开发板用JTAG接口和RS-232接口的研究与设计-毕业设计开题报告

1、.毕业设计（论文）开 题 报 告题 目 开发板用JTAG接口和RS-232接口的研究与设计专 业 电子科学与技术班 级 电子123学 生 刘佳巍指导教师 李建伟 2016 年 一、 毕业设计(论文)课题来源、类型来源：国家自然科学基金项目（61404105） 类型：研究型论文 二、 选题目的及意义嵌入式系统的设计正在向片上系统(SoC)的方向发展,而基于FPGA的可编程片上系统(SOPC)以其设计灵活、可裁剪、软硬件可编程等特点和优势,倍受设计者青睐,然而目前国内相关方面的研究和应用相对较少,所以对可编程片上系统进行研究就有着比较重要的意义。嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心,面向应用,软硬

2、件可裁减,对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程序等四部分组成,是集软/硬件于一体可独立工作的“器件”。其主要特点是高可靠性和实时性。嵌入式系统的概念的提出由来已久,早期的嵌入式系统只是为了实现特定的控制功能。随着微处理器设计技术和半导体技术的飞速发展,以及各个领域应用需求的多样化,嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一次又一次的革新。在当今数字信息技术和网络技术高速发展的后PC时代,嵌入式系统已经被广泛应用于移动计算平台(PDA、掌上计算机)、信息家电(数字电视、机顶盒、网络设备)、无线通信设备(

3、手机、股票接收设备)、工业/商业控制(智能工控设备、Pos/ATM机)、电子商务平台、航空航天、以及军事应用等诸多领域。在各种嵌入式操作系统中,Linux凭借其在结构清晰、源代码开放性等方面的优势,成为了嵌入式开发的首选。总的说来,采用来定制嵌入式系统有如下优势:1 开放的源码,丰富的软件资源。Linux是自由的操作系统,它的开放源码使用户获得了最大的自由度。Linux上的软件资源十分丰富,获得软件开发者的广泛支持。Linux的自由精神吸引了成千上万的程序员投入到Linux的开发和测试中来。2 功能强大的内核,性能高效、稳定,多任务。Linux的内核非常稳定,它的高效和稳定性己经在各个领域,尤

4、其在网络服务器领域,得到了事实的验证。Linux内核小巧灵活,易于裁减,这使得它很适合嵌入式系统的应用。3 支持多种体系结构,如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。目前,Linux已经被移植到数十种硬件平台上,几乎支持所有流行的CPU。4 完善的网络通讯、图形、文件管理机制。自产生之日起就与网络密不可分,网络是Linux的强项。另外,Linux还支持多种文件和图形系统。5 支持大量的周边硬件设备。Linux上的驱动非常丰富,它们支持各种主流硬件设备和最新硬件技术。6 大小、功能都可定制。Linux秉承的UNIX优秀设计思想,非常灵活,各部分的可定制性都很强。7 良好的开发环境。

5、不断发展的开发工具集,Linux有着非常优秀的完整开发工具链,有十几种集成开发环境,其中很多是免费的,大大降低了开发费用。8 价格低廉,有效降低产品成本。对成本敏感的嵌入式系统来说至关重要,Linux恰好具有这一特性。现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)，与ARM（Advanced RISC Machines）不同的是开发者可基于FPGA用变成来实现内部电路接口不再受原有框架约束。FPGA优点在于器件小集成度高，具有通过编程变为专用系统的功能，所以使用FPGA研发可大量减少研发时间，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

6、点。更让人兴奋的的是 FPGA 器件可以使产品从原来的电路板级别进化为芯片级别，这样带来的最直接的好处是功耗的下降和体积的减小，这种改变在某些领域可以说是革命性的发展。随着科技发展通信技术及微机已经得到广泛应用，接口技术也成为重要的技术，各种外设的工作原理、驱动方式等有很大差异，无法与CPU直接匹配，需要有接口电路充当桥梁，来完成信号交换等于CPU联络的工作。RS-232（异步传输标准接口）是个人计算机串行通信接口之一，是由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA)制定的异步传输标准接口。它的优点是传输线少、成本低、可靠性高、实现简单等。一接口是

