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如何提高

計算機組成實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

《計算機組成原理》是計算機系的一門核心課程。但是它涉及的知識面非常廣，內(nèi)容包括中央處理器、指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、總線和輸入輸出系統(tǒng)等方面，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時，普遍覺得內(nèi)容抽象難于理解。但借助于該計算機組成原理實驗系統(tǒng)，學(xué)生通過實驗環(huán)節(jié)，可以進一步融會貫通學(xué)習(xí)內(nèi)容，掌握計算機各模塊的工作原理，相互關(guān)系的來龍去脈。為了增強實驗系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的靈活性，降低實驗成本，我們采用FPGA芯片技術(shù)來徹底更新現(xiàn)有的計算器組成原理實驗平臺。該技術(shù)可根據(jù)用戶要求為芯片加載由VHDL語言所編寫出的不同的硬件邏輯，F(xiàn)PGA芯片具有重復(fù)編程能力，使得系統(tǒng)內(nèi)硬件的功能可以像軟件一樣被編程，這種稱為“軟”硬件的全新系統(tǒng)設(shè)計概念，使實驗系統(tǒng)具有極強的靈活性和適應(yīng)性。它不僅使該系統(tǒng)性能的改進和擴充變得十分簡易和方便，而且使學(xué)生自己設(shè)計不同的實驗變?yōu)榭赡堋Ｓ嬎銠C組成原理實驗的最終目的是讓學(xué)生能夠設(shè)計CPU，但首先，學(xué)生必須知道CPU的各個功能部件是如何工作，以及相互之間是如何配合構(gòu)成CPU的。因此，我們必須先設(shè)計出一個教學(xué)用的以FPGA芯片為核心的硬件平臺，然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)出VHDL部件庫及主要邏輯功能，并設(shè)計出一套實驗。本文重點研究了基于FPGA芯片的VHDL硬件系統(tǒng)，由于VHDL的高標準化和硬件描述能力，現(xiàn)代CPU的主要功能如計算，存儲，I/O操作等均可由VHDL來實現(xiàn)。同時設(shè)計實驗內(nèi)容，包括時序電路的組成及控制原理實驗、八位運算器的組成及復(fù)合運算實驗、存儲器實驗、數(shù)據(jù)通路實驗、浮點運算器實驗、多流水線處理器實驗等，這些實驗形成一個相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。每個實驗先由教師講解原理及原理圖，學(xué)生根據(jù)教師提供的原理圖，自己用MAX+PLUSII完成電路輸入，學(xué)生實驗實際上是編寫VHDL，不需要寫得很復(fù)雜，只要能調(diào)用接口，然后將程序燒入平臺，這樣既不會讓學(xué)生花太多的時間在畫電路圖上，又能讓學(xué)生更好的理解每個部件的工作原理和工作過程。論文首先研究分析了FPGA硬件實驗平臺，即實驗系統(tǒng)的硬件組成。系統(tǒng)采用FPGA-XC4010EPC84，62256CPLD以及其他外圍芯片(例如74LS244，74LS275)組成。根據(jù)不同的實驗要求，規(guī)劃不同實驗控制邏輯。用戶可選擇不同的實驗邏輯，通過把實驗邏輯下載到FPGA芯片中構(gòu)成自己的實驗平臺。其次，論文詳細的闡述了VHDL模塊化設(shè)計，如何運用VHDL技術(shù)來依次實現(xiàn)CPU的各個功能部件。VHDL語言作為一種國際標準化的硬件描述語言，自1987年獲得IEEE批準以來，經(jīng)過了1993年和2001年兩次修改，至今已被眾多的國際知名電子設(shè)計自動化(EDA)工具研發(fā)商所采用，并隨同EDA設(shè)計工具一起廣泛地進入了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)領(lǐng)域，目前已成為電子業(yè)界普遍接受的一種硬件設(shè)計技術(shù)。再次，論文針對實驗平臺中遇到的較為棘手的多流水線等問題，也進行了深入的闡述和剖析。學(xué)生需要什么樣的實驗條件，實驗內(nèi)容及步驟才能了解當(dāng)今CPU所采用的核心技術(shù)，才能掌握CPU的設(shè)計，運行原理。另外，本論文的背景是需要學(xué)生熟悉基本的VHDL知識或技能，因為實驗是在編寫VHDL代碼的前提下完成的。本文在基于實驗室的環(huán)境下，基本上較為完整的實現(xiàn)了一個基于FPGA的實驗平臺方案。在此基礎(chǔ)上，進行了部分功能的測試和部分性能方面的分析。本論文的研究，為FPGA在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用提供研究思路和參考方案。論文的研究結(jié)果將對FPGA與VHDL標準的進一步發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

