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CPU;MPU;MCU三者,以及ARM,DSP,FPGA三者的区别

CPU;MPU;MCU三者,以及ARM,DSP,FPGA三者的区别
CPU;MPU;MCU三者,以及ARM,DSP,FPGA三者的区别

CPU ?MPU ?MCU

1 CPU(Central Processing Unit,中央处理器) (1)

1.1 CPU的组成 (1)

1.2 CPU的工作原理 (1)

2 MPU(Microprocessor Unit,微处理器) (3)

2.1 MPU的组成 (3)

2.2 MPU的分类 (3)

2.3 MPU的体系结构:冯.诺伊曼结构和哈佛结构 (3)

2.4 MPU的典型代表:DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器) (4)

3 MCU(Microcontroller Unit,微控制器/单片机) (5)

3.1 MCU的概念 (5)

3.2 MCU的概述 (5)

3.3 MCU的分类 (6)

3.4 MCU的架构:CISC架构和RISC架构 (6)

3.5 常见的MCU (6)

3.6 MCU的典型代表:ARM (9)

4 CPLD(Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件) (10)

5 FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列) (10)

6 DSP,ARM,FPGA的区别 (10)

1 CPU(Central Processing Unit,中央处理器)

中央处理器(CPU)是电子计算机的主要器件之一,其功能主要是解释计算机指令及处理计算机软件中的数据。

1.1 CPU的组成

CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。

运算器:进行算术运算和逻辑运算(部件:算数逻辑单元、累加器、寄存器组、路径转换器、数据总线)。

控制器:控制程序的执行,包括对指令进行译码、寄存,并按指令要求完成所规定的操作,即指令控制、时序控制和操作控制。复位、使能(部件:计数器、指令暂存器、指令解码器、状态暂存器、时序产生器、微操作信号发生器)。

寄存器:用来存放操作数、中间数据及结果数据。

1.2 CPU的工作原理

CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令,放入指令寄存器,并对指令译码,将指令分解成一系列的微操作,然后发出各种控制命令,执行微操作,从而完成一条指令的执行。可分为四个阶段:提取(Fetch)、解码(Decode)、执行(Execute)和写回(Writeback)。

注:指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。指令是由一个字节或者多个字节组成,

其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字以及特征码。有的指令中也直接包含操作数本身。

第一阶段:提取

从存储器或高速缓冲存储器中检索指令(为数值或一系列数值)。由程序计数器(Program Counter)指定存储器的位置,程序计数器保存供识别目前程序位置的数值。换言之,程序计数器记录了CPU在目前程序里的踪迹。

提取指令之后,程序计数器根据指令长度增加存储器单元。指令的提取必须常常从相对较慢的存储器寻找,因此导致CPU等候指令的送入。这个问题主要被论及在现代处理器的快取和管线化架构。

第二阶段:解码

CPU根据存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段,指令被拆解为有意义的片断。根据CPU的指令集架构(Instruction Set Architecture, ISA)定义将数值解译为指令。

一部分指令数值为运算码(Opcode),其指示要进行哪些运算。其它的数值通常供给指令必要的信息,诸如一个加法(Addition)运算的运算目标。这样的运算目标也许提供一个常数值(即立即值),或是一个空间的定址值:暂存器或存储器位址,以定址模式决定。

在旧的设计中,CPU里的指令解码部分是无法改变的硬件设备。不过在众多抽象且复杂的CPU和指令集架构中,一个微程序时常用来帮助转换指令为各种形态的讯号。这些微程序在已成品的CPU中往往可以重写,方便变更解码指令。

第三阶段:执行

在提取和解码阶段之后,接着进入执行阶段。该阶段中,连接到各种能够进行所需运算的CPU部件。

例如,要求一个加法运算,算数逻辑单元(ALU,Arithmetic Logic Unit)将会连接到一组输入和一组输出。输入提供了要相加的数值,而输出将含有总和的结果。ALU内含电路系统,易于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算(比如加法和位元运算)。如果加法运算产生一个对该CPU的处理而言过大的结果,在标志暂存器里,运算溢出(Arithmetic Overflow)标志可能会被设置。

第四阶段:写回

以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果经常被写进CPU内部的暂存器,以供随后指令快速存取。在其它案例中,运算结果可能写进速度较慢,但容量较大且较便宜的主记忆体中。某些类型的指令会操作程序计数器,而不直接产生结果。这些一般称作“跳转”(Jumps),并在程式中带来循环行为、条件性执行(透过条件跳转)和函式。

许多指令也会改变标志暂存器的状态位元。这些标志可用来影响程式行为,缘由于它们时常显出各种运算结果。

例如,以一个“比较”指令判断两个值的大小,根据比较结果在标志暂存器上设置一个数值。这个标志可由随后的跳转指令来决定程式动向。

在执行指令并写回结果之后,程序计数器的值会递增,反覆整个过程,下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。如果完成的是跳转指令,程序计数器将会修改成跳转到的指令位址,且程序继续正常执行。许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码,并且同时执行。这个部分一般涉及“经典RISC 管线”,那些实际上是在众多使用简单CPU的电子装置中快速普及(常称为微控制器Microcontroller)。

2 MPU(Microprocessor Unit,微处理器)

就物理性来说,MPU就是一块集成了数量庞大的微型晶体管与其他电子组件的半导体集成电路(Integrated Circuit, IC)芯片。

微处理器(MPU)通常代表一个功能强大的CPU,但不是为任何已有的特定计算目的而设计的芯片。MPU与传统的CPU相比,具有体积小、重量轻和容易模块化等优点。

2.1 MPU的组成

MPU的组成部分有:算术逻辑单元(ALU,Arithmetic Logical Unit);累加器和通用寄存器组;程序计数器;运算器;时序和逻辑控制电路;数据和地址总线。其中运算器和控制器是其主要组成部分。

MPU能完成取指令、执行指令,以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作,是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

常见的MPU有Motorola的68K系列和Intel的X86系列。

2.2 MPU的分类

根据处理对象的不同分类:

用作处理通用数据时,叫作中央处理器(Central Processing Unit, CPU)这也是最为人所知的应用(如:Intel Pentium CPU);

专用于作图像数据处理的,叫作图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)(如Nvidia GeForce 6150 GPU);

用于音频数据处理的,叫作音频处理器(Audio Processing Unit, APU)(如Creative emu10k1 APU)等等。

2.3 MPU的体系结构:冯·诺伊曼结构和哈佛结构

冯·诺伊曼结构

冯·诺伊曼结构(或普林斯顿结构)是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置,因此程序指令和数据的宽度

