隨著系統芯片(SoC)設計復雜度不斷增加，使得縮短面市時間的壓力越來越大。雖然IP核復用大大減少了SoC的設計時間，但是SoC的驗證仍然非常復雜耗時。SoC和ASIC的最大不同之處在于它的規模和復雜的系統性，除了大量硬件模塊之外，SoC還需要大量的同件和軟件，如操作系統，驅動程序以及應用程序等。面對SoC數目眾多的硬件模塊，復雜的嵌入式軟件，由于軟件仿真速度和仿真模犁的局限性，驗證往往難以達到令人滿意的要求，耗費了大最的時間，將給系統芯片的上市帶來嚴重的影響。為了減少此類情況的發生，在流樣片之前，進行基于FPGA的系統原型驗證，即在FPGA上快速地實現SoC設計中的硬件模塊，讓軟件模塊在真正的硬件環境中高速運行，從而實現SoC設計的軟硬件協同驗證。這種方法已經成為SoC設計流程前期階段常用的驗證方法。 在簡要分析幾種業內常用的驗證技術的基礎上，本文重點闡述了基于FPGA的SoC驗證流程與技術。結合Mojox數碼相機系統芯片(以下簡稱為Mojox SoC)的FPGA原型驗證平臺的設計，介紹了Mojox FPGA原型驗證平臺的硬件設計過程和Mojox SoC的FPGA原型實現，并采用基于模塊的FPGA設計實現方法，加快了原型驗證的工作進程。 本文還介紹了Mojox SoC中ARM固件和PC應用軟件等原型軟件的設計實現以及原型驗證平臺的軟硬協同驗證的過程。通過軟硬協同驗證，本文實現了PC機對整個驗證平臺的摔制，達到了良好的驗證效果，且滿足了預期的設計要求。
上傳時間： 2013-07-02
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遺傳算法是基于自然選擇的一種魯棒性很強的解決問題方法。遺傳算法已經成功地應用于許多難優化問題，現已成為尋求滿意解的最佳工具之一。然而，較慢的運行速度也制約了其在一些實時性要求較高場合的應用。利用硬件實現遺傳算法能夠充分發揮硬件的并行性和流水線的特點，從而在很大程度上提高算法的運行速度。 本文對遺傳算法進行了理論介紹和分析，結合硬件自身的特點，選用了適合硬件化的遺傳算子，設計了標準遺傳算法硬件框架；為了進一步利用硬件自身的并行特性，同時提高算法的綜合性能，本文還對現有的一些遺傳算法的并行模型進行了研究，討論了其各自的優缺點及研究現狀，并在此基礎上提出一種適合硬件實現的粗粒度并行遺傳算法。 我們構建的基于FPGA構架的標準遺傳算法硬件框架，包括初始化群體、適應度計算、選擇、交叉、變異、群體存儲和控制等功能模塊。文中詳細分析了各模塊的功能和端口連接，并利用硬件描述語言編寫源代碼實現各模塊功能。經過功能仿真、綜合、布局布線、時序仿真和下載等一系列步驟，實現在Altera的Cyclone系列FPGA上。并且用它嘗試解決一些函數的優化問題，給出了實驗結果。這些硬件模塊可以被進一步綜合映射到ASIC或做成IP核方便其他研究者調用。 最后，本文對硬件遺傳算法及其在函數優化中的一些尚待解決的問題進行了討論，并對本課題未來的研究進行了展望。
上傳時間： 2013-07-22
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目前對數字化音頻處理的具體實現主要集中在以DSP或專用ASIC芯片為核心的處理平臺的開發方面，存在著并行處理性能差，系統升級和在線配置不靈活等缺點。另一方面現有解決方案的設計主要集中于處理器芯片，而對于音頻編解碼芯片的關注度較低，而且沒有提出過從芯片層到PCB板層的完整設計思路。