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基于可重构计算技术的车载6 p s 终端的设计与实现 摘要 需求是推动人们不断进行研究的动力，传统的i 古i 定结构计算技术渐渐不能满足市场需求的 快速变化。可重构计算技术作为一种新兴的技术，兼容了硬件的处理速度和软件的灵活性。它 以可编程逻辑器件为载体，不断吸引着人们的注意力。作为汽车电子一部分的车载g p s 应用系 统，为解决当前的交通导航、管理及安全起到了积极作用，甚至成了车载电子不可缺少的一部 分。然而g p s 应用系统的功能，随着应用的扩大不断更新和扩大，采用传统固定结构的g p s 系 统就需重新设计和生产，增加了开发成本和周期。 本课题围绕车载g p s 终端系统要求，利用可重构计算技术，设计和实现了一种可重构、可 升级、可扩展的车载g p s 终端模型。是对可重构计算技术在应用中的探索。首先，介绍了可重 构计算技术和车载g p s 终端的背景和国内外发展现状；然后，通过对当前可重构技术和车载 g p s 终端的研究和对比，设计了一种基于可重构技术的车载g p s 终端模型，并通过f p g a 和其 他电路模块进行设计和实现，完成了系统仿真和p c b 设计；另外，针对系统中使用较多的串 1 2 的需求，本文通过f p g a 的内部r a m ，设计出一种“桥”的办法，用v e r i l o g 硬件描述语言实 现了可重构的多串口的扩展；最后总结了课题的不足和对今后工作的展望。 由于本终端系统实现的功能相对比较简单，对处理器的要求不高，课题只提供了基于8 0 5 1 i p 核的处理器的系统设计，当对处理器能力要求更高或者要增加其他功能时，可以通过对f p g a 的编程下载和扩展接口来实现，最终完成对整个终端系统的重构。 硕士研究生卢俊文( 计算机软件与理论) 指导老师于忠清研究员 关键词：可重构；现场可编程门阵列；全球定位系统；串口扩展 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fv e h i c l eg p s t e r m i n a lb a s e do n r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t d e m a n dp u s h e sp e o p l et ok e e po nr e s e a r c h i n g g r a d u a l l y , t h ef a s t - c h a n g i n gm a r k e td e m a n dc a n n o tb es a t i s f e db yt r a d i t i o n a li n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n gt e c h n o l o g y n o wan e wt e c h n o l o g y , t h e r e c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y , c a nb ec o m p a t i b l eo fb o t ht h ep r o c e s s i n gs p e e do fh a r d w a r ea n dt h e f l e x i b i l i t yo fs o f t w a r e i ta t t r a c t sa t t e n t i o nb yi t sp r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e s a sa ni n d i s p e n s a b l e p a r to fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i c s ，v e h i c l eg p sa p p l y i n gs y s t e mp l a y sa na c t i v er o l ei nt r a f f i cg u i d i n g ， m a n a g e m e n ta n ds a f e t y h o w e v e r , w i t hi t su p d a t i n ga n de n l a r g i n ga p p l i c a t i o nt h ef u n c t i o no ft h i s s y s t e mi sa l s og r o w i n g t h e r e f o r e ，b a s e do nt r a d i t i o n a li n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n gt e c h n o l o g y , t h i sg p s s y s t e mn e e d sr e d e s i g n i n ga n dr e p r o d u c i n g ，w h i c hi n c r e a s et h er e s e a