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FPGA研發(fā)之道(10)架構(gòu)設(shè)計(jì)漫談(五)數(shù)字電路的靈魂-流水線

　　流水線，最早為人熟知，起源于十九世紀(jì)初的福特汽車工廠，富有遠(yuǎn)見的福特，改變了那種人圍著汽車轉(zhuǎn)、負(fù)責(zé)各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)模式，轉(zhuǎn)變成了流動(dòng)的汽車組裝線和固定操作的人員。于是，工廠的一頭是不斷輸入的橡膠和鋼鐵，工廠的另一頭則是一輛輛正在下線的汽車。這種改變，不但提升了效率，更是拉開了工業(yè)時(shí)代大生產(chǎn)的序幕。　　如今，這種模式常常應(yīng)用于數(shù)字電路的設(shè)計(jì)之中，與現(xiàn)在流驅(qū)動(dòng)的FPGA架構(gòu)不謀而合。舉例來說：某設(shè)計(jì)輸入為A種數(shù)據(jù)流，而輸出則是B種數(shù)據(jù)流，其流水架構(gòu)如下所示：　　 ? 　　每個(gè)模塊只
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FPGA研發(fā)之道(9)架構(gòu)設(shè)計(jì)漫談(四)并行與復(fù)用

　　FPGA其在眾多器件中能夠被工程師青睞的一個(gè)很重要的原因就是其強(qiáng)悍的處理能力。那如何能夠做到高速的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)的并行處理則是其中一個(gè)很重要的方式。　　數(shù)據(jù)的并行處理，從結(jié)構(gòu)上非常簡單，但是設(shè)計(jì)上卻是相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)于現(xiàn)有的FPGA來說，雖然各種FPGA的容量都在增加，但是在有限的邏輯中達(dá)到更高的處理能力則是FPGA工程師面臨的挑戰(zhàn)。常用并行計(jì)算結(jié)構(gòu)如下圖所示：　　 ? 　　上圖中：前端處理單元負(fù)責(zé)將進(jìn)入數(shù)據(jù)信息，分配到多個(gè)計(jì)算單元中，圖中為3個(gè)計(jì)算單元(幾個(gè)根據(jù)所需的性能計(jì)算得
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FPGA研發(fā)之道(8)架構(gòu)設(shè)計(jì)漫談(三)時(shí)鐘和復(fù)位

　　接口確定以后，F(xiàn)PGA內(nèi)部如何規(guī)劃?首先需要考慮就是時(shí)鐘和復(fù)位。　　時(shí)鐘：根據(jù)時(shí)鐘的分類，可以分為邏輯時(shí)鐘，接口時(shí)鐘，存儲(chǔ)器時(shí)鐘等; 　　(1)邏輯時(shí)鐘取決與邏輯的關(guān)鍵路徑，最終值是設(shè)計(jì)和優(yōu)化的結(jié)果，從經(jīng)驗(yàn)而不是實(shí)際出發(fā)：低端FPGA(cyclone spantan)工作頻率在40-80Mhz之間，而高端器件(stratix virtex)可達(dá)100-200Mhz之間，根據(jù)各系列的先后性能會(huì)有所提升，但不是革命性的。　　(2)接口時(shí)鐘，異步信號(hào)的時(shí)序一般也是通過FPGA片內(nèi)同步邏輯產(chǎn)生，一般
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FPGA研發(fā)之道(7)架構(gòu)設(shè)計(jì)漫談(二)穩(wěn)定壓倒一切

　　敏捷開發(fā)宣言中，有一條定律是“可以工作的軟件勝過面面俱到的文檔”。如何定義可可以工作的，這就是需求確定后架構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問題。而大部分看這句話的同志更喜歡后半句，用于作為不寫文檔的借口。　　FPGA的架構(gòu)設(shè)計(jì)最首先可以確定就是外接接口，就像以前說的，穩(wěn)定可靠的接口是成功的一半。接口的選擇需要考慮幾個(gè)問題。　　1，有無外部成熟IP。一般來說，ALTERA和XILINX都提供大量的接口IP，采用這些IP能夠提升研發(fā)進(jìn)度，但不同IP在不同F(xiàn)PGA上需要不同license，這個(gè)
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FPGA研發(fā)之道(6)架構(gòu)設(shè)計(jì)漫談(一)流驅(qū)動(dòng)和調(diào)用式

　　勿用諱言，現(xiàn)在國內(nèi)FPGA開發(fā)還處于小作坊的開發(fā)階段，一般都是三、四個(gè)人，七八臺(tái)機(jī)器.小作坊如何也能做出大成果。這是每個(gè)FPGA工程師都要面臨的問題。架構(gòu)設(shè)計(jì)是面臨的第一關(guān)。經(jīng)常有這樣的項(xiàng)目，需求分析，架構(gòu)設(shè)計(jì)匆匆忙忙，號(hào)稱一兩個(gè)月開發(fā)完畢，實(shí)際上維護(hù)項(xiàng)目就花了一年半時(shí)間。主要包括幾個(gè)問題，一，性能不滿足需求。二，設(shè)計(jì)頻繁變更。三，系統(tǒng)不穩(wěn)定，調(diào)試問題不收斂。　　磨刀不誤砍柴工，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)的需求分析是整個(gè)設(shè)計(jì)第一步。如何將系統(tǒng)的功能需求，轉(zhuǎn)換成FPGA的設(shè)計(jì)需求，是FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問題。首
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基于DDS的頻譜分析儀設(shè)計(jì)

