块不同于传统的模拟、数字电路.严格的说它是基于可编程芯片的系统(System On Programmable Chip).它与传统电路的最大不同在于,硬件模块本身不具备任何功能,但该硬件模块可以与相应的软件结合(此处,我们将FPGA中的可编程指令也广义的归入软件范畴),实现相应的功能.换言之,该硬件模块通过换用其他软件,可以实现其他功能.所以从这个意义上讲,我们也可以将其称为基于可编程芯片的通用平台系统(General System On Programmable Chip).此外,该文还对该系统进行了尝试性的层状结构描述,这种描述同样适用于其它IT目的或电子系统.
上传时间： 2013-04-24
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大规模可编程逻辑器件CPLD和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路(ASIC),电子设计工程师用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路,从而大大缩短了产品上市时间,降低了开发成本.此外,可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态系统重构的特性,使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改,这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性.该设计完成了在一片可编程逻辑器件上开发简易计算机的设计任务,将单片机与单片机外围电路集成化,能够输入指令、执行指令、输出结果,具有在电子系统中应用的普遍意义,另外,也可以用于计算机组成原理的教学试验.该文第一章简要介绍了可编程ASIC和EDA技术的历史、现状、未来并对本课题作了简要陈述.第二章在芯片设计的两种输入法即原理图输入法和HDL输入法之间做出比较,决定选用HDL输入法.第三章描述了具体的设计过程和设计手段,首先将简易计算机划分为运算器、CPU控制器、存储器、键盘接口和显示接口以及系统控制器,然后再往下分为下层子模块.输入法的语言使用的是Verilog HDL,鉴于篇幅所限,源代码部分不在论文之中.第四章对设计的综合与实现做了总结,给出了时序仿真波形图.该文针对FPGA和RISC这两大课题,对RISC在FPGA上的实现进行了初浅的探索与尝试.从计算机体系结构入手,剖析了精简指令集计算机的原理,通过该设计的实践对ASIC和EDA的设计潜力有了更进一步的领悟.
上传时间： 2013-05-21
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随着计算机与信息技术的发展，生物特征识别技术受到了广泛的关注。指纹识别是生物特征识别中的一项重要内容，一直以来是国内外的研究热点。 嵌入式自动指纹识别是指指纹识别技术在嵌入式系统上的应用。传统的嵌入式自动指纹识别系统多采用单片DSP或MIPS处理器来完成算法，由于DSP或MIPS处理器只能根据程序顺序执行，在指纹匹配过程中只能和整个库中的指纹进行一一匹配，因此这类系统在处理较大指纹库时下匹配时间相当长。为了克服这个缺点，本文构建了浮点DSP和FPGA协同处理构架的硬件平台，充分利用DSP在计算上的精确度和FPGA并行处理的特点，由DSP和FPGA共同处理匹配算法。 本文的主要工作如下： 1．设计了一个硬件系统，包括DSP处理器、FPGA、指纹传感器、人机交互接口和USB1.1接口。同时，还设计了各硬件模块的驱动程序，为应用程序提供控制接口。由于系统中DSP工作频率为300MHz，其中某些器件的工作频率达到了100MHz，因此本文还给出了一些信号完整性分析和PCB设计经验。 2．编写了Verilog程序，在FPGA中实现了9路指纹的并行匹配。由于FPGA本身的局限性，实现原有匹配算法有很大困难。在简化原有匹配算法的基础上本文提出了便于FPGA实现“粗匹配”算法。此外，还设计了用于和DSP通信的接口模块设计。 3．完成了系统应用程序设计。在使用uC/OS-Ⅱ实时操作系统的基础上设计了各系统任务，通过调用驱动程序控制和协调各硬件模块，实现了自动指纹识别功能。为了便于存放指纹特征信息，设计了指纹库数据结构，实现了指纹库添加、删除、编辑的功能。 最终，本系统实现了高效、快速的进行指纹识别，各模块工作稳定。同时，模块化的软硬件设计使本系统便于进行二次开发，快速应用于各种场合。
上传时间： 2013-06-05
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《计算机组成原理》是计算机系的一门核心课程。但是它涉及的知识面非常广，内容包括中央处理器、指令系统、存储系统、总线和输入输出系统等方面，学生在学习该课程时，普遍觉得内容抽象难于理解。但借助于该计算机组成原理实验系统，学生通过实验环节，可以进一步融会贯通学习内容，掌握计算机各模块的工作原理，相互关系的来龙去脉。 为了增强实验系统的功能，提高系统的灵活性，降低实验成本，我们采用FPGA芯片技术来彻底更新现有的计算器组成原理实验平台。该技术可根据用户要求为芯片加载由VHDL语言所编写出的不同的硬件逻辑，FPGA芯片具有重复编程能力，使得系统内硬件的功能可以像软件一样被编程，这种称为“软”硬件的全新系统设计概念，使实验系统具有极强的灵活性和适应性。它不仅使该系统性能的改进和扩充变得十分简易和方便，而且使学生自己设计不同的实验变为可能。计算机组成原理实验的最终目的是让学生能够设计CPU，但首先，学生必须知道CPU的各个功能部件是如何工作，以及相互之间是如何配合构成CPU的。因此，我们必须先设计出一个教学用的以FPGA芯片为核心的硬件平台，然后在此基础上开发出VHDL部件库及主要逻辑功能，并设计出一套实验。 