r c h i n gc o s ta n dp e r i o d t h i sp a p e rw i l lm e e tt h en e e do fv e h i c l eg p st e r m i n a ls y s t e ma n dm a k eu s eo fr e c o n f i g u r a b l e ， u p g r a d i n g ，e x p a n d a b l ev e h i c l eg p st e r m i n a lm o d e l f i r s t ，w ew i l li n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n d d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a do fr e c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g ya n dv e h i c l eg p st e r m i n a l t h e n ，a f t e r r e s e a r c h i n ga n dc o m p a r i n gp r e s e n tr e c o n f i g u r a b l et e c h n o l o g ya n dv e h i c l eg p st e r m i n a l ，w ed e s i g na v e h i c l eg p st e r m i n a lm o d e lb a s e do nr e c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y , a n dc o m p l e t es y s t e me m u l a t i o na n d p c bd e s i g nt h r o u g hf p g aa n do t h e rc i r c u i tm o d u l e b e s i d e s ，i nc o n n e c t i o nw i t ht h ed e m a n do ft h e m a n yu s e du a r t si nt h es y s t e m ，a “b r i d g e ”m e t h o db yt h ei n n e rp a r tr a m o ff p g ah a sb e e ns e tu p ， w h i c hr e a l i z et h ee x p a n d a t i o no fr e c o n f i g u r a b l em u l t i u a r tb yv e r i l o g ，t h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e f i n a l l y , t h e r ei sas u m m a r y o ft h ed e f i c i e n c ya n df u t u r ee x p e c t a t i o n a st h ef u n c t i o no ft h i st e r m i n a ls y s t e mi s c o m p a r a b l ys i m p l e ，a n d d o e s n th a v eas t r i c t r e q u i r e m e n to ft h ec p u ，t h i sp a p e ro n l yp r o v i d e sas y s t e md e s i g nb a s e do ni pc o r eo f8 0 51 w h e n h i g h e rc p uh a n d l i n gc a p a c i t y o rm o r eo t h e rf u n c t i o n sa r er e q u i r e d ，d o w n l o a d i n go ff p g ap r o g r a m a n de x p a n d i n go fc o n n e c t o rw i l lb ea p p l i e d ，t of i n a l i z et h er e c o n f i g u r a t i o no ft h ew h o l et e r m i n a l s y s t e m g r a d u a t es t u d e n t ：j u n w e nl u ( c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f z h o n g q i n gy u k e yw o r d s ：r e c o n f i g u r a b l e ；f p g a ；g p s ；e x p a n d i n go fu a r t 青岛大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：多勺釜。