随着信息技术的发展，系统级芯片SoC(System on a Chip)成为集成电路发展的主流。SoC技术以其成本低、功耗小、集成度高的优势正广泛地应用于嵌入式系统中。通过对8位增强型CPU内核的研究及其在FPGA(Field Programmable Gate Arrav)上的实现，对SoC设计作了初步研究。 在对Intel MCS-8051的汇编指令集进行了深入地分析的基础上，按照至顶向下的模块化的高层次设计流程，对8位CPU进行了顶层功能和结构的定义与划分，并逐步细化了各个层次的模块设计，建立了具有CPU及定时器，中断，串行等外部接口的模型。 利用5种寻址方式完成了8位CPU的数据通路的设计规划。利用有限状态机及微程序的思想完成了控制通路的各个层次模块的设计规划。利用组合电路与时序电路相结合的思想完成了定时器，中断以及串行接口的规划。采用边沿触发使得一个机器周期对应一个时钟周期，执行效率提高。使用硬件描述语言实现了各个模块的设计。借助EDA工具ISE集成开发环境完成了各个模块的编程、调试和面向FPGA的布局布线；在Synplify pro综合工具中完成了综合；使用Modelsim SE仿真工具对其进行了完整的功能仿真和时序仿真。 设计了一个通用的扩展接口控制器对原有的8位处理器进行扩展，加入高速DI，DO以及SPI接口，增强了8位处理器的功能，可以用于现有单片机进行升级和扩展。 本设计的CPU全面兼容MCS-51汇编指令集全部的111条指令，在时钟频率和指令的执行效率指标上均优于传统的MCS-51内核。本设计以硬件描述语言代码形式存在可与任何综合库、工艺库以及FPGA结合开发出用户需要的固核和硬核，可读性好，易于扩展使用，易于升级，比较有实用价值。本设计通过FPGA验证。
上传时间： 2013-04-24
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随着SOC技术、IP技术以及集成电路技术的发展，RISC软核处理器的研究与开发设计开始受到了人们的重视。基于FPGA的RISC软核处理器在各个行业开始得到了广泛的应用，特别是在一些基于FPGA的嵌入式系统中有着越来越广泛的应用前景。 该论文在研究了大量国内外技术文献的基础上，总结了RISC处理器发展的现状与水平。认真分析了RISC处理器的基本结构，包括总线结构，流水线处理的原理，以及流水线数据通路和流水线控制的原理；并详细分析了该设计采用的指令集——MIPS指令集的内在结构。设计出了一个32位RISC软核处理器，这个软核处理器采用五级流水线结构，能完成加法、减法、逻辑与、逻辑或、左移右移等算术逻辑操作，以及它们的组合操作。通过软件仿真和在Altera的FPGA开发板上进行验证，证明了所设计的32位RISC处理器能准确的执行所选用的MIPS指令集，运行速度能达到30MHz，功能良好。 通过对所设计对象特点及其可行性的研究，选用了Altera公司QuartusⅡ软件作为设计与仿真验证的环境。在设计方法上，该课题采用了自顶向下的设计方法。在设计过程中采用了边设计边验证这种设计与验证相结合的设计流程，大大提高了设计的可靠性。该课题在设计过程中还提出了两个有效的设计思路：第一是在32位寄存器的设计中利用FPGA的内部RAM资源来设计，减少了传输延时，提高了运行速度，并大大减少了对FPGA内部资源的占用；第二是在系统架构上采用了柔性化的设计方法，使得设计可以根据实际的需求适当的增减相应的部件，以达到需求与性能的统一。这两个方法都有效地解决了设计中出现的问题，提高了处理器的性能。
上传时间： 2013-07-21