7、计算机的一种串行标准接口。它的数据和控制信息是一位接一位串行地传送下去,适用于长距离的通信,可以降低通信线路的价格和简化通信设备JTAG 是一种国际标准测试协议 （IEEE11491 兼容 ），主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真 、调试。 JTAG 技术是一种调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路 TAP（Test Access Port 测试访问口），通过专用的 JTAG 测试工具对内部节点进行测试。 目前大部分比较复杂的器件如 ARM 都支持 JTAG协议。随着电子技术的发展，JTAG 技术得到了广泛的应用。JTAG(Joint Test Action Group；联合测试工作组)技

8、术是一种嵌入式调试技术，它的接口标准是IEEE1149.1，这个标准是用来测试端口和边界扫描的，它可通过软件将极其复杂的电路测试转换成具有良好结构性能的测试，JTAG接口可以进行嵌入式系统电路板及芯片的测试，也可实现对电路板上的Flash编程。所以本次设计基于FPGA对RS-232和JTAG接口进行研究与设计本次课题的目的：掌握开发板各部分的理论；1 熟练Vivado，ALtium Designer硬件设计工具；2 运用集成电路基础知识，建立电路模型并分析；3 培养学生文献收集，理论应用于实际，独立思考以及编程的能力。三、 本课题在国外的研究状况及发展趋势随着计算机软件技术的发展和嵌入式处理器

9、性能的不断提高,在上世纪八十年代开始出现各种各样的商用嵌入式操作系统,这些操作系统大部分是为专用微处理器而开发的。其中许多嵌入式操作系统已经被广泛应用,如windowsCE、vxworks、uc/os-II、Linux、QNX、PalmOS等等。嵌入式操作系统的使用,使嵌入式系统的可靠性、稳定性得到很大提高,同时使得嵌入式系统的多任务处理能力得到大大的增强。嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心,对于复杂的系统,为使其具有资源管理、系统管理和中断处理等能力,提供多任务处理,更好的分配系统资源的功能,很有必要针对特定的硬件平台和实际应用移植操作系统。在各种嵌入式操作系统中,Linux凭借其在结构清晰、

10、源代码开放性等方面的优势,成为了嵌入式开发的首选。随着集成电路工艺技术的不断发展和集成度的大幅度提高,嵌入式系统也由板级向芯片级过渡,即片上系统一soC。oSC通常是指在单一芯片上实现的数字计算系统,其核心技术是重用技术和嵌入式技术。硬件上在单一芯片内包含一个或多个处理器、基于总线的体系结构、大容量的存储器、外设、协处理器和输入输出接口等多种资源,软件上包含嵌入式实时操作系统和应用软件,用一个芯片构成整个系统。应用SOC设计的系统具有可靠性好、功耗低、体积小等优点,是未来嵌入式系统的发展趋势。目前国内嵌入式系统的应用与研究主要还在板级系统,国外研究的重点已转向SoC技术。虽然AsIC的成本很低

11、,但设计周期长、投入费用高、风险较大,功能固定,而可编程逻辑器件(programmableLogiealDeviee)设计灵活、功能强大,尤其是高密度现场可编程逻辑器件(FieldprogarmmableGateArr叮)其设计性能,无论从密度、速度、功耗和价格等多方面已完全能够与AsIC媲美,而应用FPGA进行设计,其一次性投入低,设计周期短是AsIC无法比拟的。Xiilxn公司最新推出的SaPrtanm系列高性价比FPGA,其批量成本已经达到10美元/100万门的程度,其性能价格比已足以与AsIC抗衡f2l。因此,FPGA在嵌入式系统设计领域己占据着越来越重要的地位。应用FPGA进行soP

