FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例 教學(xué)課件 趙峰- 第8章

FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例教學(xué)課件趙峰-第8章

制作人：PPt創(chuàng)作者時間：2024年X月目錄第1章FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計簡介第2章FPGA基礎(chǔ)知識第3章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)第4章FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例第5章FPGA上的實時操作系統(tǒng)應(yīng)用第6章FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例教學(xué)課件趙峰01第1章FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計簡介

FPGA概述FPGA（Field-ProgrammableGateArray）是一種集成電路芯片，可通過編程進(jìn)行配置以實現(xiàn)特定功能。在數(shù)字電路設(shè)計中，F(xiàn)PGA可以根據(jù)用戶需求靈活地重新配置，因此被廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理、通信、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域。其可編程性和靈活性使得FPGA成為設(shè)計人員的重要工具。FPGA的特點FPGA可以通過重新編程實現(xiàn)不同的功能可重構(gòu)性FPGA具有并行運(yùn)算能力，適合處理復(fù)雜任務(wù)并行性相比ASIC，F(xiàn)PGA功耗較低低功耗FPGA的靈活性使得設(shè)計人員可以快速迭代設(shè)計靈活性嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)是集成了計算機(jī)硬件與軟件的特定功能系統(tǒng)，通常嵌入在其他設(shè)備中。其特點包括實時性要求高、功耗低、體積小、成本低等。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涵蓋汽車電子、智能家居、醫(yī)療設(shè)備等多個領(lǐng)域。

嵌入式系統(tǒng)特點嵌入式系統(tǒng)需要在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù)實時性要求高嵌入式系統(tǒng)通常工作在電池供電情況下功耗低嵌入式系統(tǒng)通常被集成在設(shè)備內(nèi)部，需要小型化設(shè)計體積小嵌入式系統(tǒng)通常用于大規(guī)模生產(chǎn)，成本是關(guān)鍵考量因素成本低FPGA與傳統(tǒng)處理器的區(qū)別并行性強(qiáng)功耗較低可定制性高FPGA與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)勢提高系統(tǒng)性能降低開發(fā)成本縮短產(chǎn)品上市時間FPGA應(yīng)用案例智能攝像頭工業(yè)控制系統(tǒng)智能交通系統(tǒng)FPGA與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合FPGA在嵌入式系統(tǒng)中的作用提供靈活性加速特定算法實現(xiàn)硬件加速明確系統(tǒng)需求，定義功能和性能要求需求分析0103將設(shè)計轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品，并進(jìn)行驗證測試實現(xiàn)與驗證02確定系統(tǒng)框架，選擇合適的硬件和軟件平臺架構(gòu)設(shè)計小結(jié)本章介紹了FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本概念和流程，從FPGA和嵌入式系統(tǒng)的概述到它們的結(jié)合，再到設(shè)計流程的具體步驟，有助于理解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的重要性和方法。下一章將深入探討FPGA上的軟硬件協(xié)同設(shè)計，敬請期待！02第2章FPGA基礎(chǔ)知識

FPGA的邏輯塊查找表寄存器計數(shù)器FPGA的存儲元件RAMROM寄存器

FPGA架構(gòu)FPGA的基本結(jié)構(gòu)可編程邏輯單元可編程互連I/O單元FPGA編程語言FPGA編程語言包括Verilog和VHDL兩種，Verilog是一種硬件描述語言，VHDL是硬件描述與設(shè)計語言。選擇合適的編程語言對于FPGA設(shè)計至關(guān)重要。

FPGA編程語言硬件描述語言Verilog介紹硬件描述與設(shè)計語言VHDL介紹關(guān)鍵決策FPGA編程語言的選擇

AlteraQuartus工具設(shè)計軟件編譯軟件下載軟件FPGA開發(fā)工具的使用步驟新建工程代碼編寫綜合與實現(xiàn)

