当前，片上系统(SOC)已成为系统实现的主流技术。流片风险与费用增加、上市时间压力加大、产品功能愈加复杂等因素使得SOC产业逐渐划分为IP提供者、SOC设计服务者和芯片集成者三个层次。SOC设计已走向基于IP集成的平台设计阶段，经过严格验证质量可靠的IP核成为SOC产业中的重要一环。 GPIB控制器芯片是组建自动测试系统的核心，在测试领域应用广泛。本人通过查阅大量的技术资料，分析了集成电路在国内外发展的最新动态，提出了基于FPGA的自主知识产权的GPIB控制器IP核的设计和实现。 本文首先讨论了基于FPGA的GPIB控制器的背景意义，接着对FPGA开发所具备的基本知识作了简要介绍。文中对GPIB总线进行了简单的描述，根据芯片设计的主要思想，重点在于论述怎样用FPGA来实现Ieee-488.2协议，并详细阐述了GPIB控制器的十种接口功能及其状态机的IP核实现。同时，对数据通路也进行了较为细致的说明。在设计的时候采用基于模块化设计思想，用VerilogHDL语言完成各模块功能描述，通过Synplifv软件的综合，用Modelsim对设计进行了前、后仿真。最后利用生成的模块符号采取类似画电路图的方法完成整个系统芯片的lP软核设计，并用EDA工具下载到了FPGA上。 为了更好地验证设计思想，借助EDA工具对GPIB控制器的工作状态进行了软件仿真，给出仿真结果，仿真波形验证了GPIB控制器的工作符合预想。最后，本文对基于FPGA的GPIB控制器的IP核设计过程进行了总结，展望了当前GPIB控制器设计的发展趋势，指出了开展进一步研究需要做的工作。
上传时间： 2013-04-24
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《计算机组成原理》是计算机系的一门核心课程。但是它涉及的知识面非常广，内容包括中央处理器、指令系统、存储系统、总线和输入输出系统等方面，学生在学习该课程时，普遍觉得内容抽象难于理解。但借助于该计算机组成原理实验系统，学生通过实验环节，可以进一步融会贯通学习内容，掌握计算机各模块的工作原理，相互关系的来龙去脉。 为了增强实验系统的功能，提高系统的灵活性，降低实验成本，我们采用FPGA芯片技术来彻底更新现有的计算器组成原理实验平台。该技术可根据用户要求为芯片加载由VHDL语言所编写出的不同的硬件逻辑，FPGA芯片具有重复编程能力，使得系统内硬件的功能可以像软件一样被编程，这种称为“软”硬件的全新系统设计概念，使实验系统具有极强的灵活性和适应性。它不仅使该系统性能的改进和扩充变得十分简易和方便，而且使学生自己设计不同的实验变为可能。计算机组成原理实验的最终目的是让学生能够设计CPU，但首先，学生必须知道CPU的各个功能部件是如何工作，以及相互之间是如何配合构成CPU的。因此，我们必须先设计出一个教学用的以FPGA芯片为核心的硬件平台，然后在此基础上开发出VHDL部件库及主要逻辑功能，并设计出一套实验。 本文重点研究了基于FPGA芯片的VHDL硬件系统，由于VHDL的高标准化和硬件描述能力，现代CPU的主要功能如计算，存储，I/O操作等均可由VHDL来实现。同时设计实验内容，包括时序电路的组成及控制原理实验、八位运算器的组成及复合运算实验、存储器实验、数据通路实验、浮点运算器实验、多流水线处理器实验等，这些实验形成一个相互关联的系统。每个实验先由教师讲解原理及原理图，学生根据教师提供的原理图，自己用MAX+PLUSII完成电路输入，学生实验实际上是编写VHDL，不需要写得很复杂，只要能调用接口，然后将程序烧入平台，这样既不会让学生花太多的时间在画电路图上，又能让学生更好的理解每个部件的工作原理和工作过程。 论文首先研究分析了FPGA硬件实验平台，即实验系统的硬件组成。系统采用FPGA-XC4010EPC84，62256CPLD以及其他外围芯片(例如74LS244，74LS275)组成。根据不同的实验要求，规划不同实验控制逻辑。用户可选择不同的实验逻辑，通过把实验逻辑下载到FPGA芯片中构成自己的实验平台。 其次，论文详细的阐述了VHDL模块化设计，如何运用VHDL技术来依次实现CPU的各个功能部件。VHDL语言作为一种国际标准化的硬件描述语言，自1987年获得Ieee批准以来，经过了1993年和2001年两次修改，至今已被众多的国际知名电子设计自动化(EDA)工具研发商所采用，并随同EDA设计工具一起广泛地进入了数字系统设计与研发领域，目前已成为电子业界普遍接受的一种硬件设计技术。再次，论文针对实验平台中遇到的较为棘手的多流水线等问题，也进行了深入的阐述和剖析。学生需要什么样的实验条件，实验内容及步骤才能了解当今CPU所采用的核心技术，才能掌握CPU的设计，运行原理。另外，本论文的背景是需要学生熟悉基本的VHDL知识或技能，因为实验是在编写VHDL代码的前提下完成的。 本文在基于实验室的环境下，基本上较为完整的实现了一个基于FPGA的实验平台方案。在此基础上，进行了部分功能的测试和部分性能方面的分析。本论文的研究，为FPGA在实际系统中的应用提供研究思路和参考方案。论文的研究结果将对FPGA与VHDL标准的进一步发展具有重要的理论和现实意义。
