（光学工程专业论文）基于fpga的jpeg压缩系统设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 对弓网故障的检测在列车提速的今天显得尤其重要，原始故障图像数据量 的巨大使实时存储和传输故障图像极其困难。j p e g 作为一种低复杂度、高压缩 比的图像压缩标准在多媒体、网络传输等领域得到广泛的应用。和相同图像质 量的其它常用文件格式( 如g i f ，t i f f ，p c x ) 相比，j p e 6 是目前静态图像中压缩 比最高的。 f p g a 以其设计灵活、高速的卓越特性，逐渐成为许多应用中首先器件， 尤其是与v e f i l o g 和v h d l 等语言的结合，大大变革了电子系统的设计方法，加 速了系统的设计进程。 本文旨在研究并实现一种实时采集并对特定帧进行压缩传输的方法。通过 采用可编程逻辑器件f p g a 来实现整个采集、显示、压缩和传输，使系统具有 可定制、高速度等优点。 本文首先介绍了开发硬件可编程逻辑门阵列f p g a 及其开发语言v c d l o g ， 并介绍了f p g a 的设计方法及开发流程；接着介绍了p a l 制视频采集的相关知 识及设计，其中主要包括基于1 2 c 总线的模拟视频解码控制、视频的数字化 i t u rb t 6 0 1 标准介绍及视频同步信号的获取、基于s d r a m 的视频帧存储、 v g a 显示控制设计；随后介绍了j p e g 标准，并根据故障检测的特点，设计了 针对灰度图像压缩的j p e g 编码器，设计中先分别对组成j p e g 编码器的二维 d c t 变换模块、量化模块、z 字扫描模块、变换直流系数的差分脉冲编码模块、 交流系数的游程编码模块、哈夫曼编码模块及打包模块进行了仿真测试，然后 再对整个j p e g 编码器进行了测试：最后设计了单帧视频的s r a m 缓存，并将 缓存的源图像采用本文设计的j p e g 编码器进行压缩，再设计一个仅包含发送 功能的u a r t 将压缩后的码流传输到p c 机，在p c 机上通过将接收的码流以 a s c i i 码的形式还原为采集图片。 实本文现了整个采集压缩系统，同时也进一步验证了本文设计的灰度图像 j p e g 编码器的正确性。相信本文无论是对弓网故障的图像检测，还是对于j p e g 编码器的芯片设计都有一定的参考价值。 关键词：j p e g 压缩；可编程逻辑门阵列；视频采集；d c r ：哈夫曼；仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t t h ed e t e c t i o no fc a t e n a r y p a n t o g r a p hm a l f u n c t i o ni se x t r e m e l ys i g n i f i c a n ti nc u r r e n t s o c i e t yi nw h i c ht h es p e e do ft r a i ni sh i g h l ya c c e l e r a t e d t h ei m m e n s ed a t ao ft h e o r i g i n a l m a l f u n c t i o n e d p i c t u r e m a k e ss i m u l t a n e o u s s t o r a g e a n dm a l f u n c t i o n e d p i c t u r et r a n s m i s s i o nq u i t ed i f f i c u l t a sak i n do fp i c t u r ec o m p r e s s i n gb e n c h m a r k w h i c hi sl o wi nc o m p l i c a t i o na n dh i g hi nc o m p r e s s i o nr a t i o ，j p e gh a saw i d e s p r e a d u s ei nm u l t i m e d i a ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n do t h e rf i e l d s c o m p a r e dw i t ho t h e r c o m m o nf i l ef o r m a t s ( s u c ha sg i f , t i f f , p c x ) w h i c hh a v et h es a m eq u a l r y , j p f g c o d e re n j o y st h eh i 曲e s tc o m p r e s s i o nr a t i oa m o n gp r e s e n t l el a y o u t so f ) s t a t i c p i c t u r e s w i t ht h eo u t s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i co ff l e x i b i l i t ya n dh i ：g hs p e e di nd e s i g n ，f p g a g r a d u a l l yb e c o m e st h et