相同,如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。

目前使用冯·诺伊曼结构的中央处理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特尔公司的8086,英特尔公司的其他中央处理器、安谋公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也采用了冯·诺伊曼结构。

哈佛结构

哈佛结构是一种将程序指令存储器和数据存储器分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容,解码后得到数据地址,再到相应的数据存储器中读取数据,并进行下一步的操作(通常是执行)。程序指令存储和数据存储分开,可以使指令和数据有不同的数据宽度,如Microchip 公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度,而数据是8位宽度。

哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的,执行时可以预先读取下一条指令。目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多,除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片,还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和Advanced RISC Machines(安谋)公司的ARM9、ARM10和ARM11,51单片机也属于哈佛结构。

2.4 MPU的典型代表:DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)

DSP(Digital signal processor)是一种特殊结构的CPU,有自己的完整指令系统;它专门用于处理数字信号的各种功能,如FFT、数字滤波算法、加密算法和复杂控制算法等。其工作原理是,接受模拟信号并转换成‘0’和‘1’的数字信号,再对数字信号进行修改、删除、强化,并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序,远远超过通用微处理器,它的强大数据处理能力和高运行速度,是最值得称道的两大特色。

DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,包括控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等,在其外围还可以连接若干存储器,并可以与一定数量的外部设备互相通信,有软、硬件的全面功能,本身就是一个微型计算机。其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特点:(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;

(2)程序和数据空间分开(哈佛结构),可以同时访问指令和数据;

(3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;

(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;

(5)快速的中断处理和硬件I/O支持;

(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;

(7)可以并行执行多个操作;

(8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

目前有许多微处理器(MPU)逐渐演化为微控制器(MCU)比如arm,因此这些概念开始融合,所以处理器包括CPU,MCU,DSP。

ARM目前是嵌入式处理器的代名词:由CPU,少量的RAM,FLASH,和其它接口封装而组成的。

3 MCU(Microcontroller Unit,微控制器/单片机)

3.1 MCU的概念

MCU是将微型计算机的主要部分(包括CPU,存储器,定时/计数器(Timer/Counter),各种I/O 接口)集成在一个芯片上的单芯片微型计算机,实现嵌入式应用,故也称单片机(Single Chip Microcomputer,单片微型计算机)。随后为了满足控制领域的嵌入式应用,单片机中不断扩展一些满足控制要求的电路单元,目前单片机已广泛称为微控制器(MCU)。

也有由微处理器发展的微控制器,比如Intel的386EX就是很成功的80386微处理器的微控制器版本,它与嵌入式应用的微处理器一样,也称为嵌入式微处理器。嵌入式处理器的高端产品有:Advanced RISC Machines公司的ARM、Silicon Graphics公司的MIPS、IBM和Motorola的Power PC 、Intel的X86和i960芯片、AMD的Am386EM、Hitachi的SH RISC芯片。

3.2 MCU的概述

绝大多数现在的单片机都是基于冯·诺伊曼结构的,这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分:一个中央处理器核心,程序存储器(只读存储器或者闪存)、数据存储器(随机存储器)、一个或者更多的定时/计时器,还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口,所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

说单片机与通用型中央处理单元芯片不同,是因为前者一般很容易配合最小型的外部支持芯片制成工作计算机,这样就可以很容易的把单片机系统植入装置内部来控制装置了。近年来为了在指令和数据上使用不同的字宽,并提高处理器流水线速度,哈佛结构在微控制器(Microcontroller)和数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)也逐渐得到了广泛的应用。

传统的微处理器是不允许这么做的。它要完成单片机的工作,就必须连接一些其他芯片。比如说,因为芯片上没有数据存储器,就必须要添加一些RAM的存储芯片,虽然所添加存储器的容量很灵活,但是至少还是要添加。另外还需要添加很多连线来传递芯片之间的数据。与以上的情况相比,单片机的工作则相对独立,一个典型的微控制器只需要一个时钟发生器和很少的RAM和ROM(或者EPROM, E2PROM)就可以在软件和晶振下工作了。同时,微控制器具有丰富的输入输出设备,例如模拟数字转换器

(Analog-to-Digital Converter, ADC),定时器,串口,以及其他串行通讯接口,比如I2C,SPI(串行周边接口),CAN(控制器局域网)等。通常,这些集成在内部的设备可以通过特殊的指令来操作。

单片机时钟频率通常较同时代的计算机芯片低,但它价格低廉,能够提供充足的程序存储器、丰富的片上接口。某些架构的单片机生产厂商众多,例如8051系列、Z80系列。一些现代的微控制器支持一些内建的高级编程语言,比如BASIC语言、C语言、C++等。

3.3 MCU的分类

根据数据总线宽度可分为8位、16位和32位机;

根据存储器结构可分为哈佛(Harvard)结构和冯·诺伊曼(Von Neumann)结构;

根据内嵌程序存储器的类别可分为OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和Flash的MCU;

根据指令结构又可分为CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)和RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)微控制器。

3.4 MCU的架构:CISC架构和RISC架构

基于CISC架构的微控制器除了80C51外,还包括Motorola提供的68HC系列微控制器,这也是大量应用的微控制器系列。

基于RISC架构的微控制器则包括Microchip的PIC系列8位微控制器等。

在16位RISC架构的微控制器中,Maxim公司推出的MAXQ系列微控制器以其高性能、低功耗和卓越的代码执行效率,成为许多需要高精度混合信号处理以及便携式系统和电池供电系统的理想选择。MAXQ2000微控制器是Maxim/Dallas公司推出的一款基于RISC架构的16位微控制器,其指令读取和执行操作在一个周期内完成,而没有流水线操作,这是因为指令既包含了操作码也包括了数据。字母Q 表示这款微控制器的一个重要特点便是“安静”,MAXQ架构通过智能化的时钟管理来降低噪声.这意味着MAXQ只向那些需要使用时钟的电路提供时钟,这样既降低了功耗,又为模拟电路的整合提供了一个最安静的环境。它包含液晶显示(LCD)接口,最多可以驱动100或132段(两种版本)。

3.5 常见的MCU

微芯公司的PIC系列出货量居于业界领导者地位;Atmel的51系列及AVR系列种类众多,受支持面广;德州仪器的MSP430系列以低功耗闻名,常用于医疗电子产品及仪器仪表中;瑞萨单片机在日本使用广泛。

(1)ARM公司:ARM 系列MCU

(2)Atmel公司:AVR系列MCU

Atmel AT91 series (ARM 处理器等)

AT90 series – AVR (Atmel 的高性能RISC 8位单片机,老产品)