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当前，片上系统(SOC)已成为系统实现的主流技术。流片风险与费用增加、上市时间压力加大、产品功能愈加复杂等因素使得SOC产业逐渐划分为IP提供者、SOC设计服务者和芯片集成者三个层次。SOC设计已走向基于IP集成的平台设计阶段，经过严格验证质量可靠的IP核成为SOC产业中的重要一环。 GPIB控制器芯片是组建自动测试系统的核心，在测试领域应用广泛。本人通过查阅大量的技术资料，分析了集成电路在国内外发展的最新动态，提出了基于FPGA的自主知识产权的GPIB控制器IP核的设计和实现。 本文首先讨论了基于FPGA的GPIB控制器的背景意义，接着对FPGA开发所具备的基本知识作了简要介绍。文中对GPIB总线进行了简单的描述，根据芯片设计的主要思想，重点在于论述怎样用FPGA来实现IEEE-488.2协议，并详细阐述了GPIB控制器的十种接口功能及其状态机的IP核实现。同时，对数据通路也进行了较为细致的说明。在设计的时候采用基于模块化设计思想，用VerilogHDL语言完成各模块功能描述，通过Synplifv软件的综合，用Modelsim对设计进行了前、后仿真。最后利用生成的模块符号采取类似画电路图的方法完成整个系统芯片的lP软核设计，并用EDA工具下载到了FPGA上。 为了更好地验证设计思想，借助EDA工具对GPIB控制器的工作状态进行了软件仿真，给出仿真结果，仿真波形验证了GPIB控制器的工作符合预想。最后，本文对基于FPGA的GPIB控制器的IP核设计过程进行了总结，展望了当前GPIB控制器设计的发展趋势，指出了开展进一步研究需要做的工作。
上传时间： 2013-04-24
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基于彩色路径识别的视觉导航方法是当前自动导航小车领域的研究热点和方向。视觉导航是指根据地面路径和被控对象之间的位置偏差控制其运行的方向，因此，地面彩色路径图像的摄取及其识别处理就成为视觉导航系统中的基础和关键。在当前的视觉导航系统设计中，图像处理的硬件平台都是基于通用微处理器，嵌入式微处理器或者DSP进行设计的。这些处理器一个共同的特点就是数据串行处理，而图像处理过程涉及大量的并行处理操作，因此传统的串行处理方式满足不了图像处理的实时性要求。 鉴于微处理器这方面的不足，作者提出一种使用FPGA实现图像识别的并行处理方案，并据此设计一个智能图像传感器。该传感器采用先进的FPGA技术，将图像采集及其显示，路径的识别处理以及通信控制等模块集成在一个芯片上，形成一个片上系统(SOC)。其主要功能是对所采集的彩色路径图像进行识别处理，获得彩色路径的坐标及其方向角，并将处理结果发送给上位机，为自动导航提供控制依据。 本文将彩色路径的识别处理过程划分为三个阶段，第一阶段为颜色聚类识别，以获得二值路径图像，第二阶段为数学形态学运算，用于对第一阶段中获得的二值图像进行去斑处理，第三阶段为路径中心线的定位及其方向角的测量。图像传感器与上位机的通信采用异步串行方式，由于上位机需要控制该传感器执行多种任务，作者定义一种基于异步串行通信的应用层协议，用于上位机对传感器的控制。在图像的显示中，为了弥补图像采集的速率和VGA显示速率的不匹配，作者提出一种基于单端口存储器的图像帧缓冲机制，通过VGA接口将采集的图像实时地显示出来。 根据上述思想，作者完成了系统的硬件电路设计，并对整个系统进行了现场调试。调试结果表明，传感器系统的各个模块都能正常工作，FPGA中的数字逻辑电路能够实时地将路径从图像中准确地识别出来，.充分体现了FPGA对路径图像的高速处理优势，达到了设计预期目标，在一定程度上丰富了路径图像识别处理的技术和方法。
上传时间： 2013-04-24
