基于FPGA的嵌入式系统综述
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的嵌入式系统概述
系统 的灵活 性 ， 并为 通信 领域 解决 了一 些复 杂 问题 。
２ 基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的嵌入式系统设计方法
２ ． １ 设计 过程 的主 要步 骤
从上 而 下 看 ， 一 开 始 是 需求 ， 接 着 是规 格 。在 设 计 嵌入 式
较件替分
系 统时 ，首先 应 该对 需 求 与规 格 进 行说 明 ； 然 后 通 过 架 构 的开
发 来进 行 系 统 内部 的 建立 ， 再对 系 统 内部 所 需要 的组 件 进 行 确 定， 规 划 组件 的规 格 ， 确 定 了 需要 的 组件 。 然后 建 立 系 统 ， 实 现 组 件 的软 件 部分 与 硬 件部 分 的设 计 ，最后 将 所有 的组 件 加 以 集成 ， 从 而 得 到一 个 的 完整 的系 统 。设 计嵌 入 式 系 统 前期 ， 我 们 应 该 先规 划 好 该 系统 的制造 成 本 、性 能稳 定性 的要 求 、用 户 的接 口与 转 串 口 以及 节 能 方 面 的因 素等 问题 ， 从 而 保 证该 系 统 的完 整 性 。然 后 ，以这 些 问题 为 前提 ， 我们 应 该 确 定 嵌入 式 系 统 的设 计 步骤 ：首 先通 过 分析 设 计 的 各个 步 骤 ， 来 决 定 各个 步 骤 符合 该 系 统 的规 格 ； 然后 ， 加 入 更紧 密 的 内容 保 证 系 统 的稳
内核和 嵌入 的 Ａ Ｓ Ｉ Ｃ器件 等 。这 些处 理器 可 以通 过输 入 输 出 的形 式嵌 入 到 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ中 ， 从而提高 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的逻 辑 门严 密 性 ， 并 且 其 设 计工 具 的软件 业 不断 完善 ， 硬 件 设施 逐步 提 高 ， 保证 了 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ更 高的集 成度 逾 期更 强大 的逻 辑实 现能 力 。 随着 嵌入 式 系 统 的 发 展 ，Ｒ Ｉ Ｓ Ｃ处 理 器 的 高 处 理 速 度 使 其 在嵌 入 式 系统 中逐渐 占有 重要 的地 位 ， 现 场可 编 程 技 术渐 渐 以
FPGA嵌入式系统开发与实例
03
fpga嵌入式系统设计语 言及工具
vhdl语言
总结词
VHDL是一种用于描述数字电路和系统的硬件描述语言。
详细描述
VHDL是一种超前描述语言，可以用于描述时序和组合逻辑电 路，以及更复杂的数字系统。它支持信号赋值、条件语句、 循环语句等结构，适用于描述复杂的数字系统。
verilog语言
总结词
FPGA嵌入式系统的主要目的是 利用FPGA的并行处理能力和灵 活性来提高整个系统的性能和
效率。
在FPGA嵌入式系统中，FPGA 通常被用作执行复杂逻辑功能 和并行数据处理的核心部件。
fpga嵌入式系统应用领域
通信
FPGA嵌入式系统广泛应用于通信领域，如高速数 据传输、无线通信、光纤通信等。FPGA可以用于 实现复杂的调制解调、信号处理和数据压缩等功 能。
根据需求分析结果，进行硬件部分的设计，包括 芯片选型、电路设计、接口设计等。
软件设计
进行软件部分的设计，包括编程语言选择、算法 设计、程序结构规划等。
硬件与软件的集成
将硬件和软件部分进行集成，实现预定的功能和 性能。
仿真验证
仿真环境搭建
选择合适的仿真工具，搭建仿真环境，为后续仿真 验证提供条件。
功能验证
Verilog是一种用于描述数字电路和系统的硬件描述语言。
详细描述
Verilog是一种基于事件的描述语言，可以用于描述数字电路和系统的行为和 结构。它支持模块化设计、信号赋值、条件语句、循环语句等结构，适用于 描述复杂的数字系统。
icarus tool
总结词
Icarus是一个开源的FPGA设计工具，用于Verilog HDL模拟和综合。
安全性和可靠性
嵌入式系统广泛应用于各个领域，对其安全性和可靠性的 要求也越来越高，需要采取有效的措施来确保系统的安全 性和可靠性。
2-基于FPGA的嵌入式系统设计
• 其它类型IP Core
IP Core设计：编码风格
• 编码风格（Coding Style）是基于HDL的IP Core源码编写的指导性文档，关系到的可 读性、易于集成性及其质量 • 编码风格一般包含几个方面的约定：文件 头和版本说明、联机注释、命名规则、可 Core与ASSP成本比较
Core Function XCS30XL Price Percentage of Device Used Effective Function Cost
Prices are for 250Ku, least expensive package, slowest speed grade