ATmega series – AVR (Atmel 的高性能RISC 8 位单片机,新产品)

ATXmega series – AVR (Atmel 的高性能RISC 32 位单片机,新产品)

Atmel AT89 series (Intel 8051/MCS51 架构8位单片机)

MARC4

(3)Cypress MicroSystems(赛普拉斯微系统公司)

CY8C2xxxx (PSoC)

(4)Freescale Semiconductor(飞思卡尔半导体)

8-bit:68HC05 (CPU05),68HC08 (CPU08),68HC11 (CPU11)。

16-bit:68HC12 (CPU12),68HC16 (CPU16),Freescale DSP56800 (DSPcontroller)。32-bit

Freescale 683XX (CPU32)

MPC500

MPC 860 (PowerQUICC)

MPC 8240/8250 (PowerQUICC II)

MPC 8540/8555/8560 (PowerQUICC III)

(5)Holtek(盛群半导体)

HT48FXX Flash I/O type

HT48RXX I/O type

HT46RXX A/D type

HT49RXX LCD type

(6)Intel(英特尔)MCU

8-bit:

8XC42

MCS48

MCS51 : Intel 8051系列MCU历史悠久,相容产品众多,使用广泛。

8xC251

16-bit:

MCS96系列

MXS296

32-bit:

i960

(7)Microchip(微芯公司)的PIC系列MCU

8-bit : PIC10,PIC12,PIC16,PIC18。

16-bit : PIC24F,PIC24H,dsPIC30,dsPIC33。

32bit : PIC32 (采用MIPS M4K 核心架构)

(8)National Semiconductor(美国国家半导体)

COP8

CR16

(9)NEC

78K

(10)NXP Semiconductors(恩智浦半导体,由飞利浦以 Philips Semiconductors 为班底新成立)LPC2000

LPC900

LPC700

(11)Parallax, Inc.

BASIC Stamp

(12)Renesas 瑞萨科技系列单片机

Renesas 16-bits

Renesas M16C Series

Renesas M32C Series

Renesas R8C Series

Renesas M16C/Tiny Series

Renesas R8C/Tiny Series

Renesas H8/Tiny Series

(13)ST Microelectronics(意法半导体)

STM32 series (ARM Cortex-M3 系列,32位)

STM8 series (自主RISC指令集,8 位)

(14)SyncMOS 新茂国际科技全系列单片机

SM59RXXA2 8-bits 1T(RISC)

SM59DXXG2 8-bits 6T(ISP)

SM59XX 8-bits 12T(ISP)

SM89XX 8-bits 12T(Traditional 8051)

SM79XX 8-bits 12T(Customization)

(15)PADAUK应广科技全系列单片机(多核心单片机)

P201CS/CD 8-bits

P211CS/CD 8-bits

p232CS/CD 8-bits

P234CS/CD 8-bits

(16)ZiLOG

Z8

Z86E02

(17)STC 宏晶系列MCU

STC89C series 6T/12T增强性单片机 (Intel 8051架构,有外部总线)

STC11F/11L series 2T 增强性单片机 (Intel 8051增强架构,无外部总线程序支持)

STC12C/12LE series 2T 增强性单片机 (Intel 8051增强架构,无外部总线程序支持)

STC15C/15LE series 2T 增强性单片机 (Intel 8051增强架构,无外部总线程序支持,正在开发中)

(18)Kernel-IC 华芯 LS系列MCU

LSx051 series 12T 双核单片机(Intel 8051架构,无外部总线)

LSx151 series 12T 三核单片机(Intel 8051架构,无外部总线)

LS052A series 6T 三核单片机(Intel 8051架构,无外部总线)

其他系列的单片机

Msp430系列单片机

8098、80196系列单片机

AT8P5X系列单片机

CZG8000系列单片机

3.6 MCU的典型代表:ARM

ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器,基本是32位单片机的行业标准,它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案,四个功能模块

可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。由于所有产品均采用一个通用的软件体系,所以相同的软件可在所有产品中运行。目前ARM在手持设备市场占有90%以上的份额,可以有效地缩短应用程序开发与测试的时间,也降低了研发费用。

4 CPLD(Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)

5 FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)

FPGA是英文Field Programmable Gate Array(现场可编程门阵列)的缩写,它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物,是专用集成电路(ASIC)中集成度最高的一种。FPGA 采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB (Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路,FPGA既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲,FPGA能完成任何数字器件的功能,上至高性能CPU,下至简单的74电路,都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后,还可以利用FPGA的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。FPGA是由存放在片内RAM 中的程序来设置其工作状态的,因此工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA 编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。因此,FPGA的使用非常灵活。可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

6 DSP,ARM,FPGA的区别

ARM具有比较强的事务管理功能,可以用来跑界面以及应用程序等,其优势主要体现在控制方面。

DSP主要是用来计算的,比如进行加密解密、调制解调等,优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。

FPGA可以用VHDL或Verilog HDL来编程,灵活性强,由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作,因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时,更能显示出FPGA的优势,其现场编

程能力可以延长产品在市场上的寿命,而这种能力可以用来进行系统升级或除错。

基于FPGA的QPSK调制解调电路设计与实现

基于FPGA的QPSK调制解调电路设计与实现数字调制信号又称为键控信号,调制过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制,最基本的方法有3种:正交幅度调制(QAM)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK).根据所处理的基带信号的进制不同分为二进制和多进制调制(M进制).多进制数字调制与二进制相比,其频谱利用率更高.其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多进制相移键控)中应用最广泛的一种调制方式。 1 QPSK简介 QPSK信号有00、01、10、11四种状态。所以,对输入的二进制序列,首先必须分组,每两位码元一组。然后根据组合情况,用载波的四种相位表征它们。QPSK信号实际上是两路正交双边带信号, 可由图1所示方法产生。 QPSK信号是两个正交的2PSK信号的合成,所以可仿照2PSK信号的相平解调法,用两个正交的相干载波分别检测A和B两个分量,然后还原成串行二进制数字信号,即可完成QPSK信号的解调,解调过程如图2所示。

图1 QPSK信号调制原理图 图2 QPSK信号解调原理图 2 QPSK调制电路的FPGA实现及仿真 2.1基于FPGA的QPSK调制电路方框图 基带信号通过串/并转换器得到2位并行信号,,四选一开关根据该数据,选择载波对应的相位进行输出,即得到调制信号,调制框图如图3所示。 图3 QPSK调制电路框图 系统顶层框图如下