FPGA開發(fā)工具XilinxVivado工具綜合工具實現(xiàn)工具調(diào)試工具FPGA設(shè)計流程FPGA設(shè)計流程包括概述、設(shè)計約束與綜合、下載與調(diào)試等環(huán)節(jié)。合理的設(shè)計流程可以提高FPGA設(shè)計效率和準(zhǔn)確性。FPGA設(shè)計流程全局了解FPGA設(shè)計流程概述關(guān)鍵步驟設(shè)計約束與綜合驗證設(shè)計下載與調(diào)試

03第3章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計概述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是指在特定應(yīng)用領(lǐng)域中，基于特定硬件平臺和軟件系統(tǒng)，按照一定的設(shè)計規(guī)則和流程，實現(xiàn)特定功能的系統(tǒng)。其設(shè)計流程包括需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、驗證和調(diào)試等步驟。目標(biāo)是開發(fā)出滿足特定需求的可靠、高效的嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程明確系統(tǒng)功能和性能要求需求分析確定系統(tǒng)整體架構(gòu)和模塊劃分系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計硬件電路和接口硬件設(shè)計編寫軟件程序軟件設(shè)計嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)包括處理器、外設(shè)、存儲器等硬件組成嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等軟件組成嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)描述系統(tǒng)內(nèi)外通信方式和協(xié)議嵌入式系統(tǒng)通信方式

如Keil、IAR等匯編語言開發(fā)工具0103根據(jù)需求和應(yīng)用場景選擇合適的工具嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具的選擇02如GCC、Keil等C語言開發(fā)工具嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化算法降低功耗提高性能嵌入式系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化實例實時操作系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化外設(shè)控制優(yōu)化通信協(xié)議性能提升

嵌入式系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)調(diào)試方法使用仿真工具調(diào)試硬件接口運(yùn)行調(diào)試軟件程序總結(jié)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，需要掌握硬件和軟件知識，熟悉設(shè)計流程和工具。通過理論學(xué)習(xí)和實踐操作，可以提高嵌入式系統(tǒng)設(shè)計能力，為實際應(yīng)用提供強(qiáng)大支持。04第8章FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計需求分析嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的第一步是需求分析。系統(tǒng)功能需求分析包括確定系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的功能，系統(tǒng)性能需求分析涉及系統(tǒng)的性能指標(biāo)，系統(tǒng)可靠性需求分析考慮系統(tǒng)的可靠性保證措施。這些分析將為后續(xù)的設(shè)計提供重要依據(jù)。

嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)硬件架構(gòu)設(shè)計定義嵌入式系統(tǒng)中軟件的組織結(jié)構(gòu)軟件架構(gòu)設(shè)計確定系統(tǒng)與外部通信的接口方式通信接口設(shè)計

實現(xiàn)系統(tǒng)功能的邏輯設(shè)計FPGA邏輯設(shè)計0103對FPGA邏輯進(jìn)行綜合和優(yōu)化FPGA邏輯綜合與優(yōu)化02定義FPGA工作時的時序要求FPGA時序約束設(shè)計硬件與軟件調(diào)試調(diào)試系統(tǒng)以確保正常功能硬件與軟件驗證驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確性和可靠性

嵌入式系統(tǒng)集成與測試硬件與軟件集成將硬件與軟件整合到一起總結(jié)本章介紹了FPGA上嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的整個流程，包括需求分析、架構(gòu)設(shè)計、FPGA設(shè)計與實現(xiàn)以及系統(tǒng)集成與測試的重要步驟。通過本章的學(xué)習(xí)，讀者將深入了解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的方法與技巧，為實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。05第5章FPGA上的實時操作系統(tǒng)應(yīng)用

實時操作系統(tǒng)概述實時操作系統(tǒng)是一種能夠在特定時間范圍內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)的操作系統(tǒng)。其特點包括任務(wù)的實時性要求高、任務(wù)的執(zhí)行時間可預(yù)測等。實時操作系統(tǒng)通常應(yīng)用于對時間要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，如航空航天、醫(yī)療設(shè)備等。

