基于 FPGA的嵌入式CPU的VHDL建模和设计

基于FPGA和VHDL的嵌入式存储器控制器设计

基于FPGA和VHDL的嵌入式存储器控制器设计安书董;李明;段小虎;解文涛;路辉【期刊名称】《航空计算技术》【年(卷),期】2017(047)001【摘要】主要研究一种新型嵌入式对存储器的控制方法,不同于以往采用专用控制器来进行控制,而是基于可编程逻辑器件(FPGA)的手段来实现对存储器的控制.可以解决传统方法低灵活性、不可擦写的瓶颈问题.采用VHDL语言实现控制逻辑,由FPGA向存储器发送读写信号,实现对存储器的读写操作.同时,在Xilinx开发环境进行综合,编写测试码进行仿真,通过仿真结果表明方法实现存储器正常工作所需要的读写时序,证明其正确性.%As the embedded memory is widely used in many field,anew method is introduced to control the embedded memory based on FPGA and VHDL.In contrast to the old method that using a special controller to control the embedded memory,Field-Programmable Gate Array(FPGA)is used owning to the flexibility and erasability.Simultaneity,VHDL is used to program the logic and the Xilinx integrated development environment can be used tosynthesized.Finally,the logic is emulated by ISE Simulator Lite,and its rationality is verified.Thus,the complexity and cost can be effectively reduced.【总页数】4页(P124-127)【作者】安书董;李明;段小虎;解文涛;路辉【作者单位】中航工业西安航空计算技术研究所,陕西西安 710068;中航工业西安航空计算技术研究所,陕西西安 710068;中航工业西安航空计算技术研究所,陕西西安 710068;中航工业西安航空计算技术研究所,陕西西安 710068;中航工业西安航空计算技术研究所,陕西西安 710068【正文语种】中文【中图分类】TN918.7【相关文献】1.基于VHDL设计的FPGA功能仿真结果与实际功能不一致问题研究 [J], 金臻;姜丽梅2.PCI总线控制器的VHDL设计与FPGA实现 [J], 唐伟;任中全;贺文海3.基于FPGA和VHDL的LCD控制器设计 [J], 徐宏祥;亓爱国;尹冀波;耿爽;张春宇4.VHDL和FPGA在高速A/D采样控制器设计中的应用 [J], 杨亚让;吴云虎5.嵌入式存储器控制器设计中FPGA与VHDL的应用研究 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

Altium Designer基于FPGA嵌入式系统设计

图8 将VHDL产生图表符
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基于FPGA的硬件设计
生成如图9所示的图表符，
图9 将VHDL产生图表符
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基于FPGA的硬件设计

9.按图10将图表符连接好
图10 连接图表符
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基于FPGA的硬件设计
10.给各元件加上标注，选择菜单Tools\Annotate quiet…,在弹出的对话框中选择ok，原理图中的元件就自动排列完成了。
基于FPGA的硬件设计
以下我们将结合一个实例来简要介绍一下如何在Altium Designer 上实现一个完整的嵌入式系统设计过程。
首先：创建一个新的FPGA 工程 1.选择菜单File\New\FPGA Project，在工程栏中将会显示新建的 FPGA 工程名，选择菜单File\Save Project ，在对话框中修改工程名称 Test，然后Save。在工程栏中选择File View 选项，在工程中将会列出所有属于当前工程的文件。
TEST_BUTTON
LED NEXUS_JTAG_CONNECT NEXUS_JTAG_PORT OR2N1S FPGA_STARTUPx
FPGA NanoBoard Port-Plugin.IntLib
FPGA NanoBoard Port-Plugin.IntLib FPGA NanoBoard Port-Plugin.IntLib FPGA Generic.IntLib FPGA Generic.IntLib FPGA Peripherals.IntLib
图6 新建VHDL文件
8
基于FPGA的硬件设计

);
7.在VHDL文档界面下输入VHDL语言：

基于VHDL和FPGA的数字系统设计方法

顺序语句一次一个命令且依书写方式由上而下地执行。 (1)Process (2)IF-ELSE(判断比较) (3)Wait（等待）以上三个配合使用 (4)CASE-When(描述选择）如：CASE S is when “00” =>A<=„1‟; when “11” =>A<=„0‟; When others=>A<=not A; End case;
CH2_4_1.VHD CH2_5_1.VHD

