基于FPGA嵌入式系统
基于FPGA的嵌入式系统开发
基于FPGA的嵌入式系统开发的实验报告应福军徐飞Linux操作系统近年来在嵌入式领域中发展很快，由于其强大的性能和开源免费的特点，越来越受到嵌入式系统开发商的青睐，信息家电、网络设备、手持终端等都是嵌入式Linux应用的广大市场。
FPGA生产商Xilinx公司提供了全面的嵌入式处理器解决方案,包括PowerPC、MicroBlaze和PicoBlaze三款RISC结构的处理器核。
其中,MicroBlaze 是32位嵌入式软核处理器解决方案,支持CoreConnect总线的标准外设集合,具有兼容性、可配置性以及重复利用性,能够根据成本和性能要求提供高性价比的处理性能。
支持MicroBlaze处理器的嵌入式操作系统很多,比如μC/OS-II、BuleCat ME Linux、RTA MB、ThreadX、PetaL-inux等等。
本次项目实验是在xilinx 公司的spartan_3E开发板上移植petalinux内核一、实验目的通过成功做一个嵌入式项目，把前期课堂学习转化成实践能力，真正具备基础的嵌入式开发能力，为今后的更大的项目实践打下基础二、实验步骤1.在EDK中建立基本硬件系统新建工程，添加DCE,LED,FLASH,DDRAM,MAC,以及定时器等IP核2. 在EDK中创建BSPBSP是在EDK中创建BSP板级支持包（Board Support Package），是介于主板硬件和操作系统之间的一层，应该说是属于操作系统的一部分,主要目的是为了支持操作系统，使之能够更好的运行于硬件主板。
BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的BSP,例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相对于某一CPU来说尽管实现的功能一样，可是写法和接口定义是完全不同的，所以写BSP一定要按照该系统BSP的定义形式来写（BSP的编程过程大多数是在某一个成型的BSP模板上进行修改），这样才能与上层OS保持正确的接口，良好的支持上层OS。
基于FPGA的嵌入式系统设计与开发研究
基于FPGA的嵌入式系统设计与开发研究嵌入式系统是指具有特定功能的计算机系统，被嵌入到其他设备中以完成特定任务。
嵌入式系统的设计与开发在现代技术领域中具有重要的地位，其中基于可编程逻辑器件（FPGA）的嵌入式系统尤为重要。
本文将探讨基于FPGA的嵌入式系统设计与开发的研究，并分析其在实际应用中的价值与挑战。
首先，我们需要了解FPGA是什么。
FPGA是一种基于可编程逻辑门阵列（PLA）的集成电路芯片，具有灵活性和可编程性，可以通过配置器件中的逻辑门和连接资源来实现各种硬件功能。
相比于传统的固定功能集成电路，FPGA具有更高的性能、灵活性和可靠性，因此广泛应用于嵌入式系统设计与开发中。
基于FPGA的嵌入式系统设计与开发的研究主要涉及以下几个方面：硬件设计、嵌入式软件开发、系统集成与验证。
在硬件设计方面，基于FPGA的嵌入式系统需要首先确定系统的需求和功能，然后进行硬件结构设计。
硬件设计主要包括逻辑设计、电路设计、时序设计等。
通过使用硬件描述语言（HDL）如VHDL或Verilog来描述系统的行为和结构，设计师可以实现各种硬件模块和接口，并通过逻辑综合工具生成对应的电路网表。
随后，通过布局布线工具将电路网表映射到FPGA的逻辑单元和资源中，最终生成比特流文件（Bitstream），供FPGA配置器件使用。
嵌入式软件开发是基于FPGA的嵌入式系统设计与开发中的另一个重要方面。
嵌入式软件开发主要涉及嵌入式处理器的选择与集成、固件编程、设备驱动程序的开发等。
在嵌入式系统设计中，使用处理器核心与FPGA逻辑单元进行协同工作，处理器核心负责控制和高层次算法处理，FPGA逻辑单元负责实时数据处理和硬件加速，使得系统具有较高的性能和吞吐量。
通过使用嵌入式软件开发工具如Eclipse等，设计师可以编写和调试嵌入式软件，并将其烧录到FPGA中。
系统集成与验证是保证基于FPGA的嵌入式系统正常运行的关键步骤。
系统集成主要涉及将各个硬件模块、嵌入式软件和外设等组合到一起，并实现合适的通信和数据交换机制。
基于FPGA嵌入式系统的研究与应用
半 导 体 工 业 和 嵌 入 式 领 域 所 面 临 的 主 要 课 题 之 一
１ Ｐ Ｆ ＧＡ 嵌 入 式 系统
１ １ 基 本 原 理 ．
就 是 设 计 片 上 系 统 。 上 系 统 可 以在 单 芯 片 上 集 成 嵌 入 片
式 Ｃ Ｕ、 Ｓ 、 储 器 和 其 他 控 制 功 能 ， 而 可 大 大 降 低 Ｐ ＤＰ 存 从
产 品 的 开 发 周 期 。 高 产 品 的安 全 性 、 靠 性 ， 小 产 品 提 可 缩
的 物 理 尺 寸 ， 低 成 本【 。 片 上 系 统 ：１可 以包 含 ： 处 降 ｌ １ （１ 微
Ｆ Ｇ 其 技 术 的关 键 在 于 用 户 可 编 程 性 ， 用 Ｆ Ｇ ＰＡ 利 ＰＡ 作 为 高 度 并 行 处 理 器 件 来 设 计 嵌 入 式 系 统 可 以提 供 高 信 号 处 理 的 能 力 ， 足 样 机 开 发 周 期 短 和 产 品 上 市 快 的 满
了 利 用 Ｆ Ｇ 实 现 嵌 入 式 系统 的 基 本 原 理 和 设 计 方 法 ，重 点 探 讨 了 其 结 构 的 转 换 难 点 。 通 过 具 体 应 ＰＡ
用 ， 析 了乘 法 累加 驱 动 滤 波 器 的 实现 原 理 和 处 理 过 程 ， 计 了 Ｆ Ｇ 嵌 入 式 系 统 的 具 体 实 现 方 式 。 分 设 ＰＡ
基于FPGA的嵌入式资料
（2）片上系统SOC—System On Chip 片上系统又称为集成电路（Integrated System），