上传时间： 2013-04-24
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随着各种非线性电力电子设备的大量应用，电网中的谐波污染日益严重。为了保证电力系统的安全经济运行，保证电气设备和用电人员的安全，治理电磁环境污染、维护绿色环境，研究实时、准确的电力谐波分析系统，对电网中的谐波进行实时检测、分析和监控，都具有重要的理论和工程实际意义。 目前实际应用的电力谐波分析系统大多是以单片机为核心组成。单片机运行速度慢，实时性较差，不能满足实际应用中对系统实时性越来越高的要求。另外，单片机的地址线和数据线位数较少，这使得由单片机构成的电力谐波分析系统外围电路庞大，系统的可靠性和可维护性上都大打折扣。 本文首先研究了电力谐波的产生，危害及国内外研究现状，对电力谐波检测中常用的各种算法进行分析和比较；然后介绍了FPGA芯片的特性和SOPC系统的特点，并分析比较了传统测量谐波装置和基于FPGA的新型谐波测量仪器的特性。综述了可编程元器件的发展过程、主要工艺发展及目前的应用情况。 然后，对整个谐波处理器系统的框架及结构进行描述，包括系统的功能结构分配，外围硬件电路的结构及软件设计流程。其后，针对系统外围硬件电路、FFTIP核设计和SOPC系统的组建，进行详细的分析与设计。系统采用NiosⅡ处理器核和FFT运算协处理器相结合的结构。FFT运算用专门的FFT运算协处理器核完成，使得系统克服的单片机系统实时性差和速度慢的缺点。FFTIP核采用现在ASIC领域的一种主流硬件描述语言VHDL进行编写，采用顺序的处理结构和Ieee浮点标准运算，具有系统简单、占用硬件资源少和高运算精度的优点。谐波分析仪系统组建采用SOPC系统。SOPC系统具有可对硬件剪裁和添加的特点，使得系统的更简单，应用面更广，专用性更强的优点。最后，给出了对系统中各模块进行仿真及系统生成的结果。
上传时间： 2013-04-24
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8051系列是至今为止最成功的单片机之一，在FPGA平台上研究带硬件浮点运算器的8051是对其在SoC及专用化的方向上的一次迈进。文章首先介绍了8051的基本架构，包括硬件模块、指令系统、内存分配以及基本外设。然后讲解了在设计8051时如何划分模块，每个模块的功能与设计，同时也介绍了如何设计流水线来加速8051的处理速度。对于浮点运算器，文章介绍了Ieee浮点数的表示方法，包括各种特殊值的表示方法以及作用。在探讨浮点运算器设计的时候首先是给出了模块的划分及其实现的功能，然后以生动的实例介绍了加减乘除四种浮点运算的算法。在介绍完8051与浮点运算器设计以后，文章介绍了如何将浮点运算器集成到8051上，包括硬件上的数据线接口和控制线接口，以及软件中如何运用硬件浮点运算器。最后文章给出了此设计在ModelSim上的仿真结果以及在CyclonelIFPGA芯片上的验证过程，可以清楚地看到，与KeilC51软件库的浮点运算相比，加法运算从186个时钟周期减少到4个时钟周期，减法运算从200个时钟周期减少到4个时钟周期，乘法运算从241个时钟周期减少到4个时钟周期，而除法则由原来的¨lO个时钟周期减少到4个时钟周期，可见硬件浮点运算器使8051在运算能力上有了质的提高。 笔者也在“Google”和“百度”搜索引擎上，以及“维普数据论文网’’上搜索过，都没有发现有类似的设计，带硬件浮点运算器的8051可谓是一次创新，希望在实际应用中能有用武之地。
上传时间： 2013-04-24
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正交频分复用技术(OFDM)是未来宽带无线通信中的关键技术。随着用户对实时多媒体业务，高速移动业务需求的迅速增加，OFDM由于其频谱效率高，抗多径效应能力强，抗干扰性能好等特点，该技术正得到了广泛的应用。 OFDM系统的子载波之间必须保持严格的正交性，因此对符号定时和载波频偏非常敏感。本课题的主要任务是分析各种算法的性能的优劣，选取合适的算法进行FPGA的实现。 本文首先简要介绍了无线信道的传输特性和OFDM系统的基本原理，进而对符号同步和载波同步对接收信号的影响做了分析。然后对比了非数据辅助式同步算法和数据辅助式同步算法的不同特点，决定采用数据辅助式同步算法来解决基于Ieee 802.16-2004协议的突发传输系统的同步问题。