FPGA技术下多媒体平台开发研究绪论,多媒体设计论文

FPGA技术下多媒体平台开发研究绪论,多媒体设计论文本篇论文目录导航：【题目】【第一章】FPGA技术下多媒体平台开发研究绪论【第二章】【第三章】【4.14.2】【4.3-4.5】【第五章】【结论/以下为参考文献】第1章绪论1.1研究的背景及意义当今是一个信息爆炸的时代，多媒体这种承载信息的手段已然成为了社会的主流，然而信息的数量和更新速度远超过我们能够完全掌控的范围，随着量的飞速增长，实现多媒体的技术指标就要相应的进化升级。快的惊人的进化速率就催生了此类电子产品马不停蹄的更新换代，我们熟悉的电子产品像手机、电脑、影音设备等等几乎每几天就会冒出来几种新的型号，在这些电子设备的更迭经过中首先就造成了材料和资源的浪费，其次电子产品硬件的重新制造成本相对较高周期也相对较长。这个问题的产生就孕育了本课题所研究的FPGA技术，这种技术是在20世纪90年代开场，由于电子技术的进步，十分是FPGA芯片的兴起和工艺水平的提高愈加促进了FPGA技术的发展[1,2,3].FPGA技术主要是基于大规模的可编程逻辑芯片，根据对功能的不同需求重新配置芯片中的逻辑构造、电路构造。这样FPGA内部的资源就能够重复利用而实现不同的功能[4,5].此种开发形式把以往的软件开发优点同硬件的开发优点结合到一起，缩短了开发的周期，增加了产品设计的灵敏性，同时FPGA强大的处理速度也为产品的性能提供了有利保障[6].在这里背景下，本文采用FPGA技术搭建多媒体平台，对这种技术的架构和使用方式方法做了研究并实现了相应的多媒体功能，这对今后电子产品尤其是更新周期速度飞快产品的发展方式有着重大的意义，对材料和资源的浪费问题也有着深远的影响。1.2多媒体技术的简介多媒体在电子时代的背景下，它就是一种信息的载体，所谓多媒体就是人们能够通过这种载体全方位立体化的对信息进行认知。将其展开，主要包括声音、文本、图像等形式[7,8].多媒体技术则是一种集声音、文本、图像等信息处理技术为一体的综合电子信息技术，并且具有实时性、交互性等特点。从总体上分，多媒体技术主要包括数据的压缩和解压缩技术、图像信息处理、音频数据处理、数据通讯和数据存储这几个方面[9,10].多媒体技术的发展也是不断的在这些方面上进行升级，再将这些技术进行结合就出现了各种各样的多媒体终端产品，当前多媒体技术的发展主要有两个方向，第一个就是多媒体的网络化，三网融合的大潮将让多媒体与网络技术的结合有着很大前景；第二，就是多媒体终端的智能化、嵌入化、部件化，以此来适应市场不断更新的需求，提高多媒体的性能[11,12].1.3主流的多媒体实现技术电子市场上，当前经常会用到两种多媒体系统的构造方式，第一种是以微处理器例如单片机、ARM作为核心来实现对外设进行控制，当然这种技术已经非常成熟，开发者在开发控制方面也相对得心应手，假如再要实现突破，碰到的一个困难就是在数据处理的速度上，这一缺点固然在一些产品中是能够被忽略的，但假如想要到达速度上的突破是一个物理器件的问题，由于软件的顺序执行肯定同硬件上的并行操作会差很多，是比拟难以解决的问题[13].另一种是ASIC方案，专门设计一款硬件，针对专门的功能，做到专一功能上的种种优化[14],这种方案在执行速度和实现性能上肯定是没的讲，但对于更新速度飞快的电子产品而言，这种方案，从一块专用集成电路的设计和验证到流片的经过，无论在生产周期的长度上还是在资金的花费上都是可观的。本文利用的方式方法是FPGA技术，也是嵌入式技术中的一种，利用SOPC技术实现可重新配置的功能[15,16],在器件性能和灵敏度方面得到了折中。FPGA中的硬件可重构单元，能够利用软件进行编写，并能够通过QuartusII软件实如今线的调试，不用像ASIC那样，流片之后才能测试性能。拥有灵敏性的同时FPGA又具有硬件的并行处理能力，所以在速度方面也有着一定的优势，图1-1为FPGA技术的折中优势比照图。