(5)For-LOOP For I in 起始值 downto(to) 结束值 LOOP 命令语句 END LOOP; 在许多设计项目里，常常看到大部分的工程师只是使用VHDL语法的30%，就已能完成电路的设计了。
CH3_2_1.VHD CH3_2_2.VHD
四、组合电路设计实例ALU
CH5_4_1.VHD
四、时序电路设计
1、D触发器
CH6_1_1.VHD
2、T触发器
3、延迟电路
CH6_1_2A.VHD
CH6_2_1.VHD
CH6_1_2B.VHD
4、微分电路
CH6_2_2.VHD
5、加减法计数器 CH6_2_3B.VHD 除2N分频电路
6、分频电路（1）除2N分频电路（2）除N分频电路加法分频电路
2、VHDL的程序结构图
3、VHDL程序基本结构
表示打开IEEE库 library IEEE; use IEEE.std_logic_1164.all; use IEEE.std_logic_ARITH.all; use IEEE.std_logic_UNSIGNED.all; 表示使用这 entity nand2 is 三个程序包 port ( a: in STD_LOGIC; b: in STD_LOGIC; y: out STD_LOGIC ); end nand2;

基于FPGA+CPU的信号处理系统的设计与实现

• 174•基于FPGA+CPU的信号处理系统的设计与实现上海广电通信技术有限公司李红霞【摘要】文章简要介绍了雷达信号处理的发展现状，为了解决现有的雷达信号处理系统信号处理能力弱、数据传输速率低的问题，设计开发了基于FPGA+CPU 的船用导航雷达信号处理系统。

该系统充分利用FPGA 的流水性能以及通用 CPU 的并行处理能力，将算法合理分配至不同的处理器中，实现大数据量的实时传输和高性能的实时信号处理。

文章从系统设计入手介绍了船用导航雷达信号处理系统的工作原理，简要介绍了船用导航雷达信号处理系统的硬件设计，并从信号预处理、信号处理、目标跟踪三个方面阐述了船用导航雷达信号处理系统的信号处理流程和算法设计。

【关键词】雷达信号处理系统；信号预处理；信号处理；目标跟踪0 引言船舶驾驶员在驾驶船舶过程中，需要做到瞭望、定位、导航和避碰，这就要通过船用导航雷达来保证。

船用导航雷达是船舶正常航行所必备的电子设备之一,在过弯道、船舶靠港和离开以及海上作业等方面起到了重要的作用[1]。

雷达系统的不断升级相应的要求大幅提升信号处理系统的计算速度、数据带宽和传输速率[2]。

而现有的雷达信号处理系统的运算能力较低，传送数据的速率不高，无法满足现代信号处理的需求。

因此增强雷达系统的运算能力，提高传送数据的速度是如今雷达信号处理亟待解决的问题。

本文所采用的方案，可以很好地完成实时、可靠的雷达信号处理。

本文中的信号处理系统采用ADC+FPGA+CPU 的系统架构，集高密度计算与高速数据传输于一体，实现强大的信号处理及数据交换能力[1]，同时提高了系统的集成度。

1 系统设计船用导航雷达信号处理的数据量大，对实时性和数据传输速率都要求较高，本文中针对以上特点，并结合 FPGA 的流水性能以及通用 CPU 的并行处理能力，将算法合理分配至不同的处理器中，提升了信号处理能力和数据传输能力，降低成本的同时提高了系统的集成度。