o pc h o i c ei nv a r i o u sa c t u a la p p l i c a t i o n s p a r t i c u l a r l y , t h e c o m b i n a t i o nw i t ho t h e rl a n g u a g e sl i k ev e r i l o ga n dv h d lb r i n g sg r e a ti n n o v a t i o nt o t h ed e s i g nm e t h o do fe l e c t r o n i cs y s t e ma n dq u i c k e n st h ed e s i g np r o c e s so fs u c h s y s t e r n t h i s p a p e r a i m sa t s t u d y i n g a n d a c h i e v i n g am e t h o dw h i c hc o l l e c td a t a s i m u l t a n e o u s l ya n d c a nc o n d u c tc o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o no fp a r t i c u l a rf r a m e s b y t h eu s eo fp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ef p g a , v i d e oc a p t u r i n g ，d i s p l a y , c o m p r e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o nc a n b er e a l i z e d t h i ss y s t e mb o a s t sv a r i o u sm e r i t s i t c a nb ed e s i g n e da sy o uw i s ha n di sh i g hi ns p e e d t h i st h e s i sf i r s t l yp r o v i d e si n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n ta b o u tf p g a , a n dt h e r e l a t i v el a n g u a g ev e r i l o g , t h ed e s i g nm e t h o da n dp r o c e d u r eo fd e v e l o p m e n ta b o u t f pg 九t h e ni tp r e s e n t sr e l e y a n tk n o w l e d g ea n dd e s i g no f 眦v i d e oc a p t u r i n g , w h i c hm a i n l yi n v o l v e sa n a l o gv i d e od e c o d i n gc o n t r o lt h a ti sb a s e do n1 2 cb u s ，t h e i n t r o d u c t i o no fv i d e od i g i t a ln u rb t 6 0 1b e n c h m a r k ，t h ea t t a i n m e n to fv i d e o s y n c h r o n o u ss i g n a l ，v i d e of r a m es t o r a g eo nt h eb a s i so fs d r a m ，v g ad i s p l a y c o m m a n dd e s i g n s u b s e q u e n t l y , j p e gs t a n d a r di sd e s c r i b e d b a s e do nt h ef e a t u r e so f m a l f u n c t i o n e dd e t e c t i o n ，j p e gc o d e rw h i c hc a nb e a p p l i e d i n g r a yp i c t u r e c o m p r e s s i o ni st h e nb ed e s i g n e d t h ea u t h o rc o n d u c t ss i m u l a t i o nt e s to nm o d u l e s w h i c hc o n s t i t u t et h ej p e gc o d e nt h o s em o d u l e sa r e n a m e l y t o d i m e n s i o nd c t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 t r a n s f o r mm o d u l e ，q u a n t i f i c a t i o nm o d u l e ，z i g - z a gs c a n n i n gm o d u l e ，t h ed p c