本文針對上述問題對數字化音頻處理平臺進行了研究，主要內容包括： 1、提出了基于FPGA的通用音頻處理平臺，該方案有別于現有的基于MCU、DSP和其它專用ASIC芯片的方案，論證了基于FPGA的音頻處理系統的結構及設計工作流程，并對嵌入式音頻處理系統專門進行了研究。 2、提出了從芯片層到PCB板層的完整設計思路，并將設計思路得以實現。完成了FPGA的設計及實現過程，包括：系統整體分析，設計流程分析，配置模塊和數據通信模塊的RTL實現等；解決了FPGA與音頻編解碼芯片TLV320AIC23B之間接口不匹配問題；給出配置和數據通信模塊的功能方框圖；從多個角度完善PCB板設計，給出了各個系統組成部分的詳細設計方案和硬件電路原理圖，并附有PCB圖。 3、建立了實驗和分析環境，完成了各項實驗和分析工作，主要包括：PCB板信號完整性分析和優化，FPGA系統中各個功能模塊的實驗與分析等。實驗和分析結果論證了系統設計的合理性和實用性。 本文的研究與實現工作通過實驗和分析得到了驗證。結果表明，本文提出的由FPGA和音頻編解碼芯片TLV320AIC23B組成的數字化音頻處理系統完全可以實現音頻信號的數字化處理，從而可以將FPGA在數字信號處理領域的優點充分發揮于音頻信號處理領域。
上傳時間： 2013-06-09
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擴頻通信系統與常規的通信系統相比，具有很強的抗窄帶干擾，抗多徑干擾，抗人為干擾的能力，并具有信息隱蔽、多址保密通信等優點。在近年來得到了迅速的發展。本論文主要討論和實現了基于FPGA的直接序列擴頻信號的解擴解調處理。論文對該直擴通信系統和FPGA設計方法進行了相關研究，最后用Altera公司的最新的FPGA開發平臺Quarus Ⅱ5.0實現了相關設計。 整個系統分為兩個部分，發送部分和接收部分。發送部分主要有串并轉換、差分卷積編碼、PN碼擴頻、QPSK調制、成型濾波等模塊。接收部分主要有前端抗干擾、數字下變頻、解擴解調等模塊。 論文首先介紹了擴頻通信系統的特點以及相關技術的國內外發展現狀，并介紹了本論文的研究思路和內容。 然后，論文分析了幾種常用的窄帶干擾抑制、載波同步及PN碼同步算法，結合實際需要，設計了一種零中頻DSSS解調解擴方案。給出了抗窄帶干擾、PN碼捕獲及跟蹤以及載波同步的算法分析，采用了基于數字外差調制的自適應陷波器來進行前端窄帶干擾抑制處理，用基于自適應門限技術的滑動相關捕獲和分時復用單相關器跟蹤來改善PN碼同步的性能，用基于硬判決的COSTAS(科斯塔斯)環來減少載波提取的算法復雜度，用改進型CORDIC算法實現NCO來方便的進行擴展。 接著，論文給出了系統總體設計和發送及接受子系統的各個功能模塊的實現分析以及在Quartus Ⅱ5.0上的實現細節，給出了仿真結果。 然后論文介紹了整個系統的硬件電路設計和它在真實系統中連機調試所得到的測試結果，結果表明該系統具有性能穩定，靈活性好，生產調試容易，體積小，便于升級等特點并且達到課題各項指標的要求。 最后是對論文工作的一些總結和對今后工作的展望。
上傳時間： 2013-07-04
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隨著科學技術的發展，指紋識別技術被廣泛應用到各種不同的領域。對于一般的指紋識別系統，其設計要求具有很高的實時性和易用性，因此識別算法應該具有較低的復雜度，較快的運算速度，從而滿足實時性的要求。所以有必要根據不同的識別算法采用不同的實現平臺，使得指紋識別系統具有較高的可靠性、實時性、有效性等性能要求。 SOPC片上可編程系統和嵌入式系統是當前電子設計領域中最熱門的概念。