船用导航雷达信号处理系统通过ADC 对视频信号进行采样，将模拟视频信号转换为数字化的视频数据。

fpga设计中vhdl语言简介

fpga设计中vhdl语言简介
VHDL是一种硬件描述语言(HDL)，旨在帮助工程师和设计师进行复杂电路和系统的设计和仿真。

VHDL语言是由美国国防部发起的，现在已经成为全球应用最广泛的HDL之一。

VHDL语言的基础包括三个部分：实体(entity)、体(architecture)和过程(process)。

实体定义组件的接口，在其内部，architecture结构体提供了具体的实现。

过程是编写复杂操作的基本方式，类似于C语言中的函数。

VHDL语言的数据类型包括标准逻辑类型，如布尔、位和字符类型，以及更复杂的数据类型，如数组和记录类型。

此外，VHDL也支持自定义数据类型。

在FPGA设计中，VHDL语言的主要作用是设计和实现可编程逻辑电路。

VHDL语言描述的电路可以在硬件上运行，也可以使用仿真器进行验证和测试。

总体而言，VHDL语言是一种强大的硬件描述语言，对于设计和实现复杂的电路和系统非常有用。

在FPGA设计中，VHDL语言是必不可少的一部分。

基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现

2、输入模块设计
输入模块主要包括乐曲信息的采集和传输。本系统中，乐曲信息采用MIDI格式进行存储和传输。用户可以通过MIDI键盘或者其他MIDI设备将乐曲信息输入到系统中。
3、处理模块设计
处理模块主要由FPGA完成，其主要任务是将输入的乐曲信息转换为硬件可以识别的控制信号。
具体来说，FPGA首先需要将MIDI格式的乐曲信息解析为数字信号，然后通过内部算法进行处理，生成控制音频硬件的信号。本系统中，FPGA主要通过VHDL编程语言来实现上述功能。
基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现
目录
01 基于FPGA的嵌入式系统设计与实现
02 参考内容
基于FPGA的嵌入式系统设计与实现
随着科技的不断发展，嵌入式系统在各个领域的应用越来越广泛。FPGA（现场可编程门阵列）作为一种灵活、高效的硬件设计技术，为嵌入式系统设计提供了新的解决方案。本次演示将介绍基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现。
经过以上步骤，我们可以得出基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现具有以下优点：首先，FPGA的可编程性使得硬件设计更加灵活，可以根据不同需求进行定制和优化；其次，FPGA的高速并行处理能力可以提高整个嵌入式系统的运算效率和性能；再次，使用FPGA可以降低系统功耗和成本，同时减小了系统的体积和重量；最后，FPGA的可重构特性使得系统升级和维护更加简便。
1、硬件设计
系统的硬件部分主要包括DSP、FPGA、RAM、Flash等。其中，DSP用于实现信号处理算法，接收GPS和惯性导航等传感器数据，计算出位置、速度等信息； FPGA用于实现硬件接口、数据传输和控制逻辑，连接各个硬件模块，保证系统的正常运行；RAM用于存储运行时的数据和程序；Flash用于存储固件程序和常量数据。

《VHDL语言程序设计》课程教学大纲

GDOU-B-11-213《VHDL语言程序设计》课程教学大纲课程简介课程简介:本课程为软件工程专业嵌入式专业方向的专业课，是开发基于FPGA/CPLD嵌入式系统的必备基础。

主要内容包括FPGA/CPLD目标器件的结构和工作原理、EDA技术和工作流程、VHDL基础知识、VHDL实用方法和设计深入、原理图输入法、LPM宏功能模块实用方法、状态机设计以及EDA优化设计。

目的是为后续课程的学习和嵌入式系统的设计作必须的基础准备。

课程大纲一、课程的性质与任务：本课程是软件工程专业的专业方向课程。

教学任务主要包括使学生了解EDA技术的工作流程，正确使用开发平台，掌握以VHDL为代表的硬件描述语言的基本知识、编程实用方法和工程设计方法，掌握原理图设计法、状态机设计法，能够正确使用IP Core和LPM等宏功能模块。

本课程是软件工程专业嵌入式专业方向的第一门专业方向课，是后续课程的必备基础，具有较重要的地位。

二、课程的目的与基本要求：本课程涉及到的学科基础知识面广，要求软硬件兼备，需要较好的学科基础。

通过本课程的学习，最终达到能够设计基于FPGA/CPLD的ASIC，并能进行EDA优化的目的。

三、面向专业：软件工程四、先修课程:《计算系统基础》五、本课程与其它课程的联系：本课程的先行课程是计算系统基础。

服务的主要后续课程包括基于FPGA的嵌入式软件开发、基于ARM的嵌入式软件开发等。

六、教学内容安排、要求、学时分配及作业：第一章概述（2学时）1.1 EDA技术及其发展（C）1.2 硬件描述语言硬件描述语言种类、自顶向下设计方法、EDA工程设计流程。

