隨著信息技術的發展，系統級芯片SoC(System on a Chip)成為集成電路發展的主流。SoC技術以其成本低、功耗小、集成度高的優勢正廣泛地應用于嵌入式系統中。通過對8位增強型CPU內核的研究及其在FPGA(Field Programmable Gate Arrav)上的實現，對SoC設計作了初步研究。 在對Intel MCS-8051的匯編指令集進行了深入地分析的基礎上，按照至頂向下的模塊化的高層次設計流程，對8位CPU進行了頂層功能和結構的定義與劃分，并逐步細化了各個層次的模塊設計，建立了具有CPU及定時器，中斷，串行等外部接口的模型。 利用5種尋址方式完成了8位CPU的數據通路的設計規劃。利用有限狀態機及微程序的思想完成了控制通路的各個層次模塊的設計規劃。利用組合電路與時序電路相結合的思想完成了定時器，中斷以及串行接口的規劃。采用邊沿觸發使得一個機器周期對應一個時鐘周期，執行效率提高。使用硬件描述語言實現了各個模塊的設計。借助EDA工具ISE集成開發環境完成了各個模塊的編程、調試和面向FPGA的布局布線；在Synplify pro綜合工具中完成了綜合；使用Modelsim SE仿真工具對其進行了完整的功能仿真和時序仿真。 設計了一個通用的擴展接口控制器對原有的8位處理器進行擴展，加入高速DI，DO以及SPI接口，增強了8位處理器的功能，可以用于現有單片機進行升級和擴展。 本設計的CPU全面兼容MCS-51匯編指令集全部的111條指令，在時鐘頻率和指令的執行效率指標上均優于傳統的MCS-51內核。本設計以硬件描述語言代碼形式存在可與任何綜合庫、工藝庫以及FPGA結合開發出用戶需要的固核和硬核，可讀性好，易于擴展使用，易于升級，比較有實用價值。本設計通過FPGA驗證。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著SOC技術、IP技術以及集成電路技術的發展，RISC軟核處理器的研究與開發設計開始受到了人們的重視。基于FPGA的RISC軟核處理器在各個行業開始得到了廣泛的應用，特別是在一些基于FPGA的嵌入式系統中有著越來越廣泛的應用前景。 該論文在研究了大量國內外技術文獻的基礎上，總結了RISC處理器發展的現狀與水平。認真分析了RISC處理器的基本結構，包括總線結構，流水線處理的原理，以及流水線數據通路和流水線控制的原理；并詳細分析了該設計采用的指令集——MIPS指令集的內在結構。設計出了一個32位RISC軟核處理器，這個軟核處理器采用五級流水線結構，能完成加法、減法、邏輯與、邏輯或、左移右移等算術邏輯操作，以及它們的組合操作。通過軟件仿真和在Altera的FPGA開發板上進行驗證，證明了所設計的32位RISC處理器能準確的執行所選用的MIPS指令集，運行速度能達到30MHz，功能良好。 通過對所設計對象特點及其可行性的研究，選用了Altera公司QuartusⅡ軟件作為設計與仿真驗證的環境。在設計方法上，該課題采用了自頂向下的設計方法。在設計過程中采用了邊設計邊驗證這種設計與驗證相結合的設計流程，大大提高了設計的可靠性。該課題在設計過程中還提出了兩個有效的設計思路：第一是在32位寄存器的設計中利用FPGA的內部RAM資源來設計，減少了傳輸延時，提高了運行速度，并大大減少了對FPGA內部資源的占用；第二是在系統架構上采用了柔性化的設計方法，使得設計可以根據實際的需求適當的增減相應的部件，以達到需求與性能的統一。這兩個方法都有效地解決了設計中出現的問題，提高了處理器的性能。
上傳時間： 2013-07-21
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當前，片上系統(SOC)已成為系統實現的主流技術。流片風險與費用增加、上市時間壓力加大、產品功能愈加復雜等因素使得SOC產業逐漸劃分為IP提供者、SOC設計服務者和芯片集成者三個層次。SOC設計已走向基于IP集成的平臺設計階段，經過嚴格驗證質量可靠的IP核成為SOC產業中的重要一環。 GPIB控制器芯片是組建自動測試系統的核心，在測試領域應用廣泛。本人通過查閱大量的技術資料，分析了集成電路在國內外發展的最新動態，提出了基于FPGA的自主知識產權的GPIB控制器IP核的設計和實現。 本文首先討論了基于FPGA的GPIB控制器的背景意義，接著對FPGA開發所具備的基本知識作了簡要介紹。