NiosⅡ是Altera．公司開發的一種采用流水線技術、單指令流的RISC嵌入式處理器軟核，可以將它嵌入到FPGA內部，與用戶自定義邏輯組建成一個基于FPGA的片上專用系統。 本文在綜合考慮各種應用情況的基礎上，以網絡技術、數據庫技術、指紋識別技術和嵌入式系統技術為理論基礎，提出了一種有效可行的系統架構方案。對指紋識別技術中各個環節的算法和原理進行了深入研究，合理的改進了部分指紋識別算法；同時為了提高系統的實時性，采用NiosⅡ嵌入式處理器和FPGA硬件模塊實現指紋圖像處理主要算法。論文主要包括以下幾個方面： 1、對指紋圖像預處理、特征提取和特征匹配算法原理進行闡述，同時改進了指紋圖像的細化算法，提高了算法的性能，并設計了一套實用的指紋特征數據結構； 2、針對指紋圖像預處理模塊，包括圖像的歸一化、頻率提取、方向提取以及方向濾波，采用基于FPGA的硬件電路的方式實現。實驗結果表明，在保證系統誤識率較低、可靠性高的基礎上，大大提高了系統的執行速度； 3、改變了傳統的單枚指紋識別方法，提出采用多枚指紋唯一標識身份，大大降低了識別系統的誤識率； 4、改進了傳統的基于三角形匹配中獲取基準點的方法，同時結合可變界限盒思想進行指紋特征匹配。 5、結合COM+技術、數據庫技術和網絡技術，開發了后臺指紋特征匹配服務系統，實現了嵌入式指紋識別系統同數據庫的實時信息交換。 實驗結果表明，本文所提出的系統構架方案有效可行，基于FPGA的自動指紋識別系統在速度、功耗、擴展性等方面具有獨特的優勢，擁有廣闊的發展前景。
上傳時間： 2013-04-24
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內部存儲器負責計算機系統內部數據的中轉、存儲與讀取，作為計算機系統中必不可少的三大件之一，它對計算機系統性能至關重要。內存可以說是CPU處理數據的“大倉庫”，所有經過CPU處理的指令和數據都要經過內存傳遞到電腦其他配件上，因此內存性能的好壞，直接影響到系統的穩定性和運行性能。在當今的電子系統設計中，內存被使用得越來越多，并且對內存的要求越來越高。既要求內存讀寫速度盡可能的快、容量盡可能的大，同時由于競爭的加劇以及利潤率的下降，人們希望在保持、甚至提高系統性能的同時也能降低內存產品的成本。面對這種趨勢，設計和實現大容量高速讀寫的內存顯得尤為重要。因此，近年來內存產品正經歷著從小容量到大容量、從低速到高速的不斷變化，從技術上也就有了從DRAM到SDRAM，再到DDR SDRAM及DDR2 SDRAM等的不斷演進。和普通SDRAM的接口設計相比，DDR2 SDRAM存儲器在獲得大容量和高速率的同時，對存儲器的接口設計也提出了更高的要求，其接口設計復雜度也大幅增加。一方面，由于I/O塊中的資源是有限的，數據多路分解和時鐘轉換邏輯必須在FPGA核心邏輯中實現，設計者可能不得不對接口邏輯進行手工布線以確保臨界時序。而另一方面，不得不處理好與DDR2接口有關的時序問題（包括溫度和電壓補償）。要正確的實現DDR2接口需要非常細致的工作，并在提供設計靈活性的同時確保系統性能和可靠性。 本文對通過Xilinx的Spartan3 FPGA實現DDR2內存接口的設計與實現進行了詳細闡述。通過Xilinx FPGA提供了I/O模塊和邏輯資源，從而使接口設計變得更簡單、更可靠。本設計中對I/O模塊及其他邏輯在RTL代碼中進行了配置、嚴整、執行，并正確連接到FPGA上，經過仔細仿真，然后在硬件中驗證，以確保存儲器接口系統的可靠性。
上傳時間： 2013-06-08
