基于FPGA的嵌入式

1、第1章 嵌入式系统概述 1.1 嵌入式系统的产生和发展嵌入式系统的产生和发展1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.1 嵌入式系统的产生和发展嵌入式系统的产生和发展 嵌入式系统的全面发展是从嵌入式系统的全面发展是从20世纪世纪90年代开始的，主要受年代开始的，主要受到了分布式控制、数字化通信、信息家电、网络应用等强烈的到了分布式控制、数字化通信、信息家电、网络应用等强烈的应用需求所牵引。现在，人们可以随处发现嵌入式系统的应用，应用需求所牵引。现在，人们可以随处发现嵌入式系统的应用，如手机、如手机、MP3播放器、数码相机、播放器、数码相机、VCD、机顶盒、路由器、机顶盒、路由器、交换机等。嵌

2、入式系统在软、硬件技术方面迅速发展，首先是交换机等。嵌入式系统在软、硬件技术方面迅速发展，首先是面向不同应用领域、功能更加强大、集成度更高、种类繁多、面向不同应用领域、功能更加强大、集成度更高、种类繁多、价格低廉、低功耗的价格低廉、低功耗的32位微处理器逐渐占领统治地位，位微处理器逐渐占领统治地位，DSP器器件向高速、高精度、低功耗发展，而且可以和其他的嵌入式微件向高速、高精度、低功耗发展，而且可以和其他的嵌入式微处理器相集成。处理器相集成。 其次，随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也其次，随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也成指数型增长，所体现出的嵌入式应用具备了更加复杂和高成指

3、数型增长，所体现出的嵌入式应用具备了更加复杂和高度智能的功能，软件在系统中体现出来的重要程度越来越大，度智能的功能，软件在系统中体现出来的重要程度越来越大，嵌入式操作系统在嵌入式软件中的使用越来越多，所占的比嵌入式操作系统在嵌入式软件中的使用越来越多，所占的比例逐渐提高，同时，嵌入式操作系统的功能不断丰富，在内例逐渐提高，同时，嵌入式操作系统的功能不断丰富，在内核基础上发展成为包括图形接口、文件、网络、嵌入式核基础上发展成为包括图形接口、文件、网络、嵌入式Java、嵌入式嵌入式CORBA、分布式处理等完备功能的集合；最后，嵌、分布式处理等完备功能的集合；最后，嵌入式开发工具更加丰富，已经覆盖了

4、嵌入式系统开发过程的入式开发工具更加丰富，已经覆盖了嵌入式系统开发过程的各个阶段，现在主要向着集成开发环境和友好人机界面等方各个阶段，现在主要向着集成开发环境和友好人机界面等方向发展。向发展。 1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 1.2.1 1.2.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义嵌入式计算系统，简称为嵌入式系统。那么究竟什嵌入式计算系统，简称为嵌入式系统。那么究竟什么是嵌入式系统呢？么是嵌入式系统呢？在在Wayne Wolf著的一本有关嵌入式系统设计的教著的一本有关嵌入式系统设计的教科书科书嵌入式计算系统设计原理嵌入式计算系统设计原理里这样定义：里这样定义：“不不严格地说：它是任意

5、包含一个可编程计算机的设备，严格地说：它是任意包含一个可编程计算机的设备，但是这个设备不是作为通用计算机而设计的。因此，但是这个设备不是作为通用计算机而设计的。因此，一台个人电脑并不能称之为嵌入式计算系统，尽管个一台个人电脑并不能称之为嵌入式计算系统，尽管个人电脑经常被用于搭建嵌入式计算系统。人电脑经常被用于搭建嵌入式计算系统。” IEEE(IEEE(国际电气和电子工程师协会国际电气和电子工程师协会) )的定义是：的定义是：“Device Device used to control, monitor, or assist the operation of used to control, m

6、onitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants”equipment, machinery or plants”。微机学会的定义是：微机学会的定义是：“嵌入式系统是以嵌入式应用为目的嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统的计算机系统”，并分为系统级、板级、片级，系统级包括各，并分为系统级、板级、片级，系统级包括各类工控器、类工控器、PC104PC104模块等；板级包括各类带模块等；板级包括各类带CPUCPU的主板和的主板和OEMOEM产品；产品；片级包括各种以单片机、片级包括各种以单片机、DSPDSP、微处理