mo f d e ( d i r e c tc u r r e n 0e n c o d i n gm o d u l e 、r l e ( r u nl e n g t he n c o d i n g ) o fa c ( a l t e m a t i n g c u r r e n oe n c o d e dm o d u l e 、h u f f m a ne n c o d e dm o d u l ea n dp a c k e rm o d u l e f i n a l l y , t h e s r a ms t o r a g eo fs i n g l ev i d e of r a m ea r ed e s i g n e d t h eo r i g i n a lp i c t u r e sa r e c o m p r e s s e dw i t ht h ef o r m e r - m e n t i o n e dj p e gc o d e r t h e nt h eu a r tw h i c ho n l y o w n ss e n dc a p a b i l i t yi sa d o p t e dt ot r a n s m i tt h ec o m p r e s s e dc o d i n gt oa c o m p u t e r , b y w h i c ht h er e c e i v e dt h ec o d i n gi sr e t u r n e dt ot h eo r i g i n a lp i c t u r e si nt h ef o r mo f a s c i ic o d e t h i st h e s i s a c c o m p l i s h e s ，i n t h e m e a n w h i l e ，t h i ss y s t e mf u r t h e rv e r i f i e s t h e c o r r e c t n e s so fg r a yp i c t u r ej p e gc o d e r t os o m ee x t e n t ，t h i sp a p e rw i l lb eb e n e f i c i a l f o rt h ep i c t u r ed e t e c t i o no fc a t e n a r y - p a n t o g r a p hm a l f u n c t i o na n dc h i pd e s i g no fj p e g c o d e r k e y w o r d s ：j p e g c o m p r e s s i o n ；f p g a ；v i d e oc a p t u r i n g ；d c t ；h u f f m a n ； s i m u l a t i o n 西南交通大学曲南爻通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 指导老师签名：名呜 e t 磐j - 加参v a n利m 签p 刁 者 一 作h 蜀 位期 ：l r r t - r 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文提出一种适宜于故障检测的视频采集与压缩结构，系统 采集连续视频，并通过外部触发方式对特定特定帧执行j p e g 压缩 及码流传输： 本文在设计j p e g 编码器过程中大量采用流水线的设计方式， 使得原本划分为8 8 的块单元之间能无间隙地全速运算，使核心 运算单元的利用率达1 0 0 ； 设计了一个包含4 个存储单元的缓冲器，有效地消除了因无 间隙的编码所导致交流码错判。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 我国电气化铁路运营中，在如线岔处时常发生由于拉出值超限和接触导线 硬点引起故障。这些故障是在机车运行中发生的，在动态情况下发生的故障有 一定的随机性，与机车运行速度、风速、气候等条件有关。不论故障原因发生 在接触网还是受电弓，拉出值超限和硬点打、碰弓是弓网故障的前兆。以弓网 故障检测为例，可以通过视频检测的方法对弓网故障进行监测与排查，通过实 时检测并传输故障图像，可以作为诊断安全隐患的证据之一。 这种通过检测排查的方法之一就是通过在机车顶部安装实时监控的摄像 机，在机车运行过程中实时采集受电弓滑板与接触导线的工作状态，通过视频 反应出当前受电弓是否出现如硬点所产生的火花、拉出值超限等故障，通过图 像识别算法或人为地对画面进行判断，确定故障存在并将该故障图像进行压缩、 存储，通过网络传输至故障检修终端还能实时地通知检修人员对故障进行检修， 有效地为弓网故障的检测与维护提供有力的参考。 由于这种故障视频的原始图像数据量巨大，为便于故障图像的传输与存储， 必须将其进行压缩。巨大的原始图像数据量给存储器的存储容量、通信干线信 道的带宽，以及计算机的处理速度增加极大的压力。例如：一秒钟普通的p a l 制视频( 1 1 其经过以4 ：2 ：2 抽样量化后的视频数据量为2 5 x 7 2 0 x 5 7 6 x 2 8 比 特，约为1 5 8 m b i t ，数据量实在太大。单纯靠增加存储器容量，提高信道带宽以 及计算机的处理速度等方法来解决这个问题都是不现实的，必须对图像进行压 缩，去掉图像信息中的冗余，减少网络传输的信息量。