图中输入信号clk为调制模块时钟,start为调制模块的使能信号,x为基带信号,y是qpsk调制信号的输出端,carrier【3..0】为4种不同相位的载波,其相位非别为0、90、180、270度,锁相环模块用来进行相位调节,用来模拟通信系统中发送时钟与接收时钟的不同步start1为解调模块的使能信号。y2为解调信号的输出端。 2.2调制电路VHDL程序 程序说明

基于FPGA的嵌入式技术

基于FPGA的嵌入式技术 “嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断的产业,应用在通信、航空航天、消费类电子产品等各种领域中。”随着经济的发展,各领域对嵌入式产品的应用需求呈现多样化,嵌入式系统设计技术和芯片技术也不断革新。传统设计ASIC的成本很低,但设计周期长、上市时间晚、风险较大。基于FPGA的嵌入式系统设计可以缩短设计周期,加快上市时间,抢占市场先机。 1、概述 现场可编程门阵列FPGA(Field-Programmable Gate Array)是由复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex-Programmable Logical Device)发展而来。其功能强大,设计灵活。设计性能能够与ASIC媲美。而且,性能价格比也可以与ASIC抗衡。因此,FPGA在嵌入式系统设计领域越来越重要。 FPGA的基本结构由以下几个部分:CLB(Configurable Logic Blocks)、IOB (Input/Output Blocks)和PI(Programmable Interconnection)。随着工艺的进步和应用需求,一般在FPGA中还包含以下可选结构:Memory、数字时钟管理单元、Select I/O、乘法器和加法器、硬IP核和微处理器等。随着FPGA性能提高和设计人员能力提高,FPGA将进一步扩大可编程芯片领地,使专用芯片更高端和超复杂。[1] 2、可编程片上系统(SOPC) 可编程片上系统(SOPC)是一种特殊的嵌入式系统。片上是指由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能;可编程使其具有灵活的设计方式,可以裁剪、扩充、升级。并且,SOPC结合了SOC和FPGA各自的优点,具备软硬件在系统可编程的功能。 SOPC至少包含一个嵌入式处理器内核,具有小容量片内高速RAM,一部分IP Core(简称IP),大量的片上可编程逻辑,处理器调试接口和FPGA编程接口等。SOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容。包含以处理器和实时多任务操作系统为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的电路设计技术及软硬件协同设计技术。[2] 3、IP资源复用理念与IP Core设计 IP资源复用是指在集成电路设计中,通过继承、共享或购买所需的知识产权内核,利用EDA工具进行设计、综合和验证,加速流片设计过程,降低开发风险。IP核复用技术已逐渐成为现代ASIC设计的重要手段,不仅应用于专用集成电路设计,也广泛使用于基于FPGA的嵌入式系统设计领域。设计师倾向于使用IP内核保持和提高产量。

qpsk调制解调——基于fpga

一实验概述 本实验包括:分频器设计、计数器设计、串行移位输出器设计、伪码发生器设计、QPSK I/Q调制器设计、QPSK I/Q解调器设计,基于选项法中频调制器设计并将其综合起来组成一个系统。 二实验仪器 计算机ALTER公司的Quartus8.0 EDA试验箱。 三EDA及实验工具简介 EDA技术就是以计算机为工具,设计者在EDA软件平台上,用硬件描述语言VHDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现,极提高了电路设计的效率和可操作性,减轻了设计者的劳动强度。从应用领域来看,EDA技术已经渗透到各行各业,如上文所说,包括在机械、电子、通信、航空航航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA应用。 quartus II 是Altera公司的综合性PLD开发软件,支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL(Altera Hardware Description Language)等多种设计输入形式,嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用,除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外,提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快,界面统一,功能集中,易学易用等特点。Altera quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口,越来越受到数字

系统设计者的欢迎。 四 实验步骤及实验模块参数 (一)设计一个分频器,要求29 分频。 (二)设计计数器,计数值16。 (三)设计串行移位输出器,移位级数14。 (四)设计伪码发生器,伪码产生的数据数率要8Kb/s ,特征方程13 59+++x x x 。 (五)设计QPSK I/Q 调制器,调制载波288KHZ ,基带速率576KHZ ,系统时 钟4068KHZ 。 (六)设计QPSK I/Q 解调器,调制载波576KHZ ,基带速率288KHZ ,系统时钟4068KHZ 。 (七)设计选项法中频调制,调制载波是基带载波的16倍。 (八)设计中频调制对应的解调器,解调出I/Q 两路信号,并合成原始信号。 (九)系统综合,用模块构建整个系统,实现调制解调功能。 实验项目设计要求: 利用自己前列试验项目设计结果,构建如下框图所示的调制、解调系统。完成对下述系统的构建、调试、仿真,使之达到运行正确。 D

基于FPGA的软核处理器在嵌入式中的运用

基于FPGA的软核处理器在嵌入式中的运用 随着一些ASIC 应用开发日益受到成本的困扰,OEM日渐转向FPGA 来构建自己的系统。这些系统中绝大多数需要一个处理器为了给设计者提供一个为FPGA 优化的灵活的嵌入式处理器方案,满足16位和32位嵌入式处理器市场的需求,Altera公司公司推出Nios II 系列32位RSIC嵌入式处理器。这是Altera的第二代软核嵌入式处理器,性能超过200DMIPS,在Altera FPGA 中实现仅需35美分。因为Nios II处理器是软核,因此开发者能够从无限的系统配置组合中选择满足性能和成本目标的方案,而不必为系统级设计考虑采用ASIC。 与此同时赛灵思公司(Xilinx,Inc.)宣布推出Virtex?-5 FXT 器件。这些FPGA 器件在业界率先集成了嵌入式PowerPC?440处理器模块、高速RocketIO?GTX收发器和专用XtremeDSP?处理能力。作为65nm Virtex-5系列的第四款平台, Virtex-5 FXT提供了极高的性能,还可帮助设计人员降低系统成本、缩小板尺寸并减少元件数量。在赛灵思公司以及业界领导厂商提供的逻辑、嵌入式和DSP开发工具以及IP内核的支持下,Virtex-5 FXT FPGA为有线和无线通信、音频/视频广播设备、军事、航空航天、工业系统以及其它众多应用提供了一个终极系统集成平台。 从FPGA两大主要生产公司的设计方向上我们可以看出,未来的嵌入式发展将向基于软核处理器的FPGA发展,也就是常称之为的SoPC(可编程片上系统Sysein on a Programmable Chip)设计思想。基于FPGA 的SoPC 具有设计灵活、可裁减、可配置、可扩充、可升级的特点,并具备软硬件在系统可编程的功能。我们借助强大得EDA 工具,在设计嵌入式系统时,不仅可以实现软件的可裁减性,同样可以实现硬件的可裁减性,并且可以自主定义处理器的引脚,方便PCB板布线,同样方便更改设计。 Altera 的Nios 处理器和Stratix FPGA 是其Maestro 平台的核心,它具有的核心功能提供了前所未有数据为中心的功能。能够用于任何需要32位嵌入式处理器的应用。据介绍,Nios II 系列包括三种软CPU 核,一个是最大系统性能,一个是为最少逻辑使用量优化的,还有一个是二者之间的平衡。所有核都是100% 代码兼容,让设计者根据系统需求变化改变C P U ,而不会影响现有的软件投入。Nios II系列是建立在前一代成功的基础之上,以部分的资源提供高得多的性能。 另外,Nios II处理器具有健全的软件开发套件,包括编译器、集成开发环境(IDE ),JTAG 调试器,实时操作系统(RTOS)和TCP/IP 协议栈。Nios II嵌入式处理器结合Altera的低成本Cyclone 系列和高性能StratixII 系列FPGA 和HardCopy 结构化ASIC系列,在价格、性能和功能上具有很高的灵活性。Lytle先生认为,Nios II系列增加了Altera 在嵌入式处理器市场上的机会。当第一代Nios 处理器为Altera 开辟了新的应用和市场之门时,Nios II嵌入式处理器系列有望增加公司在16位和32位嵌入式处理器市场上的机会。从使用Altera 低成本Cyclone FPGA 系列的探鱼器和引擎测试仪到使用高性能Stratix系列的视频处理和高级通信系统,Altera的软核嵌入式处理器已经成为新应用中使用可编程逻辑的推动力。 在单片器件上集成重要处理性能和SERDES元件,可为那些需要节约板级空间和成本、同时又需要满足高性能要求的设计人员提供巨大的价值。例如,在无线应用中,Virtex-5