實時操作系統(tǒng)分類具有嚴(yán)格的時限要求，錯過截止期限將導(dǎo)致系統(tǒng)故障硬實時操作系統(tǒng)對任務(wù)的時限要求較為寬松，錯過截止期限不會導(dǎo)致系統(tǒng)故障軟實時操作系統(tǒng)同時具備硬實時和軟實時特性，可以適應(yīng)不同應(yīng)用場景混合實時操作系統(tǒng)

軟實時操作系統(tǒng)時限寬松相對靈活兼容性強(qiáng)混合實時操作系統(tǒng)靈活性與可靠性結(jié)合應(yīng)用場景廣泛技術(shù)難度較高

實時操作系統(tǒng)特點比較硬實時操作系統(tǒng)時限嚴(yán)格可靠性高工作量分析精確實時操作系統(tǒng)應(yīng)用案例在嵌入式系統(tǒng)中，實時操作系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。例如，F(xiàn)PGA上的實時操作系統(tǒng)可以用于控制交通信號燈的時序，保障交通的順暢。此外，實時操作系統(tǒng)在FPGA硬件加速應(yīng)用中也有著廣泛的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)處理、圖像分析等方面。使用調(diào)試工具進(jìn)行性能分析實時操作系統(tǒng)調(diào)試方法0103

02減少任務(wù)響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)效率實時操作系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用場景需要高可靠性可選硬實時系統(tǒng)對靈活性要求較高可選軟實時系統(tǒng)成本考量硬實時系統(tǒng)成本相對較高軟實時系統(tǒng)成本相對較低技術(shù)難度硬實時系統(tǒng)實現(xiàn)較復(fù)雜軟實時系統(tǒng)實現(xiàn)較簡單實時操作系統(tǒng)選擇指南性能要求時限嚴(yán)格需選擇硬實時系統(tǒng)對于時限要求不高可以選擇軟實時系統(tǒng)06第8章FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例

實驗一：FPGA芯片開發(fā)環(huán)境搭建實驗一旨在幫助學(xué)生搭建FPGA芯片的開發(fā)環(huán)境，讓他們熟悉開發(fā)流程和工具。學(xué)生將學(xué)會如何安裝開發(fā)軟件，配置開發(fā)環(huán)境，以及如何連接FPGA開發(fā)板。這一實驗是深入學(xué)習(xí)FPGA的第一步，為后續(xù)實驗打下堅實基礎(chǔ)。

實驗一：FPGA芯片開發(fā)環(huán)境搭建了解FPGA芯片的開發(fā)環(huán)境實驗?zāi)康陌惭b開發(fā)軟件、配置環(huán)境、連接開發(fā)板實驗步驟分析搭建環(huán)境的成功與否實驗結(jié)果分析

實驗二：FPGA邏輯設(shè)計與仿真學(xué)習(xí)FPGA邏輯設(shè)計和仿真實驗?zāi)康脑O(shè)計邏輯電路、進(jìn)行仿真驗證實驗步驟分析設(shè)計的邏輯電路運(yùn)行情況實驗結(jié)果分析

仿真驗證使用ModelSim進(jìn)行仿真驗證設(shè)計功能正確性分析結(jié)果比較設(shè)計與仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計以符合預(yù)期功能

實驗二：FPGA邏輯設(shè)計與仿真邏輯設(shè)計學(xué)習(xí)VerilogHDL編程設(shè)計簡單邏輯電路掌握軟件設(shè)計與調(diào)試流程實驗?zāi)康?103分析軟件運(yùn)行效果實驗結(jié)果分析02編寫嵌入式軟件、調(diào)試程序?qū)嶒灢襟E實驗四：FPGA與嵌入式系統(tǒng)集成測試實驗四將FPGA與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行集成測試，驗證系統(tǒng)整體功能。學(xué)生將學(xué)會如何將硬件與軟件整合在一起，進(jìn)行功能性測試、性能測試等，并分析測試結(jié)果。這一實驗旨在讓學(xué)生領(lǐng)悟到硬件與軟件之間的協(xié)同作用，加深對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的理解。07第8章FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例

