第九章 基于FPGA的电子系统设计
基于FPGA的数字信号处理系统设计
基于FPGA的数字信号处理系统设计数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）是一种利用计算机或数字电子设备对模拟信号进行采样、量化、编码、处理以及还原的技术，它在实际应用中起到了至关重要的作用。
为了满足实时性、高性能和低功耗等要求，基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）的数字信号处理系统开始逐渐流行。
一、引言近年来，随着通信技术和信号处理领域的快速发展，人们对于数字信号处理系统的性能要求越来越高。
传统的通信设备采用的是固定功能的专门硬件电路，难以满足不断变化的信号处理需求。
而FPGA作为一种灵活可编程的集成电路，其具备可实现硬件功能的能力，从而使得DSP系统能够灵活地适应不同的信号处理算法与应用。
二、FPGA架构和特性FPGA使用基于通用逻辑门的可编程逻辑技术进行设计，其架构主要由逻辑单元（Look-Up Table, LUT）、寄存器、多路器、存储单元以及全局时钟网络等组成。
这些特性使得FPGA具备了以下几个优势：1. 灵活性：FPGA可以根据应用需求灵活配置硬件，实现不同的功能，满足不同的信号处理算法要求。
2. 可重构性：FPGA支持在线重编程，即可以通过配置文件的更新来改变电路的功能，方便快捷。
3. 并行处理能力：FPGA拥有大量的逻辑单元和寄存器，可以同时处理多个数据。
这在实时性要求较高的信号处理领域非常有优势。
4. 低功耗：相比于传统的固定功能电路，FPGA在处理相同任务时的功耗更低，有利于降低系统整体的功耗消耗。
三、基于FPGA的数字信号处理系统设计基于FPGA的数字信号处理系统设计主要包括以下几个方面的内容：1. 系统设计与分析：首先，需要对信号处理的要求进行分析，确定系统的功能与性能指标。
然后，基于这些要求，进行系统的整体架构设计，包括硬件与软件部分的分配、接口定义以及模块划分等。
2. 信号采集与预处理：系统中的信号可能是模拟信号，需要通过模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）将模拟信号转换为数字信号。
基于FPGA的车载电子系统设计
舒适性：提高乘客的舒适感， 如空调、音响等
安全性：提供车辆安全保障， 如刹车、安全气囊等
娱乐性：提供多种娱乐功能， 如车载电视、游戏等
导航功能：提供准确的导航 服务，帮助用户找到目的地
架构概述：基于FPGA的车载电子系统架构是一种高度可配置和可编程的解决方案，用于实现车载电子系统的各 种功能。
优化设计：通过布局、布线、 时序分析等手段优化硬件设计
概述：软件架构是车载电子系统设 计的核心部分，它决定了系统的功 能、性能和可维护性。
主要组件：包括底层驱动、中间件、 应用层等，各组件之间相互协作， 共同完成系统功能。
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设计目标：确保软件能够高效地运 行，并与硬件协同工作，实现系统 所需的功能。
关键技术：涉及软件分层、模块化 设计、接口设计等，这些技术有助 于提高软件的可扩展性和可维护性。
开发语言：VHDL和Verilog 开发工具：Xilinx ISE、Vivado等 开发流程：设计、综合、布局布线、仿真测试等 优势：可定制化、高性能、低功耗等
硬件集成：将各个 模块的FPGA芯片集 成到车载电子系统 中
软件集成：将各个 模块的软件代码集 成到统一的开发环 境中
模块测试：对各个 模块进行功能和性 能测试，确保模块 正常工作
系统测试：对整个 车载电子系统进行 功能和性能测试， 确保系统正常工作
测试目的：确保系统功能正常、性能达标 测试环境：模拟实际车载环境，包括硬件和软件测试 测试方法：采用黑盒、白盒测试等多种方法，验证系统各模块的正确性和可靠性 测试结果分析：对测试数据进行统计、分析，评估系统性能，提出改进意见
架构组成：该架构通常包括硬件和软件两部分。硬件部分主要基于FPGA，用于实现各种电子控制单元（ECU）和 传感器接口；软件部分则负责控制和管理整个系统。
基于FPGA电路重构技术的电子系统设计
（ ｅａａ ａ ｏ Ｅｅｔｉ Ｅｌｉ ｅ Ｄ ｐｒ ｍ ｆ ｌｃ ￣ ｌ 啦 而嚷， Ｊ ｕＩｓｉ ｔ ｏ Ｔ ｃｎｌｇ ， ｕ ｈｕ４ ２０ ， ｈ ａ ｒ￣ ｇ ￣ｍｚｏ ｎｔｕｅ ｆ ｅｈ ｏｏｙ ￣ ｚｏ １０８ Ｃ ｉ ） ｌ ｔ ｎ