最后部分进行了算法的实现和仿真，所有实现的仿真均在QuartusⅡ下按照Ieee 802.16-2004协议的符号和前导字的结构进行。 本文的主要工作：(1)采用自相关和互相关联合检测算法同时完成帧到达检测和符号同步估计，只用接收数据的符号位做相关运算，有效地解决了判决门限需要变化的问题，同时也减少了资源的消耗；(2)在时域分数倍频偏估计时，利用基于流水线结构的Cordic模块计算长前导字共轭相乘后的相角，求出分数倍频偏的估计值；(3)采用滑动窗口相关求和的方法估计整数倍频偏值，在此只用频域数据的符号位做相关运算，有效地解决了传统算法估计速度慢的缺点，同时也减少了资源的消耗。
上传时间： 2013-05-23
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在工业控制领域，多种现场总线标准共存的局面从客观上促进了工业以太网技术的迅速发展，国际上已经出现了HSE、Profinet、Modbus TCP/IP、Ethernet/IP、Ethernet Powerlink、EtherCAT等多种工业以太网协议。将传统的商用以太网应用于工业控制系统的现场设备层的最大障碍是以太网的非实时性，而实现现场设备间的高精度时钟同步是保证以太网高实时性的前提和基础。 Ieee 1588定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议——精确时间协议(Precision Time Protocol)。PTP协议集成了网络通讯、局部计算和分布式对象等多项技术，适用于所有通过支持多播的局域网进行通讯的分布式系统，特别适合于以太网，但不局限于以太网。PTP协议能够使异质系统中各类不同精确度、分辨率和稳定性的时钟同步起来，占用最少的网络和局部计算资源，在最好情况下能达到系统级的亚微级的同步精度。 基于PC机软件的时钟同步方法，如NTP协议，由于其实现机理的限制，其同步精度最好只能达到毫秒级；基于嵌入式软件的时钟同步方法，将时钟同步模块放在操作系统的驱动层，其同步精度能够达到微秒级。现场设备间微秒级的同步精度虽然已经能满足大多数工业控制系统对设备时钟同步的要求，但是对于运动控制等需求高精度定时的系统来说，这仍然不够。基于嵌入式软件的时钟同步方法受限于操作系统中断响应延迟时间不一致、晶振频率漂移等因素，很难达到亚微秒级的同步精度。 本文设计并实现了一种基于FPGA的时钟同步方法，以Ieee 1588作为时钟同步协议，以Ethernet作为底层通讯网络，以嵌入式软件形式实现TCP/IP通讯，以数字电路形式实现时钟同步模块。这种方法充分利用了FPGA的特点，通过准确捕获报文时间戳和动态补偿晶振频率漂移等手段，相对于嵌入式软件时钟同步方法实现了更高精度的时钟同步，并通过实验验证了在以集线器互连的10Mbps以太网上能够达到亚微秒级的同步精度。
上传时间： 2013-07-28
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纹理映射在计算机图形计算中属于光栅化阶段，处理的是像素，主要的特点是数据的吞吐量大，对实时系统来说转换的速度是一个关键的因素，人们寻求各种加速算法来提高运算速度。传统的方法是用更快的处理器，并行算法或专用硬件。随着数字技术的发展，尤其是可编程逻辑门阵列(FPGAs)的发展，提供了一种新的加速方法。FPGAs在密度和性能上都有突破性的发展，当前的FPGA芯片已经能够运算各种图形算法，而在速度上与专用的图形卡硬件相同。因此，FPGA芯片非常适合这项工作。 本文主要工作包括以下几个方面： 1、本文提出了一种MIPmapping纹理映射优化方法，改进了MIPmapping映射细化层次算法及纹理图像的存储方式，减少纹理寻址的计算量，提高纹理存储的相关性。详细内容请阅读第三章。 2、提出了一种MIPmapping纹理映射优化方法的硬件实现方案，该方案针对移动设备对功耗和面积的要求，以及分辨率不高的特点，在参数空间到纹理地址的计算中用定点数来实现。详细内容请阅读第四章。 3、实现了纹理映射流水线单元纹理地址产生电路，及纹理滤波电路的FPGA设计，并给出设计的综合和仿真结果。详细内容请阅读第五章4、实现了符合Ieee 754单精度标准的乘法、乘累加及除法运算器电路。乘法器采用改进型Booth编码电路以减少部分积数量，用Wallace对部分积进行压缩；乘累加器采用multiply-add fused算法，对关键路径进行了优化；除法器为基于改进型泰勒级数展开的查找表结构实现，查找表尺寸只有208字节，电路为固定时延，在电路尺寸、延时及复杂度方面进行了较好的平衡。