简称IS。有人认为，IS与IC的关系和当时的集成电路与 分离元件的关系类似。
IS或SOC是一个复杂的系统。它一般将一个完整产 品的各功能集成在一个芯片上或芯片组上。
（3）可编程片上系统SOPC—System On Programmable Chip
IEEE( 国 际 电 气 和 电 子 工 程 师 协 会 ) 的 定 义 是 ： “ Device used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants”。
微机学会的定义是：“嵌入式系统是以嵌入式应用为目的 的计算机系统”，并分为系统级、板级、片级，系统级包括各 类工控器、PC104模块等；板级包括各类带CPU的主板和OEM产 品；片级包括各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品。
嵌入式系统包括硬件和软件两部分。
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，有硬核和 软核之分。
由于嵌入式系统的概念从外延上很难统一，其应用形式多 种多样，因此定义嵌入式系统非常困难。不过，通过对上述定 义分析后不难发现，从嵌入式系统概念的内涵上讲，它的共性 是一种软、硬件紧密结合的专用计算机系统。通常我们所说的 嵌入式系统，硬件以嵌入式微处理器为核心，集成存储系统和 各种专用输入/输出设备；软件包含系统启动程序、驱动程序、 嵌入式操作系统、应用程序等，这些软件有机结合，构成系统 特定的一体化软件。这种专用计算机系统必然在可靠性、实时 性、功耗、可裁减等方面具有一系列特点。如果我们关注一下 嵌入式系统的特性，也许能够对嵌入式系统的概念获得更深入 的理解。
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。
(6)基于FPGA的嵌入式系统设计
FPGA技术发展新趋势（3）
FPGA与ASIC界限日趋模糊，相互融合 与 界限日趋模糊， 界限日趋模糊
XCS30XL Price
$5.50 $5.50 $5.50 $5.50
Percentage of Device Used
17% 36% 27% 6%
Effective Function Cost
$.93 $1.98 $1.49 $0.33
PCI Interface
$6.55
45%
$2.95
Prices are for 250Ku, least expensive package, slowest speed grade
IP资源复用与IP Core IP IP Core设计
IP资源复用理念
IP资源复用(IP Reuse)是指在集成电路 设计过程中，通过继承、共享或购买所 需的部分或全部智力产权内核(IP Core)， 进行设计、综合和验证，从而加速流片 设计过程的设计方法 IP Core是一种商品，是可编程逻辑器件 设计工程师价值体现的主要途径
面向二十一世纪的嵌入式系统设计技术
第六章：基于 第六章：基于FPGA的嵌入式系统设计 的嵌入式系统设计 －System On a Programmable Chip
徐 欣
副教授
嵌入式系统开放研究小组
主要内容
FPGA技术发展趋势综述 IP资源复用与IP Core设计 MicroBlaze软处理器IP Core MicroBlaze IP Core介绍 SOPC基本特征与设计实现 基于Internet可重构逻辑技术（IRL ）
基于fpga的嵌入式系统设计_修改版
基于fpga的嵌入式系统设计_修改版摘要本文设计完成的是基于FPGA的嵌入式系统开发板，它可以完成FPGA、嵌入式系统和SOPC等的设计和开发。
开发板以Altera公司的Cyclone系列FPGA—EP1C6为核心，在其外围扩展FLASH、SRAM、A/D、D/A、键盘、LED显示、LCD显示、串口通信、VGA接口、PS2接口和USB接口等器件，使其成为一个完整的嵌入式开发系统，系统采用模块化设计，各个模块之间可以自由组合，使得该开发板的灵活性和可扩展性大大提高。
同时开发板所提供的丰富的接口模块，供人机交互和器件间通信使用，方便了开发者的设计和系统的嵌入，可以满足普通高等院校、科研人员等的需求。
开发者可以使用VHDL语言、Verilog HDL语言、原理图输入等多种方式进行逻辑电路和功能模块设计，也可以利用Altera公司提供的IP资源和Nios 16/32位处理器开发嵌入式系统，借助QuartusII和Nios SDK Shell软件进行编译、下载，并通过本嵌入式系统开发板进行调式和结果验证。
关键词：嵌入式系统，Nios嵌入式处理器，SOPC，FPGAIABSTRACTThe thesis completes a design of an embedded system development board based on FPGA.The development board can complete the design of FPGA,embeded system,SOPC and so on.The development board is based on Altera Cyclone device—EP1C6，the board extends several peripheral devices such as,FLASH,SRAM, A/D,D/A,LED,LCD,keyboard,serial port,VGA interface,PS2 interface,USB interface and so on.All the devices constitute an integrated embeded development system. The