支 日期；耖2 年士月h 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“) 论文作者 导师签名 ( 本声明 日期：山，睁j 一月f 。日 日期：扣口蛑s 一月fy 日 学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 5 8 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 自从上个世纪四十年代电子计算机技术发明以来，人们对计算性能和智能技术 无止境的追求直接推动了计算机软硬件技术的迅猛发展。比以往任何时候，当今的 应用要求计算单元有更强的处理能力，比如流媒体、图像识别、图像处理以及高速 交互服务，都对实现这些应用的计算单元提出了新的要求。要在能耗、开发与维 护成本和上市时间约束的条件下，满足这些性能的要求变得越来越难。 传统的计算系统中，算法可以采用两种不同的方法来实现晗3 。一种是通过软件 编程来实现，并在通用处理器上运行。这种方法的优点是灵活性高，通过编写软件 就能改变系统的功能。但是指令的串行执行和指令集的特点，就算是速度再快、功 能再强的通用处理器，也往往难于满足应用的要求。另外一种方法是采用硬件功能 模块如专用集成电路( 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 ，a s i c ) 来实现。 与采用软件实现的方法不同，a s i c 实现方法提供了专用机制来实现应用中的大量的 并行运算，也不用串行的完成取指令、译码及执行，大大提高了计算的处理能力和 速度。但是a s i c 是针对特殊应用的功能单元的组合，功能单一、灵活性差，要实现 不同的算法就必须重新设计电路，开发成本高，开发周期也很长。 可重构计算作为一种新的计算技术，采用可编程的硬件模块来实现计算，填补 了软硬件之间的鸿沟，既有硬件并行计算的高性能，又有软件的灵活性。可重构计 算系统的性能给人留下深刻印象，如在椭圆曲线加密系统的定点乘法运算的例子。 若密匙为2 7 0 比特位，采用可重构计算设计，在主频为6 6 n t z 的x c 2 v 6 0 0 0f p g a 上， 一个定点乘法运算能够在0 3 6 m s 内完成。相比之下，即使采用优化的软件，在一台 c p u 主频为2 6 g h z 的d u a l - x e o n 架构的电脑上，完成一个定点乘法运算需要 1 9 6 7 1 m s 。可见，采用可重构计算设计在主频为1 4 0 的情况下，运算速度仍然快 5 4 0 多倍1 。以现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 为代表 的可重构逻辑器件可以被任意次地重新配置，使得一片器件能够在不同时间运行不 同的硬件算法，就像不同的算法运行在传统的处理器上一样。 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 是基于卫星的无线导航系 统，它能够全天候不间断地在全球海陆空范围内，提供高精度的位置、速度和时间 等信息，并有良好的抗干扰和保密性能。由于这些特点，因此g p s 在公安、军队、 交通、海洋测绘、航海等方面都有极其广泛的应用。特别是近年来，交通运输作为 国民经济和社会发展的基础得到了快速高效的发展，遍布全国的道路建设，特别是 方便快捷的城市及城间公路交通体系的建成，都显现出一番蓬勃的景象。2 0 0 8 年l 1 青岛入学硕士学位论文 月4 日，据中国公安部交通管理局披露，截止2 0 0 7 年底，我国汽车拥有量5 6 ，9 6 7 ，7 6 5 辆，运输网络四通八达，大大方便了人们出行和商品流通，为国民经济的发展奠定 了良好的基础。 但同时也带来了一系列相关的问题。首先，跨省的长途客货运输的日夜繁荣， 虽然促进了地区经济贸易的发展，但是由于司机和汽车都处于长时间工作状态，安 全隐患不容忽视，同时不法分子在偏僻路段趁火打劫更是危害到人民群众的人身和 财产安全，因此有效的提高长途客货运输的安全性，保障交通的顺畅，成为运输单 位和交通管理部门亟待解决的问题。其次，由于近年来我国机动车数量急速增长， 为了解决城市交通的拥堵状况，各大城市都在大力建设以公交车为主的公共交通体 系，对于公共汽车的有效调度不但方便乘客的出行，而且可以有效缓解道路承载的 压力。再者，某些特种车辆存在特殊的管理需求，公安巡逻车，医疗急救车，消防 救火车都要求可以快速的出现在事发现场，选择快速的行驶路径尤为重要，银行押 款车，特殊人员服务车辆也都需要实时的监控行驶状况。除此之外，汽车出租行业 的管理者和私人汽车的拥有者，都想确切的知道自己的汽车在哪里，而且一旦出现 意外状况，更希望可以对自己的汽车进行有效的保护。上述问题虽然林林总总，但 是只要知道了汽车在某个时刻的具体位置和情况，就可以找到相应的解决办法。所 以由g p s 无线定位和g s m g p r s c d m a 移动通讯技术为基础所开发的g p s 终端，为解 决这一问题开辟了新的思路并在交通领域逐步普及，实现了对车辆进行的监控、即 时定位、失窃跟踪、遇险报警、车辆事故分析等，即实现了车辆实时动态信息的管 理，又加强了对车辆的控制，节约了大量人力、物力，对减少车辆拥挤，协助事故 处理，提高运输的安全性和有效性起着非常重要的作用。 