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叫 １ｓ前 ９ 为低音 ， ０， ｓ 最后 ｌ 为高 音 ； 以进行 “ ” “ 的调 ｓ 可 时 和 分”
整校对 。 Leabharlann 硅片 以时分 复用 的形式 分别完 成 ， 用较 小规模 的 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ芯片来 实现更 大规模 的数字时序 系统 。从 表面上 看 ， 系统 的硬 件 电路
欧伟 明
（ 洲工学院电气工程 系， 株 湖南 株洲 ４２ ￣ ） １０
摘要： 文中通过 应用 实例详细地介 绍 ＦＧ Ｐ Ａ电路 重构技 术 。在 充分 了解 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的 Ｐ Ｓ配置模 式时序 的基础 上 ， 用单 片 机 Ａ ８Ｃ １ Ｔ９ ５ 模拟 实现 Ｐ Ｓ配置 时序 ， 从而 实现 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ电路 重构技术 。文 中给 出 了详细 的 系统硬 件电路 图和单 片机程序流程 图。为 了说明电路重构技 术， 通过 开关可以选择 系统 的 两种 不 同的 系统 结构 ， 分别是 数 字显示 电子钟 和 ｌ 路 电子 抢答 ８
EDA技术及应用—基于FPGA的电子系统设计：基于Verilog hdl的数字电路设计
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图6-2 基本门电路仿真结果
综合结果如图6-3所示。
图6-3 基本门电路综合结果
2、 三态逻辑电路
电子信息工程技术毕业设计--基于FPGA的数字信号处理系统设计
电子信息工程技术毕业设计--基于FPGA的数字信号处理系统设计电子信息工程技术毕业设计通常需要涵盖电子信息工程领域的多个方面，包括电子线路设计、数字信号处理、通信原理、电磁场与电磁波、嵌入式系统等。
题目：基于FPGA的数字信号处理系统设计一、研究背景与意义数字信号处理是电子信息工程技术领域的重要分支，广泛应用于通信、音频、图像处理等领域。
随着科技的不断发展，数字信号处理系统的性能和速度要求越来越高。
FPGA（现场可编程门阵列）作为一种可编程逻辑器件，具有高性能、灵活性好、开发周期短等优点，适用于数字信号处理系统的设计。
二、研究内容与方法1.研究内容（1）FPGA芯片选型及编程语言研究：选择合适的FPGA芯片型号，学习并掌握FPGA的硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编程。
（2）数字信号处理算法研究：研究并实现常见的数字信号处理算法，如FIR滤波器、FFT变换等。
（3）系统硬件设计：设计数字信号处理系统的硬件架构，包括FPGA、AD/DA转换器、存储器等器件的连接与配置。
（4）系统软件设计：编写数字信号处理系统的软件程序，实现算法的处理和控制功能。
（5）系统性能测试与分析：对设计的数字信号处理系统进行性能测试和结果分析，验证系统的正确性和性能指标。
2.研究方法（1）文献综述：通过查阅相关文献和资料，了解FPGA在数字信号处理系统中的应用和发展现状。
（2）理论分析：对数字信号处理算法和FPGA的硬件编程进行理论分析和研究。
（3）实验验证：搭建实验平台，对设计的数字信号处理系统进行实验验证和性能测试。
（4）结果分析：对实验结果进行分析和讨论，优化和改进系统的性能和设计。
三、预期成果与展望通过本次毕业设计，预期能够实现以下成果：1.掌握FPGA的硬件描述语言编程和数字信号处理算法的理论知识。
2.设计并实现一个基于FPGA的数字信号处理系统，提高系统的性能和速度。
3.通过实验验证和性能测试，优化和改进系统的性能和设计，提高系统的稳定性和可靠性。
电子行业电子课程设计题目
电子行业电子课程设计题目简介电子行业是一个日益发展壮大的行业，在当今世界中起着至关重要的作用。
作为电子工程师，掌握电子课程设计的基本原理和技能是非常重要的。
本文将提供一些电子行业相关的电子课程设计题目，帮助学习者深入了解电子行业并提升自己的设计能力。
题目一：数字逻辑电路设计设计一个四位二进制计数器。
该计数器应具有以下功能： - 通过按下计数器的复位按钮将计数器重置为0。