上传时间： 2013-04-24
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随着印制电路板功能的日益增强，结构日趋复杂，系统中各个功能单元之间的连线间距越来越细密，基于探针的电路系统测试方法已经很难满足现在的测试需要。边界扫描测试(BST)技术通过将边界扫描寄存器单元安插在集成电路内部的每个引脚上，相当于设置了施加激励和观测响应的内建虚拟探头，通过该技术可以大大的提高数字系统的可观测性和可控性，降低测试难度。针对这种测试需求，本文给出了基于FPGA的边界扫描控制器设计方法。 完整的边界扫描测试系统主要由测试控制部分和目标器件构成，其中测试控制部分由测试图形、数据的生成与分析及边界扫描控制器两部分构成。而边界扫描控制器是整个系统的核心，它主要实现JTAG协议的自动转换，产生符合Ieee标准的边界扫描测试总线信号，而边界扫描测试系统工作性能主要取决与边界扫描控制器的工作效率。因此，设计一个能够快速、准确的完成JTAG协议转换，并且具有通用性的边界扫描控制器是本文的主要研究工作。 本文首先从边界扫描技术的基本原理入手，分析边界扫描测试的物理基础、边界扫描的测试指令及与可测性设计相关的标准，提出了边界扫描控制器的总体设计方案。其次，采用模块化设计思想、VHDL语言描述来完成要实现的边界扫描控制器的硬件设计。然后，利用自顶向下的验证方法，在对控制器内功能模块进行基于Testbench验证的基础上，利用嵌入式系统的设计思想，将所设计的边界扫描控制器集成到SOPC中，构成了基于SOPC的边界扫描测试系统。并且对SOPC系统进行软硬件协同仿真，实现对边界扫描控制器的功能验证后将其应用到实际的测试电路当中。最后，在基于SignalTapⅡ硬件调试的基础上，软硬件结合对整个系统可行性进行了测试。从测试结果看，达到了预期的设计目标，该边界扫描控制器的设计方案是正确可行的。 本文设计的边界扫描控制器具有自主知识产权，可以与其他处理器结合构成完整的边界扫描测试系统，并且为SOPC系统提供了一个很有实用价值的组件，具有很明显的现实意义。
上传时间： 2013-07-20
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近几年来，OFDM技术引起了人们的广泛注意，根据这项新技术，很多相关协议被提出来。其中WiMax代表空中接口满足Ieee802.16标准的宽带无线通信系统，Ieee标准在2004年定义了空中接口的物理层(PHY)，即802.16d协议。该协议规定数据传输采用突发模式，调制方式采用OFDM技术，传输速率较高且实现方便、成本低廉，已经成为首先推广应用的商业化标准。本文对Ieee802.16d OFDM系统物理层进行了研究，并在XILINX公司的Virtexpro II芯片上实现了基带算法。 ⑴探讨了OFDM基本原理及其关键技术。根据Ieee802.16d OFDM系统的物理层发送端流程搭建了基带仿真链路，利用MATLAB/SIMULINK仿真了OFDM系统在有无循环前缀(CP)、多径数目不同等情况下的性能变化。由于同步算法和信道估计算法计算量都很大，为了找到适合采用FPGA实现的算法，分析了同步误差和不同信道估计算法对接收信号的影响，并结合计算量的大小提出了一种新的联合同步算法，以及得出了LS信道估计算法最适合802.16d系统的结论。 ⑵完成了基带发射机和接收机的FPGA硬件电路实现。为了使系统的时钟频率更高，采用了流水线的结构。设计中采用编写Verilog程序和使用IP核相结合的办法，实现了新的联合同步算法，并且通过简化结构，避免了信道估计算法中的繁琐除法。利用ISE9.2i和Modelsim6.Oc软件平台对程序进行设计、综合和仿真，并将仿真结果和MATLAB软件计算结果相对比。结果表明，采用16位数据总线可达到理想的精度。 ⑶采用串口通信的方式对基带系统进行了验证。通过串口通信从功能上表明该系统确实可行。
上传时间： 2013-04-24
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·本书从用户的角度全面阐述了Verilog HDL语言的重要细节和基本设计方法，并详细介绍了Verilog 2001版的主要改进部分。本书重点关注如何应用Verilog语言进行数字电路和系统的设计和验证，而不仅仅讲解语法。全书从基本概念讲起，并逐渐过渡到编程语言接口以及逻辑综合等高级主题。书中的内容全部符合Verilog HDL Ieee 1364-2001标准。本书适合电子、计算机、自动控制等专业
上传时间： 2013-04-24
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