然而由于车辆的使用功能不同对g p s 终端的功能也提出了个性化的不同要求， 而且还要不断改进和更新。例如出租车要加接计价器，l e d 广告牌及语音播放器，收 费一卡通等；长途汽车要加黑匣子，油量监视，视频监控等；个性化要求的多样性 及不断更新使采用固定计算结构的g p s 终端难于适应市场的多变性，本文提出的基 于可重构计算技术的车载g p s 终端系统设计方法就克服了固定计算结构的弱点而满 足了上述需求。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 可重构计算技术的发展 可重构计算虽然直到最近才受到重视并逐渐流行起来。实际上，早在1 9 6 3 年， 美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的g e r a i de s t r i n 提出了可重构计算的概念并研究 了原型系统川。他们在文献畸1 中分析了构建可重构计算系统的四个前提：1 对于任何 2一 第一章绪论 给定的问题，专用计算机都比通用计算高效；2 大量算法的执行序列存在着能够同 时在不同处理器上并行的部分；3 在硬件资源受限的情况下，与不可改变的系统相 比，具有可重构能力的硬件资源能够实现更多的计算结构；4 为处理器编写编译器 需要耗费大量人力，如果处理器特征( 如指令集定义，指令操作语义等) 经常发生变 化，则得不偿失。基于上述前提，他们设计的具有可重构能力的原型系统由结构固 定的通用计算机、可重构的硬件和控制单元等三部分构成。虽然受到当时技术条件 的限制，该原型系统的实现仅仅是对其设计理念做了粗略的实现，但是它为后来的 可重构计算系统的研究和发展奠定了基础。 可重构计算技术逐渐受到人们的重视始于上世纪九十年代。出于对计算高性能 的追求，大量科研机构开始研究具有可重构能力的计算系统，例如：采用细粒度( 关 于重构粒度的讨论参见第2 2 2 节) 重构架构，用于循环操作加速执行的g a r p 哺1 ；采 用粗粒度重构架构，用于多媒体应用的r e m a r c 口1 ；研究流水线重构结构的r a p i d 1 ； 研究基本逻辑单元间互连关联的r - m e s h 阳3 等等。在这段可重构计算技术的发展初期， 研究者们主要是对可重构计算系统的系统结构进行探索。虽然有很多各具特色的系 统研究成功，并且在相关领域的应用中获得了良好的效果，但是因为缺乏统一的硬 件平台和设计方法的支持，研究者们普遍采用了专门定制的可重构逻辑器件和配套 的开发环境，所以研究成果间很难进行转化、兼容性差，直接影响了可重构计算技 术向实际应用领域的推广。 高容量、高性能的商业化可重构逻辑器件的不断涌现，例如a c t e l 、a l t e r a 、 l a t t i c e 等公司推出的基于反熔丝( a n t i f u s e ) 、 e e p r o m 、 f l a s h 等技术的可重构 逻辑器件，成功地改变了可重构计算技术所处的尴尬境地。特别是1 9 8 6 年x i l i n x 公司率先研发的现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) ，它米 用静态存储器( s r a m ) 技术，具有非常高的计算逻辑集成度n0 | 。随着半导体技术的高 速发展，以f p g a 为主流的可重构逻辑器件已经集成了数百万门的等价逻辑门，能够 为各种计算应用提供足够丰富的计算资源。同时，与可重构逻辑器件配套的开发环 境的功能也越来越强大，能够有效的降低设计门槛、提高生产效率。 尽管可重构计算技术的发展迅速，但是由于从不同角度出发，研究者们对可重 构计算技术的理解也不尽相同。到目前为止，普遍得到接受的定义是加州大学伯克 利分校a n d r ed e h o n 和j o h nw a w r z y n e k 在1 9 9 9 年3 6 届a c m i e e e 设计自动化国际 会议上提出的。他们通过与其他计算机系统的组织结构做比较的方式，在广义上给 出了可重构计算系统应该具备的两个关键特点n 1 j ：1 ) 能够在硬件器件制造后针对计 算任务进行定制；2 ) 能够为计算任务提供大量的可以定制的执行空间。这两个特点 分别弥补了传统的a s i c 计算模式不具备制造后可改动的能力以及处理器计算模式 不能够为操作提供专用数据通路的缺陷，阐明了可重构计算系统必须同时具备灵活 3 青岛火学硕士学位论文 性和高效性等特征。 k a t h e i n ec o m p t o n 和s c o t th a u c k 在2 0 0 2 年发表的文献n 2 1 中对当前研究的主 流可重构计算系统进行了更具体的定义：可重构计算系统是结合了硬件编程能力的 系统。其中，硬件编程是指通过改变一系列物理控制点的方式对硬件应该如何工作 进行定制；控制点的改变将导致硬件的执行功能发生相应的改变。这篇文献也是迄 今为止可重构计算技术研究领域中最重要的综述文章之一。 综合上述定义，可重构计算技术需要依赖于硬件器件的可编程的重构特性，以 便在计算过程中能够将硬件器件定制为计算任务所需的功能部件。因此，硬件器件 的可重构能力是研究可重构计算技术的基础，它不仅体现在那些构成可重构逻辑器 件的各个硬件部件所实现的计算功能能够重构，还应该体现在那些存在于各个硬件 部件间的互连结构能够重构。 