- 通过按下计数器的计数按钮，计数器应逐次计数，从0到15。
- 通过在计数器上设置一个时钟输入，计数器应根据时钟的脉冲信号递增。
设计要求： 1. 使用适当的数字逻辑门和触发器来实现计数器功能。
2. 绘制电路图和真值表来说明电路的工作原理。
3. 使用VHDL或Verilog编写计数器的描述文件，并验证其功能。
4. 给出测试用例并验证计数器的正确性。
题目二：模数转换器设计设计一个4位模数转换器，将输入的模拟信号转换为相应的4位数字信号。
设计要求： 1. 实现一个模拟信号输入模块，以提供需要转换的模拟信号。
2. 设计一个模数转换模块，将模拟信号转换为4位数字信号。
3. 使用合适的模数转换算法，如R-2R网络。
4. 设计一个模数转换器控制模块，以控制转换的开始和停止。
5. 编写VHDL或Verilog描述以实现模数转换器。
6. 给出测试用例，并验证模数转换器的转换精度和准确性。
题目三：数字电路设计设计一个3位全加器电路。
全加器电路应包括以下组件： - 三个输入端（A、B和C_in），分别用于输入两个二进制数字和上一个相加的进位。
- 两个输出端（Sum和C_out），分别用于输出两个二进制数字的和和进位。
设计要求： 1. 使用适当的门电路和触发器来实现全加器电路。
2. 绘制电路图和真值表来说明电路的工作原理。
3. 使用VHDL或Verilog编写全加器电路的描述文件，并验证其功能。
4. 给出测试用例并验证全加器电路的正确性。
基于fpga的电子课程设计
基于fpga的电子课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握基于FPGA的电子课程设计的基本知识和技能，能够运用FPGA设计简单的数字电路系统。
1.了解FPGA的基本结构和原理。
2.掌握FPGA的编程语言和设计方法。
3.熟悉FPGA在电子设计中的应用。
4.能够使用FPGA开发工具进行电路设计。
5.能够编写FPGA的配置文件并进行编程。
6.能够进行FPGA的实验操作和故障排除。
情感态度价值观目标：1.培养学生的创新意识和实践能力。
2.培养学生对电子科技的兴趣和热情。
二、教学内容教学内容主要包括FPGA的基本原理、FPGA的编程语言、FPGA的设计方法和FPGA的应用。
1.FPGA的基本原理：介绍FPGA的结构、工作原理和特点。
2.FPGA的编程语言：介绍VHDL和Verilog编程语言的基本语法和用法。
3.FPGA的设计方法：介绍FPGA电路设计的基本流程和方法。
4.FPGA的应用：介绍FPGA在数字电路系统中的应用案例。
三、教学方法根据课程特点和学生的实际情况，采用讲授法、案例分析法和实验法相结合的教学方法。
1.讲授法：通过讲解FPGA的基本原理、编程语言和设计方法，使学生掌握相关知识。
2.案例分析法：通过分析具体的FPGA应用案例，使学生了解FPGA在实际中的应用。
3.实验法：通过实验操作，使学生掌握FPGA的编程和实验技能。
四、教学资源教学资源包括教材、实验设备和多媒体资料。
1.教材：选用《基于FPGA的电子课程设计》教材，为学生提供系统性的理论知识。
2.实验设备：提供FPGA开发板和实验工具，为学生提供实践操作的机会。
3.多媒体资料：提供相关的教学视频和PPT，丰富学生的学习体验。
五、教学评估本课程的评估方式包括平时表现、作业和考试三个方面，以全面客观地评价学生的学习成果。
1.平时表现：通过课堂参与、提问和小组讨论等方式评估学生的学习态度和积极性。
2.作业：布置相关的编程练习和设计任务，评估学生的理解和应用能力。
基于FPGA的汽车电子控制系统设计与实现
基于FPGA的汽车电子控制系统设计与实现随着科技的不断发展，汽车电子控制系统已经成为当今汽车科技中不可或缺的一部分。
FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑芯片，可以根据需求重新编程，具有高效的性能和灵活的可定制性。
本文将探讨基于FPGA的汽车电子控制系统的设计与实现。
一、FPGA技术概述FPGA是一种可编程的数字电路设备，具有高度的可重构性和灵活性。
它是一种电路设计的方法，它将基本的逻辑单元（如门、触发器等）组合在一起，形成完整的电路。
使用FPGA可以实现复杂的数字电路功能，如处理视频、音频、图像等。
FPGA的特点是可编程、高效、快速和灵活性强。
