基于FPGA的嵌入式资料

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“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。

基于FPGA的嵌入式系统设计与优化一、引言随着科技的不断发展，嵌入式系统已经越来越广泛地应用于各个领域中。

FPGA是一种可编程逻辑器件，具有灵活性高、速度快等优点，因此被广泛应用于嵌入式系统的设计之中。

本文将着重介绍基于FPGA的嵌入式系统设计与优化。

二、基于FPGA的嵌入式系统设计1、FPGA概述FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它是一种可以在电路板上编程的芯片。

FPGA具有灵活性高、速度快、能够完成复杂的逻辑任务等优点。

FPGA主要由可编程逻辑单元、可编程路由器、I/O单元和时钟管理单元等组成。

其中，可编程逻辑单元可以被编程为各种逻辑门，可编程的连接器将这些逻辑门连接在一起，最终构成一个完整的数字电路。

2、基于FPGA的嵌入式系统设计的步骤基于FPGA的嵌入式系统设计的步骤可以分为以下几个部分：（1）设计嵌入式系统的结构嵌入式系统的结构设计需要考虑其所要实现的功能、系统的模块划分以及各个模块之间的通信方式等因素，以便后续的整个系统的设计。

（2）选择合适的FPGA开发板在嵌入式系统设计时，需要选择合适的FPGA开发板。

开发板的选用需要根据设计的功能、接口类型和速度等因素进行综合考虑。

（3）设计FPGA逻辑电路在FPGA开发板的基础之上，需要进行逻辑电路的设计，这一过程包括了电路原理图的设计以及Verilog或VHDL的编写。

（4）完成FPGA逻辑电路的编写和仿真编写好FPGA逻辑电路后，需要进行仿真。

通过仿真，能够检测到逻辑电路中存在的问题，以便后续的调试。

（5）将逻辑电路加载到FPGA芯片中将逻辑电路成功编译后，需要将其加载到FPGA芯片中，方可实现所需功能。

3、基于FPGA的嵌入式系统应用举例（1）视频图像处理基于FPGA的嵌入式系统能够支持视频信号的采集和处理，可应用于多种场景。

例如，可以在工业自动化等领域用于对图像的实时监测与分析，以及在医学诊断等领域用于对医学图像的处理和分析。

基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现嵌入式系统是指集成在各种电子设备中的特定功能系统。

随着嵌入式系统的发展，FPGA (Field-Programmable Gate Array)由于其灵活性和可重构性成为制作嵌入式系统的理想选择。

本文将介绍基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现，包括硬件设计、软件开发和系统测试等方面。

基于FPGA的嵌入式系统设计的第一步是进行硬件设计。

在硬件设计中，需要确定系统的需求和功能，选择适当的FPGA芯片，并设计系统的电路图。

硬件设计通常涉及选择和连接各种外设（如传感器、通信接口等）以及配置和连接FPGA芯片内部资源（如逻辑单元、时钟网络等）。

在FPGA芯片上，可以使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）来实现各个模块的功能。

硬件设计的目标是通过合理的资源配置和设计减小系统的功耗、提高系统的稳定性和性能。

在硬件设计完成后，接下来需要进行软件开发。

软件开发主要包括驱动程序的编写和应用程序的开发。

驱动程序负责控制和配置硬件资源，使其能够与应用程序进行通信和交互。

驱动程序通常使用硬件描述语言编写，然后通过FPGA开发工具进行编译和烧录到FPGA芯片中。

应用程序的开发涉及选择适当的开发工具和编程语言（如C或C++），编写程序代码，实现系统的各种功能和算法。

软件开发的目标是提供友好的用户界面、优化的系统性能以及稳定的系统功能。

完成硬件设计和软件开发后，还需要对系统进行测试和验证。

测试和验证旨在确保系统的功能和性能符合设计规格。

测试可以分为功能测试和性能测试两个阶段。

功能测试通过使用各种测试用例和测试工具对系统的各个功能进行测试和验证。

性能测试通过对系统进行负载测试和压力测试，以评估系统在不同负载和压力条件下的性能表现。

测试和验证是系统开发的最后一步，通过对系统的全面测试和验证，可以确保系统的质量和稳定性。

总结来说，基于FPGA的嵌入式系统的设计与实现涉及硬件设计、软件开发和系统测试等多个方面。

西安电子科技大学硕士学位论文基于FPGA的嵌入式系统应用研究姓名：任颖新申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：周端20100501摘要随着信息技术与网络技术的高速发展，嵌入式系统正越来越广泛地应用于科学研究、军事技术、工程设计、消费类电子等方面。

