FPGA实现嵌入式系统北京理工大学雷达技术研究所陈禾主要内容|嵌入式系统概念与组成|基于FPGA的嵌入式系统设计|系统集成开发环境嵌入式系统—定义|计算系统无处不在，由个人计算机、笔记本电脑、工作站、大型机和服务器等构成计算系统并不奇怪，但是，更广泛的是为完全不同的目的构造的计算系统，它们嵌入在更大的电子器件内，分别完成特定的功能，而不被器件的使用者所识别。|对于这样的嵌入计算系统，简称为嵌入式系统，可以定义为除了计算机或电脑之外的几乎任何的计算系统。|这个不很精确的定义，可以使我们着手考察嵌入系统设计者所面临的挑战。嵌入式系统的一般特性|嵌入系统一般功能单一，重复执行一个特定的程序，除非嵌入系统的程序用新的程序版本更新，或者因尺寸限制它有几个程序倒进和倒出。|对嵌入系统的约束特别严格，诸如成本、尺寸、性能和功耗等作为实现的特性，嵌入系统要求成本是极低的价格，尺寸限制到最小、但达到实时快速地处理数据，且消耗最少的功率，能延长电池受命，也不需要冷却等。|其它如NRE成本、灵活性、样机的时间、上市的时间、可维护性、准确性和安全性。|反应和实时性：许多嵌入系统必须对系统环境的变化连续地反应，且要无滞后地实时计算确定的结果。嵌入式系统应用嵌入式系统组成|硬件z嵌入式系统实现的基础|应用程序z实现特定任务和功能|操作系统（可选）z对应用软件进行管理z使硬件对应用软件透明嵌入式系统硬件部分|微处理器或微控制器z嵌入式系统的核心|存储器z用来存储程序和数据|外设z如定时器、中断控制器、UART、GPIO等|电源部分|其它辅助部分嵌入式系统软件部分|应用软件z实现所需功能，执行特定任务|操作系统（RTOS）z提供对应用软件的一组服务z使硬件细节对应用软件透明嵌入式系统的软/硬件设计|软件设计z重要的是微处理器的内部操作如何进行|硬件设计z重要的是总线接口，与微处理器的逻辑连接要遵循总线协议的全部规则，才能保证硬件设计正确嵌入式系统的软/硬件设计|内部操作包括z指令集：处理器可以运行的指令的格式z寄存器：通用寄存器、状态寄存器和程序计数器的某种组合zCache：专门的高速缓存，储存经常利用的数据和指令等z流水：不同级的指令处理提供增加的性能z存储器管理单元（MMU）提供实现虚拟存储器需要的地址变换，操作系统利用它来防止程序或任务造成系统崩溃|外部接口包括z存储器总线接口，对总线仲裁器的规则z协处理器总线接口z中断：一般有多个不同优先级的中断嵌入式系统设计的核心技术|处理器技术z通用处理器z单用途处理器z专用处理器|IC技术z全定制VLSIz半定制ASICz可编程ASIC-FPGA|设计验证技术嵌入式系统—处理器技术|通用处理器或微处理器软件——编程处理器的存储器完成要求的功能控制器：程序存储器数据通道：含寄存器堆或通用ALU|单用途处理器硬件—设计数字电路准确地执行一个程序甚至设计定制数字电路产生单用途处理器控制器：有限状态机，不需要程序存储器数据通道：只包含为执行此程序的基本元件|专用处理器：为特定类应用优化的可编程处理器微控制器（单片机）：为嵌入控制应用优化的处理器数字信号处理器（DSP）：执行数字信号的常用运算嵌入式系统—IC技术专用处理器单用途通用处理器单片机处理器DSPFPGA半定制：标准单元全定制：ASICCPLD门阵列（结构化ASIC）ASSP嵌入式系统—设计验证技术系统Compilation/Libraries/Test/技术条件SynthesisIPVerification系统级综合Hw/Sw/OSModel仿真/行为校验技术条件行为综合CoresHw-Sw协同仿真RTL技术条件RTL级综合RTL元件HDL仿真逻辑级逻辑级综合门电路/门级仿真技术条件单元电路至最终实现可编程系统FPGA内嵌处理器FPGA嵌入式系统的发展EmbeddedSoftwareToolsCPULogic+Memory+IP+CPUEmbeddedSoftwareToolsProcessors+RocketIOEmbeddedSoftwareTools(Virtex-IIPro™)FPGA+LogicDesignToolsFPGAMemory+IP+HighSpeedIO(4K&Virtex™)ProgrammableProgrammableSystemsSystemsI/O