本文重点研究了基于FPGA芯片的VHDL硬件系统，由于VHDL的高标准化和硬件描述能力，现代CPU的主要功能如计算，存储，I/O操作等均可由VHDL来实现。同时设计实验内容，包括时序电路的组成及控制原理实验、八位运算器的组成及复合运算实验、存储器实验、数据通路实验、浮点运算器实验、多流水线处理器实验等，这些实验形成一个相互关联的系统。每个实验先由教师讲解原理及原理图，学生根据教师提供的原理图，自己用MAX+PLUSII完成电路输入，学生实验实际上是编写VHDL，不需要写得很复杂，只要能调用接口，然后将程序烧入平台，这样既不会让学生花太多的时间在画电路图上，又能让学生更好的理解每个部件的工作原理和工作过程。 论文首先研究分析了FPGA硬件实验平台，即实验系统的硬件组成。系统采用FPGA-XC4010EPC84，62256CPLD以及其他外围芯片(例如74LS244，74LS275)组成。根据不同的实验要求，规划不同实验控制逻辑。用户可选择不同的实验逻辑，通过把实验逻辑下载到FPGA芯片中构成自己的实验平台。 其次，论文详细的阐述了VHDL模块化设计，如何运用VHDL技术来依次实现CPU的各个功能部件。VHDL语言作为一种国际标准化的硬件描述语言，自1987年获得IEEE批准以来，经过了1993年和2001年两次修改，至今已被众多的国际知名电子设计自动化(EDA)工具研发商所采用，并随同EDA设计工具一起广泛地进入了数字系统设计与研发领域，目前已成为电子业界普遍接受的一种硬件设计技术。再次，论文针对实验平台中遇到的较为棘手的多流水线等问题，也进行了深入的阐述和剖析。学生需要什么样的实验条件，实验内容及步骤才能了解当今CPU所采用的核心技术，才能掌握CPU的设计，运行原理。另外，本论文的背景是需要学生熟悉基本的VHDL知识或技能，因为实验是在编写VHDL代码的前提下完成的。 本文在基于实验室的环境下，基本上较为完整的实现了一个基于FPGA的实验平台方案。在此基础上，进行了部分功能的测试和部分性能方面的分析。本论文的研究，为FPGA在实际系统中的应用提供研究思路和参考方案。论文的研究结果将对FPGA与VHDL标准的进一步发展具有重要的理论和现实意义。
上传时间： 2013-04-24
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本文针对应用于军用直升机上的Doppler/SINS组合导航系统对导航计算机高精度、高性能的要求，设计出一种基于DSP(TMS320C6713)和FPGA(Spartan-3E XC3S500E) 协同合作的机载导航计算机系统。在分析Doppler/SINS组合导航系统模型的特点和系统对导航计算机的需求后，提出了基于DSP和FPGA的机载导航计算机整体设计方案，该方案采用DSP负责导航解算，利用FPGA强大的内部资源扩展系统的通信接口，完成外围通信模块控制信号的整合。在导航计算机整体设计方案，包括硬件设计方案和软件设计方案确立的基础上，首先对 DSP和FPGA芯片进行选型，其次对实现各个功能模块的关键技术进行研究和开发，包括基于FPGA的数据通信模块、基于DSP的处理器模块以及数据存储模块，开发过程中做了大量的仿真和验证，最后对系统进行综合测试和联调，并进行了地面跑车实验。实验结果证明：系统能够实时采集IMU角速率和加速度、Doppler雷达的速度等信息，能够对IMU、Doppler、GPS、航姿系统、高度表等信息进行导航解算，生成当前位置、姿态等导航数据，并能够完成与机载电子设备间的数据通信与控制。多次的联调和跑车实验结果证明，机载导航计算机达到了预期设计的目的，可以有效提高导航系统的运算精度，实现了高性能、小体积、低成本的要求，系统具有较高的应用价值。关键词：Doppler/SINS组合导航，导航计算机，DSP,FPGA
上传时间： 2013-07-25
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遗传算法是一种基于自然选择原理的优化算法，在很多领域有着广泛的应用。但是，遗传算法使用计算机软件实现时，会随着问题复杂度和求解精度要求的提高，产生很大的计算延时，这种计算的延时限制了遗传算法在很多实时性要求较高场合的应用。为了提升运行速度，可以使用FPGA作为硬件平台，设计数字系统完成遗传算法。和软件实现相比，硬件实现尽管在实时性和并行性方面具有很大优势，但同时会导致系统的灵活性不足、通用性不强。本文针对上述矛盾，使用基于功能的模块化思想，将基于FPGA的遗传算法硬件平台划分成两类模块：系统功能模块和算子功能模块。针对不同问题，可以在保持系统功能模块不变的前提下，选择不同的遗传算子功能模块完成所需要的优化运算。本文基于Xilinx公司的Virtex5系列FPGA平台，使用VerilogHDL语言实现了伪随机数发生模块、随机数接口模块、存储器接口/控制模块和系统控制模块等系统功能模块，以及基本位交叉算子模块、PMX交叉算子模块、基本位变异算子模块、交换变异算子模块和逆转变异算子模块等遗传算法功能模块，构建了系统功能构架和遗传算子库。该设计方法不仅使遗传算法平台在解决问题时具有更高的灵活性和通用性，而且维持了系统架构的稳定。本文设计了多峰值、不连续、不可导函数的极值问题和16座城市的旅行商问题 (TSP)对遗传算法硬件平台进行了测试。根据测试结果，该硬件平台表现良好，所求取的最优解误差均在1％以内。相对于软件实现，该系统在求解一些复杂问题时，速度可以提高2个数量级。最后，本文使用FPGA实现了粗粒度并行遗传算法模型，并用于 TSP问题的求解。将硬件平台的运行速度在上述基础上提高了近1倍，取得了显著的效果。关键词：遗传算法，硬件实现，并行设计，FPGA，TSP
上传时间： 2013-06-15
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