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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VLSI
z半定制ASIC
z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
DSP

FPGA半定制：标准单元全定制：ASIC
CPLD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

EmbeddedSoftwareTools
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+IP+
CPUEmbeddedSoftwareToolsProcessors+
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FPGAMemory+IP+
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