文中對GPIB總線進行了簡單的描述，根據芯片設計的主要思想，重點在于論述怎樣用FPGA來實現IEEE-488.2協議，并詳細闡述了GPIB控制器的十種接口功能及其狀態機的IP核實現。同時，對數據通路也進行了較為細致的說明。在設計的時候采用基于模塊化設計思想，用VerilogHDL語言完成各模塊功能描述，通過Synplifv軟件的綜合，用Modelsim對設計進行了前、后仿真。最后利用生成的模塊符號采取類似畫電路圖的方法完成整個系統芯片的lP軟核設計，并用EDA工具下載到了FPGA上。 為了更好地驗證設計思想，借助EDA工具對GPIB控制器的工作狀態進行了軟件仿真，給出仿真結果，仿真波形驗證了GPIB控制器的工作符合預想。最后，本文對基于FPGA的GPIB控制器的IP核設計過程進行了總結，展望了當前GPIB控制器設計的發展趨勢，指出了開展進一步研究需要做的工作。
上傳時間： 2013-04-24
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基于彩色路徑識別的視覺導航方法是當前自動導航小車領域的研究熱點和方向。視覺導航是指根據地面路徑和被控對象之間的位置偏差控制其運行的方向，因此，地面彩色路徑圖像的攝取及其識別處理就成為視覺導航系統中的基礎和關鍵。在當前的視覺導航系統設計中，圖像處理的硬件平臺都是基于通用微處理器，嵌入式微處理器或者DSP進行設計的。這些處理器一個共同的特點就是數據串行處理，而圖像處理過程涉及大量的并行處理操作，因此傳統的串行處理方式滿足不了圖像處理的實時性要求。 鑒于微處理器這方面的不足，作者提出一種使用FPGA實現圖像識別的并行處理方案，并據此設計一個智能圖像傳感器。該傳感器采用先進的FPGA技術，將圖像采集及其顯示，路徑的識別處理以及通信控制等模塊集成在一個芯片上，形成一個片上系統(SOC)。其主要功能是對所采集的彩色路徑圖像進行識別處理，獲得彩色路徑的坐標及其方向角，并將處理結果發送給上位機，為自動導航提供控制依據。 本文將彩色路徑的識別處理過程劃分為三個階段，第一階段為顏色聚類識別，以獲得二值路徑圖像，第二階段為數學形態學運算，用于對第一階段中獲得的二值圖像進行去斑處理，第三階段為路徑中心線的定位及其方向角的測量。圖像傳感器與上位機的通信采用異步串行方式，由于上位機需要控制該傳感器執行多種任務，作者定義一種基于異步串行通信的應用層協議，用于上位機對傳感器的控制。在圖像的顯示中，為了彌補圖像采集的速率和VGA顯示速率的不匹配，作者提出一種基于單端口存儲器的圖像幀緩沖機制，通過VGA接口將采集的圖像實時地顯示出來。 根據上述思想，作者完成了系統的硬件電路設計，并對整個系統進行了現場調試。調試結果表明，傳感器系統的各個模塊都能正常工作，FPGA中的數字邏輯電路能夠實時地將路徑從圖像中準確地識別出來，.充分體現了FPGA對路徑圖像的高速處理優勢，達到了設計預期目標，在一定程度上豐富了路徑圖像識別處理的技術和方法。
上傳時間： 2013-04-24
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可靠通信要求消息從信源到信宿盡量無誤傳輸，這就要求通信系統具有很好的糾錯能力，如使用差錯控制編碼。自仙農定理提出以來，先后有許多糾錯編碼被相繼提出，例如漢明碼，BCH碼和RS碼等，而C。Berrou等人于1993年提出的Turbo碼以其優異的糾錯性能成為通信界的一個里程碑。 然而，Turbo碼迭代譯碼復雜度大，導致其譯碼延時大，故而在工程中的應用受到一定限制，而并行Turbo譯碼可以很好地解決上述問題。本論文的主要工作是通過硬件實現一種基于幀分裂和歸零處理的新型并行Turbo編譯碼算法。論文提出了一種基于多端口存儲器的并行子交織器解決方法，很好地解決了并行訪問存儲器沖突的問題。 本論文在現場可編程門陣列(FPGA)平臺上實現了一種基于幀分裂和籬笆圖歸零處理的并行Turbo編譯碼器。所實現的并行Turbo編譯碼器在時鐘頻率為33MHz，幀長為1024比特，并行子譯碼器數和最大迭代次數均為4時，可支持8.2Mbps的編譯碼數掘吞吐量，而譯碼時延小于124us。本文還使用EP2C35FPGA芯片設計了系統開發板。該開發板可提供高速以太網MAC／PHY和PCI接口，很好地滿足了通信系統需求。系統測試結果表明，本文所實現的并行Turbo編譯碼器及其開發板運行正確、有效且可靠。 本論文主要分為五章，第一章為緒論，介紹Turbo碼背景和硬件實現相關技術。第二章為基于幀分裂和歸零的并行Turbo編碼的設計與實現，分別介紹了編碼器和譯碼器的RTL設計，還提出了一種基于多端口存儲器的并行子交織器和解交織器設計。第三章討論了使用NIOS處理器的SOC架構，使用SOC架構處理系統和基于NIOSII處理器和uC／0S一2操作系統的架構。第四章介紹了FPGA系統開發板設計與調試的一些工作。最后一章為本文總結及其展望。