与ASIC（Application Specific Integrated Circuit）不同，FPGA的电路设计是由软件完成的，不需要进行硬件设计，可以快速开发和修改系统，降低开发成本。
FPGA也可以实现高速数据传输，可达到很高的传输速度和处理速度，同时还具有大容量和低功耗的优势。
二、汽车电子控制系统汽车电子控制系统是指通过电子技术对汽车进行监测、控制和调节的系统。
汽车电子控制系统包括发动机控制系统、制动控制系统、车身稳定控制系统、自动驾驶系统等。
对汽车进行电子监控可以提高安全性、舒适性和性能。
汽车电子控制系统使用的传感器可以监测车辆状态和环境参数，如车速、转速、油门开度、刹车压力、氧气浓度等。
通过控制器可以控制汽车的各种功能，如发动机工作状态、制动力度、转向角度、车身姿态等。
汽车电子控制系统需要高效可靠的控制器和算法，以满足汽车的复杂工况和多种输入参数。
三、基于FPGA的汽车电子控制系统设计FPGA可以实现高效、灵活和可定制的数字电路设计，与汽车电子控制系统的需求具有较好的匹配度。
基于FPGA的汽车电子控制系统需要考虑以下几个方面的设计：1、传感器接口设计。
FPGA需要与传感器进行通信，接收传感器的数据，并对数据进行处理和转换。
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结合了SoC的FPGA的基本特征：
• … 少包括一个嵌入式处理器内核 至 … • … 有小容量的片内高速RAM资源 具 … • … 富的 IP Core资源可供选择 丰 … • … 够的片上可编程逻辑资源。 足 … • … 理器调试接口和 FPGA编程接口 处 … • … 能包含部分可编程模拟电路 可 … • … 芯片、低功耗、微封装 单 …
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硬连线结构处理单元
• 主要指ASIC 其基本特征是功能固定，通常用于完成 特定的算法，这种系统适合于实现功能固定和数据结 构明确的计算问题。如：U盘，MP3，E-NET • 不足之处主要是设计周期长 、成本高，且没有可编 程性，可扩展性差 。 • 硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要 需要，在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研 制自己的ASIC并马上投入使用。这就是可编程逻辑 器件提出的基本思想。
• DSP在浮点运算方面有优势
-目前FPGA对浮点运算的支持效率不高；
• DSP编程开发过程比较简单
-DSP只需要编译，FPGA需要编译、综合、布局布线； -DSP开发板和驱动程序较丰富，外围电路完善； -DSP有丰富的应用范例和库。当然，FPGA的各种IP核也 越来越多。
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FPGA的发展趋势
• 向更高密度、更大容量的系统级方向迈进。 • 向低成本、低电压、微功耗、微封装和环保型发展 • IP资源复用理念得到普遍认同并成为主要设计方式 • MCU 、DSP和 MPU等嵌入式处理器 IP将成为 将成 为FPGA 应用的核心。
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当代FPGA的主要特点
• 规模越来越大，达到上千万门级的规模，更适于实 现片上系统(SoC) 。 • 开发过程投资小。 FPGA设计灵活，发现错误时可 直接更改设计，减少了投片风险，节省了许多潜在 的花费。 FPGA除能完成复杂系统功能外，也可以 实现ASIC设计的功能样机。 • FPGA一般可以反复地编程、擦除。在不改变外围 电路的情况下，设计不同片内逻辑就能实现不同的 电路功能。比如通信领域中，因为相关标准协议发 展太快，设计ASIC可能跟不上技术的更新，只能用 FPGA完成系统的研制与开发。
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当代FPGA的主要特点
• 保密性能好。在某些场合下，根据要求选用防止反 向技术的FPGA，能很好地保护系统的安全性和设 计者的知识产权。 • 以ARM 、PowerPC 、Nios 和 MicroBlaze为代表的 RISC处理器软硬 IP核、各种软硬 核IP核极大地加 强了系统功能，可以实现真正的可编程片上系统。 • FPGA 开发工具智能化程度高，功能强大。应用各 种工具可以完成从输入、综合、实现到配置芯片等 一系列功能。还有很多工具可以完成对设计的仿真 、优化、约束、在线调试等功能。这些工具易学易 用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计， 快速将产品推向市场 。 。