標簽： 計算機組成實驗

上傳時間： 2013-04-24

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用FPGA實現(xiàn)帶硬件浮點運算器的8051

8051系列是至今為止最成功的單片機之一，在FPGA平臺上研究帶硬件浮點運算器的8051是對其在SoC及專用化的方向上的一次邁進。文章首先介紹了8051的基本架構(gòu)，包括硬件模塊、指令系統(tǒng)、內(nèi)存分配以及基本外設(shè)。然后講解了在設(shè)計8051時如何劃分模塊，每個模塊的功能與設(shè)計，同時也介紹了如何設(shè)計流水線來加速8051的處理速度。對于浮點運算器，文章介紹了IEEE浮點數(shù)的表示方法，包括各種特殊值的表示方法以及作用。在探討浮點運算器設(shè)計的時候首先是給出了模塊的劃分及其實現(xiàn)的功能，然后以生動的實例介紹了加減乘除四種浮點運算的算法。在介紹完8051與浮點運算器設(shè)計以后，文章介紹了如何將浮點運算器集成到8051上，包括硬件上的數(shù)據(jù)線接口和控制線接口，以及軟件中如何運用硬件浮點運算器。最后文章給出了此設(shè)計在ModelSim上的仿真結(jié)果以及在CyclonelIFPGA芯片上的驗證過程，可以清楚地看到，與KeilC51軟件庫的浮點運算相比，加法運算從186個時鐘周期減少到4個時鐘周期，減法運算從200個時鐘周期減少到4個時鐘周期，乘法運算從241個時鐘周期減少到4個時鐘周期，而除法則由原來的¨lO個時鐘周期減少到4個時鐘周期，可見硬件浮點運算器使8051在運算能力上有了質(zhì)的提高。筆者也在“Google”和“百度”搜索引擎上，以及“維普數(shù)據(jù)論文網(wǎng)’’上搜索過，都沒有發(fā)現(xiàn)有類似的設(shè)計，帶硬件浮點運算器的8051可謂是一次創(chuàng)新，希望在實際應(yīng)用中能有用武之地。