7、器为核心的产品。、微处理器为核心的产品。目前被大多数人接受的一般性定义是：目前被大多数人接受的一般性定义是：“嵌入式系统是以嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。计算机系统。” 由于嵌入式系统的概念从外延上很难统一，其应用形式多由于嵌入式系统的概念从外延上很难统一，其应用形式多种多样，因此定义嵌入式系统非常困难。不过，通过对上述定种多样，因此定义嵌入式系统非常困难。不过，通过对上述定义分析后不

8、难发现，从嵌入式系统概念的内涵上讲，它的共性义分析后不难发现，从嵌入式系统概念的内涵上讲，它的共性是一种软、硬件紧密结合的专用计算机系统。通常我们所说的是一种软、硬件紧密结合的专用计算机系统。通常我们所说的嵌入式系统，硬件以嵌入式微处理器为核心，集成存储系统和嵌入式系统，硬件以嵌入式微处理器为核心，集成存储系统和各种专用输入各种专用输入/ /输出设备；软件包含系统启动程序、驱动程序、输出设备；软件包含系统启动程序、驱动程序、嵌入式操作系统、应用程序等，这些软件有机结合，构成系统嵌入式操作系统、应用程序等，这些软件有机结合，构成系统特定的一体化软件。这种专用计算机系统必然在可靠性、实时特定的一体

9、化软件。这种专用计算机系统必然在可靠性、实时性、功耗、可裁减等方面具有一系列特点。如果我们关注一下性、功耗、可裁减等方面具有一系列特点。如果我们关注一下嵌入式系统的特性，也许能够对嵌入式系统的概念获得更深入嵌入式系统的特性，也许能够对嵌入式系统的概念获得更深入的理解。的理解。 2.1 简介简介 2.2 SOPC Builder 设计流程设计流程2.3 SOPC Builder 用户界面用户界面 图2.1 SOPC Builder的图形用户界面 用户定义文件仿真文件Soft-wareFilesHDLFilesSystemPTFFileClassPTFFilesComponentWizardsSO

10、PCBuilderGUIComponentGenerationSystemGenerationSOPC配置SOPC生成输出文件图2.2 系统生成流程 目标器件 模块表系统时钟模块池模块池选择器消息栏图2.3 系统元件页 SDK使能HDL使能使能ModelSim生成仿真文件运行ModelSim 软件系统生成过程消息栏SOPC Builder消息栏图2.4 系统生成页 3.1 Nios嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 3.2 Nios嵌入式处理器软、硬件开发流程简介嵌入式处理器软、硬件开发流程简介 3.3 Nios嵌入式处理器系统的开发嵌入式处理器系统的开发 表3.1 Nios嵌入式处理器的特性

11、种 类 特 性 32 位指令集 32 位数据线宽度 32 个通用寄存器 32 个外部中断源 CPU 结构 2G Byte 寻址空间 片内调试 基于边界扫描测试(JTAG)的调试逻辑、支持硬件断点、数据触发以及片外和片内的调试跟踪 定制指令 最多达 256 个用户定义的 CPU 指令 Nios 的集成化开发环境(IDE) 基于 GNU 的编译器 软件开发工具 硬件辅助的调试模块 表3.2 Nios系列处理器成员内 核 说 明 Nios /f (快速) 最高性能的优化 Nios /e (经济) 最小逻辑占用的优化 Nios /s (标准) 平衡性能和尺寸。Nios /s 内核不仅比最快的第一代的

12、Nios CPU(16比特 ISA)更快，而且比最小的第一代的 Nios CPU 还要小 表3.3 Nios嵌入式处理器支持的FPGA 器 件 说 明 设计软件 Stratix 最高的性能，最高的密度，特性丰富，并带有大量存储器的平台 Stratix 高性能，高密度，特性丰富并带有大量存储器的平台 Stratix GX 高性能的结构，内置高速串行收发器 Cyclone 低成本的 ASIC 替代方案，适合价格敏感的应用 HardCopy Stratix 业界第一个结构化的 ASIC， 是广泛使用的传统 ASIC 的替代方案 Quartus 成功的Nios系统模块系统符合设计要求？生成定制的加速硬件将硬件程序下载到开发板上S将软件下载到开发板上S开始C/C+程序开发 S开发定制 硬件的驱动和 程序 S以定制的 硬件平台为目 标进行编译连接由IDE根据硬件系统生成HAL 用Quartus 软件配置器 件、分配引脚 并编译