针对弓网故障检测的特 点，迫切需要一种高压缩率、低图像损失的压缩方法。 j p e g 是国际标准化组织( i s o ) 和国际电信电报咨询委员会( c c i t t ) 联合制定 的静态图像的压缩编码标准【5 6 l ，和相同图像质量的其它常用文件格式( 如g i f ， t i f f ，p c x ) 相比，j p e g 标准给出的压缩率是目前静态图像中压缩比较高的。相 同的一幅图像，在解压缩后图像质量几乎没有差异的情况下，用j p e g 压缩得到 的数据量约为b m p 格式的2 - - 1 5 ，或者g i f 格式的1 0 左右。正是由于j p e g 的 高压缩比，使得在数据量极大的多媒体以及带宽资源宝贵的网络传输中，针对 静态图像的压缩有着非常广泛的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 高速、实时信号处理是现代信号处理技术发展的一个显著特点，它需要极 高的数据吞吐率和巨大的实时计算量，这种技术融合了信号处理技术理论、超 大规模集成电路v l s i c ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i o 技术和计算机技术。 目前，在数字信号处理系统中，特别是数字图像处理领域，高性能数字图像处 理算法的实时实现是非常关键的技术。为了满足系统实时性要求，一般都广泛 采用高速器件和并行处理方式来提高速度【圳，同时要求器件灵活性强，具有可 重复编程配置能力。f p g a ( h e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 作为一种高集成度的 可编程逻辑器件【1 4 j ，几乎具有实现大量数字信号处理的所有条件，在成本因素 显得不那么重要的应用中，f p g a 能提供大容量、大存储空间、高速、易于开 发的诸多优良特性。随着高性能现场可编程门阵列( r p g a ，h e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea f r a y ) 等器件及v e r i l o gh d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 等硬件描述语 言的出现和迅猛发展，这使得曾经单纯作为a s i c 验证和小规模高成本应用成 为过去，在许多成本较为敏感的应用中广泛使用f p g a 已经成为现实。并且， 随着集成电路集成度的提高，可以将更多的功能在单片芯片内实现，使得系统 体积更小、灵活性更高、功耗更低。集成了m c u 等复杂模块的使单片实现发 展成为s o c ( s y s t e mo n ac h i p ) 片上系统，更是当今研究的热点。 1 2 本文的研究工作 1 2 1 本文研究内容 本文以弓网故障检测为背景，针对其故障非连续的特点，采用f p g a 技术 实时采集、显示视频，并对特定帧图像进行j p e g 压缩，为了验证及通信，本 文还设计了异步串口通信将压缩的码流传送到p c 机进行验证。本文的主要研究 内容包括：视频信号的采集与缓存；设计v g a 显示控制器，实时地将缓存中的 视频数据送入v g a 显示器；设计一个适宜于弓网故障视频检测的j p e g 编码器； 设计待压缩图像及码流的缓存与码流的异步串口通信。 1 2 2 课题开发环境 f p g a 设计通常可以划分为不同的开发阶段，包括算法验证、算法v e r i l o g 验证、算法的r t l 级实现、测试，各个阶段以其特点不同需要建立不同的软件 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 开发环境。为提高设计效率，本文主要软件开发包括：算法验证采用m a t l a b ， r t l 级前端设计主要使用了强大的文档编辑软件e m a c s ，仿真阶段使用了 m o d e l s i m 6 i f 和l d v ，综合及布局布线主要采用了q u a r 瓜7 s 26 0 。本文的硬 件实现是基于一套嵌入一颗5 0 万门f p g a 芯片的开发板r v d k - c y l c 2 0 ，该开 发板还集成了模拟视频解码电路、一片6 4 m b i t 的大容量s d r a m 、三片2 5 6 k 1 6 b i t 的s r a m 、v g a 接口、串口通信接口等，丰富的系统资源使得实现本 文的设计成为可能。 1 2 3 论文章节安排 本文共分为六章，第一章是绪论，首先介绍了课题的意义和研究的主要内 容并简要介绍了系统的开发环境，第二章介绍了系统的开发环境相关知识和 本文的系统设计方案，第三章详细介绍了视频的采集及显示设计，第四章分析 了j p e g 原理并详细介绍了编码器的设计过程，第五章介绍了码流的传输方法， 最后是总结及展望。 由于本人水平有限，论文中的错误和不足之处还望批评指正。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章开发环境介绍及方案设计 2 1f p g a 简介 2 1 1f p g a 技术的发展历史 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电 路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电 路，发展到超大规模集成电路( v i s l c ) 以及许多具有特定功能的专用集成电路 ( a s l c ，a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 。