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FPGA实现嵌入式系统

时间:2016-09-28


FPGA 实现嵌入式系统
摘要:在许多领域中广泛应用的嵌入式计算系统(简称为嵌入式系统) ,是在更大的电子器件中嵌入的重复 完成特定功能的计算系统,它经常不被器件的使用者所识别,但在各种常用的电子器件中能够找到这些嵌 入式系统。以可编程门阵列(FPGA)来实现可配置的嵌入式系统已越来越广泛,本文主要详细介绍了以 FPGA 实现嵌入式系统的前景。 关键词:嵌入式;FPGA;嵌入式操作系统。

FPGA Embedded Systems
LI Bo (College of Electrical and Electronic Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430200, China)
Abstract:In many embedded computing systems widely used in the field (referred to as embedded systems), is an electronic device in larger repeat embedded computing system to accomplish a specific function, it is often not recognized by the user of the device, but in a variety of conventional electronic devices can be found in these embedded systems. Programmable gate array (FPGA) to implement a configurable embedded systems has become increasingly widespread, this paper introduces the prospect to FPGA implementation of embedded systems. Key words:Embedded ;FPGA;Embedded operating system.

1 引言? 随着计算与通信的融合以及广泛的多媒体处理需求,嵌入式系统得到了前 所未有的蓬勃发展。 嵌入式系统是以专用芯片为核心的专用系统,其特点是面向 用户、面向应用、面向产品,软、硬件量体裁衣,满足行业应用个性化的要求, 而这也是 FPGA 器件的特点。因此基于 FPGA 的可配置嵌入式系统开发技术以 及相应的片上可编程系统(SOPC)解决方案,不仅可融入微处理器技术、数字 信号处理技术、 可编程系统级芯片设计和软硬件协同设计技术,还能提供了基于 嵌入式智能平台的嵌入式系统的设计方法, 还降低了设计难度、 缩短了研发周期, 必将成为未来的主流趋势之一。 从系统对上市时间的要求、可定制特性以及集成度等方面考虑,FPGA 在嵌 入式系统中获得广泛应用, 已经从早期的军事、通信系统等应用扩展到低成本消 费电子类等产品中。目前,FPGA 在嵌入式系统中主要有 3 种使用方式: (1) 状态机模式: 无外设、 无总线结构且无实时操作系统, 达到最低的成本, 常应用于 VGA 和 LCD 控制等,满足用户的最基本需求。 (2)单片机模式:包括一定的外设,可以利用实时操作系统和总线结构,以 中等的成本,达到中等的性能,常用于控制和仪表。 (3)定制嵌入模式:高度集成扩充的外设,实时操作系统和总线结构,可达 到高性能,常应用于网络和无线通信等。 2 FPGA 实现嵌入式系统的优势 嵌入式 嵌入式系统经历了从单片计算机、工业控制计算机、集中分布式控 制系统, 进而发展到嵌入式智能平台的几个发展阶段。从独立单机使用发展到联

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网设备。从以模拟电路为主发展到以数字电路为主、数模混合型,进而进入全数 字时代。总的来说,嵌入式系统向着更高性能、更小体积、更低功耗、更廉价、 无处不在的方向发展。 基于 FPGA 的可配置嵌入式系统开发技术以及相应的片上可编程系统 (SOPC)解决方案,不仅可融入微处理器技术、数字信号处理技术、可编程系 统级芯片设计和软硬件协同设计技术, 还能提供了基于嵌入式智能平台的嵌入式 系统的设计方法,还降低了设计难度、缩短了研发周期,必将成为未来的主流趋 势之一。 从系统对上市时间的要求、 可编程的特性以及集成度等方面考虑,以可编程 门阵列(FPGA)来实现可配置的嵌入式系统已越来越广泛。图 1 表示 FPGA 实 现嵌入式系统的市场预测,估计从 2002 年的 23 亿美元,将增长到 2008 年的 63 亿美元。