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可重构处理单元
• 主要指可编程逻辑器件，如 FPGA 。 • FPGA在实时系统中的应用越来越普及，它有很强 的灵活性，其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置 ，对电路的修改和维护非常方便。 • FPGA的容量己经达到了千万门级，运算速度大大 高于目前最快的DSP处理器，并且已经出现了许多 支持FPGA应用的IP核，包括各种滤波器、变换器 ， 存储器、编解码器以及数学处理功能单元等。 • FPGA可以容易地在片内实现细粒度的高度并行的运 算结构。使用FPGA可以实现功能强大的数字 ，信号 处理系统。
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FPGA相比DSP的最大优势
• 硬件可编程性和并行性
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FPGA和DSP的配合使用 DSP作主处理器， FPGA作协处理器
• 对于性能要求极高的应用，可将复杂的算法划分成 底层部分和高层部分，结合 DSP和FPGA 各自的结 构和功能特点，将算法的各个部分映射到不同的硬 件模块上，在系统功能上实现互补。 • 底层部分用于数据处理量大，速度要求高，但是运 算结构相对比较简单的算法，适于用FPGA硬件的 高度并行性实现，可同时兼顾速度及灵活性。例如 ，一定长度的FFT/IFFT、脉冲压缩、脉冲积累、 FIR滤波以及矩阵转置等算法，都可以用大型FPGA 实现。
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FPGA和DSP的配合使用 DSP作主处理器， FPGA作协处理器
• 高层部分处理的特点是所处理的数据量较低层部分 少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、 寻址方式灵活、通信机制强大的DSP 芯片来实现。 • “FPGA+DSP” 结构是目前高性能处理系统的主流 方式。这种结构非常灵活，有较强的通用性，适于 模块化设计，有利于提高算法效率，缩短开发周期 ，并易于维护和扩展。
基于FPGA的电子系统设计
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本章结构 •9.1 •9.2 •9.3 •9.4 •9.5 FPGA+DSP的高性能处理机 可编程器件的发展历史 基于FPGA的DSP算法 基于FPGA的DDS技术 基于FPGA的VGA控制器
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处理单元-构成各种处理系统的核心
SoPC(System on Programmable Chip）
• SoPC是一种特殊的嵌入式系统，首先它是片上系 统 (SoC)，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能 ；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式， 可裁减，可扩充，可升级，并具备软硬件在系统可 编程的特点。可编程片上系统正在成为FPGA 最为 重要的发展方向。 • 以FPGA 为核心的PLD 产品是近几年中发展最快的 集成电路产品。随着FPGA 性能的高速发展和设计 人员能力的提高， FPGA进一步扩大可编程芯片的 领地，将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。
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FPGA+DSP高性能处理机的一个例子
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信号处理机算法流程图