但是，随着微电子技术的发展， 设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们 更愿意自己设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能 短，最好是在实验室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应用 之中，因而出现了现场可编程逻辑器件( f p l d ，h e l dp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) ，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵歹i j ( f p g a ，h e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ，c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i c 。 d e v i c e ) 。 与专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 相比，二者的 设计技术大部分相同，但是f p g a 具有许多a s i c 所无法比拟的灵活性与快速 性。传统的a s i c 研制分为三步：设计、制造与封装、最终测试。如果在将设 计交付工厂制作掩膜后又做出任何改动，或者在终测时发现缺陷，那么就必须 重新制作新的掩膜，然后再重复制造与终测步骤。以上因素导致：如果研制的 a s i c 生产量小，那么其价格将非常昂贵；同时在芯片制造过程已经开始后的任 何设计修改或错误都将是一个灾难。 f p g a 是在p a l 、g a l 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专 用集成电路( a s l c ) 领域中的一种半定制电路，它既解决了定制电路的不足，又 克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。f p g a 芯片既继承了a s i c 的大规 模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通a s i c 设计周期长、投资大、 灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。当代f p g a 具 有以下特点 1 4 1 ： 1 、规模越来越大。随着v l s i 工艺的不断提高，单一芯片内部已可以容纳 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 上百万个晶体管，这使得f p g a 芯片的规模也越来越大。单片逻辑门数已逾千 万，规模的扩大也使得功能越来越强，同时也更适合于实现片上系统集成。 2 、开发过程投资小。f p g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，而且 设计灵活，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验 室里通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计，所以f p g a 的资金投 入小，节省了许多潜在的花费。 3 、f p g a 一般可以反复的编程、擦除。用户可以反复地编程、擦除、使用 或者在不动外围电路的情况下用不同软件即可实现不同的功能。 4 、f p g a 开发工具智能化程度高，功能强大。f p g a 软件包中有各种输入 工具、仿真工具、版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的 时间内就可完成电路的设计、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。 5 、电路设计人员在使用f p g a 进行电路设计时，不需要具备专门的 i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 深层次知识，f p g a 软件易学易用。 现场可编程门阵列f p g a 的出现弥补了a s i c 设计的不足。利用f p g a 的 在线可重构性和可配置计算能力，设计者能够在不进行流片的情况下就完成对 设计原型的验证和修改。由于f p g a 是由掩膜门阵列和可编程器件演化而来， 最终完成的设计在二者上的表现相差不大。因此对于a s i c 设计来说，使用f p g a 在实现了小型化、集成化和高可靠性的同时，减少了风险，降低了成本，缩短 了设计周期，使第一块硅片就实现正确的设计成为可能，避免了昂贵的重新设 计过程。 自1 9 8 5 年x i l i n x 公司推出第一片现场可编程逻辑器件( f p g a ) 再今，f p g a 已经历了二十多年的发展历史。