基于FPGA的嵌入式

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。

Xilinx FPGA的嵌入式系统开发过程由创新网小编于星期四, 01/10/2013 - 11:03 发表随着FPGA 技术的迅速发展，可编程片上系统(SOPC)作为一种特殊的嵌入式微处理器系统，融合了SoC和FPGA 各自的优点，并具备软硬件在系统可编程、可裁减、可扩充、可升级的功能，已逐渐成为一个新兴的技术方向。

SOPC的核心是在FPGA上实现的嵌入式微处理器核，目前主要有Xilinx公司集成的32位软核MicroBlaze[1] ，32位PowerPC系列处理器硬核PowerPC405、PowerPC440，ARM公司的CortexA9，以及Altera公司的Nios系列微处理器软核等。

本文主要介绍Xilinx公司的MicroBlaze 软核结构，对其体系结构、设计流程和相关开发工具一一进行介绍，并在实际的无线电监测系统[2]中采用此方案，构建了一个小型化、智能化、网络化的软件无线电处理平台。

1 MicroBlaze处理器结构MicroBlaze软核处理器是可配置的精简指令集（RISC）32位CPU，该RISC核针对Xilinx公司的FPGA芯片进行了优化。

设计人员可以根据设计定制处理器的可选配置，根据版本的不同，配置不同的选项。

该软核处理器具有以下几个方面的特征：◆32个32位通用寄存器；◆32位3个操作数的指令字，指令字有2种寻址模式；◆分离的32位地址总线和数据总线；◆具有高速的指令和数据缓存，3级和5级流水线操作；◆灵活的总线结构，支持LMB、OPB、PLB、XCL、FSL片上总线接口等，新推出的系列还支持AXI总线接口；◆支持MMU存储管理、FPU浮点单元、高速缓存、异常处理和调试逻辑等可根据性能需求和逻辑区域成本任意裁减的高级特性。

MicroBlaze的这些特性极大地扩展了其应用范围，MicroBlaze处理器的内核仍在不断更新之中，目前使用的版本MicroBlaze v7.1，其内部架构如图１所示。

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的嵌入式系统设计Design of Embedded System Based on FPGA(长江大学计算机科学学院) 林华Lin Hua摘要：提出了一种基于FPGA及MicroC /OS的嵌入式系统设计的新方法；从系统硬件平台设计与实现、系统软件配置、实时操作系统MicroC/OS-II的设计应用三方面详细介绍了整个系统平台的设计实现过程，并给出了验证结果。

关键字：FPGA；NIOS II；MicroC /OS；嵌入式系统中图分类号:TP 文献标识码:AAbstract：This paper proposes a new method for embedded system designing，based on FPGA and MicroC/OS．This paper introduce the design and realization course of the whole system flat in details from the hardware design，the software design and the design of MicroC/OS-II. the experiment result is given.Key words: FPGA；NIOS II；MicroC /OS；Embedded system1 前言近年来，随着嵌入式核心芯片的飞速发展，改变了传统嵌入式系统的设计方法，嵌入式系统逐渐由板级向芯片级过渡，即片上系统——SOC。

片上系统是追求产品系统最大包容的集成器件，是当前嵌入式应用领域的技术热点。

SOC的出现使集成电路发展成为集成系统，整个电子整机的功能可以集成到一块芯片中，降低了设计成本，缩短了开发周期。

因此，本文设计了一个基于FPGA的嵌入式系统，既能满足嵌入式系统教学实验的需要，同时也可作为嵌入式产品开发平台。

2 系统硬件设计本系统要实现的功能包括：可以运行嵌入式操作系统；支持NIOS II开发；支持USB 通讯；支持RS-232串口通讯；支持以太网通讯；支持JTAG接口在线调试与下载。

《基于fpga的嵌入式系统设计》复习题1、名词概念解释：（1）ASIC，FPGA，SOC，SOPC，NIOS II，I/O ，IP ；（2）VHDL，verilog HDL，HDL，EDA ；（3）功能仿真，后仿真，设计综合，设计验证；（4）嵌入式系统的定义：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、功耗等严格要求的专用计算机系统。

（5）嵌入式系统的组成：嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统及应用软件等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。

其中：嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，具有小型化、高效率、高可靠性、高集成度等特点。

外围设备是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的部件。

2、填空题（1）NiosII处理器有三种运行模式：___________ ，___________ ，_____________ 。

（2）CycloneII FPGA支持串行配置器件的isp编程，该特性是通过_____________利用JTAG接口实现的。

（3）在SOPC Builder中，复位地址的偏移量是________，异常地址的偏移量是________。

（4）在NiosII的多处理器系统中，最常用的共享资源是____________。

（5）根据Flash是否支持处理器的直接读操作，NiosII处理的bootloader分成两种模式：________________bootloader、________________ bootloader。

（6）用uC/OS-II操作系统实现以太网与轻量IP功能的时候，以太网的中断号至少是____________。

（7）Altera公司的FPGA常用的配置方式： JTAG方式、___________、___________。

（8）CycloneII FPGA上面集成的Block RAM为M4K，一个M4K的大小是________。

基于ARM的FPGA嵌入式系统实现ARM(Advanced RISC Machines)既可以认为是一个公司。

也可以认为是对一类微处理器的统称，还可以认为是一项技术。

基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到人们生活的各个方面[1]。

到目前为止，ARM微处理器及技术已经广泛应用到各个领域，包括工业控制领域、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品等。