上傳時間： 2013-04-24
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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，包括硬件模塊、指令系統、內存分配以及基本外設。然后講解了在設計8051時如何劃分模塊，每個模塊的功能與設計，同時也介紹了如何設計流水線來加速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計的時候首先是給出了模塊的劃分及其實現的功能，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，包括硬件上的數據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計在ModelSim上的仿真結果以及在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的提高。 筆者也在“Google”和“百度”搜索引擎上，以及“維普數據論文網’’上搜索過，都沒有發現有類似的設計，帶硬件浮點運算器的8051可謂是一次創新，希望在實際應用中能有用武之地。
上傳時間： 2013-04-24
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JPEG是聯合圖像專家組(Joint Picture Expert Group)的英文縮寫，是國際標準化組織(ISO)和CCITT聯合制定的靜態圖像壓縮編碼標準。JPEG的基于DCT變換有損壓縮具有高壓縮比特點，被廣泛應用在數據量極大的多媒體以及帶寬資源寶貴的網絡程序中。 動態圖像的JPEG編解碼處理要求圖像恢復質量高、實時性強，本課題就是針對這兩個方面的要求展開的研究。該系統由圖像編碼服務器端和圖像解碼客戶端組成。其中，服務器端實時采集攝像頭傳送的動態圖像，進行JPEG編碼，通過網絡傳送碼流到客戶端；客戶端接收碼流，經過JPEG解碼，恢復出原始圖像送VGA顯示。設計結果完全達到了實時性的要求。 本文從系統實現的角度出發，首先分析了系統開發平臺，介紹FPGA的結構特點以及它的設計流程和指導原則；然后從JPEG圖像壓縮技術發展的歷程出發，分析JPEG標準實現高壓縮比高質量圖像處理的原理；針對FPGA在算法實現上的特點，以及JPEG算法處理的原理，按照編碼和解碼順序，研究設計了基于改進的DA算法的FDCT和IDCT變換，以及按發生頻率進行優化的霍夫曼查找表結構，并且從系統整體上對JPEG編解碼進行簡化，以提高系統的處理性能。最后，通過分析Nios嵌入式微處理器可定制特性，根據SOPC Builder中Avalon總線的要求，把圖像采集，JPEG圖像壓縮和網絡傳輸轉變成用戶自定義模塊，在SOPC Builder下把用戶自定義模塊添加到系統中，由Nios嵌入式軟核的控制下運行，在FPGA芯片上實現整個JPEG實時圖像編解碼系統(soc)。 在FPGA上實現硬件模塊化的JPEG算法，具有造價低功耗低，性能穩定，圖像恢復后質量高等優點，適用于精度要求高且需要對圖像進行逐幀處理的遠程微小目標識別和跟蹤系統中以及廣電系統中前期的非線性編輯工作以及數字電影的動畫特技制作，對降低成本和提高圖像處理速度兩方面都有非常重大的現實意義。通過在FPGA上實現JPEG編解碼，進一步探索FPGA在數字圖像處理上的優勢所在，深入了解進行此類硬件模塊設計的技術特點，是本課題的重要學術意義所在。
上傳時間： 2013-04-24