在这二十多年的发展过程中，以f p g a 为代表 的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的 1 2 0 0 个可利用门，发展到9 0 年代的2 5 万个可利用门。目前，国际上现场可编 程逻辑器件的著名厂商x i l i n x 公司、a l t e r a 公司又陆续推出了数百万门乃 至上千万门的f p g a 芯片，将现场可编程器件的集成度提高到了一个新的水平。 随着工艺技术的发展和市场需求的扩大，超大规模、高速、低功耗的新型f p g a 不断推陈出新。新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器( c p u ) 或数字处理器( d s p ) 内核，在一片f p g a 上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统( s o p c ， s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 提供了强大的硬件支持。目前，f p g a 的主要发 展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入“片上可编 程系统( s o p c ) ”的新纪元；芯片朝着高密度、低电压、低功耗方向挺进；国际 各大公司都在积极扩充其i p 库，以优化的资源更好地满足用户的需求，扩大市 场：特别是引人注目的所谓f p g a 动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 计观念的巨大转变。近年来，随着集成芯片制造技术的发展，现场可编程门阵 列在速度和集成度两方面得到了飞速提高。由于它具有功耗低、体积小、集成 度高、速度快、开发周期短、费用低、用户可定义功能及可重复编程和重复擦 写等许多优点，应用领域不断扩大，越来越多的电子系统开始采用可编程逻辑 器件来实现。 2 1 2f p g a 的结构 f p g a 是由多个逻辑门构成的阵列结构，能够被编程来完成各种不同的任 务。逻辑门之间以布线资源分割成多个可编程逻辑单元，外部围绕着可编程i o 单元。逻辑单元由布线资源中的可编程内连线通过可编程开关连接起来实现一 定的逻辑功能。一个典型的f p g a 结构如图2 - 1 所示。 图2 1f p g a 结构图 目前f p g a 的品种很多，主要有x i l i n x 公司的s p a r t a n 、v e r t e x 系列、 a l t e r a 公司的f l e x 系列、a c t e l 公司的p r o a s i c 系列以及t i 公司的t p c 系 列等。根据f p g a 基本结构的不同，可以将其分为基于乘积项( p r o d u c t - t e r m ) 技 术的f p g a 和基于查找表( l o o k u p t a b l e ) 技术的f p g a 两种。 基于乘积项技术的f p g a 主要由3 个模块组成逻辑单元阵列( l o g i c c e l l a r r a y ) 、可编程连线( p i a ) 和i o 控制块。逻辑单元阵列是f p g a 的基本结构， 由它来实现基本的逻辑功能；可编程连线负责信号传递，连接所有的宏单元； i o 控制块负责输入输出的电气特性控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 基于查找表技术的f p g a 是目前的主流产品。查找表( l t r o 本质上就是一个 r a l v i ，目前f p g a 中多使用四输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成一个有4 位地址线的1 6 xl 的r a j v l 。当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电 路以后，f p g a 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事 先写入r a m ，这样每输入一个信号进行逻辑运算就等于输a - - 个地址进行查 找。 f p g a 的使用非常灵活。目前，大部分的f p g a 在使用时都需要外接一个 e p r o m 来保存其程序，加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中的数据读入到片内编 程r a m ，配置完成后，f p g a 进入工作状态；掉电后，f p g a 恢复成白片，内 部逻辑关系消失。f p g a 的编程无需专用的f p g a 编程器，只需用通用的 e p r o m 、p r o m 编程器即可。当需要修改f p g a 的功能时，只需更换一块 e p r o m 即可，这样，同一片f p g a ，配置不同的数据就可以实现不同的电路功 能。 2 2f p g a 的设计方法和流程 2 2 1t o p - d o w n 设计方法 传统的f p g a 设计手段是采用原理图输入的方式进行的，如图2 - 2 所示。 蔚瑶 | i - 斗m 袭转挠， 锱赡一冀攀 ， ： 菇翻t 移：。! j一 点憩曼o 0 07 。