基于FPGA的嵌入式

1、第1章 嵌入式系統(tǒng)概述 1.1 嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展1.2 嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的概念1.1 嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展 嵌入式系統(tǒng)的全面發(fā)展是從嵌入式系統(tǒng)的全面發(fā)展是從20世紀(jì)世紀(jì)90年代開始的，主要受年代開始的，主要受到了分布式控制、數(shù)字化通信、信息家電、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等強(qiáng)烈的到了分布式控制、數(shù)字化通信、信息家電、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等強(qiáng)烈的應(yīng)用需求所牽引?，F(xiàn)在，人們可以隨處發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，應(yīng)用需求所牽引?，F(xiàn)在，人們可以隨處發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，如手機(jī)、如手機(jī)、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、播放器、數(shù)碼相機(jī)、VCD、機(jī)頂盒、路由器、機(jī)頂盒、路由器、交換機(jī)等。嵌

2、入式系統(tǒng)在軟、硬件技術(shù)方面迅速發(fā)展，首先是交換機(jī)等。嵌入式系統(tǒng)在軟、硬件技術(shù)方面迅速發(fā)展，首先是面向不同應(yīng)用領(lǐng)域、功能更加強(qiáng)大、集成度更高、種類繁多、面向不同應(yīng)用領(lǐng)域、功能更加強(qiáng)大、集成度更高、種類繁多、價(jià)格低廉、低功耗的價(jià)格低廉、低功耗的32位微處理器逐漸占領(lǐng)統(tǒng)治地位，位微處理器逐漸占領(lǐng)統(tǒng)治地位，DSP器器件向高速、高精度、低功耗發(fā)展，而且可以和其他的嵌入式微件向高速、高精度、低功耗發(fā)展，而且可以和其他的嵌入式微處理器相集成。處理器相集成。 其次，隨著微處理器性能的提高，嵌入式軟件的規(guī)模也其次，隨著微處理器性能的提高，嵌入式軟件的規(guī)模也成指數(shù)型增長，所體現(xiàn)出的嵌入式應(yīng)用具備了更加復(fù)雜和高成指

3、數(shù)型增長，所體現(xiàn)出的嵌入式應(yīng)用具備了更加復(fù)雜和高度智能的功能，軟件在系統(tǒng)中體現(xiàn)出來的重要程度越來越大，度智能的功能，軟件在系統(tǒng)中體現(xiàn)出來的重要程度越來越大，嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式軟件中的使用越來越多，所占的比嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式軟件中的使用越來越多，所占的比例逐漸提高，同時(shí)，嵌入式操作系統(tǒng)的功能不斷豐富，在內(nèi)例逐漸提高，同時(shí)，嵌入式操作系統(tǒng)的功能不斷豐富，在內(nèi)核基礎(chǔ)上發(fā)展成為包括圖形接口、文件、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式核基礎(chǔ)上發(fā)展成為包括圖形接口、文件、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式Java、嵌入式嵌入式CORBA、分布式處理等完備功能的集合；最后，嵌、分布式處理等完備功能的集合；最后，嵌入式開發(fā)工具更加豐富，已經(jīng)覆蓋了

4、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程的入式開發(fā)工具更加豐富，已經(jīng)覆蓋了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程的各個(gè)階段，現(xiàn)在主要向著集成開發(fā)環(huán)境和友好人機(jī)界面等方各個(gè)階段，現(xiàn)在主要向著集成開發(fā)環(huán)境和友好人機(jī)界面等方向發(fā)展。向發(fā)展。 1.2 嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的概念 1.2.1 1.2.1 嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，簡稱為嵌入式系統(tǒng)。那么究竟什嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，簡稱為嵌入式系統(tǒng)。那么究竟什么是嵌入式系統(tǒng)呢？么是嵌入式系統(tǒng)呢？在在Wayne Wolf著的一本有關(guān)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教著的一本有關(guān)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教科書科書嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理里這樣定義：里這樣定義：“不不嚴(yán)格地說：它是任意

5、包含一個(gè)可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備，嚴(yán)格地說：它是任意包含一個(gè)可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備，但是這個(gè)設(shè)備不是作為通用計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的。因此，但是這個(gè)設(shè)備不是作為通用計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的。因此，一臺(tái)個(gè)人電腦并不能稱之為嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，盡管個(gè)一臺(tái)個(gè)人電腦并不能稱之為嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，盡管個(gè)人電腦經(jīng)常被用于搭建嵌入式計(jì)算系統(tǒng)。人電腦經(jīng)常被用于搭建嵌入式計(jì)算系統(tǒng)?！?IEEE(IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)) )的定義是：的定義是：“Device Device used to control, monitor, or assist the operation of used to control, m