development board offers us plenty of interfaces to meet the need of the device communication and the intercommunion between human and computer,which makes the design and the embedding of the system more easier.The Nios Development Board can meet the need of scientific researchers and other college researchers.The developers can use VHDL,Verilog HDL,schematic input mode and so on to design logic circuit and function block,they can alse use the IP core and Nios microprocessor which are offered by AlteraIto develop embedded systems. The developers can utilize QuartusⅡ and Nios SDK Shell to compile and download,then they can use this development board to debug and validate the result.KEY WORDS: embeded system, Nios embeded CPU，SOPC，FPGAI目录前言 (1)第1章绪论 (3)1.1嵌入式系统概述 (3)1.1.1嵌入式系统的特点 (3)1.1.2 片上系统和可编程片上系统 (6)1.2 Nios嵌入式处理器 (7)1.2.1 Nios嵌入式处理器特性 (7)1.2.2 Nios嵌入式处理器系统组件 (10)1.2.3 Avalon交换结构总线 (11)第2章 Nios嵌入式系统开发板整体理论分析 (16)2.1 系统设计目标 (16)2.2 系统设计原理 (16)2.3 开发板组件与理论分析 (19)2.4 开发板电路设计原理图与PCB布线图 (24)第3章 Nios嵌入式系统开发板硬件开发环境 (26)3.1 硬件开发环境概述 (26)3.2 FPGA：EP1C6QC240C8的特性和电路设计 (26)I3.2.1 特性和封装 (27)3.2.2 引脚说明 (28)3.2.3 工作条件 (28)3.3 串行配置器件：EPCS1的特性和电路设计 (28)3.3.1 Cyclone FPGA的配置 (28)3.3.2串行配置器件： EPCS1/EPCS4 (31)3.3.3 EPCS1的电路设计 (34)3.4 SRAM：IDT71V016的特性和电路设计 (34)3.4.1 器件特性 (34)3.4.2 IDT71V016工作方式 (35)3.4.3 IDT71V016的电路设计 (37)3.5 FLASH：AM29LV800B的特性和电路设计 (39)3.5.1 器件特性 (39)3.5.2 器件工作方式描述 (40)3.5.3 AM29LV800总线操作 (42)3.5.4 AM29LV800的电路设计 (44)第4章软件开发环境：QuartusⅡ和SOPC Builder (45)4.1 QuartusⅡ及其开发流程 (45)4.2 SOPC Builder (46)4.3 GERMS监控 (49)第5章 Nios嵌入式系统开发板调试 (52)I5.1 片内RAM、ROM调试 (52)5.2 GERMS监控调试 (59)5.3 扩展SRAM调试 (66)5.4 扩展FLASH调试 (69)第6章底板部分 (76)6.1 底板概述 (76)6.2 高速A/D：TLC5540 (77)6.3 高速D/A：DAC908 (79)6.4低速A/D：MCP3202 (82)6.5 低速D/A：DAC7512 (83)6.6 LED数码管及键盘管理器件：ZLG7289A (85)6.7 图形LCD液晶显示屏：HD61202 (88)第7章应用实例：利用Nios嵌入式系统开发板完成DDS的设计 (91)7.1 理论分析 (91)7.2 利用开发板实现的优点 (94)7.3系统设计与实现 (95)7.3.1 参数选取 (95)7.3.2 系统设计 (96)7.3.3 系统实现 (97)第8章总结 (98)8.1 主要工作总结 (98)I8.2 结论 (98)8.3 改进意见 (99)致谢 (100)参考文献 (101)附录 (102)附1 英文原文 (102)附2 中文翻译 (113)附3 Cyclone器件引脚功能、定义和工作条件 (121)附4 测试程序led.c (142)I前言FPGA的特点及其发展趋势：嵌入式系统，是一个面向应用、技术密集、资金密集、不可垄断的产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一次又一次的革新。
基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发
基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发嵌入式系统在现代科技中起着至关重要的作用，它们被广泛应用于智能手机、汽车、医疗设备和工业控制等领域。
嵌入式系统的设计与开发过程中，FPGA（Field Programmable Gate Array）技术成为一种常用的解决方案。
本文将探讨基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发的相关内容。