FPGA(Field Programmable Gate Array)是一种高密度现场可编程逻辑器件，其逻辑功能是通过把设计生成的数据文件配置到器件内部的静态配置数据存储器(SRAM)来实现的。

FPGA 具有可重复编程性,能灵活实现各种逻辑功能。

基于SRAM工艺的FPGA具有易失性。

系统掉电以后其内部配置数据容易丢失，因此需要外接ROM保存其配置数据，系统上电后必须重新配置数据才能正常工作。

目前有两种方案可以实现，一种是使用专用的PROM，以Xilinx公司FPGA，XCFxx系列PROM为例,能够提供FPGA的配置时序，上电时自动加载PROM中的配置数据到FPGA的SRAM 中;另一种是在含有微处理器的系统(如嵌入式系统)中采用其他非易失性存储器如E2PROM、Flash存储配置数据，微处理器模拟FPGA的配置时序将ROM中的数据置入FPGA。

与第一种方案相比,该方案节省成本、缩小系统体积。

适用于对成本和体积苛刻要求的系统。

在便携式虚拟仪器设计中，使用嵌入式系统和FPGA实现系统功能。

嵌入式微处理器采用Samsung公司的ARM7TDMI系列处理器S3C44BOX：FPGA采用Xilinx公司的Spartan-3E 系列XC3S100E,采用S3C44BOX完成对XC3S100E的配置。

取得了良好效果。

2 从串配置的原理2.1从串配置原理Xilinx公司的Spartan-3E系列FPGA产品是采用90 nm工艺的2.5 V低电压FPGA器件，具有高性能、低功耗、可无限次编写的特点。

基于FPGA的嵌入式系统的研究及设计的开题报告一、研究背景及意义随着信息技术的发展，嵌入式系统在社会生产、科学技术等各个领域中得到了广泛应用，其中基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）的嵌入式系统在高性能、低功耗、可重构性等方面具有独特的优势，日益成为研究的热点和应用的重要方向。

本课题旨在研究基于FPGA的嵌入式系统的设计及其应用，在对现有相关技术和理论进行深入分析的基础上，结合具体应用场景进行相关系统设计与实践开发，探索FPGA嵌入式系统的优化设计和功能实现，推动信息技术的发展与应用。

二、研究内容及目标本课题的主要研究内容包括以下几个方面：1、基于FPGA的嵌入式系统设计理论研究，包括FPGA基础概念、数字电路设计、EDA工具等相关理论技术的研究。

2、基于ARM处理器的FPGA嵌入式系统架构设计与优化，主要涉及ARM处理器架构、信号处理、寄存器设计等。

3、基于FPGA的嵌入式系统开发及应用实践，实现各类控制、通信、图像处理等应用场景。

本课题的主要研究目标包括以下几个方面：1、深入掌握基于FPGA的嵌入式系统的设计原理和关键技术，具备开发和应用FPGA嵌入式系统的能力。

2、基于ARM处理器的FPGA嵌入式系统架构设计与优化，在提高系统性能和功耗效率的同时，实现系统的实时控制和数据处理等功能。

3、基于FPGA的嵌入式系统开发及应用实践，实现控制、通信、图像处理等应用场景，验证系统性能和可靠性。

三、研究方法和技术路线本课题采用文献研究法、实验研究法和案例研究法相结合的方式进行研究，具体技术路线如下：1、文献研究法。

通过查阅相关文献资料和参考书籍，深入研究FPGA的基础理论、数字电路设计和ARM处理器的嵌入式系统架构等领域的最新研究成果，了解国内外相关领域的发展动态及趋势。

2、实验研究法。

基于FPGA平台，搭建实验环境并进行算法实现、实际调试和性能测试，对系统进行不断优化和完善，验证系统设计的可行性和有效性。

基于fpｇa的嵌入式系统设计——复习题————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:《基于fpga的嵌入式系统设计》复习题1、名词概念解释：（1）ASIＣ,ＦPGＡ，SOC,SOPＣ,NIＯS ＩI,I/O ,ＩP ；（2）VHDＬ,veriｌog HＤL,HDＬ，EDA ；（3）功能仿真,后仿真，设计综合，设计验证；（4）嵌入式系统的定义: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、功耗等严格要求的专用计算机系统。

（5）嵌入式系统的组成:嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统及应用软件等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。

其中：嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，具有小型化、高效率、高可靠性、高集成度等特点。

外围设备是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的部件。

2、填空题（1）NiosIＩ处理器有三种运行模式: ____＿_＿＿___ ，_＿__＿____＿_ ,＿＿__＿____＿_＿_。

（2）CycｌｏｎeＩI FPGＡ支持串行配置器件的isp编程，该特性是通过＿________＿_＿_利用JTＡＧ接口实现的。

（3）在SＯPＣBuildｅr中，复位地址的偏移量是__＿＿＿__＿,异常地址的偏移量是___＿__＿＿。

（4）在ＮｉｏsＩＩ的多处理器系统中,最常用的共享资源是___＿____＿___。

（5）根据Flaｓｈ是否支持处理器的直接读操作,NiosII处理的bootloａｄeｒ分成两种模式：___＿_＿_______＿__bootｌoａｄer、＿_＿＿______＿__＿__ boｏtlｏadｅr。

（6）用uＣ/OS-IＩ操作系统实现以太网与轻量IP功能的时候,以太网的中断号至少是_＿＿＿___＿____。