FPGA上的嵌入式系统设计实例 教学课件 赵峰- 第8章

FPGA上的嵌入式系统设计实例教学课件赵峰-第8章

制作人：PPt创作者时间：2024年X月目录第1章FPGA上的嵌入式系统设计简介第2章FPGA基础知识第3章嵌入式系统设计基础第4章FPGA上的嵌入式系统设计实例第5章FPGA上的实时操作系统应用第6章FPGA上的嵌入式系统设计实例教学课件赵峰01第1章FPGA上的嵌入式系统设计简介

FPGA概述FPGA（Field-ProgrammableGateArray）是一种集成电路芯片，可通过编程进行配置以实现特定功能。在数字电路设计中，FPGA可以根据用户需求灵活地重新配置，因此被广泛应用于数字信号处理、通信、嵌入式系统等领域。其可编程性和灵活性使得FPGA成为设计人员的重要工具。FPGA的特点FPGA可以通过重新编程实现不同的功能可重构性FPGA具有并行运算能力，适合处理复杂任务并行性相比ASIC，FPGA功耗较低低功耗FPGA的灵活性使得设计人员可以快速迭代设计灵活性嵌入式系统概述嵌入式系统是集成了计算机硬件与软件的特定功能系统，通常嵌入在其他设备中。其特点包括实时性要求高、功耗低、体积小、成本低等。嵌入式系统的应用领域广泛，涵盖汽车电子、智能家居、医疗设备等多个领域。

嵌入式系统特点嵌入式系统需要在规定的时间内完成任务实时性要求高嵌入式系统通常工作在电池供电情况下功耗低嵌入式系统通常被集成在设备内部，需要小型化设计体积小嵌入式系统通常用于大规模生产，成本是关键考量因素成本低FPGA与传统处理器的区别并行性强功耗较低可定制性高FPGA与嵌入式系统设计的优势提高系统性能降低开发成本缩短产品上市时间FPGA应用案例智能摄像头工业控制系统智能交通系统FPGA与嵌入式系统的结合FPGA在嵌入式系统中的作用提供灵活性加速特定算法实现硬件加速明确系统需求，定义功能和性能要求需求分析0103将设计转化为实际产品，并进行验证测试实现与验证02确定系统框架，选择合适的硬件和软件平台架构设计小结本章介绍了FPGA上的嵌入式系统设计的基本概念和流程，从FPGA和嵌入式系统的概述到它们的结合，再到设计流程的具体步骤，有助于理解嵌入式系统设计的重要性和方法。下一章将深入探讨FPGA上的软硬件协同设计，敬请期待！02第2章FPGA基础知识

FPGA的逻辑块查找表寄存器计数器FPGA的存储元件RAMROM寄存器

FPGA架构FPGA的基本结构可编程逻辑单元可编程互连I/O单元FPGA编程语言FPGA编程语言包括Verilog和VHDL两种，Verilog是一种硬件描述语言，VHDL是硬件描述与设计语言。选择合适的编程语言对于FPGA设计至关重要。

FPGA编程语言硬件描述语言Verilog介绍硬件描述与设计语言VHDL介绍关键决策FPGA编程语言的选择

AlteraQuartus工具设计软件编译软件下载软件FPGA开发工具的使用步骤新建工程代码编写综合与实现

FPGA开发工具XilinxVivado工具综合工具实现工具调试工具FPGA设计流程FPGA设计流程包括概述、设计约束与综合、下载与调试等环节。合理的设计流程可以提高FPGA设计效率和准确性。FPGA设计流程全局了解FPGA设计流程概述关键步骤设计约束与综合验证设计下载与调试

03第3章嵌入式系统设计基础

嵌入式系统设计概述嵌入式系统设计是指在特定应用领域中，基于特定硬件平台和软件系统，按照一定的设计规则和流程，实现特定功能的系统。其设计流程包括需求分析、系统设计、硬件设计、软件设计、验证和调试等步骤。目标是开发出满足特定需求的可靠、高效的嵌入式系统。

嵌入式系统设计流程明确系统功能和性能要求需求分析确定系统整体架构和模块划分系统设计设计硬件电路和接口硬件设计编写软件程序软件设计嵌入式系统架构包括处理器、外设、存储器等硬件组成嵌入式系统硬件架构包括操作系统、应用软件等软件组成嵌入式系统软件架构描述系统内外通信方式和协议嵌入式系统通信方式