一、嵌入式系统设计与开发的基本概念嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被嵌入到其他设备或系统中，以实现特定的功能。
嵌入式系统通常具有实时性要求、资源受限、功耗低等特点，因此对其设计与开发的要求较高。
基于FPGA技术的嵌入式系统设计与开发，采用可编程逻辑芯片FPGA作为硬件平台，通过对FPGA内部逻辑电路的编程实现所需功能。
相比于传统的ASIC（Application Specific Integrated Circuit）设计流程，FPGA技术具有可重构性、快速原型开发、灵活性等优势。
二、FPGA技术在嵌入式系统设计与开发中的应用1. 快速原型开发FPGA技术可以提供快速的原型开发平台。
设计人员可以使用HDL （Hardware Description Language，硬件描述语言）如Verilog或VHDL编写嵌入式系统的逻辑电路，并通过FPGA工具链将其综合为FPGA可接受的二进制配置文件。
这样，设计人员可以在相对较短的时间内验证系统的功能和性能。
2. 灵活性与可重构性FPGA技术允许设计人员在硬件平台上灵活地重新编程和更改逻辑电路。
这意味着设计人员可以在嵌入式系统的开发过程中进行迭代和调试，以满足不断变化的需求。
与传统的ASIC设计相比，FPGA技术大大缩短了设计和开发周期。
3. 高性能与低功耗由于可以根据具体功能需求对FPGA进行高度优化，因此基于FPGA技术的嵌入式系统可以实现高性能和低功耗的平衡。
设计人员可以通过优化逻辑电路、使用流水线技术以及利用FPGA内部资源等方法来提升系统性能，并在功耗控制上进行权衡。
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基于FPGA的嵌入式系统探究
[摘要]：嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
本文主要是基于fpga现场可编程门阵列技术，从系统架构、特点等方面介绍了嵌入式系统，希望为其进一步发展打下基础。
[关键词]：fpga芯片嵌入式系统嵌入式微处理器
一、引言
嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上pda、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。
二、嵌入式系统简介
嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于pc中bios的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。
嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。
嵌入式系统的硬件部分，包括处理器，微处理器、存储器及外设
器件和i/o端口、图形控制器等。
嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用eprom、eeprom或闪存(flash memory)作为存储介质。
软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。
应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。
三、嵌入式微处理器
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。
嵌入式微处理器具有以下特点：
对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；
具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；
可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器；
嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为mw甚至μw级。
四、fpga可编程芯片
fpga (field programmable gate array现场可编程门阵列）
fpga是作为专用集成电路（asic）领域中的一种半定制电路而出现的，即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。
fpga的基本特点主要有：
fpga内部有丰富的触发器和i／o引脚；允许在硬件中实现自定义算法，它拥有精确的时序和同步；快速决策及并行任务同时执行等优点，可以配置为多个独立的并行计算资源；fpga芯片的系统集成度较高，可靠性较强；fpga是asic电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；fpga采用高速chmos工艺，功耗低，可以与cmos、ttl电平兼容。
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。
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。
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。
五、综述
随着手持移动设备和便携式智能设备的发展，嵌入式系统已广泛
应用于数码产品中。
本文主要介绍了基于fpga现场可编程门阵列的嵌入式系统，希望为嵌入式系统的发展做出一定的贡献。
参考文献:
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