qpsk调制解调——基于fpga

一 实验概述 本实验包括:分频器设计、计数器设计、串行移位输出器设计、伪码发生器设计、QPSK I/Q 调制器设计、QPSK I/Q 解调器设计,基于选项法中频调制器设计并将其综合起来组成一个系统。 二 实验仪器 计算机ALTER 公司的Quartus8.0 EDA 试验箱。 三 EDA 及实验工具简介 EDA 技术就是以计算机为工具,设计者在EDA 软件平台上,用硬件描述语言VHDL 完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA 技术的出现,极大地提高了电路设计的效率和可操作性,减轻了设计者的劳动强度。从应用领域来看,EDA 技术已经渗透到各行各业,如上文所说,包括在机械、电子、通信、航空航航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA 应用。 quartus II 是Altera 公司的综合性PLD 开发软件,支持原理图、VHDL 、VerilogHDL 以及AHDL (Altera Hardware Description Language )等多种设计输入形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD 设计流程。quartus II 可以在XP 、Linux 以及Unix 上使用,除了可以使用Tcl 脚本完成设计流程外,提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快,界面统一,功能集中,易学易用等特点。Altera quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口,越来越受到数字系统设计者的欢迎。 四 实验步骤及实验模块参数 (一)设计一个分频器,要求29 分频。 (二)设计计数器,计数值16。 (三)设计串行移位输出器,移位级数14。 (四)设计伪码发生器,伪码产生的数据数率要8Kb/s ,特征方程13 59+++x x x 。 (五)设计QPSK I/Q 调制器,调制载波288KHZ ,基带速率576KHZ ,系统时 钟4068KHZ 。 (六)设计QPSK I/Q 解调器,调制载波576KHZ ,基带速率288KHZ ,系统时钟4068KHZ 。 (七)设计选项法中频调制,调制载波是基带载波的16倍。 (八)设计中频调制对应的解调器,解调出I/Q 两路信号,并合成原始信号。 (九)系统综合,用模块构建整个系统,实现调制解调功能。

基于FPGA的QPSK调制解调电路设计与实现

基于FPGA的QPSK调制解调电路设计与实现 数字调制信号又称为键控信号,调制过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制,最基本的方法有3种:正交幅度调制(QAM)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK).根据所处理的基带信号的进制不同分为二进制和多进制调制(M进制).多进制数字调制与二进制相比,其频谱利用率更高.其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多进制相移键控)中应用最广泛的一种调制方式。 1 QPSK简介 QPSK信号有00、01、10、11四种状态。所以,对输入的二进制序列,首先必须分组,每两位码元一组。然后根据组合情况,用载波的四种相位表征它们。QPSK信号实际上是两路正交双边带信号, 可由图1所示方法产生。 QPSK信号是两个正交的2PSK信号的合成,所以可仿照2PSK信号的相平解调法,用两个正交的相干载波分别检测A和B两个分量,然后还原成串行二进制数字信号,即可完成QPSK信号的解调,解调过程如图2所示。

图1 QPSK 信号调制原理图 图2 QPSK 信号解调原理图 2 QPSK 调制电路的FPGA 实现及仿真 2.1基于FPGA 的QPSK 调制电路方框图 基带信号通过串/并转换器得到2位并行信号,,四选一开关根据该数据,选择载波对应的相位进行输出,即得到调制信号,调制框图如图3所示。 基带信号clk start 串/并转换四选一开关 分 频 0°90°180°270° 调制信号 FPGA 图3 QPSK 调制电路框图 系统顶层框图如下

图中输入信号clk为调制模块时钟,start为调制模块的使能信号,x为基带信号,y是qpsk调制信号的输出端,carrier【3..0】为4种不同相位的载波,其相位非别为0、90、180、270度,锁相环模块用来进行相位调节,用来模拟通信系统中发送时钟与接收时钟的不同步start1为解调模块的使能信号。y2为解调信号的输出端。 2.2调制电路VHDL程序 程序说明 信号yy 载波相位载波波形载波符号 “00”0°f3 “01”90°f2 “10”180°f1 “11”270°f0