当前研究的可重构计算系统往往采用由一片或多片可重构逻辑器件与一个通用 处理器相结合的结构( 相关内容参见第2 2 1 节) 。其中，可重构逻辑器件可以是为 构建系统专门定制的，也可以是商业化的器件，它们负责处理计算任务中计算密集 的算法核心部分，能够以硬件电路的方式提高计算任务的执行性能。系统中的通用 处理器则主要负责可重构计算系统的资源管理和任务调度；同时它还负责执行计算 任务中那些不适合或者不能够采用硬件逻辑实现的部分，例如递归操作。每一层递 归都需要使用相同的计算资源，而递归的层数又往往不能够在任务执行完成之前获 得，这直接导致硬件电路无法为其预留出足够的计算资源，因此此类计算只能在通 用处理器u 副。 1 2 2g p s 定位技术的发展 二十世纪8 0 年代后期，西欧、北美和日本等发达国家竞相发展智能交通系统 ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，i t s ) ，来减少交通阻塞、增加车辆机动性和路 面运输效率、增强安全性、节约能源以及保护环境。其主要途径是利用信息、通信、 定位和控制技术将车辆和公路集成在一个可以安装在车辆上的信息网络中；同时， 将整个公路系统的车辆流量进行优化以增加交通容量，提高车辆的运行安全系数， 改变传统的交通运输状况。目前，国外i t s 智能交通系统的研究主要集中在交通控 制与管理、车辆安全与控制、交通中人的因素、交通模型开发、行政和组织问题、 通信与广播技术或系统等方面。研究成功并已经投入使用较多的是汽车自动定位和 导航系统。日本、德国、美国等国家的大部分高档轿车都已经安装g p s ( 全球定位系 统) 车辆自动导航系统，据报道估计，2 0 0 7 年，日本将有3 4 0 万辆以上的汽车装有 自动导航系统，欧洲有2 8 0 万台。 2 0 0 3 年5 月2 5 日零时3 4 分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲运载 4 第一章绪论 火箭，成功地将第三颗“北斗一号 导航定位卫星送入太空。前两颗“北斗一号 卫星分别于2 0 0 0 年1 0 月3 1 日和1 2 月2 1 日发射升空。运行至今，导航定位系统工 作稳定，状态良好。这次发射的是导航定位系统的备份星。它与前两颗“北斗一号” 工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。 这标志着我国成为继美国全球卫星定位系统( g p s ) 和前苏联的全球导航卫星系统 ( g l o n a s s ) 后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家，该系统的建立对 我国国防和经济建设将起到积极作用。我国的i t s 智能交通领域的研究虽然起步比 较晚，但是其研究和发展得到了政府部门的重视，科技部已经把i t s 列入了中国高 新技术开发和产业化的计划，同时协同交通部、公安部、建设部、铁道部、信息产 业部和相关的高校等科学研究机构进行共同的研究和开发，并且在智能交通系统的 开发和应用方面己经取得了相当的进步。 1 2 3f p g a 技术的发展 在嵌入式系统的设计与实现方法上，有关f p g a 能否成为a s i c 与a s s p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp a r t s 专用标准部分) 的一种可行性替代方案 的争论已经持续了近十年。今天的f p g a 器件已极大地提升了高性能处理能力和系统 集成度，这些高性能器件以其灵活的器件集成能力、可编程i o 以及显著降低系统 总体设计成本的优势，帮助设计师快速进入这一新领域和建立新的s o c 设计方法学， 并快速实现了无数的a s i cs o c 设计。 高性能r i s cc p u 、r a m 块、多千兆位高速串行i o 、专用d s p 功能以及其他增 强型系统性能的增加带来了技术进步，而这进一步巩固了平台f p g a 相比a s i cs o c 的上升势头。不过，为了获得针对某个特定应用领域的高性能d s p 、处理或连接特 性，设计人员常常被迫购买最大最昂贵的器件。 基于革命性的i c 设计和制造方法，现在能以较高的成本效益开发多种f p g a 平 台，每一种平台都具有不同的性能组合。因此，一个特定平台可以针对特定应用领 域( 例如逻辑、d s p 、连接及嵌入式处理等) 进行优化，以满足先前只能由a s i c 、a s s p 和类似器件提供的应用需求，同时保持核心的可编程能力。设计人员或设计团队现 在不仅能选择一种理想的平台，而且还能选择具有恰当性能组合的器件，从而可以 最低的成本获得所需的容量与性能。这一创建最佳应用领域子系统的独特灵活性与 能力为f p g a 设立了一个更高的标准。软硬件均可编程的器件与a s i c 或a s s p 器件相 比，允许设计师在实现方案时拥有更灵活的选择。在开发过程中的任何时候都可以 重新分析、更改或增强系统架构，为设计师满足各种应用需求提供了一个完备的工 具套件。 设计师可利用这一相同的能力在现场改进硬件，以满足新的需求或避免昂贵的 5 青岛人学硕士学位论文 硬件升级。