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可靠通信要求消息从信源到信宿尽量无误传输，这就要求通信系统具有很好的纠错能力，如使用差错控制编码。自仙农定理提出以来，先后有许多纠错编码被相继提出，例如汉明码，BCH码和RS码等，而C。Berrou等人于1993年提出的Turbo码以其优异的纠错性能成为通信界的一个里程碑。 然而，Turbo码迭代译码复杂度大，导致其译码延时大，故而在工程中的应用受到一定限制，而并行Turbo译码可以很好地解决上述问题。本论文的主要工作是通过硬件实现一种基于帧分裂和归零处理的新型并行Turbo编译码算法。论文提出了一种基于多端口存储器的并行子交织器解决方法，很好地解决了并行访问存储器冲突的问题。 本论文在现场可编程门阵列(FPGA)平台上实现了一种基于帧分裂和篱笆图归零处理的并行Turbo编译码器。所实现的并行Turbo编译码器在时钟频率为33MHz，帧长为1024比特，并行子译码器数和最大迭代次数均为4时，可支持8.2Mbps的编译码数掘吞吐量，而译码时延小于124us。本文还使用EP2C35FPGA芯片设计了系统开发板。该开发板可提供高速以太网MAC／PHY和PCI接口，很好地满足了通信系统需求。系统测试结果表明，本文所实现的并行Turbo编译码器及其开发板运行正确、有效且可靠。 本论文主要分为五章，第一章为绪论，介绍Turbo码背景和硬件实现相关技术。第二章为基于帧分裂和归零的并行Turbo编码的设计与实现，分别介绍了编码器和译码器的RTL设计，还提出了一种基于多端口存储器的并行子交织器和解交织器设计。第三章讨论了使用NIOS处理器的SOC架构，使用SOC架构处理系统和基于NIOSII处理器和uC／0S一2操作系统的架构。第四章介绍了FPGA系统开发板设计与调试的一些工作。最后一章为本文总结及其展望。
上传时间： 2013-04-24
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8051系列是至今为止最成功的单片机之一，在FPGA平台上研究带硬件浮点运算器的8051是对其在SoC及专用化的方向上的一次迈进。文章首先介绍了8051的基本架构，包括硬件模块、指令系统、内存分配以及基本外设。然后讲解了在设计8051时如何划分模块，每个模块的功能与设计，同时也介绍了如何设计流水线来加速8051的处理速度。对于浮点运算器，文章介绍了IEEE浮点数的表示方法，包括各种特殊值的表示方法以及作用。在探讨浮点运算器设计的时候首先是给出了模块的划分及其实现的功能，然后以生动的实例介绍了加减乘除四种浮点运算的算法。在介绍完8051与浮点运算器设计以后，文章介绍了如何将浮点运算器集成到8051上，包括硬件上的数据线接口和控制线接口，以及软件中如何运用硬件浮点运算器。最后文章给出了此设计在ModelSim上的仿真结果以及在CyclonelIFPGA芯片上的验证过程，可以清楚地看到，与KeilC51软件库的浮点运算相比，加法运算从186个时钟周期减少到4个时钟周期，减法运算从200个时钟周期减少到4个时钟周期，乘法运算从241个时钟周期减少到4个时钟周期，而除法则由原来的¨lO个时钟周期减少到4个时钟周期，可见硬件浮点运算器使8051在运算能力上有了质的提高。 笔者也在“Google”和“百度”搜索引擎上，以及“维普数据论文网’’上搜索过，都没有发现有类似的设计，带硬件浮点运算器的8051可谓是一次创新，希望在实际应用中能有用武之地。
上传时间： 2013-04-24