论文 基于FPGA的QPSK解调器的设计与实现

基于FPGA 的QPSK 解调器的设计与实现 Design and Realization of QPSK Demodulation Based on FPGA Technique 赵海潮(Zhao ,Haichao ) 周荣花(Zhou ,Ronghua ) 沈业兵(Shen ,Yebing ) 北京理工大学 (北京 100081) 摘要:根据软件无线电的思想,用可编程器件FPGA 实现了QPSK 解调,采用带通采样技术对中频为70MHz 的调制信号采样,通过对采样后的频谱进行分析,用相干解调方案实现了全数字解调。整个设计基于XILINX 公司的ISE 开发平台,并用Virtex-II 系列FPGA 实现。用FPGA 实现调制解调器具有体积小、功耗低、集成度高、可软件升级、扰干扰能力强的特点,符合未来通信技术发展的方向。 关键词:QPSK ;FPGA ;软件无线电;带通采样 中图分类号:TN91 文献标识码:A Abstract : This paper describes the design of QPSK demodulator based on the Xilinx's FPGA device. It is in accord with software radio, bandpass sampling and coherent demodulation techniques are used in the demodulation, and also make analysis with the spectrum. key words : QPSK ;FPGA ;software radio ;bandpass sampling 1、引言 四相相移键控信号简称“QPSK ”。它分为绝对相移和相对相移两种。由于绝对移相方式存在相位模糊问题,所以在实际中主要采用相对移相方式QDPSK 。它具有一系列独特的优点,目前已经广泛应用于无线通信中,成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。FPGA 器件是八十年代中期出现的一种新概念,是倍受现代数字系统设计工程师欢迎的新一代系统设计方式。FPGA 器件可反复编程,重复使用,没有前期投资风险,且可以在开发系统中直接进行系统仿真,也没有工艺实现的损耗。因此在小批量的产品开发、研究场合,成本很低。 本文按照软件无线电的设计思想,先进行计算机模拟仿真,具体实现中充分利用FPGA 的特点,并通过带通采样技术,成功的实现了对70MHz 中频QPSK 信号的解调。 2、解调器的设计与实现 在全数字实现QDPSK 解调的过程中,与AD 接口的前端需要很高的处理速度,但是这些处理的算法又比较简单,FPGA 器件独特的并行实时处理的特点刚好可以在这里得到体现,因此,ADC 以后的数字信号处理全部由FPGA 来实现。考虑到QDPSK 相干检测比差分检测有 2.3dB 功率增益,选择用相干解调算法实现解调。解调方框图如下: 图1解调框图 本文采用的解调方案是将AD 量化得到的数字信号)(n x 与NCO 产生的一对相互正交的本

基于FPGA的嵌入式系统毕业论文课程设计

目录 1 NiosⅡ CPU的体系结构3 NiosⅡ处理器的结构 (3) NiosⅡ处理器的基本组成 (3) Debug模块 (3) NiosⅡ开发环境简介 (3) 2 IP核4 SDRAM控制器 (4) 3 基于SOPC的温湿度监测系统设计5 系统总体设计方案 (5) SOPC硬件系统设计 (6) SOPC软件系统设计 (9) NiosⅡ软件系统设计 (9) NiosⅡ IDE C/C++Build属性配置 (13) 软件系统的设计流程 (15) 4 实验结果与分析15结论18

SOPC是可编程片上系统,即一种特殊的嵌入式系统。首先它是片上系统(SOC),由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能;其次,它是可编程系统,具有灵活的设计方式,可裁减、可扩充、可升级,并具备软硬件在系统可编程的功能。SOPC是基于FPGA解决方案的SOC,与ASIC的SOC解决方案相比,SOPC系统及其开发技术具有更多的特色。构成SOPC的途径有基于FPGA嵌入IP硬核的系统、基于FPGA嵌入IP软核的系统和基于HardCopy 技术的SOPC系统三种方式。本文介绍基于FPGA的嵌入IP软核的SOPC系统实现方法,设计了一种基于SOPC的温湿度监测系统。通过Quartus II 软件里的SOPC builder把Nios II Processor、Avalon总线、UART、SDRAM_controller、Flash Memory、Avalon三态桥等多个IP核集成生成系统所需的SOPC。传感器扩展板采用Mega8作为主控芯片,用于数据的采集、显示以及和PC的通信。同时配有由SPI总线控制的数码管,可以显示传感器的测量结果,以及与PC通信过程中的具体情况。对外采用波特率为115200的串口进行通信,用户可通过串口向该模块发出各种查询命令以查询传感器的状态。本次设计使用NiosII IDE编写应用程序,发送相应指令,获取温度和湿度的值,同时显示在Console窗口。 关键词: SOPC技术;FPGA开发板;IP核;温湿度监测;NiosⅡ处理器;Mega8芯片

基于fpga的嵌入式系统设计——复习题

《基于fpga的嵌入式系统设计》复习题 1、名词概念解释: (1)ASIC,FPGA,SOC,SOPC,NIOS II,I/O ,IP ; (2)VHDL,verilog HDL,HDL,EDA ; (3)功能仿真,后仿真,设计综合,设计验证; (4)嵌入式系统的定义: 以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 (5)嵌入式系统的组成: 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统及应用软件等组 成,它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。其中:嵌入式处理器是嵌入 式系统的核心部件,具有小型化、高效率、高可靠性、高集成度等特点。外围 设备是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的部件。 2、填空题 (1)NiosII处理器有三种运行模式:___________ ,___________ ,_____________ 。(2)CycloneII FPGA支持串行配置器件的isp编程,该特性是通过_____________利用JTAG接口实现的。 (3)在SOPC Builder中,复位地址的偏移量是________,异常地址的偏移量是________。(4)在NiosII的多处理器系统中,最常用的共享资源是____________。 (5)根据Flash是否支持处理器的直接读操作,NiosII处理的bootloader分成两种模式:________________bootloader、________________ bootloader。 (6)用uC/OS-II操作系统实现以太网与轻量IP功能的时候,以太网的中断号至少是____________。 (7)Altera公司的FPGA常用的配置方式: JTAG方式、___________、___________。(8)CycloneII FPGA上面集成的Block RAM为M4K,一个M4K的大小是________。(9)使用QuartusII进行FPGA设计的开发流程是:设计输入、__________、___________、仿真、_________ 。 (10)NiosII IDE为软件开发提供了4个主要功能:工程管理器、编辑器和编译器、调试器、____________ 。 (11)SOPC组件On-chip Memory可以用作RAM外,还可以设置成___________,甚至可以设置成双口存取。 (12)CycloneII EP2C35器件包含4个PLL,每个PLL均有_________个输出。其中第_________个输出的驱动能力最强。

基于FPGA的嵌入式系统

1 NiosⅡ CPU的体系结构3 1.1 NiosⅡ处理器的结构 (3) 1.2 NiosⅡ处理器的基本组成 (3) 1.3 Debug模块 (3) 1.4 NiosⅡ开发环境简介 (3) 2 IP核4 2.1 SDRAM控制器 (4) 2.2FLASH (5) 3 基于SOPC的温湿度监测系统设计5 3.1 系统总体设计方案 (5) 3.2 SOPC硬件系统设计 (6) 3.3 SOPC软件系统设计 (9) 3.3.1 NiosⅡ软件系统设计 (9) 3.3.2 NiosⅡIDE C/C++Build属性配置 (13) 3.3.3 软件系统的设计流程 (15) 4 实验结果与分析15结论18