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感應加熱電源以其環保、節能等優點在工業生產中得到了廣泛的應用，逆變控制電路是直接影響感應加熱電源能否安全、高效運行的關鍵因素。目前的感應加熱裝置很多采用模擬電路控制，而模擬控制電路觸點多，焊點多，系統可靠性低，對一些元件的工藝性要求高，電路中控制參數不容易進行修改，靈活性較差。近年來隨著微處理機的發展，數字式控制精確，軟件設計靈活，因而整個控制系統容易實現，在感應加熱領域中運用數字式控制已是一個發展方向。 本文在模擬逆變控制系統的基礎上，在可編程邏輯器件(FPGA)上進行了數字式并聯逆變控制系統的研究。 首先，本文針對感應加熱并聯逆變控制的數字化進行了詳細的研究。在參閱國內外相關文獻的基礎上，結合已有模擬并聯逆變控制電路的工作原理，設計了全數字鎖相環、它激轉自激掃頻啟動模塊等逆變控制功能模塊，并對各個模塊進行了相關的數學分析和功能仿真，結果證明可以達到預定的功能指標和設計要求。 然后，分析了感應加熱電源的整體工作流程，針對模擬控制電路中控制參數不易進行修改、靈活性較差等問題，設計了數據采集、存儲、顯示等功能模塊，有利于系統的調試，參數修改等實際操作。 最后，以模擬逆變控制策略為基礎，分析了數字控制器的控制要求和策略。由硬件狀態機實現數字控制器的設計，完成對整個逆變控制系統的整體控制操作。通過自上而下的總體設計，將各個部分組合起來，構成一個SOC系統。在FPGA集成軟件中進行了各部分和整體的仿真驗證，結果證明該設計可以完成逆變控制的各項需求和預定的人機交互操作。
上傳時間： 2013-07-09
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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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數據采集系統是信號與信息處理系統中不可缺少的重要組成部分，同時也是軟件無線電系統中的核心模塊，在現代雷達系統以及無線基站系統中的應用越來越廣泛。為了能夠滿足目前對軟件無線電接收機自適應性及靈活性的要求，并充分體現在高性能FPGA平臺上設計SOC系統的思路，本文提出了由高速高精度A/D轉換芯片、高性能FPGA、PCI總線接口、DB25并行接口組成的高速數據采集系統設計方案及實現方法。其中FPGA作為本系統的控制核心和傳輸橋梁，發揮了極其重要的作用。通過FPGA不僅完成了系統中全部數字電路部分的設計，并且使系統具有了較高的可適應性、可擴展性和可調試性。 在時序數字邏輯設計上，充分利用FPGA中豐富的時序資源，如鎖相環PLL、觸發器，緩沖器FIFO、計數器等，能夠方便的完成對系統輸入輸出時鐘的精確控制以及根據系統需要對各處時序延時進行修正。 在存儲器設計上，采用FPGA片內存儲器。可根據系統需要隨時進行設置，并且能夠方便的完成數據格式的合并、拆分以及數據傳輸率的調整。 在傳輸接口設計上，采用并行接口和PCI總線接口的兩種數據傳輸模式。通過FPGA中的宏功能模塊和IP資源實現了對這兩種接口的邏輯控制，可使系統方便的在兩種傳輸模式下進行切換。 在系統工作過程控制上，通過VB程序編寫了應用于PC端的上層控制軟件。并通過并行接口實現了PC和FPGA之間的交互，從而能夠方便的在PC機上完成對系統工作過程的控制和工作模式的選擇。 在系統調試方面，充分利用QuartuslI軟件中自帶的嵌入式邏輯分析儀SignalTaplI，實時準確的驗證了在系統整個傳輸過程中數據的正確性和時序性，并極大的降低了用常規儀器觀測FPGA中眾多待測引腳的難度。 本文第四章針對FPGA中各功能模塊的邏輯設計進行了詳細分析，并對每個模塊都給出了精確的仿真結果。同時，文中還在其它章節詳細介紹了系統的硬件電路設計、并行接口設計、PCI接口設計、PC端控制軟件設計以及用于調試過程中的SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析儀的使用方法，并且也對系統的仿真結果和測試結果給出了分析及討論。最后還附上了系統的PCB版圖、FPGA邏輯設計圖、實物圖及注釋詳細的相關源程序清單。
上傳時間： 2013-06-09
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