嵌入式系统的研究内容涉及到计算机学科的各个方面。

本论文研究了FPGA的结构和工作原理，结合FPGA的特点分析了FPGA做为嵌入式系统硬件平台的可行性和优势。

论文针对Xilinx公司的Virtex-II Pro开发板，介绍了板上的硬件资源，分析了该开发板上FPGA芯片中内嵌的MicroBlaze 软核和PowerPC 405硬核微处理器。

在掌握Virtex-II Pro开发板资源的基础上，利用MicroBlaze软核和PowerPC 405硬核分别进行了嵌入式系统的应用设计。

完成了将uCLinux操作系统移植到MicroBlaze软核处理器，其中包括软硬件环境设置、交叉编译工具生成、内核裁剪与编译等，在移植好的操作系统上实现了嵌入式音乐游戏的应用程序。

在PowerPC 405硬核处理器上实现了人脸检测系统的设计，包括人脸检测流程分析、硬件开发平台搭建、移植OpenCV提供的基于AdaBoost算法的人脸检测系统源代码、编译调试等。

论文研究了基于FPGA的开发平台上进行嵌入式系统开发的一般步骤，通过所完成的嵌入式音乐游戏和人脸检测系统的设计，提供了基于FPGA硬件的嵌入式系统应用的方法和步骤。

本论文的工作对嵌入式系统的应用有一定参考价值。

关键词：嵌入式系统FPGA 人脸检测系统ABSTRACTWith the rapid development of information technology and network technology, embedded systems become widely used in many fields such as scientific research, military technology, engineering, and consumer electronics and so on. The research of embedded systems covers all aspects of computer science.The present research investigated the structure of working principle of FPGA and analyzed the feasibility and advantage of FPGA as the embedded system hardware platform based on the characteristics of FPGA. By using the Virtex-II Pro development board from Xilinx company, the study introduced the hardware resource on the board and analyzed the MicroBlaze soft-core and the PowerPC 405 hard-core microprocessor embedded in the chip of FPGA.Based on the knowledge of resources on Virtex-II Pro development board, the study designed embedded systems with MicroBlaze soft-core and the PowerPC 405 hard core. This research succeed in transplanting uCLinux operating system to MicroBlaze soft-core processors, including setting of the hardware and software environment, generation of cross-compiler tool and cut, translation , and compilation of the kernel. The embedded music game application was then implemented in the transplanted operating system. The face detection system was designed in the PowerPC 405 hard core processor, including analysis of face detection process, building of hardware development platform, transplantation of the source code of face detection system based on AdaBoost Algorithm provided by OpenCV, compilation, translation and debugging and so on.This study explored general steps of the development of embedded systems based on FPGA development platform and provided methods and steps of the application of FPGA hardware-based embedded system through the design of embedded music game and the face detection system. This research contributes to the application of embedded systems.Keywords: embedded system FPGA face detect创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

1 NiosⅡ CPU的体系结构31.1 NiosⅡ处理器的结构 (3)1.2 NiosⅡ处理器的基本组成 (3)1.3 Debug模块 (3)1.4 NiosⅡ开发环境简介 (3)2 IP核42.1 SDRAM控制器 (4)2.2FLASH (5)3 基于SOPC的温湿度监测系统设计53.1 系统总体设计方案 (5)3.2 SOPC硬件系统设计 (6)3.3 SOPC软件系统设计 (9)3.3.1 NiosⅡ软件系统设计 (9)3.3.2 NiosⅡIDE C/C++Build属性配置 (13)3.3.3 软件系统的设计流程 (15)4 实验结果与分析15结论18SOPC是可编程片上系统，即一种特殊的嵌入式系统。

首先它是片上系统（SOC），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功能。

SOPC是基于FPGA解决方案的SOC，与ASIC的SOC解决方案相比，SOPC系统及其开发技术具有更多的特色。

构成SOPC的途径有基于FPGA嵌入IP硬核的系统、基于FPGA嵌入IP软核的系统和基于HardCopy 技术的SOPC系统三种方式。

本文介绍基于FPGA的嵌入IP软核的SOPC系统实现方法，设计了一种基于SOPC的温湿度监测系统。

通过Quartus II 软件里的SOPC builder把Nios II Processor、Avalon总线、UART、SDRAM_controller、Flash Memory、Avalon三态桥等多个IP核集成生成系统所需的SOPC。