標簽： FPGA 8051 硬件浮點運算器

上傳時間： 2013-04-24

上傳用戶：13081287919
FPGA裝箱和劃分算法研究

隨著集成電路的設(shè)計規(guī)模越來越大，F(xiàn)PGA為了滿足這種設(shè)計需求，其規(guī)模也越做越大，傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的FPGA無法滿足實際設(shè)計需求。首先是硬件設(shè)計上的很難控制，其次就是計算機軟件面臨很大挑戰(zhàn)，所有復(fù)雜問題全部集中到布局布線(P&R)這一步，而實際軟件處理過程中，P&R所占的時間比例是相當(dāng)大的。為了緩解這種軟件和硬件的設(shè)計壓力，多層次化結(jié)構(gòu)的FPGA得以采用。所謂層次化就是可配置邏輯單元內(nèi)部包含多個邏輯單元(相對于傳統(tǒng)的單一邏輯單元)，并且內(nèi)部的邏輯單元之間共享連線資源，這種結(jié)構(gòu)有利于減少芯片面積和提高布通率。與此同時，F(xiàn)PGA的EDA設(shè)計流程也多了一步，那就是在工藝映射和布局之間增加了基本邏輯單元的裝箱步驟，該步驟既可以認為是工藝映射的后處理，也可認為是布局和布線模塊的預(yù)處理，這一步不僅需要考慮打包，還要考慮布線資源的問題。裝箱作為連接軟件前端和后端之間的橋梁，該步驟對FPGA的性能影響是相當(dāng)大的。本文通過研究和分析影響芯片步通率的各種因素，提出新的FPGA裝箱算法，可以同時減少裝箱后可配置邏輯單元(CLB)外部的線網(wǎng)數(shù)和外部使用的引腳數(shù)，從而達到減少布線所需的通道數(shù)。該算法和以前的算法相比較，無論從面積，還是通道數(shù)方面都有一定的改進。算法的時間復(fù)雜度仍然是線性的。與此同時本文還對FPGA的可配置邏輯單元內(nèi)部連線資源做了分析，如何設(shè)計可配置邏輯單元內(nèi)部的連線資源來達到即減少面積又保證芯片的步通率，同時還可以提高運行速度。另外，本文還提出將電路分解成為多塊，分別下載到各個芯片的解決方案。以解決FPGA由于容量限制，而無法實現(xiàn)某些特定電路原型驗證。該算法綜合考慮影響多塊芯片性能的各個因數(shù)，采用較好的目標函數(shù)來達到較優(yōu)結(jié)果。

標簽： FPGA 劃分算法

上傳時間： 2013-04-24

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如何成為電子工程師

如何成為電子工程師,本書適合那些想成為工程師的人。掌握電路和電子知識

標簽： 電子工程師

上傳時間： 2013-05-29

上傳用戶：xuanchangri
基于FPGA的數(shù)字收發(fā)機信號處理

在3G移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，如何實現(xiàn)密集城區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋是目前基站的發(fā)展方向。目前網(wǎng)絡(luò)覆蓋理念的核心思想就把傳統(tǒng)宏基站的基帶處理和射頻部分分離，分成基帶處理單元和射頻拉遠單元兩個設(shè)備，這樣既節(jié)省空間、降低設(shè)置成本，又提高了組網(wǎng)效率。本文研究的數(shù)字收發(fā)機用于WCDMA基站系統(tǒng)的射頻拉遠單元中，實現(xiàn)移動通信網(wǎng)中射頻信號的傳輸工作。數(shù)字收發(fā)機主要由射頻處理部分、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換部分、數(shù)字上下變頻處理部分、接口轉(zhuǎn)換以及數(shù)字光模塊組成。本文研究的重點是數(shù)字上下變頻處理部分。設(shè)計采用軟件無線電的架構(gòu)和FPGA技術(shù)，所設(shè)計的數(shù)字上下變頻部分可以在不修改硬件電路的基礎(chǔ)上只需修改軟件部分的參數(shù)則可實現(xiàn)多種頻率的變頻處理，極大地降低了開發(fā)成本，且縮短了開發(fā)周期。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計要求，以及現(xiàn)有芯片使用情況比較，本文選用Altera公司的：FPGA芯片，應(yīng)用公司提供的Dspbuilder作為系統(tǒng)級的開發(fā)工具，應(yīng)用Quartus Ⅱ作為綜合、布局布線工具實現(xiàn)數(shù)字上下變頻處理部分設(shè)計。本文的主要研究工作包括以下幾個部分： (1)對數(shù)字收發(fā)機的整體結(jié)構(gòu)進行分析研究，確定數(shù)字收發(fā)機的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和各個部分的功能； (2)通過對數(shù)字上下變頻的相關(guān)理論的研究，分析出數(shù)字上下變頻的結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)方法及性能； (3)通過對數(shù)控振蕩器、CIC濾波器、FIR濾波器進行理論研究、內(nèi)部實現(xiàn)結(jié)構(gòu)以及性能分析，得出具體的參數(shù)和仿真實現(xiàn)結(jié)構(gòu)； (4)使用FPGA中的IP核技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字上下變頻，利用Matlab中Dspbuilder提供的IP核分別進行NCO、CIC、FIR的仿真工作；并得出數(shù)字上下變頻的總體仿真實現(xiàn)結(jié)果； (5)對高速收發(fā)通道進行了研究和設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)的要求給出了數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，并采用Altera的第三代FPGA產(chǎn)品Stratix Ⅱ GX系列芯片實現(xiàn)了數(shù)字收發(fā)機的信號的串并/并串的接口轉(zhuǎn)換。為后續(xù)繼續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ)。