FPGA與深度學(xué)習(xí)的結(jié)合實現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型計算性能FPGA在邊緣計算的作用提高實時性能降低能耗

FPGA與人工智能結(jié)合FPGA在人工智能中的應(yīng)用加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練實時推理加速數(shù)據(jù)處理和傳輸FPGA在物聯(lián)網(wǎng)中的作用0103智能控制與聯(lián)動FPGA在智能家居中的應(yīng)用02實時數(shù)據(jù)采集和處理FPGA與傳感器技術(shù)結(jié)合FPGA與工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)合實時監(jiān)控與反饋控制FPGA在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用高效生產(chǎn)流程控制FPGA在自動化生產(chǎn)中的作用邏輯控制與數(shù)據(jù)處理FPGA與PLC控制器的結(jié)合

FPGA在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用FPGA在軍事通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，提供高速數(shù)據(jù)傳輸和加密功能。在軍事雷達(dá)系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA可實現(xiàn)快速信號處理和目標(biāo)跟蹤。另外，F(xiàn)PGA在軍事導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，提供精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航功能。FPGA在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用高速數(shù)據(jù)傳輸和加密功能FPGA在軍事通信系統(tǒng)中的應(yīng)用快速信號處理和目標(biāo)跟蹤FPGA在軍事雷達(dá)系統(tǒng)中的作用精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航功能FPGA在軍事導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

08第8章FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例

通過FPGA實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制燈光亮度和顏色智能燈光控制0103實現(xiàn)家電遠(yuǎn)程控制，提高生活便利性智能家電控制02利用FPGA技術(shù)搭建智能監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測家庭安全智能安防監(jiān)控智能控制實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的自主學(xué)習(xí)和智能控制適應(yīng)多樣化生產(chǎn)需求安全性借助FPGA技術(shù)確保工業(yè)機(jī)器人操作安全降低事故風(fēng)險通信功能實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與其他設(shè)備的高效通信實現(xiàn)整體生產(chǎn)自動化實例二：工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)精準(zhǔn)定位利用FPGA實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的精準(zhǔn)定位功能提高生產(chǎn)效率實例三：醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)利用FPGA技術(shù)，實現(xiàn)對患者生命體征的實時監(jiān)測和記錄，提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量，確?；颊甙踩?。系統(tǒng)集成了心電圖分析、呼吸監(jiān)測等功能，為醫(yī)護(hù)人員提供重要參考信息。

FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計未來趨勢將FPGA技術(shù)與人工智能結(jié)合，實現(xiàn)更加智能化的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人工智能應(yīng)用FPGA在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)FPGA設(shè)計趨向于節(jié)能和提高性能的方向發(fā)展，滿足當(dāng)前能效標(biāo)準(zhǔn)能效優(yōu)化FPGA在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的實時處理能力將更加強(qiáng)大，支持更復(fù)雜的任務(wù)實時處理能力FPGA在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的未來展望隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，F(xiàn)PGA在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用前景將更加廣闊。未來，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA技術(shù)將扮演更加重要的角色。同時，隨著FPGA技術(shù)的日趨成熟和普及，其硬件資源的利用效率會不斷提升，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計帶來更多的可能性。09第8章FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例教學(xué)課件趙峰

課程內(nèi)容回顧本章將回顧FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實例教學(xué)課件的主要內(nèi)容，包括嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原理、FPGA編程方法等。通過本章的學(xué)習(xí)，學(xué)生將深入了解嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和開發(fā)過程，為未來的學(xué)習(xí)和工作奠定基礎(chǔ)。

學(xué)習(xí)收獲Verilog語言的應(yīng)用掌握FPGA編程方法硬件與軟件結(jié)合的實踐了解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原理完成實際項目案例實