j ， ，= ： 图2 - 2 传统f p g a 设计方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 通过调用f p g a 厂商所提供的相应物理元件库，在电路原理图中绘制所设 计的系统，然后通过网表转换产生某一特定f p g a 厂商布局布线器所需网表， 通过布局布线，完成设计。 实际上工程师的最初设计思想是从功能描述开始的。设计工程师首先要考 虑规划出能完成某一具体功能、满足自己产品系统设计要求的某一功能模块， 利用某种方式( 如h d l 硬件描述语言) 把功能描述出来，通过功能仿真( r t o l 仿 真器) 以验证设计思路的正确性。当所设计功能满足需要时，再考虑以何种方式 ( 即逻辑综合过程) 完成所需要的设计，并能直接使用功能定义的描述。实际上这 就是自顶而下设计方法。 ：薯渗j ”舅”? 锻绺：鬻带黪 + 图2 3t o p d o w n 设计方法 t o p - d o w n 设计流程如图2 3 所示，其核心是采用h d l 语言进行功能描述， 由逻辑综合( l o g i cs y n t h e s i s ) 把行为( 功能) 描述转换成某一特定f p g a 的工艺网 表，送到厂商的布局布线器完成物理实现。在设计过程的每一个环节，仿真器 的功能验证和门级仿真技术保证设计功能和时序的正确性。与传统电原理图输 入设计方法相比，t o p d o w n 设计方法具体有以下优点： 1 、完全符合设计人员的设计思路，从功能描述开始，到物理实现的完成； 2 、功能设计可完全独立于物理实现： 3 、设计可再利用； 4 、易于设计的更改； 5 、设计、处理大规模、复杂电路； 6 、设计周期缩短，生产率大大提高，产品上市时间提前，性能明显提高， 产品竞争力加强。据统计，采用t o p d o w n 设计方法的生产率可达到传统设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 方法的2 到4 倍。 2 2 2f p g a 设计流程 f p g a 设计可以分为设计输入、综合、功能仿真( 前仿真) 、实现、时序仿真 ( 后仿真) 、配置下载等六个步骤。 设计输入 设计输入包括使用硬件描述语言h d l 、状态图与原理图输入三种方式。h d l 设计方式是现今设计大规模数字集成电路的良好形式。h d l 语言描述在状态机、 控制逻辑、总线功能方面较强，使其描述的电路能在特定综合器作用下以具体 硬件单元较好地实现；而原理图输入在顶层设计、数据通路逻辑、手工最优化 电路等方面具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点。常用方式是以h d l 语 言为主，原理图为辅，进行混合设计以发挥二者各自特色。 在进行混合设计时，设计者应当严格遵循自顶向下和自底向上的结构化设 计方法。自顶向下是指设计小组在设计之初对系统进行充分的分析，明确技术 条件指标，并将这些指标提炼为算法，转化为结构描述，然后将系统划分为容 易实现的子系统，划分之后在进行时序调度和资源分配，不断深入，直至最终 解决问题。自底向上则是指设计小组在系统划分的基础上按模块进行设计。每 个小组成员独立的完成各自的模块设计，进而构成整个f p g a 。小组成员中可 能各自习惯的h d l 语言不同，但对整体而言并无影响，模块在调用时只需要将 被调用模块视作黑箱，无需关心其具体设计。 设计综合 综合，就是针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速度、 功耗、成本及电路类型等，通过计算机进行优化处理，获得一个能满足上述要 求的最优或者接近最优的电路设计方案。 综合包括分析、综合和优化三个步骤。以h d l 描述为例，分析是采用标准 的h d l 语法规则对h d l 源文件进行分析并纠正语法错误；综合是以选定的 f p g a 结构和器件为目标，对h d l 和f p g a 网表文件进行逻辑综合；优化则是 根据用户的设计约束对速度和面积进行逻辑优化，产生一个优化的f p g a 网表 文件，以供f p g a 布局和布线工具使用。 综合与优化可以分两步独立进行，在两步之间进行约束指定，如时钟的确 定、通路与端口的延时、模块的算子共享、寄存器的扇出等。如果设计模型较 大，可以采用层次化方式进行综合，先综合下级模块，后综合上级模块。综合 后形成的网表可导入f p g a 设计厂商提供的可支持第三方设计输入的专用软件 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 中，就可进行后续的f p g a 芯片的实现。综合完成后可以输出报告文件，列出 综合状态与综合结果，如资源使用情况、综合后层次信息等。 仿真验证 从广义上讲，设计验证包括功能与时序仿真和电路验证。仿真是指使用设 计软件包对已实现的设计进行完整测试，模拟实际物理环境下的工作情况。前 仿真是指仅对逻辑功能进行测试模拟以了解其实觋的功能否满足原设计的要 求，仿真过程没有加入时序信息，不涉及具体器件的硬件特性，如延时特性； 而在布局布线后，提取有关的器件延迟、连线延时等时序参数，并在此基础上 进行的时序仿真称为后仿真，它是接近真实器件运行的仿真。 设计实现 实现是利用f p g a 厂商的实现工具把综合后逻辑映射到目标器件结构的资 源中，决定逻辑的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能连接的布线通道进行连 线，并产生相应文件( 如配置文件与相关报告) 。通常可分为如下五个步骤。 