传感器扩展板采用Mega8作为主控芯片，用于数据的采集、显示以及和PC的通信。

同时配有由SPI总线控制的数码管，可以显示传感器的测量结果，以及与PC通信过程中的具体情况。

对外采用波特率为115200的串口进行通信，用户可通过串口向该模块发出各种查询命令以查询传感器的状态。

基于FPGA的嵌入式系统设计的开题报告一、研究背景如今，高效、可靠的嵌入式系统已被广泛应用于各种应用领域，例如自动化控制、通讯、医疗、航空航天等。

而FPGA（Field-Programmable Gate Array）技术则是在嵌入式系统设计中广泛使用的一种硬件实现方式。

FPGA器件具有灵活性强、性能高、可重构性好等优点，因此在嵌入式系统中被广泛应用。

本论文的研究主要针对的是基于FPGA的嵌入式系统设计。

该系统能够实现多种功能，包括数据采集、处理、存储、显示等。

该系统可以广泛应用于各种领域，例如航空航天、汽车、医疗、通讯等。

二、研究目的和意义本论文的主要目的是设计并实现一种基于FPGA的嵌入式系统。

该系统应具有以下特点：1. 实时性：能够以高速率采集、处理和显示数据。

2. 可靠性：能够提供稳定和可靠的系统运行。

3. 灵活性：能够适应不同的应用场景和用户需求。

对于该系统的研究具有以下意义：1. 推广FPGA技术的发展。

通过开发基于FPGA的嵌入式系统，可以更好地推广FPGA技术在嵌入式系统设计中的应用。

2. 促进嵌入式系统的应用。

开发基于FPGA的嵌入式系统可以提高嵌入式系统在各种领域的应用，从而推动各领域的发展。

3. 增强学生的实践能力。

通过该论文的研究，可以促进学生对于FPGA技术的理解和实践能力的提高。

三、研究内容和方法本论文的研究内容主要包括以下三个部分：1. FPGA的基本原理和应用。

该部分主要介绍FPGA的基本原理和应用，并阐述了FPGA技术在嵌入式系统设计中的优势。

2. 基于FPGA的嵌入式系统设计。

该部分主要介绍基于FPGA的嵌入式系统的设计流程和具体实现方法，包括硬件设计和软件设计。

3. 基于FPGA的嵌入式系统实现。

该部分主要介绍基于FPGA的嵌入式系统的实现方法，包括硬件实现和软件实现。

本论文的研究方法主要包括以下几个方面：1. 理论研究。

对于FPGA技术的原理和应用，以及基于FPGA的嵌入式系统的设计和实现方法进行深入研究和理解。

基于FPGA的嵌入式系统设计一、嵌入式系统概述嵌入式系统是指被嵌入到其他系统或机器中，拥有特定功能的计算机系统。

它被广泛应用于工业生产，医疗器械，家庭设备等领域。

传统的嵌入式系统使用单片机和DSP等处理器，但随着FPGA（Field-Programmable Gate Array）的逐渐成熟和普及，越来越多的嵌入式系统开始采用FPGA作为核心控制器，以实现更高效、更灵活的系统设计。

二、 FPGA简介FPGA是一种可现场编程（Field Programmable）的门阵列（Gate Array）器件，它具有抗干扰能力强，灵活性高，可重构性好，功耗低等特点，可以在设计硬件时替代传统的ASIC。

FPGA由大量的逻辑单元、存储器和输入输出引脚组成，用户可以通过设计相应的电路图和底层语言（如Verilog或VHDL），在FPGA内部实现各种逻辑功能和数据处理。

此外，设计好的电路图也可以通过外部编程器下载到FPGA中。

三、 FPGA在嵌入式系统中的应用对于一些需要快速处理大量数据、低功耗、高稳定性的嵌入式系统，传统的处理器已经无法满足需求。

而FPGA则能够提供更高效、更灵活的解决方案。

1. 图像处理图像处理是FPGA在嵌入式系统中的重要应用领域之一。

图像处理通常需要大量并行处理和高带宽数据传输，FPGA能够实现高速、低时延的图像数据采集、处理和输出。

比如安防摄像头、工业相机等。

2. 数字信号处理FPGA在数字信号处理中也有广泛应用。

由于FPGA具有抗干扰能力强和并行处理能力强等优势，它能够轻松实现高速FFT、滤波、解调、编码等数字信号处理算法，实现高速数据的采集、处理和存储。

比如基于FPGA的音频解码器、雷达信号处理器等。

3. 无线通信应用FPGA也被广泛应用于无线通信领域，如基站、卫星通信等。

FPGA可实现高速数据传输、串行通信和多路复用等功能，可以使无线通信设备有更快更可靠的数据传输速度。

4. 军事设备军事设备通常要求具有高度的可靠性、防错能力和实时性。