（A）1.3 面向FPGA/CPLD的开发流程设计输入、分析综合、布局布线、仿真、下载和硬件测试。

（A）1.4 IP Core 及EDA技术发展趋势。

（C）第二章 FPGA硬件特性与编程技术（8学时）2.1 PLD发展历程及其分类（c）2.2 低密度PLD工作原理PROM、PLA、PAL、GAL。

基于FPGA的嵌入式CPU的VHDL设计

科技ｌ科技创新与应用
基于ＦＰＧＡ的嵌入式ＣＰＵ的ＶＨＤＬ设计
史展李占宣ｚ
（１、黑龙江农垦石油化工销售公司，黑龙江哈尔滨１５００３６２、哈尔滨金融学院计算机系，黑龙江哈尔滨１５００３０）
摘要：提出一种嵌入式ＣＰＵ核的ＶＨＤＬ行为设计方法，是基于指令对数据流流通控制行为的描述。该方法可以快速创建兼容已有指令集的ＣＰＵ核的ＶＨＤＬ模型，易于修改，提高设计效率。同时介绍兼容８０５１单片机指令的ＣＰＵ的ＶＨＤＬ设计例子，并给出使用ＡｈｅｒａＱｕａｒｔｕｓｌＩ工具在ＥＰ３Ｃ４０Ｑ２４０Ｃ８Ｎ器件上进行综合实现ＣＰＵ核设计的结果。关键词：ＦＰＧＡ；嵌入式ＣＰＵ；ＶＨＤＬ；指令；仿真嵌人式ＣＰＵ的设计是ＳＯＣ设计的核心，在ＦＰＧＡ器件中嵌入块，应该与电路模块相接。电路模块可以由７４１６５、７４１６４及一个三式ＣＰＵ有硬核和软核两种。态门组成。连接方式是三态门的输出端口接单片机的Ｐ３．０，三态门１ＣＰＵ行为模型的控制端可以由单片机的Ｐ３．６来控制；当Ｐ３．６＝０时，信号从单片机ＣＰＵ数据流行为模型是根据ＣＰＵ对数据流的控制行为建立的Ｐ３．０输出进入７４１６４的数据输入端；而当Ｐ３．６＝１时，７４１６５的数的，符合自顶向下（Ｔｏｐ — ｔｏ — Ｄｏｗｎ）的全正向设计原则。数据流控制的据输出至Ｐ３．０。行为描述不涉及ＣＰＵ具体的电路结构或总线结构，抽象和概括３．２．４锁相环应用ＣＰＵ的行为。单片机的时钟信号必须来自锁相环，频率高低可根据实际需要２ＣＰＵ模块结构来确定。例如配合延时程序而选择的主频频率，或在串行通信中特根据ＣＰＵ数据流行为模型，目标器件的写控制、数据源选择和定波特率所对应的特定的主频频率等。此外，若需高速运算，则可将传输通道选择行为都是由ｉｎｓｔｒ＿ｅｏｄｅ指令码决定的，可用指令译码时钟频率设得比较高。尽管最高可大于８００ＭＨｚ，但为了确保工作的模块实现数据流控制行为。稳定性，一般频率不要大于５５０ＭＨｚ。当然，锁相环还能为ＦＰＧＡ中ＲＯＭ的地址ｒｏｍ —ａｄｄｒ连至Ｐｃ寄存器输出，ＲＯＭ的数据线或外部的其他扩展模块提供品质良好和精确的时钟信号。连接到控制器的数据输入。控制器是一个状态机，ＣＰＵ先从ＲＯＭ读３．２．５软件设计与调试取并保存指令码和立即数，输出指令码ｉｎｓｔｒ＿ｃｏｄｅ、立即数ｉｎｓｔｒ所有硬件电路设计完成后，要为单片机的工作编写软件。ｄａｔａｌ、立即数ｉｎｓｔｒ— ｄａｔａ２至译码器，然后输出ｉｎｓｔｒｏｐ信号有效，电路系统设计和调试步骤如下：数据被写入目标器件，完成指令操作，再读取下一条指令。ＣＰＵ中（１）调入８０５１ＣＰＵ核：ＣＰＵ８０５１Ｖ１．ｖｑｍ。的寄存器由特殊和通用寄存器组成。为提高程序执行效率和速度，（２）调入ＬＰＭ— ＲＯＭ程序存储器，存储量大小可根据应用程序累加器设计成具有移位功能，Ｐｃ寄存器具有自加功能、ＰＣ计数器的大小来决定。和ＤＰＴＲ具有和地址总线相同位宽、标志寄存器ＰＳＷ具有位操作对７４１６５和７４１６４的读写程序如下：等功能。