6、onitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants”equipment, machinery or plants”。微機(jī)學(xué)會(huì)的定義是：微機(jī)學(xué)會(huì)的定義是：“嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，并分為系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)、片級(jí)，系統(tǒng)級(jí)包括各，并分為系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)、片級(jí)，系統(tǒng)級(jí)包括各類工控器、類工控器、PC104PC104模塊等；板級(jí)包括各類帶模塊等；板級(jí)包括各類帶CPUCPU的主板和的主板和OEMOEM產(chǎn)品；產(chǎn)品；片級(jí)包括各種以單片機(jī)、片級(jí)包括各種以單片機(jī)、DSPDSP、微處理

7、器為核心的產(chǎn)品。、微處理器為核心的產(chǎn)品。目前被大多數(shù)人接受的一般性定義是：目前被大多數(shù)人接受的一般性定義是：“嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的專用用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！?由于嵌入式系統(tǒng)的概念從外延上很難統(tǒng)一，其應(yīng)用形式多由于嵌入式系統(tǒng)的概念從外延上很難統(tǒng)一，其應(yīng)用形式多種多樣，因此定義嵌入式系統(tǒng)非常困難。不過，通過對(duì)上述定種多樣，因此定義嵌入式系統(tǒng)非常困難。不過，通過對(duì)上述定義分析后不

8、難發(fā)現(xiàn)，從嵌入式系統(tǒng)概念的內(nèi)涵上講，它的共性義分析后不難發(fā)現(xiàn)，從嵌入式系統(tǒng)概念的內(nèi)涵上講，它的共性是一種軟、硬件緊密結(jié)合的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常我們所說的是一種軟、硬件緊密結(jié)合的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常我們所說的嵌入式系統(tǒng)，硬件以嵌入式微處理器為核心，集成存儲(chǔ)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)，硬件以嵌入式微處理器為核心，集成存儲(chǔ)系統(tǒng)和各種專用輸入各種專用輸入/ /輸出設(shè)備；軟件包含系統(tǒng)啟動(dòng)程序、驅(qū)動(dòng)程序、輸出設(shè)備；軟件包含系統(tǒng)啟動(dòng)程序、驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等，這些軟件有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等，這些軟件有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成系統(tǒng)特定的一體化軟件。這種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必然在可靠性、實(shí)時(shí)特定的一體

9、化軟件。這種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必然在可靠性、實(shí)時(shí)性、功耗、可裁減等方面具有一系列特點(diǎn)。如果我們關(guān)注一下性、功耗、可裁減等方面具有一系列特點(diǎn)。如果我們關(guān)注一下嵌入式系統(tǒng)的特性，也許能夠?qū)η度胧较到y(tǒng)的概念獲得更深入嵌入式系統(tǒng)的特性，也許能夠?qū)η度胧较到y(tǒng)的概念獲得更深入的的理解。理解。 2.1 簡介簡介 2.2 SOPC Builder 設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)流程2.3 SOPC Builder 用戶界面用戶界面 圖2.1 SOPC Builder的圖形用戶界面 用戶定義文件仿真文件Soft-wareFilesHDLFilesSystemPTFFileClassPTFFilesComponentWizardsSO

10、PCBuilderGUIComponentGenerationSystemGenerationSOPC配置SOPC生成輸出文件圖2.2 系統(tǒng)生成流程 目 標(biāo) 器 件 模 塊 表系 統(tǒng) 時(shí) 鐘模 塊 池模 塊 池選 擇 器消 息 欄圖2.3 系統(tǒng)元件頁 n如果點(diǎn)擊如果點(diǎn)擊View菜單并選中菜單并選中 Show Master Connections選項(xiàng)，選項(xiàng)，則在模塊表的左邊就會(huì)出現(xiàn)主、從元件的互聯(lián)示意圖。任何則在模塊表的左邊就會(huì)出現(xiàn)主、從元件的互聯(lián)示意圖。任何一個(gè)元件都可以有一個(gè)或多個(gè)主或從的接口。如果主元件和一個(gè)元件都可以有一個(gè)或多個(gè)主或從的接口。如果主元件和從元件使用同一個(gè)總線協(xié)議，則任何一