在众多标准不断涌现并相互竞争的今天，这种灵活性已变得极为重要。 多平台f p g a 产品已震惊a s i c a s s p 供应商，而i s u p p l i 、g a r t n e rd a t a q u e s t 和其他市场研究公司也已经总结出以下趋势，即a s i c 设计项目开始减少，f p g a 设 计项目开始增加。 f p g a 一直在降低成本并使之更适合用于更多的应用领域。 在可编程逻辑的经济优势中，一个关键而又常被忽略的因素无疑是如何在全球 范围内使用该技术。没有两个人会使用同样的技术、系统或软件，他们也不会订购 或需要同样的东西。a s i c 和a s s p 的更高成本和更长设计时间导致它们主要用于已 得到验证的低风险和大批量应用。而当今市场产品的快速更新换代使a s i c 开发成本 迅速增加，使得f p g a 在当今领先应用中的优势凸现出来。零n r e ( n o n r e c u r r i n g e n g i n e e r i n g ) 带来的总体成本优势促使大批量a s i c 或a s s p 的成本交叉点上升，从 而使得用户更偏爱f p g a 。 针对不同领域优化的多平台f p g a 以其革命性的能力促使f p g a 技术加速进入更 多的应用领域中。降低风险、大幅缩短设计周期以及零n r e 的综合优势，几乎很快 就会将大量的应用从基于单元的a s i c 实现转向类似于今天针对不同领域优化的 f p g a 这样更加灵活和宽松的架构。 1 3 课题主要研究内容 本课题围绕车载g p s 终端系统要求，采用可重构计算技术，设计和实现了一种 可重构、可升级、可扩展的车载终端模型。主要研究内容有： 1 研究可重构计算技术的基本原理和体系结构； 2 研究g p s 终端系统的体系结构及组成； 3 熟悉g p s 定位的基本原理； 4 熟悉g p r s 模块的基本原理； 5 针对车载g p s 终端，采用可重构计算技术，设计出一种可重构、可升级、可 扩展的硬件模型，并以f p g a 为载体进行实现。 。6 针对本系统使用较多的串口，在f p g a 上，通过使用r a m ，设计出一种“桥 的办法，用v e r i l o g 硬件描述语言实现了多串口的扩展。 本文一共由五部分组成，各个部分的内容安排如下： 第一章主要是介绍课题的背景、发展现状、主要研究内容和本文的结构安排。 第二章主要是对可重构技术原理和结构进行研究，并且对可重构计算主要使用 的器件f p g a 的结构及其设计方法进行研究。 第三章主要是对车载g p s 终端进行分析和比较，设计出一种基于可重构计算技 术的可重构、可升级、可扩展的硬件模型。 6 第一章绪论 第四章主要是对第三章提出的模型进行实现。除了使用一些口核，还通过使用 f p g a 内部的r a m ，设计出一种“桥”的办法，用v e r i l o g 语言实现了多个串1 2 的 扩展。 第五章总结与展望。 7 青岛大学硕七学位论文 第二章可重构计算技术理论 2 1 可重构计算技术的原理 根据k a t h e i n ec o m p t o n 和s c o t th a u c k 对可重构计算的定义n 羽，可重构计算技 术必须具备两个基本条件：1 必须有可编程的逻辑单元，即可重构功能单元；2 必 须可以通过硬件编程改变物理控制点，即可重构互联技术。 2 1 1 可重构功能单元 第一种能够实现逻辑电路的可编程逻辑器件是可编程只读存储器 ( p r o g r a m m a b l er e a d - o n l ym e m o r y ，p r o m ) n 制，其中存储器的地址线可用作逻辑电路 的输入，而数据线用作逻辑电路的输出。由于包含一个完整的地址输入的译码器及 逻辑功能很少有超过几个乘积项( p r o d u c tt e r m s ) 的需求，p r o m 的逻辑功能非常 有限，因此用来实现逻辑电路的p r o m 效率很低，在实际应用中很少使用。后来专门 用于实现逻辑电路的第一个器件是现场可编程逻辑阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l e l o g i ca r r a y ，f p l a ) ，简称为p l a 。一个p l a 由两级逻辑门组成，一个可编程“接 线的”a n d 平面，之后连接一个可编程“接线的”0 r 平面。正是由于p l a 的这种结构， 在a n d 平面中，其所有输入( 或它们的补) 都可以由a n d 门组合在一起进行“与 运算，a n d 平面的每个输出都与输入的乘积项相对应。与此类似，每个0 r 平面的输 出与任意a n d 平面产生输出的逻辑“和 相对应。p l a 使用这种结构很好地实现以 乘积之和形式的逻辑功能。由于a n d 项和0 r 项可以有很多输入( 经常定义为宽a n d 和0 r 门) ，其用途广泛。 p l a 在7 0 年代早期由飞利浦公司提出时，其主要缺点是生产费用昂贵，并且运 行速度很慢。这两个缺点归咎于两级可配置逻辑，因为可编程逻辑平面很难生产， 而且产生明显的传播延迟。为克服这些弱点，开发了可编程阵列逻辑( p a l ) 器件。 