12、e(可编程片上系统,systemonporgramm比leehip)设计己成为未来发展的趋势。全球首款 FPGA 产品XC2064，1985 年在 Xilinx 公司诞生，它的门电路数量总共才不过1000 门左右，采用现在看来相当落后的 2m 工艺，而逻辑模块仅仅有 64 个，此编程器件不是主流时期，无法受到大家的青睐。直到 1991 年，XC4000系列作为 Xilinx 公司研制出的第三代 FPGA 产品推向市场，可编程技术才开始真正进入人们的视野。经过了 20 多年，FPGA 技术不断发展，集成度越来越高，价格也越来越低，使用的工艺技术也越来越高，从原来的千门级别发展现在的百万门级别。2

13、010年赛灵思发布新技术，将基于ARM Cortex-A9 MPCore处理器平台与该公司28nm低功耗高性能FPGA结合在一起时，并没有引起人们的特别关注，认为只是为FPGA多了一种内核选项而已。2011三月，该公司重磅推出将可编程逻辑与双核Cortex-A9处理系统集成在一起的可扩展处理平台，不仅以全新的产品名称Zynq为其命名，而且详细介绍了系列产品规划，消息发布后立刻在业界掀起一阵波澜。与过去采用嵌入式处理器的FPGA不同，Zynq产品系列的处理系统不仅能在开机时启动并运行独立于FPGA的操作系统，而且还可根据需要配置可编程逻辑，同时软件编程模式与全功能基于标准ARM核的SoC毫无二致

14、，完全采用以处理器为中心的开发流程。换句话来说，它不再是传统意义上“带处理器的FPGA”，而更应该算是一个“带FPGA功能的处理器”。当今，Zynq系列已发展到Zynq-7000，在全世界Zynq-7000已有许多成功的应用实例。RS-232是个人计算机的串行通信接口之一，是由电子工业协会（ElectronicindustriesAssociation）所制定的异步传输标准接口。虽然目前大部分处理器芯片中都集成了UART，但是一般的FPGA芯片中没有这个特点，基于此，本文设计了基于FPGA的RS-232串行通信接口。四、 本课题主要研究内容1）查阅中英文献，掌握嵌入式系统理论知识及发展现状；2

15、）学习FPGA卡发板的使用；3）基于FPGA开发板对其JTAG接口和RS232接口的研究；4）基于FPGA开发板对其JTAG接口和RS232接口的设计；5）实验验证。五、 完成论文的条件和拟采用的研究手段（途径）具备的条件：1、计算机及互联网 2、Vivado，ALtium Designer 3、图书馆相关文献研究手段：学习嵌入式系统相关知识，了解FPGA开发板各个部件，学习JTAG和RS-232接口的原理。并采用Zynq分析设计相关电路、用Verilog语言编写程序。最后用开发板烧入程序，完成JTAG和RS-232接口的设计。六、 本课题进度安排、各阶段预期达到的目标：2.29-3.6 查阅

16、资料，掌握嵌入式系统基本理论及发展现状3.7-3.13 掌握开发板的基本理论3.14-3.20 考虑JTAG接口与RS232接口的设计思路3.21-3.27 设计电路方案。撰写开题报告3.28-4.3 根据技术要求，设计主电路4.4-4.10 学习FPGA开发板4.11-4.17 学习FPGA开发板4.18-4.24 设计接口电路4.25-5.1 制作主电路和控制电路PCB板5.2-5.8 焊接电路板5.9-5.15 调试硬件电路5.16-5.22 编写软件程序5.23-5.29 与主电路对接，联合调试5.30-6.5 联合调试6.6-6.12 总结分析实验结果，撰写论文6.13-6.19 撰写论文6.20-6.26 答辩参考文献1. 郭锐靖.FPGA开发板设计与研究D,华南理工大学,学位论文,20132. 胡学良.JTAG技术的发展和应用综述J,微电子学，35(6),2005:625-6303. 戴彦,王诚意,孙春.基于FPGA的RS-232串行