11、個(gè)主元件都可以和任從元件使用同一個(gè)總線協(xié)議，則任何一個(gè)主元件都可以和任何一個(gè)從元件相連。如果使用的是不同的總線協(xié)議，則用戶何一個(gè)從元件相連。如果使用的是不同的總線協(xié)議，則用戶可以通過使用一個(gè)橋元件來把主、從元件連接起來，比如可可以通過使用一個(gè)橋元件來把主、從元件連接起來，比如可使用使用AMBA-AHB-to-Avalon橋。橋。n當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)主元件共享同一個(gè)從元件時(shí)，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)主元件共享同一個(gè)從元件時(shí)，SOPC Builder 會(huì)自動(dòng)插入一個(gè)判優(yōu)器來控制對(duì)從元件的訪問。當(dāng)對(duì)一個(gè)從會(huì)自動(dòng)插入一個(gè)判優(yōu)器來控制對(duì)從元件的訪問。當(dāng)對(duì)一個(gè)從元件有多個(gè)請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，判優(yōu)器可以決定由哪個(gè)主元件元件有多個(gè)

12、請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，判優(yōu)器可以決定由哪個(gè)主元件來訪問這個(gè)從元件。來訪問這個(gè)從元件。n要查看仲裁優(yōu)先權(quán)，可在要查看仲裁優(yōu)先權(quán)，可在View菜單里選中菜單里選中Show Arbitration Priorities選項(xiàng)。選項(xiàng)。 SDK使能HDL使能使能ModelSim生成仿真文件運(yùn)行ModelSim 軟件系統(tǒng)生成過程消息欄SOPC Builder消息欄圖2.4 系統(tǒng)生成頁 3.1 Nios嵌入式處理器簡介嵌入式處理器簡介 3.2 Nios嵌入式處理器軟、硬件開發(fā)流程簡介嵌入式處理器軟、硬件開發(fā)流程簡介 3.3 Nios嵌入式處理器系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式處理器系統(tǒng)的開發(fā) 表3.1 Nios嵌入式處理器的特性

13、種 類 特 性 32 位指令集 32 位數(shù)據(jù)線寬度 32 個(gè)通用寄存器 32 個(gè)外部中斷源 CPU 結(jié)構(gòu) 2G Byte 尋址空間 片內(nèi)調(diào)試 基于邊界掃描測試(JTAG)的調(diào)試邏輯、支持硬件斷點(diǎn)、數(shù)據(jù)觸發(fā)以及片外和片內(nèi)的調(diào)試跟蹤 定制指令 最多達(dá) 256 個(gè)用戶定義的 CPU 指令 Nios 的集成化開發(fā)環(huán)境(IDE) 基于 GNU 的編譯器 軟件開發(fā)工具 硬件輔助的調(diào)試模塊 表3.2 Nios系列處理器成員內(nèi) 核 說 明 Nios /f (快速) 最高性能的優(yōu)化 Nios /e (經(jīng)濟(jì)) 最小邏輯占用的優(yōu)化 Nios /s (標(biāo)準(zhǔn)) 平衡性能和尺寸。Nios /s 內(nèi)核不僅比最快的第一代的

14、Nios CPU(16比特 ISA)更快，而且比最小的第一代的 Nios CPU 還要小 表3.3 Nios嵌入式處理器支持的FPGA 器 件 說 明 設(shè)計(jì)軟件 Stratix 最高的性能，最高的密度，特性豐富，并帶有大量存儲(chǔ)器的平臺(tái) Stratix 高性能，高密度，特性豐富并帶有大量存儲(chǔ)器的平臺(tái) Stratix GX 高性能的結(jié)構(gòu)，內(nèi)置高速串行收發(fā)器 Cyclone 低成本的 ASIC 替代方案，適合價(jià)格敏感的應(yīng)用 HardCopy Stratix 業(yè)界第一個(gè)結(jié)構(gòu)化的 ASIC， 是廣泛使用的傳統(tǒng) ASIC 的替代方案 Quartus 成功的Nios系統(tǒng)模塊系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求？生成定制的加速硬件將硬件程序下載到開發(fā)板上S將軟件下載到開發(fā)板上S開始C/C+程序開發(fā) S開發(fā)定制 硬件的驅(qū)動(dòng)和 程序 S以定制的 硬件平臺(tái)為目 標(biāo)進(jìn)行編譯連接由IDE根據(jù)硬件系統(tǒng)生