SOPC是可编程片上系统,即一种特殊的嵌入式系统。首先它是片上系统(SOC),由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能;其次,它是可编程系统,具有灵活的设计方式,可裁减、可扩充、可升级,并具备软硬件在系统可编程的功能。SOPC是基于FPGA解决方案的SOC,与ASIC的SOC解决方案相比,SOPC系统及其开发技术具有更多的特色。构成SOPC的途径有基于FPGA嵌入IP硬核的系统、基于FPGA嵌入IP软核的系统和基于HardCopy 技术的SOPC系统三种方式。本文介绍基于FPGA的嵌入IP软核的SOPC系统实现方法,设计了一种基于SOPC的温湿度监测系统。通过Quartus II 软件里的SOPC builder把Nios II Processor、Avalon总线、UART、SDRAM_controller、Flash Memory、Avalon三态桥等多个IP核集成生成系统所需的SOPC。传感器扩展板采用Mega8作为主控芯片,用于数据的采集、显示以及和PC的通信。同时配有由SPI总线控制的数码管,可以显示传感器的测量结果,以及与PC通信过程中的具体情况。对外采用波特率为115200的串口进行通信,用户可通过串口向该模块发出各种查询命令以查询传感器的状态。本次设计使用NiosII IDE编写应用程序,发送相应指令,获取温度和湿度的值,同时显示在Console窗口。 关键词: SOPC技术;FPGA开发板;IP核;温湿度监测;NiosⅡ处理器;Mega8芯片

基于fpga的qpsk调制解调的仿真及相关软件设计毕业设计

1 引言 1.1 研究背景 自1897年意大利科学家G.Marconi首次使用无线电波进行信息传输并获得成功后,在一个多世纪的时间中,在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下,无线通信的理论和技术不断取得进步,今天,无线移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一。 随着数字技术的飞速发展与应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越重要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字调制系统,该系统对基带信号进行调制,使其频谱搬移到适合信道传输的频带上数字调制信号有称为键控信号。在调制的过程中可用键控[1]的方法由基带信号对载频信号的振幅,频率及相位进行调制最基本的方法有三种:正交幅度调制(QAM)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。 作为数字通信技术中重要组成部分的调制解调技术一直是通信领域的热点课题。随着当代通信的飞速发展,通信体制的变化也日新月异,新的数字调制方式不断涌现并且得到实际应用[2]。目前的模拟调制方式有很多种,主要有AM、FM、SSB、DSB、CW等,而数字调制方式的种类更加繁多,如ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、DPSK、QPSK、QAM等。如果产生每一种信号需要一个硬件电路甚至一个模块,那么能产生几种、十几种通信信号的通信机的电路将相当复杂,体积重量将会很大,而且要增加新的调制方式也是十分困难的。在众多调制方式中,四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)信号由于抗干扰能力强而得到了广泛的应用[3], [4],具有较高的频谱利用率和较好的误码性能,并且实现复杂度小,解调理论成熟,广泛应用于数字微波、卫星数字通信系统、有线电视的上行传输、宽带接入与移动通信等领域中[5],并已成为新一代无线接入网物理层和B3G通信中使用的基本调制方式[6]。现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)是20世纪9年代发展起来的大规模可编程逻辑器件,随着电子设计自动化(ElectronDesign Automation EDA)技术和微电子技术的进步,FPGA的时钟延迟可达到ns级,结合其并行工作方式,在超高速、实时测控方面都有着非常广阔的应用前景[7]。FPGA具有高集成度、高可靠性等特点,在电子产品设计中也将得到广泛的应用。FPGA器

基于FPGA的嵌入式Linux软硬件设计概要

基于FPGA的嵌入式Linux软硬件设计 摘要:实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器,讨论分析了跨导放大器-电容(OTA—C)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现,使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制,并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明,该滤波器带宽的可调范围为1~26 MHz,阻带抑制率大于35 dB,带内波纹小于0.5 dB,采用1.8 V电源,TSMC 0.18μm CMOS工艺库仿真,功耗小于21 mW,频响曲线接近理想状态。关键词:Butte FPGA是通过逻辑组合电路来实现各种功能的器件。由于FPGA内部集成了大量的逻辑资源和可配置的I/O引脚,加上独特的并行处理架构,可以轻松实现同时对多个外部设备的配置和管理,以及内外各种接口数据的传输。现在开发厂商又在FPGA 内部加入了大量的DSP和Block RAM资源,非常适合图像处理、数字信号处理等运算密集的应用,因此在这些领域取得了广泛的应用。但是由于FPGA 程序编写的灵活性和功能的多样性,使得它在一个复杂工程中对各个程序的使用调度、统筹管理上有很大的局限性,这样就必须引入操作系统进行统一的管理。Linux 系统则因为其良好的可裁减、可配置等特点在嵌入式领域应用广泛。 Linux操作系统提供了许多系统级的应用,例如网络协议的实现、进程调度、内存管理等,同时Linux 是一个成熟的开源操作系统,有丰富的应用资源,利用这些资源和强大的系统功能,用户可以快速地开发基于嵌入式环境复杂系统。因此,结合FPGA和Linux双方优势,可以很好地满足嵌入式系统设计需求,量体裁衣,去除冗余。本文给出了一种基于Xilinx FPGA的嵌入式Linux操作系统解决方案。 基于FPGA的嵌入式系统的硬件设计 本设计是基于Xilinx XC4VFX40系列 FPGA,它内部集成了两个PowerPC405处理器, 4个10/100/1000M以太网MAC模块,运行频率300MHz时,具有420D-MIPS性能,能解决高速网络数据传输问题,并且能解决通过网络加载操作系统和交叉编译等问题。它内部有448个可配置I/O口,2592kb BlockRAM,能实现对各种外部设备的并行控制以及较多数据的存储与处理。加载一个操作系统,一般需要几十兆的内存空间,FPGA内部自带的RAM空间是远远不够的,本设计在板上扩展了两片MICRON公司的256Mb DDR内存,作为上电时操作系统的加载和运行空间。现在主流的嵌入式操作系统,都需要搭建交叉编译环境,把在主机上编写好的可执行文件下载到目标板上,这就需要实现网络数据的传输。由于XC4VFX40 自带了以太网MAC模块,只需要在外面添加个PHY芯片和带隔离器的RJ45接口就能实现这个功能。本设计由于对网络数据实时性要求很高,因此采用Marvell公司的千兆以太网PHY芯片88E1111-RCJ。它能根据自身配置和主机设计,实现10/100/1000M自适应传输,并且Linux本身对这个芯片提供了驱动支持,实现无缝链接。操作系统加载到DDR 中能快速有效的运行,但是掉电就会丢失,因此必须加入FLASH芯片,把系统文件存储到外部FLASH中。加电时,FPGA把操作系统文件从FLASH读入到 DDR中运行。FPGA设计当然会