图 1 FPGA 实现嵌入式系统的市场预测

采用 90 纳米工艺生产 FPGA 器件之后,FPGA 器件进一步降低成本,减少 功耗和提高性能, 低成本使 FPGA 成为中小批量生产的应用器件, 应用范围从早 期的军事、 通信系统等扩展到低成本消费电子类等产品。目前在实现嵌入式系统 的各个领域得到广泛的应用,并进一步带来设计方法的变化。 3 FPGA DSP 嵌入式系统 FPGA 是极高并行度的信号处理引擎,能够满足算法复杂度不断增加的应用 要求,通过并行方式提供极高性能的信号处理能力。Xilinx 的 XtrerneDSP 模块, 如图 3 所示, 使得 Virtex4/Sparten3 系列厂 PGA 可以为高性能的数字信号处理提 供理想的解决方案,达到传统上由 ASIC 或 ASSP 完成的高性能信号处理能力。 可以针对数字通信和视频图象处理等应用开发高性能的 DSP 引擎,也可在可编 程 DSP 系统中作为预处理器或协处理器等。Vir-tex4 SX 系列中 DSP48 模块最多 达到 512 个,工作频率达到 500MHz,成为算术密集应用的理想器件。 DSP48 模块是一个 18× 18 位二进制补码乘法器,跟随一个 48 位符号扩展的 加法器/减法器/累加器,适应 DSP 应用中的众多的功能。提高了操作数输入、中
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间积和累加器输出的可编程流水线操作,以及 48 位内部总线等的吞吐量和适应 性,无需一般的结构布线就可以实现前一个 DSP48 的输出与后一个 DSP48 输入 的级联,增强了它的功能。
在复杂算法的数字处理系统中,系统要求的不断提高和集成规模的不断扩大,使得系 统结构在设计的开始阶段是不明确的,不可能直接用 RTL(寄存器转移级)设计方法进行 描述,所以将系统集成到数字芯片中。 图 2 所示的 DSP 设计环境可以进行系统的数学建模,算法优化和改进,设计校验和诊 断,以及日 DL 产生和仿真等。涉及 Xilinx 的 ISE 硬件实现工具和嵌入系统开发包 EDK, 以及片内逻辑分析工具(CChipScope Pro)等。第三方的工具包括 MATLAB/SimuLink 和 ModeISim 等,可以进行 HDL 协同仿真和硬件在环路的协同仿真等,一旦设计优化完成和 仿真通过,可以直接利用 IP 核的网表文件进行硬件实现,设计的效率和可靠性大大提高。

图 2 DSP 设计环境进行系统的数学建模

4 FPGA 嵌入微处理器系统 Xilinx FPGA 的 Virtex4 和 Virtexll -Pro 系列嵌入 7IBM PowerPC405 的 RISC 微处理器硬核, 而 Virtex 和 Spanten II 之后的所有系列都可以嵌入 MicroBlaze 软 核。 嵌入的 PPC405 硬核和 MicroBlaze 软核都是 32 位的哈佛结构微处理器。 PPC405 硬核包括 cache 单元、存储器管理单元(MMU)、指令获取译码单 元、执行单元、定时器和诊断逻辑单元等,如图 3 所示,指令的操作包括获取、 译码、执行、写回和加载回写五级流水组成。包括加载和存储等大多数指令都是 一个时钟周期内执行。

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图 3 指令的操作

PPC405 处理器模块是与 CoreConnect 总线结构相兼容的,包括 Xilinx IP 软 核在内的任何 CoreConnect 兼容核都可以通过这个高性能总线结构与处理器模块 集成。CoreConnect 结构提供处理器局部总线(PLB)、片内外设总线(OPB) 和器件控制寄存器(DCR)总线,利用这三个总线来互联处理器模块、Xilinx I 户软核、第三方 IP 核和定制的逻辑。高性能外设连接到高带宽低滞后的 PCB 总 线,较慢速的外设连接到 OPB 总线,可以减少 PLB 总线的流量,提高整个系统 性能。图 4 给出 PPC405 和 MicroBlaze 的总线例子。

图 4 给出 PPC405 和 MicroBlaze 的总线例子。

6 结论 在复杂算法的嵌入式系统系统中, 系统的要求不断提高, 集成规模不断扩大, 使得系统的结构在设计的开始阶段是不明确的, 不可能直接用RTL(寄存器转移级) 设计方法进行描述,也就无法将系统集成到数字芯片之中。 随着 FPGA 的成本不断降低, FPGA 实现嵌入式系统达到嵌入式系统系统的 特性和可编程的要求具有明显的优越性,市场潜力很大。 参考文献
[1] Frank Vahid,Tony Givargis.Embedded System Design:A Unified Hardware/Software Introduction.2002 [2] FPGA在嵌入式系统中应用不断走强.电子工程专辑一嵌入系统特刊,2005,3 [3] Ken Karnofsky.Simulink Brings Model—Based Design to Embedded Signal Processing.Xcelljournal,2004 [4] Rodriguez J,Bernet S,Wu B,et al.Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,2007,54(6): 2930-2945.
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