基于FPGA的嵌入式资料
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
基于FPGA的嵌入式图像处理系统设计
基于FPGA的嵌入式图像处理系统设计嵌入式图像处理是近年来一种非常流行的技术，在很多领域都得到了广泛应用。
FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）作为一种高性能、高可靠性的芯片，在嵌入式图像处理系统中应用越来越广泛。
本文将探讨基于FPGA的嵌入式图像处理系统设计的相关技术。
一、FPGA的概述FPGA是一种可编程逻辑器件，它与ASIC（Application Specific Integrated Circuit，应用特定集成电路）有着类似的功能，但是具有更高的灵活性。
FPGA可以在设计上实现大量的逻辑功能，包括数字信号处理、计算机视觉、视频图像处理等多种应用。
FPGA可以提供高性能、低功耗和可重构的设计方案。
二、嵌入式图像处理系统的需求嵌入式图像处理系统在许多应用场景中具有广泛的需求，例如智能监控系统、工业自动化、医疗影像、无人驾驶汽车等。
这些应用需要高效的图像采集、处理和传输能力，以便在实时应用中满足设备的需求。
嵌入式图像处理系统需要具备低延迟、高性能、低功耗、小尺寸等特点，同时还需要具备易于升级、可重构的特点。
三、FPGA在嵌入式图像处理系统中的应用FPGA作为一种可编程逻辑器件，在嵌入式图像处理系统中有着广泛的应用。
FPGA可以实现诸如图像编解码、滤波、边缘检测、图像配准、目标跟踪等多种图像处理任务。
3.1 FPGA的优势在嵌入式图像处理系统中，FPGA具有诸多优势。
首先，FPGA 具备高性能、低功耗、灵活性等特点，可以满足嵌入式图像处理系统对性能和可重构性的要求。
其次，FPGA可以实现硬件级的并行处理，可以大幅提高处理性能。
最后，FPGA可以在设计上实现大量的逻辑功能，且功耗低，可以减少系统的功耗和体积。
3.2 FPGA在图像处理中的应用在图像处理中，FPGA可以实现几乎所有的数字信号处理任务，包括图像采集、处理、传输和显示等。
FPGA可以实现多种图像处理算法，例如傅里叶变换、滤波、边缘检测、图像增强、目标检测等。
基于FPGA的嵌入式技术
基于FPGA的嵌入式技术“嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断的产业，应用在通信、航空航天、消费类电子产品等各种领域中。
”随着经济的发展，各领域对嵌入式产品的应用需求呈现多样化，嵌入式系统设计技术和芯片技术也不断革新。
传统设计ASIC的成本很低，但设计周期长、上市时间晚、风险较大。
基于FPGA的嵌入式系统设计可以缩短设计周期，加快上市时间，抢占市场先机。
1、概述现场可编程门阵列FPGA（Field-Programmable Gate Array）是由复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex-Programmable Logical Device）发展而来。
其功能强大，设计灵活。
设计性能能够与ASIC媲美。
而且，性能价格比也可以与ASIC抗衡。
因此，FPGA在嵌入式系统设计领域越来越重要。
FPGA的基本结构由以下几个部分：CLB（Configurable Logic Blocks）、IOB （Input/Output Blocks）和PI（Programmable Interconnection）。
随着工艺的进步和应用需求，一般在FPGA中还包含以下可选结构：Memory、数字时钟管理单元、Select I/O、乘法器和加法器、硬IP核和微处理器等。
随着FPGA性能提高和设计人员能力提高，FPGA将进一步扩大可编程芯片领地，使专用芯片更高端和超复杂。
[1]2、可编程片上系统（SOPC）可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统。
片上是指由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；可编程使其具有灵活的设计方式，可以裁剪、扩充、升级。
并且，SOPC结合了SOC和FPGA各自的优点，具备软硬件在系统可编程的功能。
SOPC至少包含一个嵌入式处理器内核，具有小容量片内高速RAM，一部分IP Core（简称IP），大量的片上可编程逻辑，处理器调试接口和FPGA编程接口等。
SOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（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。
SOC技术已经成为半导体行业的技术主 流，在SOPC出现之前，业界广泛采用ASIC 技术实现SOC。ASIC和FPGA不同的技术特 征造就了他们应用于不同的市场。
基于FPGA的 嵌入式系统设计
第1章 嵌入式系统概述
1.1 嵌入式系统的产生和发展 1.2 嵌入式系统的概念
1.1 嵌入式系统的产生和发展
嵌入式系统的全面发展是从20世纪90年代开始的，主要受 到了分布式控制、数字化通信、信息家电、网络应用等强烈的 应用需求所牵引。现在，人们可以随处发现嵌入式系统的应用， 如手机、MP3播放器、数码相机、VCD、机顶盒、路由器、 交换机等。嵌入式系统在软、硬件技术方面迅速发展，首先是 面向不同应用领域、功能更加强大、集成度更高、种类繁多、 价格低廉、低功耗的32位微处理器逐渐占领统治地位，DSP器 件向高速、高精度、低功耗发展，而且可以和其他的嵌入式微 处理器相集成。
在工业界，IP又称为SIP（Silicon IP）或虚拟单 元VC（Virtual Component）。
第2章 SOPC Builder开发工具
2.1 简介 2.2 SOPC Builder 设计流程 2.3 SOPC Builder 用户界面
2.1 简介
.1 SOPC 技术简介
SOPC(System On a Programmable Chip)是指用可编 程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。它是一种特殊的嵌 入式系统。一方面，它是片上系统(SOC)，即由单个芯片完 成整个系统的主要逻辑功能；另一方面，它是可编程系统， 具有灵活的设计方式，可裁减、扩充、升级，并具备软硬件 在系统可编程的功能。这项技术将EDA、计算机设计、嵌入 式系统、工业自动控制系统、DSP及数字通信系统等技术融 为一体。
IP是知识产权的简称。集成电路IP的定义是：经 过预先设计、预先验证，符合产业界普遍认同的设计 规范和设计标准，具有相对独立功能的电路模块或子 系统，可以复用于SOC、SOPC或复杂ASIC设计中。
这种IP库与传统的单元库不同，它的知识含量更高， 规模更大，可重用性好，被公认为是芯片面积小、运 行速度快、功耗低、工艺容差大的设计。
SOC是专业集成系统，设计周期长，设计成本高； 而SOPC是一种通用器件，是基于FPGA的可重构SOC， 其设计周期短，设计成本低。SOPC集成了硬核或软核 CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑，是更加 灵活、高效的SOC解决方案。
（4）集成电路IP（知识产权）—Intellectual Property
目前被大多数人接受的一般性定义是：“嵌入式系统是以 应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用 计算机系统。”
1.2.2 几个相关基本概念 （1）嵌入式系统—Embedded System
通俗的说，嵌入式系统就是内嵌到对象体 系中的微型专用计算机。它具有比通用计算机 更简洁、更个性化的功能，可运行操作系统， 又兼有单片机体积小、低功耗等特点，是当前 最热门的概念和应用最广泛的技术之一。
其次，随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也 成指数型增长，所体现出的嵌入式应用具备了更加复杂和高 度智能的功能，软件在系统中体现出来的重要程度越来越大， 嵌入式操作系统在嵌入式软件中的使用越来越多，所占的比 例逐渐提高，同时，嵌入式操作系统的功能不断丰富，在内 核基础上发展成为包括图形接口、文件、网络、嵌入式Java、 嵌入式CORBA、分布式处理等完备功能的集合；最后，嵌 入式开发工具更加丰富，已经覆盖了嵌入式系统开发过程的 各个阶段，现在主要向着集成开发环境和友好人机界面等方 向发展。
1.2 嵌入式系统的概念
1.2.1 嵌入式系统的定义 嵌入式计算系统，简称为嵌入式系统。那么究竟什
么是嵌入式系统呢？ 在Wayne Wolf著的一本有关嵌入式系统设计的教
科书《嵌入式计算系统设计原理》里这样定义：“不 严格地说：它是任意包含一个可编程计算机的设备， 但是这个设备不是作为通用计算机而设计的。因此， 一台个人电脑并不能称之为嵌入式计算系统，尽管个 人电脑经常被用于搭建嵌入式计算系统。”