如图2 1 所示，p a l 仅具有单级可编程能力，由可编程“接线的”a n d 平面组成，每 个a n d 平面连接到固定的0 r 门。由于0 r 平面是固定的，为弥补由此引起先天不足， 产生了若干种具有不同数量的输入输出和各种数量不等“或”门的p a l 。p a l 通常包 括“与”、“或”门输出相连接的触发器，因此可以实现时序电路。p a l 器件非常重 要，因为p a l 对数字化硬件设计有深刻的影响，并且也是后面将要简要介绍的更新、 更高级体系结构的基础。所有小型的p l d ，包括p l a 、p a l 和类似p a l 的器件都归到 个称为简单的p l d ( 即s p l d ) 的分类中，其最重要的特征就是低成本及非常高的管 脚到管脚( p i n t o p i n ) 的速度。 随着技术的发展，生产比s p l d 更大容量的器件已成为可能。对于提高s p l d 的 r 第二章可重构计算技术理论 容量，困难在于随着输入数量的增加，可编程逻辑平面在面积上增长太快。提供基 于s p l d 结构的大容量器件的唯一可行方法就是把多个s p l d 集成到单一芯片上，并 将这些s p l d 模块可编程地连接在一起。现在市场上已有很多带有这种基本结构的产 品，统统将这些产品定义为复杂的p l d ( c p l d ) 。 输入与触发器反馈 a n d 平面 图2 1 一个p a l 的结构 输出 a l t e r a 公司是开发c p l d 的先锋，该公司的芯片系列中，最初称为c l a s s i ce p l p ， 后来有三个附加的系列叫做m h x 5 0 0 0 、m a x 7 0 0 0 及m a x 9 0 0 0 ，其主要结构如图2 3 所 示n5 | 。在这个结构中，通过可编程的互联阵列p i a ( p r o g r a m m a b i ei n t e r c o n n e c t a r r a y ，p i a ) 将多个逻辑阵列模块l a b ( l o g i ca r r a yb l o c k ，l a b ) 连接在一起。 _ 一坼 队。 ， - _ 一 h 一球 p l a $ 一 ， r 1 型面 土皋 图2 2 一种c p l d 结构 由于对大型f p d 的市场需求在迅速膨胀，其他厂家也开发了c p l d 类型的产品， 9 青岛人学硕士学位论文 因此现在有很多的产品可供选择。c p l d 提供的逻辑容量相当于5 0 个典型的s p l d 器 件。但在某种程度上，很难再扩展这种结构以达到更高的密度。若要提升f p d 的逻 辑容量，需要采用新的手段，于是f p g a 应运而生。 商业f p g a 的可配置的逻辑模块一般是基于查找表( l o o k - u p t a b l e ，l u t ) ，l u t 其实本质上就是一个高速的r a m 。l u t 是一个小型的一位宽度的存储阵列，其中存储 器的地址线是逻辑模块的输入，而存储器的一位输出即为l u t 的输出。具有k 个输 入的l u t 对应着2 “术l 位的存储空间，比如目前f p g a 中一般是使用4 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 1 位的r a m 。当开发人员通过原理图 或硬件描述语言描述了一个逻辑电路以后，p l d 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，形成一个逻辑功能真值表，并把这个表预先写入r a m ，这样，每 输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的存储器 内容，然后输出，就能实现所有的数字电路的逻辑功能。下面是一个4 输入与逻辑 用l u t 实现的例子，如图2 3 。 实际逻辑电路实现u j t 实现 。o 。、 a ) 一 _ a 1 6 宰1 b ) 一 b c ) 一c 位 输出 d ) 一 dr a m u j t 输出( 即 a b c d 输入逻辑输出a b c d 输入 对应r a m 内容) 0 0 0 0o 0 0 0 0 o 0 0 0 100 0 0 lo 1 1 1 111 1 1 11 图2 3l u t 实现与逻辑 下面以图2 4 所示的电路图为例，通过l u t 来实现一个四输入的逻辑。假设组 合逻辑的输出( o u t l 的输出) 为f ，则f = ( a + b ) 水c 术( ! d ) = a 术c 水! d + b 术c 术( ! d ) ( ! d 表 示d 的“j e ”) 。 1 0 第二章可重构计算技术理论 c 图2 4 例子电路图 实现步骤如下： 通过硬件描述语言，比如v h d l 或v e r i l o g ，产生图2 4 电路的所有逻辑结果。 并且存入l u t 中。 o a ，b ，c ，d 由f p g a 芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到 l u t 。 一 o 通过地址查找到相应的l u t 单元，然后输出，这样组合逻辑就实现了。 该电路中d 触发器是直接利用l u t 后面d 触发器来实现。