標簽： FPGA 數(shù)字收發(fā)機信號處理

上傳時間： 2013-06-21

上傳用戶：zhuo0008
卷積編碼和維特比譯碼的FPGA實現(xiàn)

由于其很強的糾錯性能和適合硬件實現(xiàn)的編譯碼算法，卷積編碼和軟判決維特比譯碼目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。然而隨著航天事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星有效載荷種類的增多和分辨率的不斷提高，信息量越來越大。如何在低信噪比的功率受限信道條件下提高傳輸速率成為目前亟待解決的問題。本論文結(jié)合在研項目，在編譯碼算法、編譯碼器的設(shè)計與實現(xiàn)、編譯碼器性能提高三個方面對卷積編碼和維特比譯碼進行了深入研究，并進一步介紹了使用VHDL語言和原理圖混合輸入的方式，實現(xiàn)一種(7,3/4)增信刪余方式的高速卷積編碼器和維特比譯碼器的詳細過程；然后將設(shè)計下載到XILINX的Virtex2 FPGA內(nèi)部進行功能和時序確認，最終在整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中測試其性能。本文所實現(xiàn)的維特比譯碼器速率達160Mbps，遠遠高于目前國內(nèi)此領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)品速率。首先，論文具體介紹了卷積編碼和維特比譯碼的算法，研究卷積碼的各種參數(shù)(約束長度、生成多項式、碼率以及增信刪余等)對其譯碼性能的影響；針對項目需求，確定卷積編碼器的約束長度、生成多項式格式、碼率和相應(yīng)的維特比譯碼器的回歸長度。其次，論文介紹了編解碼器的軟、硬件設(shè)計和調(diào)試一根據(jù)已知條件，使用VHDL語言和原理圖混合輸入的方式設(shè)計卷積編碼和維特比譯碼的源代碼和原理圖，分別采用功能和電路級仿真，確定卷積編碼和維特比譯碼分別需要占用的資源，考慮卷積編碼器和維特比譯碼器的具體設(shè)計問題，包括編譯碼的基本結(jié)構(gòu)，各個模塊的功能及實現(xiàn)策略，編譯碼器的時序、邏輯綜合等；根據(jù)軟件仿真結(jié)果，分別確定卷積編碼器和維特比譯碼器的接口、所需的FPGA器件選型和進行各自的印制板設(shè)計。利用卷積碼本身的特點，結(jié)合FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用并行卷積編碼和譯碼運算，設(shè)計出高速編譯碼器；對軟、硬件分別進行驗證和調(diào)試，并將驗證后的軟件下載到FPGA進行電路級調(diào)試。最后，論文討論了卷積編碼和維特比譯碼的性能：利用已有的測試設(shè)備在整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中測試其性能(與沒有采用糾錯編碼的數(shù)傳系統(tǒng)進行比對)；在信道中加入高斯白噪聲，模擬高斯信道，進行誤碼率和信噪比測試。

標簽： FPGA 卷積編碼譯碼

上傳時間： 2013-04-24

上傳用戶：mingaili888
Altium Designer提高教程

Altium Designer 提高教程

標簽： Designer Altium 教程

上傳時間： 2013-08-04

上傳用戶：zhangliming420
Protel99四層板入門與提高

Protel99四層板入門與提高，高手不必看了。

標簽： Protel 99 四層板

上傳時間： 2013-04-24

上傳用戶：葉山豪
電子內(nèi)窺鏡圖像處理系統(tǒng)研究

新型的電子內(nèi)窺鏡融合了電子、光學(xué)以及圖像處理等技術(shù)，以其方便優(yōu)良的圖像采集、處理及顯示能力在工業(yè)無損檢測、現(xiàn)代醫(yī)療等方面得到了廣泛的應(yīng)用。如何進一步提高電子內(nèi)窺鏡的圖像采集及處理速度、智能化控制水平、便攜性...