通用寄存器Ｒ０一Ｒ７可用分布式ＲＡＭ实现，用块ＲＡＭ实ＳＥＴＢＰ３．６；Ｐ３．６＝１：选择ＳＦＴ模块（即７４１６５），读人８现双端口ＲＡＭ。ＡＬＵ是１６位运算器，实现１６位加、减、８位乘法运位数据算和逻辑运算。指令译码模块是一个组合电路，当ＣＰＵ读取新的指ＣＬＲＰ３．５；当Ｐ３．５＝１时，时钟信号到令码Ｉｎｓｔｒ— ｃｏｄｅ后，指令译码模块根据当前的指令选择数据源、ＳＥＴＢＰ３．５；把并行输入的８位数据Ｄ［７ — ０１锁人移位寄选择数据通道和选择数据写入目标器件。存器３设计综合仿真ＣＬＲＰ３．１３．１Ｋ８０５１单片机软核基本功能和结构ＳＥＴＢＰ３．１；时钟上升沿后锁存Ｏ［７．．０１ＣＬＲＰ３．５Ｋ８０５１单片机核属于８位复杂指令ＣＰＵ，存储器采用哈佛结构。指令系统与８０５１／２、８０３１／２等完全兼容，硬件接口也基本相同。ＭＯＶＳＣＯＮ，＃１０Ｈ；设置串口数据读入不同之处主要有：ＧＧＧ：ＪＮＢＲＩ，ＧＧＧ；检测ＲＩ标志ＭＯＶＡ，ＳＢＵＦ（１）Ｋ８０５１ＣＰＵ是以网表文件的方式存在的，只有通过编译综合，并载入ＦＰＧＡ中才以硬件的方式工作，而普通８０５１总是以硬件ＣＬＲＲＩ；清０，ＲＩ标志方式存在的。ＭＯＶ４４Ｈ，Ａ；将来自ＦＰＧＡ的８位数据存入４４Ｈ单（２）Ｋ８０５１ＣＰＵ无内部ＲＯＭ和ＲＡＭ，所有程序ＲＯＭ和内部兀ＲＡＭ都必须外接，但仍是在ＦＰＧＡ内部。ＣＬＲＰ３．６；Ｐ３．６＝０：选择７４１６４，输出８位数据ＭＯＶＳＣＯＮ．加ＯＨ（３）以软核方式存在能进行硬件修改和编辑；能对其进行仿真和嵌人式逻辑分析仪实现实时时序测试；能根据设计者的意愿将Ｍ０ＶＡ，＃５ＢＨ；输出５ＢＨＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、硬件功能模块和接口模块等实现于同一片ＦＰＧＡＭＯＶＳＢＵＦ，Ａ中。３－３使用逻辑分析仪３－２单片机扩展功能模块的ＳＯＣ设计ＳｉｇｎａｌＴａｐＩＩ和Ｉｎ — ＳｙｓｔｅｍＳｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｒｏｂｅｓ了解系统中某些３．２．１ＣＰＵ核及其端口信号硬件模块在单片机软件控制下功能行为的正确性，特别是对ＦＰＧＡ８０５１ＣＰＵ软核在配接上了程序存储器ＲＯＭ和数据ＲＡＭ后就外部接口电路的控制情况的了解。成为一个完整的８０５１单片机最小系统了。其中的ＣＰＵ８０５１Ｖ１是４结束语８０５１单片机ＣＰＵ核，模块文件是ＣＰＵ８０５１Ｖ１．ｖｑｍ，由ＶＱＭ原码表仿真显示５条指令执行的结果是符合指令功能要求的。每一条述，可用例化方式直接调用。该元件可以与其他不同语言表述的元指令执行需要２ｎｓ（３个ｃｌｋ时钟周期），其中ＲＯＭ取指延迟约为件一同综合与编译，该核指令与标准８０５１指令系统完全兼容，外部ｌｎｓ，译码延迟约为ｌｎｓ，加法运算延迟约Ｉｎｓ。仿真显示ＣＰＵ时钟总线可以连接２５６字节的 “ 内部” ＲＡＭ和最大至６４Ｋ字节的程序最高频率为８００ＭＨｚ，运行速度超过９０ＭＩＰＳ，是８０５１单片机（时钟Ｒ０Ｍ。频率为１２ＭＨｚ）的近４００倍。若增加３级指令流水操作，可以使ＣＰＵ３．２．２ＣＰＵ核工作存储器的ＣＰＩ为１，运行速度可以达到２８５ＭＩＰＳ。为单片机核配置的数据存储器是２５６个字节的ＬＰＭ — ＲＡＭ单参考文献元ｒａｍ２５６。该ＲＡＭ可由内部指令直接访问，显然此ＣＰＵ