如Keil、IAR等汇编语言开发工具0103根据需求和应用场景选择合适的工具嵌入式系统开发工具的选择02如GCC、Keil等C语言开发工具嵌入式系统优化技术优化算法降低功耗提高性能嵌入式系统调试与优化实例实时操作系统调度优化外设控制优化通信协议性能提升

嵌入式系统调试与优化嵌入式系统调试方法使用仿真工具调试硬件接口运行调试软件程序总结嵌入式系统设计是一门综合性较强的学科，需要掌握硬件和软件知识，熟悉设计流程和工具。通过理论学习和实践操作，可以提高嵌入式系统设计能力，为实际应用提供强大支持。04第8章FPGA上的嵌入式系统设计实例

嵌入式系统设计需求分析嵌入式系统设计的第一步是需求分析。系统功能需求分析包括确定系统应实现的功能，系统性能需求分析涉及系统的性能指标，系统可靠性需求分析考虑系统的可靠性保证措施。这些分析将为后续的设计提供重要依据。

嵌入式系统架构设计设计嵌入式系统的硬件组成结构硬件架构设计定义嵌入式系统中软件的组织结构软件架构设计确定系统与外部通信的接口方式通信接口设计

实现系统功能的逻辑设计FPGA逻辑设计0103对FPGA逻辑进行综合和优化FPGA逻辑综合与优化02定义FPGA工作时的时序要求FPGA时序约束设计硬件与软件调试调试系统以确保正常功能硬件与软件验证验证系统设计的正确性和可靠性

嵌入式系统集成与测试硬件与软件集成将硬件与软件整合到一起总结本章介绍了FPGA上嵌入式系统设计的整个流程，包括需求分析、架构设计、FPGA设计与实现以及系统集成与测试的重要步骤。通过本章的学习，读者将深入了解嵌入式系统设计的方法与技巧，为实际应用提供指导。05第5章FPGA上的实时操作系统应用

实时操作系统概述实时操作系统是一种能够在特定时间范围内产生响应的操作系统。其特点包括任务的实时性要求高、任务的执行时间可预测等。实时操作系统通常应用于对时间要求严格的领域，如航空航天、医疗设备等。

实时操作系统分类具有严格的时限要求，错过截止期限将导致系统故障硬实时操作系统对任务的时限要求较为宽松，错过截止期限不会导致系统故障软实时操作系统同时具备硬实时和软实时特性，可以适应不同应用场景混合实时操作系统

软实时操作系统时限宽松相对灵活兼容性强混合实时操作系统灵活性与可靠性结合应用场景广泛技术难度较高

实时操作系统特点比较硬实时操作系统时限严格可靠性高工作量分析精确实时操作系统应用案例在嵌入式系统中，实时操作系统起着至关重要的作用。例如，FPGA上的实时操作系统可以用于控制交通信号灯的时序，保障交通的顺畅。此外，实时操作系统在FPGA硬件加速应用中也有着广泛的应用，如数据处理、图像分析等方面。使用调试工具进行性能分析实时操作系统调试方法0103

02减少任务响应时间，提高系统效率实时操作系统优化技术应用场景需要高可靠性可选硬实时系统对灵活性要求较高可选软实时系统成本考量硬实时系统成本相对较高软实时系统成本相对较低技术难度硬实时系统实现较复杂软实时系统实现较简单实时操作系统选择指南性能要求时限严格需选择硬实时系统对于时限要求不高可以选择软实时系统06第8章FPGA上的嵌入式系统设计实例

实验一：FPGA芯片开发环境搭建实验一旨在帮助学生搭建FPGA芯片的开发环境，让他们熟悉开发流程和工具。学生将学会如何安装开发软件，配置开发环境，以及如何连接FPGA开发板。这一实验是深入学习FPGA的第一步，为后续实验打下坚实基础。