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JPEG是联合图像专家组(Joint Picture Expert Group)的英文缩写，是国际标准化组织(ISO)和CCITT联合制定的静态图像压缩编码标准。JPEG的基于DCT变换有损压缩具有高压缩比特点，被广泛应用在数据量极大的多媒体以及带宽资源宝贵的网络程序中。 动态图像的JPEG编解码处理要求图像恢复质量高、实时性强，本课题就是针对这两个方面的要求展开的研究。该系统由图像编码服务器端和图像解码客户端组成。其中，服务器端实时采集摄像头传送的动态图像，进行JPEG编码，通过网络传送码流到客户端；客户端接收码流，经过JPEG解码，恢复出原始图像送VGA显示。设计结果完全达到了实时性的要求。 本文从系统实现的角度出发，首先分析了系统开发平台，介绍FPGA的结构特点以及它的设计流程和指导原则；然后从JPEG图像压缩技术发展的历程出发，分析JPEG标准实现高压缩比高质量图像处理的原理；针对FPGA在算法实现上的特点，以及JPEG算法处理的原理，按照编码和解码顺序，研究设计了基于改进的DA算法的FDCT和IDCT变换，以及按发生频率进行优化的霍夫曼查找表结构，并且从系统整体上对JPEG编解码进行简化，以提高系统的处理性能。最后，通过分析Nios嵌入式微处理器可定制特性，根据SOPC Builder中Avalon总线的要求，把图像采集，JPEG图像压缩和网络传输转变成用户自定义模块，在SOPC Builder下把用户自定义模块添加到系统中，由Nios嵌入式软核的控制下运行，在FPGA芯片上实现整个JPEG实时图像编解码系统(soc)。 在FPGA上实现硬件模块化的JPEG算法，具有造价低功耗低，性能稳定，图像恢复后质量高等优点，适用于精度要求高且需要对图像进行逐帧处理的远程微小目标识别和跟踪系统中以及广电系统中前期的非线性编辑工作以及数字电影的动画特技制作，对降低成本和提高图像处理速度两方面都有非常重大的现实意义。通过在FPGA上实现JPEG编解码，进一步探索FPGA在数字图像处理上的优势所在，深入了解进行此类硬件模块设计的技术特点，是本课题的重要学术意义所在。
上传时间： 2013-04-24
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感应加热电源以其环保、节能等优点在工业生产中得到了广泛的应用，逆变控制电路是直接影响感应加热电源能否安全、高效运行的关键因素。目前的感应加热装置很多采用模拟电路控制，而模拟控制电路触点多，焊点多，系统可靠性低，对一些元件的工艺性要求高，电路中控制参数不容易进行修改，灵活性较差。近年来随着微处理机的发展，数字式控制精确，软件设计灵活，因而整个控制系统容易实现，在感应加热领域中运用数字式控制已是一个发展方向。 本文在模拟逆变控制系统的基础上，在可编程逻辑器件(FPGA)上进行了数字式并联逆变控制系统的研究。 首先，本文针对感应加热并联逆变控制的数字化进行了详细的研究。在参阅国内外相关文献的基础上，结合已有模拟并联逆变控制电路的工作原理，设计了全数字锁相环、它激转自激扫频启动模块等逆变控制功能模块，并对各个模块进行了相关的数学分析和功能仿真，结果证明可以达到预定的功能指标和设计要求。 然后，分析了感应加热电源的整体工作流程，针对模拟控制电路中控制参数不易进行修改、灵活性较差等问题，设计了数据采集、存储、显示等功能模块，有利于系统的调试，参数修改等实际操作。 最后，以模拟逆变控制策略为基础，分析了数字控制器的控制要求和策略。由硬件状态机实现数字控制器的设计，完成对整个逆变控制系统的整体控制操作。通过自上而下的总体设计，将各个部分组合起来，构成一个SOC系统。在FPGA集成软件中进行了各部分和整体的仿真验证，结果证明该设计可以完成逆变控制的各项需求和预定的人机交互操作。
上传时间： 2013-07-09