• 向低成本、低价格的片上系统方向发展
– Xilinx的MicroBlaze及SpartanII系列 – Altera 的Nios
• 低电压、低功耗和绿色化方向发展
FPGA技术发展新趋势（2）
• IP Core得到进一步发展，Open IP Core将 会象自由软件一样得到飞速发展
– 设计复杂性与知识产权复用 – IP Core开发工具和知识产权保护手段不断完善 （Xilinx的IP Capture等） – OPEN Core计划推波助澜 – 软IP Core（如MicroBlaze）和硬IP Core（如 PPC405）齐头并进
IP Core验证和开发工具
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介绍 SOPC基本特征与设计实现 基于Internet可重构逻辑技术（IRL ）
SOPC的基本特征与设计实现
SOPC的双重含义
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。
基于FPGA的嵌入式系统设计
计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇基于ＦＰＧＡ的嵌入式系统设计周汝（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲４１２００８）—基于ＦＰＧＡ设备驱动的解决方案。
该方案使用处摘要：在对现有的ＩＲＬ实现方案进行分析的基础上，提出了一种新的解决方案——理器控制方式结合嵌入式实时操作系统实现了通过互联网进行远程配置的功能，并且具有体系结构简单、跨平台、配置过程灵活快速、硬件成本较低等特点。
关键词：ＦＰＧＡ；嵌入式系统；ＩＲＬ系统中图分类号：ＴＰ３９３文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００８）１４－２０９５４－０２ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍｓＤｅｓｉｇｎＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡＺＨＯＵＲｕ（ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｃｈｅｍｅｒｅｓｏｌｖｉｎｇｓｏｌｖｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｓｃｈｅｍｅｄｒｉｖｅｓｏｗｉｎｇｔｏＦＰＧＡｅｑｕｉｐｍｅｎｔｒｅａｌｉｚｉｎｇａｓｃｈｅｍｅｈａｖｉｎｇｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｏｎｅｋｉｎｄｉｓｎｅｗｏｎｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｂａｓｉｓｂｅｉｎｇｉｎｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｆａｃｅｔｏｆａｃｅｎｏｗａｖａｉｌａｂｌｅＩＲＬ．Ｏｗｅａｓｃｈｅｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｓｕｃｈａｓｕｓｉｎｇｔｈｅｐｒｏ－ｃｅｓｓｏｒｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｔｏｈａｖｅｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｂｙｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔＩｎｔｅｒｎｅｔｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｌｏｎｇ－ｒａｎｇｅａｌｌｏｃａｔｉｏｎｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｉｍｐｌａｎｔｉｎｇｄｙａｄｉｃｒｅａｌｔｉｍｅＯＳ，ａｎｄｈａｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｒｉｄｉｎｇｏｖｅｒｐｌａｔｆｏｒｍ，ｎｉｍｂｌｅｆｌｅｅｔｎｅｓｓｏｆａｌｌｏｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｈａｒｄｗａｒｅｃｏｓｔｓｉｍｐｌｅｌｙ，ｃｏｍ－ｐａｒａｔｉｖｅｌｙｌｏｗ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；Ｉｍｐｌａｎｔｄｙａｄｉｃｓｙｓｔｅｍ；ＩＲＬｓｙｓｔｅｍ１引言互联网可重配置逻辑ＩＲＬ（ＩｎｔｅｒｎｅｔＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＬｏｇｉｃ），是一种能够通过互联网对目标系统的硬件进行远程更新和动态重构的设计方法。