实验一：FPGA芯片开发环境搭建了解FPGA芯片的开发环境实验目的安装开发软件、配置环境、连接开发板实验步骤分析搭建环境的成功与否实验结果分析

实验二：FPGA逻辑设计与仿真学习FPGA逻辑设计和仿真实验目的设计逻辑电路、进行仿真验证实验步骤分析设计的逻辑电路运行情况实验结果分析

仿真验证使用ModelSim进行仿真验证设计功能正确性分析结果比较设计与仿真结果优化设计以符合预期功能

实验二：FPGA逻辑设计与仿真逻辑设计学习VerilogHDL编程设计简单逻辑电路掌握软件设计与调试流程实验目的0103分析软件运行效果实验结果分析02编写嵌入式软件、调试程序实验步骤实验四：FPGA与嵌入式系统集成测试实验四将FPGA与嵌入式系统进行集成测试，验证系统整体功能。学生将学会如何将硬件与软件整合在一起，进行功能性测试、性能测试等，并分析测试结果。这一实验旨在让学生领悟到硬件与软件之间的协同作用，加深对嵌入式系统设计的理解。07第8章FPGA上的嵌入式系统设计实例

FPGA与深度学习的结合实现卷积神经网络优化模型计算性能FPGA在边缘计算的作用提高实时性能降低能耗

FPGA与人工智能结合FPGA在人工智能中的应用加速神经网络训练实时推理加速数据处理和传输FPGA在物联网中的作用0103智能控制与联动FPGA在智能家居中的应用02实时数据采集和处理FPGA与传感器技术结合FPGA与工业控制系统结合实时监控与反馈控制FPGA在工业控制系统中的应用高效生产流程控制FPGA在自动化生产中的作用逻辑控制与数据处理FPGA与PLC控制器的结合

FPGA在军事领域的应用FPGA在军事通信系统中发挥着重要作用，提供高速数据传输和加密功能。在军事雷达系统中，FPGA可实现快速信号处理和目标跟踪。另外，FPGA在军事导航系统中应用广泛，提供精准的定位和导航功能。FPGA在军事领域的应用高速数据传输和加密功能FPGA在军事通信系统中的应用快速信号处理和目标跟踪FPGA在军事雷达系统中的作用精准的定位和导航功能FPGA在军事导航系统中的应用

08第8章FPGA上的嵌入式系统设计实例

通过FPGA实现远程控制灯光亮度和颜色智能灯光控制0103实现家电远程控制，提高生活便利性智能家电控制02利用FPGA技术搭建智能监控系统，实时监测家庭安全智能安防监控智能控制实现工业机器人的自主学习和智能控制适应多样化生产需求安全性借助FPGA技术确保工业机器人操作安全降低事故风险通信功能实现工业机器人与其他设备的高效通信实现整体生产自动化实例二：工业机器人控制系统精准定位利用FPGA实现工业机器人的精准定位功能提高生产效率实例三：医疗监护系统医疗监护系统利用FPGA技术，实现对患者生命体征的实时监测和记录，提高医疗服务质量，确保患者安全。系统集成了心电图分析、呼吸监测等功能，为医护人员提供重要参考信息。

FPGA上的嵌入式系统设计未来趋势将FPGA技术与人工智能结合，实现更加智能化的嵌入式系统设计人工智能应用FPGA在物联网领域的应用不断扩展，实现设备之间的互联和数据传输物联网互联FPGA设计趋向于节能和提高性能的方向发展，满足当前能效标准能效优化FPGA在嵌入式系统设计中的实时处理能力将更加强大，支持更复杂的任务实时处理能力FPGA在嵌入式系统设计中的未来展望随着技术的不断发展和创新，FPGA在嵌入式系统设计中的应用前景将更加广阔。未来，随着人工智能、物联网等领域的快速发展，FPGA技术将扮演更加重要的角色。同时，随着FPGA技术的日趋成熟和普及，其硬件资源的利用效率会不断提升，为嵌入式系统设计带来更多的可能性。09第8章FPGA上的嵌入式系统设计实例教学课件赵峰

课程内容回顾本章将回顾FPGA上的嵌入式系统设计实例教学课件的主要内容，包括嵌入式系统设计原理、FPGA编程方法等。通过本章的学习，学生将深入了解嵌入式系统的应用和开发过程，为未来的学习和工作奠定基础。

学习收获Verilog语言的应用掌握FPGA编程方法硬件与软件结合的实践了解嵌入式系统设计原理完成实际项目案例实