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随着系统芯片(SoC)设计复杂度不断增加，使得缩短面市时间的压力越来越大。虽然IP核复用大大减少了SoC的设计时间，但是SoC的验证仍然非常复杂耗时。SoC和ASIC的最大不同之处在于它的规模和复杂的系统性，除了大量硬件模块之外，SoC还需要大量的同件和软件，如操作系统，驱动程序以及应用程序等。面对SoC数目众多的硬件模块，复杂的嵌入式软件，由于软件仿真速度和仿真模犁的局限性，验证往往难以达到令人满意的要求，耗费了大最的时间，将给系统芯片的上市带来严重的影响。为了减少此类情况的发生，在流样片之前，进行基于FPGA的系统原型验证，即在FPGA上快速地实现SoC设计中的硬件模块，让软件模块在真正的硬件环境中高速运行，从而实现SoC设计的软硬件协同验证。这种方法已经成为SoC设计流程前期阶段常用的验证方法。 在简要分析几种业内常用的验证技术的基础上，本文重点阐述了基于FPGA的SoC验证流程与技术。结合Mojox数码相机系统芯片(以下简称为Mojox SoC)的FPGA原型验证平台的设计，介绍了Mojox FPGA原型验证平台的硬件设计过程和Mojox SoC的FPGA原型实现，并采用基于模块的FPGA设计实现方法，加快了原型验证的工作进程。 本文还介绍了Mojox SoC中ARM固件和PC应用软件等原型软件的设计实现以及原型验证平台的软硬协同验证的过程。通过软硬协同验证，本文实现了PC机对整个验证平台的摔制，达到了良好的验证效果，且满足了预期的设计要求。
上传时间： 2013-07-02
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数据采集系统是信号与信息处理系统中不可缺少的重要组成部分，同时也是软件无线电系统中的核心模块，在现代雷达系统以及无线基站系统中的应用越来越广泛。为了能够满足目前对软件无线电接收机自适应性及灵活性的要求，并充分体现在高性能FPGA平台上设计SOC系统的思路，本文提出了由高速高精度A/D转换芯片、高性能FPGA、PCI总线接口、DB25并行接口组成的高速数据采集系统设计方案及实现方法。其中FPGA作为本系统的控制核心和传输桥梁，发挥了极其重要的作用。通过FPGA不仅完成了系统中全部数字电路部分的设计，并且使系统具有了较高的可适应性、可扩展性和可调试性。 在时序数字逻辑设计上，充分利用FPGA中丰富的时序资源，如锁相环PLL、触发器，缓冲器FIFO、计数器等，能够方便的完成对系统输入输出时钟的精确控制以及根据系统需要对各处时序延时进行修正。 在存储器设计上，采用FPGA片内存储器。可根据系统需要随时进行设置，并且能够方便的完成数据格式的合并、拆分以及数据传输率的调整。 在传输接口设计上，采用并行接口和PCI总线接口的两种数据传输模式。通过FPGA中的宏功能模块和IP资源实现了对这两种接口的逻辑控制，可使系统方便的在两种传输模式下进行切换。 在系统工作过程控制上，通过VB程序编写了应用于PC端的上层控制软件。并通过并行接口实现了PC和FPGA之间的交互，从而能够方便的在PC机上完成对系统工作过程的控制和工作模式的选择。 在系统调试方面，充分利用QuartuslI软件中自带的嵌入式逻辑分析仪SignalTaplI，实时准确的验证了在系统整个传输过程中数据的正确性和时序性，并极大的降低了用常规仪器观测FPGA中众多待测引脚的难度。 本文第四章针对FPGA中各功能模块的逻辑设计进行了详细分析，并对每个模块都给出了精确的仿真结果。同时，文中还在其它章节详细介绍了系统的硬件电路设计、并行接口设计、PCI接口设计、PC端控制软件设计以及用于调试过程中的SignalTapⅡ嵌入式逻辑分析仪的使用方法，并且也对系统的仿真结果和测试结果给出了分析及讨论。最后还附上了系统的PCB版图、FPGA逻辑设计图、实物图及注释详细的相关源程序清单。
上传时间： 2013-06-09
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