1.4基于FPGA的SOPC技术1.4.1SOPC系统的实现方式SOPC技术属于EDA技术的一种，它结合PLD、SOC与FPGA等各自的优点，使用电路设计软件进行设计，主要特点有：包含了至少一个嵌入式内核的处理器；具有处理器调试的接口；丰富的可选IP核资源；片上有足够数量的可编程逻辑资源；具有片内高速小容量的RAM资源和微封装性；具有FPGA编程接口；一般由单个芯片构成且功耗很低[17,18,19].构成SOPC系统的途径主要有两种方式方法：一种是基于IP硬核，一种是基于IP软核。一般电信、航空、军事等高端领域广泛应用IP硬核，但是其成本过高，无法进行裁剪。基于IP软核设计的SOPC嵌入式系统能够真正实现可裁剪软硬件设计，设计人员能够针对不同应用定制完全属于自个嵌入式系统，该方式方法能够应用于多种系列的FPGA[20,21].因而，SOPC系统设计的基础是IP核设计，主要设计手段是使用EDA工具辅以硬件描绘叙述语言完成系统功能的设计。本文中主要用到的开发软件有下面几种：QuartusII软件、SOPCBuilder工具和NiosIIIDE软件等。1.4.2SOPC系统开发设计流程NiosII嵌入式处理器是Altera公司推出的一种第二代的32位的精简指令集处理器，它在SOPC系统中担任大脑这一角色，所有的外设都是以它为核心，由它直接或间接的进行控制。NiosII能够根据需要选择不同类型的处理器，能够到达性能与面积的最优化。NiosII系列的处理器共有3种不同类型的内核[22,23],分别是快速型、经济型与标准型。这三种不同的内核固然有不同性能，但都具有完全一样的构造和指令集。另外假如用户需要对系统的内核进行调整，对设计好的软件没有任何影响。而开发NiosII处理器难度不大，它有一整套的开发软件、编译器和JTAG调试工具等开发套件。通过这个开发套件，它能够将CPU软核与FPGA芯片的功能集成，这样就会使系统能够在一块芯片上完成所有的功能[24].基于NiosII软核的设计流程如此图1-2所示，采用该方式方法进行开发时首先将软、硬件模块进行划分。电子设计中几乎任何部分都能够用硬件和软件来实现，硬件主要是指逻辑门和托存器等，软件主要是微处理器执行的指令。划分软硬件的主要标准之一就是各种功能模块在执行任务时的快慢，对于皮秒级和纳秒级的逻辑需要极快的速度运行，这就要求我们用FPGA的主逻辑构造也就是硬件的方式实现；微秒级的逻辑，我们既能够用硬件可以以用软件的方式实现，需要开发人员综合考虑利弊；毫秒级逻辑一般是用来实现一些接口，这些工作就能够用软件来完成，由于与专用的硬件比起来，处理器的速度固然相对较慢，但却能够实现非常复杂的功能，所以对于这些对速度要求不高的功能，我们选择用软件进行实现。合理的完成软硬件划分后，接下来就能够设计硬件系统与软件应用程序了，本文方式方法的优点就在于，两者能够同时进行，这使得开发周期大大缩短。假如有足够的开发团队，在硬件系统设计环节开发人员能够根据不同要求围绕NiosII软核进行外设添加，编写IP核等工作。软件环节则利用硬件系统中生成的HAL库进行相应的应用和驱动的编写，通过总线对硬件进行控制[25],软件和硬件的互相匹配需要对两者不断的调试和优化。最终系统的优化和调试是在FPGA芯片上在线进行，因而自始至终软硬件是互相协调配合的。这就具体表现出了系统自上而下、由宏观到微观设计思想与设计理念。1.5本文主要研究内容本文主要研究的内容为建立一个基于FPGA芯片的多媒体平台，系统详细要要实现的功能有图像显示采集、音乐播放、GPS信息采集显示等。通过FPGA技术，这些功能能够实现灵敏的增减和协同工作。为了完成上述要求，主要的研究内容有：1.论文在FPGA芯片上利用软硬件协同的设计方式方法完成了多媒体平台的搭建。系统的硬件层结合了SOPC技术和FPGA硬体控制器，发挥了以NiosII软核为核心的SOPC系统灵敏、可定制的优势和硬体控制器的速度优势。2.硬件层中主要牵涉到图像采集和图像显示模块的驱动、SD卡的SPI控制器、四端口SDRAM缓存控制器、音频解码芯片驱动模块、色彩格式转换模块等的设计。这些设计结合了硬体控制器和IP复用技术并参加了第三方IP进行了系统集成，最后完成硬件系统平台设计。3.在软件层中，第一，将移植的FATfs文件系统与SPI控制器结合