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隨著計算機運算速度的提高和計算機網絡的發展，基于離散對數問題和大整數因子分解問題的數字簽名算法越來越不能滿足信息安全的需要。為了滿足信息安全的要求，安全性依賴于橢圓曲線離散對數困難問題(ECDLP)的橢圓曲線密碼體制是當前密碼學界研究的熱點之一。現有的求解ECDLP的算法都是全指數時間復雜度的算法。由于專用集成電路具有速度快、性能好、安全性高等優勢，使得采用專用集成電路來實現橢圓曲線密碼體制己成為主要趨勢。因此，本課題著眼于應用，針對基于橢圓曲線數字簽名算法的FPGA實現進行了較為深入的探討與研究。 本課題從實際應用的需要出發，以初等數論、有限域理論、數字簽名技術和橢圓曲線理論為依據，確定了如下基于橢圓曲線數字簽名算法的硬件實現方案：首先，對實現基于橢圓曲線數字簽名算法所需的算法和技術進行了剖析和系統設計。然后，按照層次化、模塊化的設計思想，在Xinlinx公司的ISE 7．1工具中，采用硬件描述語言VHDL作為設計輸入，對各運算器和控制模塊進行電路設計；采用Menter公司的ModelSim SE 6.2b工具對之進行功能仿真，以保證底層設計的正確性。最后，在確保每個模塊的設計正確的前提下，完成電路的總體設計，再進行總體設計的仿真與測試。 本課題對Schnorr數字簽名算法的改進，實現了比未改進前的Schnorr數字簽名算法平均節省三分之一的運行時間。對基于橢圓曲線數字簽名算法的設計也獲得了良好的指標：產生簽名只需要1ms多的時間，驗證簽名也需要不到3ms。本課題的研究對實現電子交易安全方面有重要的作用，尤其是在密鑰分配、電子貨幣、電子證券、電子商務和電子政務等領域都有重要的應用價值，其成果具有廣泛的應用前景。
上傳時間： 2013-04-24
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多功能車輛總線一類設備是一個在列車通信網(TCN，TrainCommunication Network)中普遍使用的網絡接口單元。目前我國的新式列車大多采用列車通信網傳輸列車中大量的控制和服務信息。但使用的列車通信網產品主要為國外進口，因此迫切需要研制具有自主知識產權的列車通信網產品。 論文以一類設備控制器的設計為核心，采取自頂向下的模塊設計方法。將設備控制器分為同步層和數據處理層來分別實現對幀的發送與接收處理和對幀數據的提取與存儲處理。 同步層包含幀的識別模塊、曼徹斯特譯碼模塊、曼徹斯特編碼與幀封裝三個模塊。幀識別模塊檢測幀的起始位并對幀類型進行判斷。譯碼模塊根據采集的樣本值來判斷曼徹斯特編碼的值，采樣的難點在于非理想信號帶來的采樣誤差，論文使用結合位同步的多點采樣法來提高采樣質量。幀分界符中的非數據符不需要進行曼徹斯特編碼，編碼時在非數據符位關閉編碼電路使非數據符保持原來的編碼輸出。 數據處理層以主控單元(MCU，Main Control Unit)和通信存儲器為設計核心。MCU是控制器的核心，對接收的主幀進行分析，判斷是從通信存儲器相應端口取出應答從幀并發送，還是準備接收從幀并存入通信存儲器。通信存儲器存儲設備的通信數據，合適的地址分配能簡化MCU的控制程序，論文固定了通信存儲器端口大小使MCU可以根據一個固定的公式進行端口的遍歷從而簡化了MCU程序的復雜度。數據在傳輸中由于受到干擾和沖突等問題而出現錯誤，論文采用循環冗余檢驗碼結合偶檢驗擴展來對傳輸數據進行差錯控制。 最后，使用FPGA和硬件描述語言Verilog HDL開發出了MVB一類設備。目前該一類設備已運用在SS4G電力機車的制動控制單元(BCU．Brake Control Unit)中并在鐵道科學研究院通過了TCN通信測試。一類設備的成功研制為列車通信網中總線管理器等高類設備的開發奠定了堅實的基礎。