1 、转换( t r a n s l a t e ) ：将多个设计文件进行转换并合并到一个设计库文件中。 2 、映射( m a p ) ：将网表中逻辑门映射成物理元素，即把逻辑设计分割到构 成可编程逻辑阵列内的可配置逻辑块与输入输出块及其它资源中的过程。 3 、布局与布线( p l a c ea n dr o u t e ) ：布局是指从映射取出定义的逻辑和输入输 出块，并把它们分配到f p g a 内部的物理位置，通常基于某种先进的算法来完 成：布线是指利用自动布线软件使用布线资源选择路径试着完成所有的逻辑连 接。可以使用约束条件操作布线软件，完成设计规定的性能要求。在布局布线 过程中，可同时提取时序信息形成报告。 4 、时序提取( t i m e s i m ) ：产生一反标文件，供给后续的时序仿真使用。 5 、配置( c o n f i g ) ：产生f p g a 配置时的需要的位流文件。 时序分析 在设计实现过程中，在映射后需要对一个设计的实际功能块的延时和估计 的布线延时进行时序分析：而在布局布线后，也要对实际布局布线的功能块延 时和实际布线延时进行静态时序分析。静态时序分析允许设计者详尽地分析所 有关键路径并得出一个有次序的报告，而且报告中含有其它调试信息。静态时 序分析器可以用来检查设计的逻辑和时序，以便计算各通路性能，识别可靠的 路径，检测建立和保持时间的配合。 下载验证 下载是在功能仿真与时序仿真正确的前提下，将综合后形成的位流下载到 具体的f p g a 芯片中，也叫芯片配置。因f p g a 大多支持i e e f _ , ( a s t i t u t co f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 美国电气及电子工程师学会的j t a g 标准，所 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 以使用芯片上的j t a g 口是常用下载方式。将位流文件下载到f p g a 器件内部 后进行实际器件的物理测试即为电路验证，当得到正确的验证结果后就证明了 设计的正确性。电路验证对a s i c 最后的投片生产具有较大意义。 2 2 3f p g a 设计指导原则 f p g a 设计有许多内在规律可循，总结并掌握这些规律对于较深刻的理解 可编程逻辑设计技术非常重要【1 0 m 1 3 1 7 1 。 1 、面积和速度的平衡与互换原则： 这里的“面积”是指一个设计所消耗的f p g a 逻辑资源数量，。速度一是指 设计在芯片上稳定运行时所能够达到的最高频率。面积和速度是一对对立统一 的矛盾体。要求一个设计同时具备设计面积最小，运行频率最高，是不现实的。 从理论上讲，一个设计如果时序余量较大，所能跑的频率远远高于设计要求， 那么就能通过功能模块复用较少整个设计消耗的芯片面积；反之，如果一个设 计的时序要求很高，那么可以一般可以通过数据流串并转换，并行复制多个操 作模块，对整个设计采取“乒乓操作”和“串并”转换的思想进行处理，在芯 片输出模块处再对数据进行“并串转换 。当面积和速度冲突时，采用速度优先 的原则。 2 、硬件原则： 硬件原则主要针对h d l 代码编写而言。f p g a 逻辑设计所采用的硬件描述 语言( h d l ) 同软件语言( 如c ! c + + 等) 是有本质区别的。h d l 是采用了语言形式 的硬件抽象，它的最终实现结果是芯片内部的实际电路。所以，正确的编码方 法是，首先要对所需要实现的硬件电路结构与连接十分清晰，然后再用适当的 h d l 语句表达出来。 硬件原则的另外一个重要理解就是“并行 和“串行 的概念。硬件系统 比软件系统速度快、实时性高，其中一个重要的原因就是硬件系统中各个单元 的运算是独立的。所以，在写h d l 代码时，应充分理解硬件系统的并行处理特 点，合理安排数据流的时序，提高整个的效率。 3 、系统原则t 系统原则包含两个层次的含义：首先，从更高层面上看，它表示的是一个 硬件系统，一块单板如何进行模块划分与任务分配，什么样的算法和功能适合 放在传统f p g a 里面实现，什么样的算法和功能适合放在d s p 、c p u 里面实现， 或者在使用内嵌c p u 和d s pb l o c k 的f p g a 中如何划分软硬件功能；然后，具 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 体到f p g a 设计，就要求对设计的全局有个宏观上的合理安排，比如时钟域、 模块复用、约束、面积和速度等问题。在系统上复用模块节省的面积比在代码 上的细节修改效率要高得多。 4 、同步设计原则： 同步设计的原则是f p g a 设计的最重要的原则之一。其基本原则是使用时 钟沿触发所有的操作。 同步设计中，稳定可靠的数据采样必须遵从以下两个基本原则：是在有 效时钟沿到达前，数据输入至少已经稳定了采样寄存器的s e t u p 时间之久，这 条原则简称满足s e t u p 时间准则；二是在有效时钟沿到达之后，数据输入至少 还将稳定保持采样寄存器的h o l d 时间之久，这条原则简称满足h o l d 时间原则。 如果所有寄存器的时序要求都能满足，则同步时序设计与异步时序设计相比， 在不同的p v t ( 工艺电压腽度) 条件下，能获得更佳的系统稳定性与可靠性。 2 3v e riio g h d l 介绍 2 3 1v e rilo gh d l 的历史 由于硬件设计的复杂性，必须有一种语言