时钟信号c l k 由i o 脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输 出与i o 脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样就通过l u t 完成了图2 4 所示电路 的功能。 这个电路是一个很简单的例子，只需要一个l u t 加上一个触发器就可以完成。 对于一个l u t 无法完成的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样可重构 计算就可以实现复杂的逻辑。 由于r a m 掉电信息就消失，因此，工作时需要对片内的r a m ( 也就是l u t ) 进行 编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。举个在f p g a 的例子， 加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中的数据( 逻辑关系) 配置到查找表，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，因此，f p g a 能够反复 使用，也就可能实现可重构。f p g a 的编程无须专用的f p g a 编程器，只须用通用的 e p r o m 、p r o m 编程器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可。这样， 同一片f p g a ，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常 灵活。很明显，通过扩展查找表可以将输入的数量变大，于是再通过组合就能实现 各种各样的功能。 在图2 5 是a l t e r a 公司和x i l i n x 公司的两种可编程逻辑模块，a 是a l t e r a 公 司的可配置逻辑模块，每个标有“l e ”的模块是一个查找表；而b 是x i l i n x 公司的 可配置逻辑模块，每个标有“s l i c e ”的模块包含两个查找表。 青岛人学硕士学位论文 通用 布线 到左 l a b 从 l a b 妊 涮 舞 埒 a 专用 布线 到右 l a b 从右 l a b b 图2 5l u t 形成的可配置模块1 1 6 1 1 1 7 i 2 1 2 可重构互联技术n 4 1 快速连 接到相 邻s l i c e 第一代用户可编程开关是用于p l a 中的熔丝( f u s e ) ，虽然熔丝也用于一些小器 件上，但由于它们很快就被更新的技术所淘汰，在这里就不做讨论了。在c m o s 统治 的i c 工业中，对于更高密度的器件来说，已经开发了许多不同的实现可编程开关的 方法。c p l d 主要开关技术( 在商业产品中) 是浮栅晶体管，与应用在e p r o m 、e e p r o m 及f p 6 a 上的s r a m 和反熔丝( a n t i - f u s e ) 相类似。下面将作简要的讨论。 为了方便地实现连接的a n d 门功能，其方法是在两导线之间放置一个晶体管， 一个e e p r o m 或者e p r o m 晶体管可以作为c p l d 的可编程逻辑开关( 也可用于许多s p l d 中) 中。如图2 6 所示，e p r o m 晶体管可连接到c p l d 中的一个a n d 一平面。如果这个 输入是对应的乘积项的一部分，一个送到a n d 一平面的输入可以通过一个e p r o m 晶体 管来驱动乘积导线产生逻辑0 。对于那些不包括在乘积项的输入，相应的e p r o m 晶 体管就编程为永久关闭。基于e e p r o m 器件的电路与此相类似。 1 2 此一此一u一此一旺一此一比一此一旺一让 第二章可重构计算技术理论 ； 毫积线 jl土， l j t 罗 l 翱巧0 酗- 图2 6e p r o m 可编程开关 尽管不是因为技术上的原因使e p r o m 或e e p r o m 没有用于f p g a 中，但是当前的 商业f p g a 产品要么是基于s r a m 。要么是基于反熔丝技术。、：。 图2 7s r a m 控制的可编程开关 一个使用s r a m 开关的例子如图2 7 ，该图展示了s r a m 单元的两种应用。一种 是控制旁路晶体管( p a s s t r a n s i s t o r ) 开关的门结点，另一种是控制驱动逻辑模块 输入的多路选择器的选择线。该图给出了一个例子，即将一个逻辑模块( 由左上角 的a n d 一门表示) 与另一逻辑模块相连接，其连接的顺序是先通过两个旁路晶体管的 开关及之后的一个多路选择器，其中的所有选择都由s r a m 器件所控制。f p g a 是否 使用经过晶体管的开关、多路选择器或者两者都用取决于具体的产品。 f p g a 中使用的另一种可编程开关是反熔丝。反熔丝起初是开路，仅在编程后才 能呈现低电阻。由于使用调整后的c m o s 技术，反熔丝很适合于f p g a 。例如在图2 8 13 青岛大学硕士学位论文 中所给出的a c t e l 公司的反熔丝结构，称其为p l i c e 。图中反熔丝位于两个互连导 线之间，而且物理上由三层组成：最上层和最下层是导体，中间层是绝缘体，当