上傳時間： 2013-07-27
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紋理映射在計算機圖形計算中屬于光柵化階段，處理的是像素，主要的特點是數據的吞吐量大，對實時系統來說轉換的速度是一個關鍵的因素，人們尋求各種加速算法來提高運算速度。傳統的方法是用更快的處理器，并行算法或專用硬件。隨著數字技術的發展，尤其是可編程邏輯門陣列(FPGAs)的發展，提供了一種新的加速方法。FPGAs在密度和性能上都有突破性的發展，當前的FPGA芯片已經能夠運算各種圖形算法，而在速度上與專用的圖形卡硬件相同。因此，FPGA芯片非常適合這項工作。 本文主要工作包括以下幾個方面： 1、本文提出了一種MIPmapping紋理映射優化方法，改進了MIPmapping映射細化層次算法及紋理圖像的存儲方式，減少紋理尋址的計算量，提高紋理存儲的相關性。詳細內容請閱讀第三章。 2、提出了一種MIPmapping紋理映射優化方法的硬件實現方案，該方案針對移動設備對功耗和面積的要求，以及分辨率不高的特點，在參數空間到紋理地址的計算中用定點數來實現。詳細內容請閱讀第四章。 3、實現了紋理映射流水線單元紋理地址產生電路，及紋理濾波電路的FPGA設計，并給出設計的綜合和仿真結果。詳細內容請閱讀第五章4、實現了符合IEEE 754單精度標準的乘法、乘累加及除法運算器電路。乘法器采用改進型Booth編碼電路以減少部分積數量，用Wallace對部分積進行壓縮；乘累加器采用multiply-add fused算法，對關鍵路徑進行了優化；除法器為基于改進型泰勒級數展開的查找表結構實現，查找表尺寸只有208字節，電路為固定時延，在電路尺寸、延時及復雜度方面進行了較好的平衡。
上傳時間： 2013-04-24
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在過去的十幾年間，FPGA取得了驚人的發展：集成度已達到1000萬等效門、速度可達到400～500MHz。隨著FPGA的集成度不斷增大，在高密度FPGA中，芯片上時鐘的分布質量就變得越來越重要。時鐘延時和時鐘相位偏移已成為影響系統性能的重要因素。現在，解決時鐘延時問題主要使用時鐘延時補償電路。 為了消除FPGA芯片內的時鐘延時，減小時鐘偏差，本文設計了內置于FPGA芯片中的延遲鎖相環，采用一種全數字的電路結構，將傳統DLL中的用模擬方式實現的環路濾波器和壓控延遲鏈改進為數字方式實現的時鐘延遲測量電路，和延時補償調整電路，配合特定的控制邏輯電路，完成時鐘延時補償。在輸入時鐘頻率不變的情況下，只需一次調節過程即可完成輸入輸出時鐘的同步，鎖定時間較短，噪聲不會積累，抗干擾性好。 在Smic0.18um工藝下，設計出的時鐘延時補償電路工作頻率范圍從25MHz到300MHz，最大抖動時間為35ps，鎖定時間為13個輸入時鐘周期。另外，完成了時鐘相移電路的設計，實現可編程相移，為用戶提供與輸入時鐘同頻的相位差為90度，180度，270度的相移時鐘；時鐘占空比調節電路的設計，實現可編程占空比，可以提供占空比為50/50的時鐘信號；時鐘分頻電路的設計，實現頻率分頻，提供1.5，2，2.5，3，4，5，8，16分頻時鐘。
上傳時間： 2013-07-06
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