QPSK的FPGA实现

QPSK的FPGA实现 摘要 数字调制解调技术在数字通信中占有非常重要的地位, 数字通信技术与FPGA 的结合是现代通信系统发展的一个必然趋势。QPSK数字调制技术,具有频谱利用率高、频谱特性好、抗干扰性能强、传输速率快等突出特点,在移动通信、卫星通信中具有广泛应用价值,但是基于FPGA的全数字QPSK 调制解调仍在进一步研究发展中。 本文首先叙述了QPSK调制解调技术的工作原理和数字式调制与解调的特点。其次对QPSK的调制和解调设计展开讨论。设计包括QPSK的调制、解调两部分,基于对整个设计的要求进行分析及对QPSK实现FPGA进行功能的分解,以此划分成比较小的模块,自下而上设计系统;根据QPSK的原理分别画出QPSK调制、解调的实现框图。设计中设定每个比特对应特定的载波,并以载波作为比较,实现最后的对应的输出结果。最后基于VHDL 语言分别完成QPSK的调制与解调,完成系统的设计方案,在MAX+PLUSII 环境下对模块逻辑、时序进行仿真调试的仿真结果表明了该设计的正确性,并综合得出RTL的结构图。 关键词:QPSK,FPGA,调制,解调

FPGA IMPLEMENTATION OF QPSK ABSTRACT Technology of digital modulation and demodulation plays an important role in digital communication system and the combination of digital communication technology and FPGA is certainly a trend.QPSK digital modulation technique has features of high-spectrum utilization ratio,better spectrum specification, stronger anti-interference performance and faster baud rate and has been applied widely in mobile communication system and satellite communication system.But all-digital QPSK modulation and demodulation based on FPGA is still towards further research and development. At first, this paper describes the principle of QPSK modulation and demodulation technology as well as the characteristics of digital modulation and demodulation. In the following words we mainly provide the discussion combined with the research and design of the QPSK modulation and demodulation .This design has two parts, which are QPSK modulation and demodulation .The analysis on the whole design requirement and the decomposition of QPSK function in FPGA lay the basis for the smaller divided modules. Then we can start up the bottom-up design .Respectively, we draw QPSK modulation and demodulation diagram on the basis of the principle of QPSK. The design supposes each bit corresponds to a specific carrier .To achieve the final result of the corresponding output, we should take carrier as a comparison. In the end, we use VHDL to achieve the QPSK modulation and demodulation. After completing the whole system design, it goes on with simulation on module logic, timing in the MAX+PLUSII environment. The simulation results indicate that the design is correct and comprehensively deduce the RTL's chart.

基于fpga的嵌入式系统设计——复习题

基于fpga的嵌入式系统设计——复习题

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《基于fpga的嵌入式系统设计》复习题 1、名词概念解释: (1)ASIC,FPGA,SOC,SOPC,NIOS II,I/O ,IP ; (2)VHDL,verilog HDL,HDL,EDA ; (3)功能仿真,后仿真,设计综合,设计验证; (4)嵌入式系统的定义: 以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系 统。 (5)嵌入式系统的组成: 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统及应 用软件等组成,它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。其中: 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件,具有小型化、高效率、高 可靠性、高集成度等特点。外围设备是嵌入式系统中用于完成存储、 通信、调试、显示等辅助功能的部件。 2、填空题 (1)NiosII处理器有三种运行模式: ___________ ,___________ ,_____________。 (2)CycloneII FPGA支持串行配置器件的isp编程,该特性是通过_____________利用JTAG接口实现的。 (3)在SOPCBuilder中,复位地址的偏移量是________,异常地址的偏移量是________。 (4)在NiosII的多处理器系统中,最常用的共享资源是____________。 (5)根据Flash是否支持处理器的直接读操作,NiosII处理的bootloader分成两种模式:________________bootloader、________________ bootloader。(6)用uC/OS-II操作系统实现以太网与轻量IP功能的时候,以太网的中断号至少是____________。 (7)Altera公司的FPGA常用的配置方式: JTAG方式、___________、___________。 (8)CycloneII FPGA上面集成的Block RAM为M4K,一个M4K的大小是________。 (9)使用QuartusII进行FPGA设计的开发流程是:设计输入、__________、___________、仿真、_________ 。

基于FPGA的嵌入式系统课程设计题目及要求

一、课程设计要求 1、课程设计要求所有题目采用Quartus II 工具提供的图形输入或者VerilogHDL语言输入方式作为电路设计工具,在NiosII上采用C语言实现编程,自定向下正向设计方法,先设计硬件系统,再进行软件编程,能够生成正确的FPGA下载代码和NiosII执行的软件代码。硬件功能仿真和时序仿真采用第三方工具(建议为:modelsim),综合与布局布线工具为:Quartus II,SOPC Builder建立软件运行环境,具体要求为: 1)根据课设题目,进行总体设计方案;(10分) 2)硬件电路顶层设计、模块划分、引脚定义;(10分) 3)电路设计及NiosII设计,提交电路设计源代码或电路图;(10分) 4)综合与布局布线,提交综合与布局布线报告(10分) 5)FPGA下载代码和引脚分布;(10分) 6)软件总体设计及画出流程图;(10分) 7)程序设计,提交程序代码;(10分) 8)程序编译下载及仿真调试;(10分) 2、课程设计题目共6个,要求每个同学独立完成其中的一个: 要求学号为1、7、13、19、25、31的同学做1号题目; 要求学号为2、8、14、20、26、32的同学做2号题目; 要求学号为3、9、15、21、27、33的同学做3号题目; 要求学号为4、10、16、22、28、34的同学做4号题目; 要求学号为5、11、17、23、29、35的同学做5号题目; 要求学号为6、12、18、24、30、36的同学做6号题目。 3、题目要求独立完成,设计和报告如有雷同,将一个成绩平均分配雷同的同学。 4、时间、地点 时间:8:00 ——14:00, 5、全勤且提交课程设计报告及心得体会者记20分,课程设计时间段内任意时间点名未到(吃饭时间12:00 ——12:30;18:00 ——18:30除外)、迟到、玩游戏扣除:3分/次,6次及6次以上者课程设计成绩直接记:不及格。 实验使用平台:DE2实验板

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