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信号处理机结构框图
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可编程逻辑器件的发展历程
• PROM －可编程只读存储器，只能存储少量数据， 完成简单逻辑功能。 • EPROM 和EEPROM －紫外线可擦除只读存储器和 电可擦除只读存储器。 • PAL 和GAL －可编程阵列逻辑和通用阵列逻辑，能 完成中大规模的数字逻辑功能。 • FPGA 和CPLD－现场可编程逻辑器件和复杂可编程 逻辑器件，可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时 序逻辑。
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基于FPGA的DSP
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基于FPGA的DSP的应用场合
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为什么使用FPGA？？？
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DSP处理器优势
• DSP适合于顺序算法
-FPGA的优势是较低系统时钟的并行运算，当然，也可以 实现顺序的算法；
• 处理单元通常可分为三类： -…SA(指令集架构)处理单元 … I -… 连线结构处理单元 … 硬 -… 重构处理单元 … 可
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ISA处理单元
• 指各种CPU、DSP处理器或专用指令集处理器，需要 通过指令系统（或微代码）来描述各种算法，并在指 令部件的控制下完成对各种计算问题的求解。 • DSP从根本上讲是适合串行算法的， DSP处理器的灵 活性主要体现在软件更改容易以及对各种算法处理和 复杂算法的实现上，而对硬件本身的更改则没有任何 灵活性而言。
• 现代平台级 FPGA中还会包含以下可选资源：
-…存储器资源 (BlockRAM)) … -…数字时钟管理单元 (分频、倍频、数字延迟)DCM或者PLL … -…I/O 多电平标准兼容(Select I/O) … -…算术运算单元 (乘法器、加法器 ) … -…特殊功模块 (MAC 等硬IP核) ) … -…微处理器 (PPC405等) …
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软核(Soft Core)
• 软核只完成 RTL级的行为设计，以HDL的方式提交使用。 • 该HDL描述在逻辑设计上做了一定优化，必须经过仿真验证 ，使用者可以用它综合出正确的门级网表。 • 软核不依赖于实现工艺或实现技术，不受实现条件的限制， 具有很大的灵活性和可复用性。 • 为后续设计留有比较大的空间，使用者可以通过修改源码， 完成更具新意的结构设计，生成具有自主版权的新软核。 • 软核的载体 HDL与实现工艺无关，使用者要负责从描述到 版图转换的全过程，模块的可预测性低，设计风险大，使 用 者在后续设计中仍有发生差错的可能，这是软核最主要的缺 点。
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IP设计与复用
• IP 设计与复用对基于FPGA 的嵌入式系统设计，具有举足轻 重的地位。 • 目前，已经能够将 RISC处理器内核、 DSP模块、数字ASIC 器 件以及其它数字 件以及其它数字IP 核等诸多逻辑器件嵌入 到 FPGA中。 • 在原有利用硬件描述语言进行DSP算法FPGA设计的基础上， Xilinx公司的System Generator 、Altera 公司的DSP Builder 和AccelChip 公司的AccelDSP 更是提供DSP算法基于FPGA的 硬件实现途径。 • 目前，各大可编程逻辑器件供应商均提供了一些 IP Core的参 考设计或商业化的IP Core 产品，还有很多第三方公司专门从 事 IP Core产品的开发和销售。 • 在 FPGA中嵌入IP往往要受到FPGA供应商的限制，高性能IP 价格也比较昂贵。在更多的场合下，是以硬件描述语言的形 式设计满足应用需求的IP，综合后在FPGA 中布局布线来实 现。