標簽： 電子內(nèi)窺鏡圖像處理系統(tǒng)研究

上傳時間： 2013-07-26

上傳用戶：ynzfm
基于FPGA的工頻干擾實時濾波技術(shù)

生物醫(yī)學(xué)信號是源于一個生物系統(tǒng)的一類信號，像心音、腦電、生物序列和基因以及神經(jīng)活動等，這些信號通常含有與生物系統(tǒng)生理和結(jié)構(gòu)狀態(tài)相關(guān)的信息，它們對這些系統(tǒng)狀態(tài)的研究和診斷具有很大的價值。信號拾取、采集和處理的正確與否直接影響到生物醫(yī)學(xué)研究的準確性，如何有效地從強噪聲背景中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信號是信號處理技術(shù)的重要問題。　　設(shè)計自適應(yīng)濾波器對帶有工頻干擾的生物醫(yī)學(xué)信號進行濾波，從而消除工頻干擾，獲得最佳的濾波效果是本研究要解決的問題。生物醫(yī)學(xué)信號具有信號弱、噪聲強、頻率范圍較低、隨機性強等特點。由于心電(electrocardiogram，ECG)信號的確定性、穩(wěn)定性、規(guī)則性都比其他生物信號高，便于準確評估和檢測濾波效果，本研究采用ECG信號作為原始的模板信號。　　本研究將新的電子芯片技術(shù)與現(xiàn)代信號處理技術(shù)相結(jié)合，從過去單一的軟件算法研究，轉(zhuǎn)向軟件與硬件結(jié)合，從而提高自適應(yīng)速度和精度，而且可以使系統(tǒng)的開發(fā)周期縮短、成本降低、容易升級和變更。　　采用現(xiàn)場可編程邏輯器件(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)作為新的ECG快速提取算法的硬件載體，加快信號處理的速度。為了將ECG快速提取算法轉(zhuǎn)換為常用的適合于FPGA芯片的定點數(shù)算法，研究中詳細分析了定點數(shù)的量化效應(yīng)對自適應(yīng)噪聲消除器的影響，以及對浮點數(shù)算法和定點數(shù)算法的復(fù)合自適應(yīng)濾波器的各種參數(shù)的選擇，如步長因子和字長選擇。研究中以定點數(shù)算法中的步長因子和字長選擇，作為FPGA設(shè)計的基礎(chǔ)，利用串并結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自適應(yīng)濾波器，并得到了預(yù)期的效果，準確提取改善后的ECG信號。　　研究中，在MATLAB(Matrix Laboratry)軟件的環(huán)境下模擬，選取帶有50Hz工頻干擾的不同信噪比的ECG原始信號，在浮點數(shù)情況下，原始信號通過采用最小均方LMS(LeastMean Squares)算法的浮點數(shù)自適應(yīng)濾波器后，根據(jù)信噪比的改善和收斂速度，確定不同的最佳μ值，并在定點數(shù)情況下，在最佳μ值的情況下，原始信號通過采用LMs算法的定點數(shù)自適應(yīng)濾波器后，根據(jù)信噪比的改善效果和采用硬件的經(jīng)濟性，確定最佳的定點數(shù)。并了解LMS算法中步長因子、定點數(shù)字長值對信號信噪比、收斂速度和硬件經(jīng)濟性的影響。從而得出針對含有工頻干擾的不同信噪比的原始ECG，應(yīng)該采用什么樣的μ值和什么樣的定點數(shù)才能對原始ECG的改善和以后的硬件實現(xiàn)取得最佳的效果，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)和結(jié)果，在FPGA上實現(xiàn)自適應(yīng)濾波器，使自適應(yīng)濾波器能對帶有工頻干擾的ECG原始信號有最佳的濾波效果。

標簽： FPGA 工頻干擾濾波技術(shù)

上傳時間： 2013-04-24

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