　　1 引言　　直接數(shù)字頻率合成(DDS)是近幾年一種新型的頻率合成法，其具有頻率切換速度快，頻率分辨率高，以及便于集成等優(yōu)點(diǎn)。在此，設(shè)計(jì)了基于DDS的頻譜分析儀，該頻譜分析儀依據(jù)外差原理，被測(cè)信號(hào)與本征頻率混頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分析。　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　圖1給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，主要由本機(jī)振蕩電路、混頻電路、放大檢波電路、頻譜輸出顯示電路等組成。通過單片機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)共同控制AD985l，以產(chǎn)生正弦掃頻輸出信號(hào)，然后經(jīng)濾波、程控放大得到穩(wěn)定輸出，與經(jīng)放大處理的被測(cè)信號(hào)混頻，再經(jīng)放
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基于FPGA的簡易頻譜分析儀

　　1 引言　　目前，由于頻譜分析儀價(jià)格昂貴，高等院校只是少數(shù)實(shí)驗(yàn)室配有頻譜儀。但電子信息類教學(xué)，如果沒有頻譜儀輔助觀察，學(xué)生只能從書本中抽象理解信號(hào)特征，嚴(yán)重影響教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果。　　針對(duì)這種現(xiàn)狀提出一種基于FPGA的簡易頻譜分析儀設(shè)計(jì)方案，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，性能指標(biāo)滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)所要求的檢測(cè)信號(hào)范圍。　　2 設(shè)計(jì)方案　　圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖。該系統(tǒng)采用C8051系列單片機(jī)中的 C8051F121作為控制器，CvcloneⅢ系列EP3C40F484C8型FPGA為數(shù)字信號(hào)算法處理單元。系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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基于NIOS II的頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與研制

　　頻譜分析儀是微電子測(cè)量領(lǐng)域中最基礎(chǔ)、最重要的測(cè)量儀器之一，是從事各種電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的重要工具。高分辨率、寬頻帶數(shù)字頻譜分析的方法和實(shí)現(xiàn)一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]?，F(xiàn)代頻譜分析儀是基于現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理理論的頻譜分析儀，信號(hào)經(jīng)過前置預(yù)處理、抗混疊濾波、A/D變換、數(shù)字頻譜分析等環(huán)節(jié)而得到信號(hào)中的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。　　本設(shè)計(jì)完全利用FPGA實(shí)現(xiàn)FFT，在FPGA上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建。其中CPU選用Altera公司的Nios II軟核處理器進(jìn)行開發(fā), 硬件平臺(tái)關(guān)鍵模塊使
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基于FPGA的SPWM變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　由于脈寬調(diào)制技術(shù)是通過調(diào)整輸出脈沖的頻率及占空比來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變壓變頻效果，所以在電機(jī)調(diào)速、逆變器等眾多領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。　　而電磁法作為一種地球物理探測(cè)的有效方法，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于礦藏勘探、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。電磁法儀一般包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩大部分?，F(xiàn)階段，電磁法儀器的發(fā)射機(jī)部分一般直接采用等寬PWM技術(shù)，其電流諧波畸變率較大，電壓利用率不高，效率很低。　　本文利用FPGA技術(shù)，根據(jù)SPWM自然采樣法原理，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于電磁法儀的發(fā)射機(jī)的SPWM系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)有的電磁法儀器中，
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基于SOPC的SPWM脈沖發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)

　　隨著電力電子開關(guān)器件及技術(shù)的不斷發(fā)展，SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)技術(shù)在逆變控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的SPWM驅(qū)動(dòng)芯片速度慢、不夠靈活，存在著電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、體積大、抗干擾能力差、設(shè)計(jì)周期長等缺點(diǎn)，對(duì)于許多有特殊要求的場(chǎng)合，由專用芯片很難滿足實(shí)際的要求，因此，本文采用Altera公司的EP2C35F672C8N開發(fā)一種基于可編程片上系統(tǒng)的SPWM脈沖波形電路，SOPC技術(shù)將微處理器和SP-WM波形電路整合到一塊FPGA器件當(dāng)中?？删幊痰钠舷到y(tǒng)SOPC(System 0n Programmable Ch
關(guān)鍵字： SOPC SPWM FPGA

基于Verilog HDL的SPWM全數(shù)字算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　隨著信號(hào)處理技術(shù)及集成電路制造工藝的不斷發(fā)展，全數(shù)字化SPWM(正弦脈寬調(diào)制)算法在調(diào)速領(lǐng)域越來越受到青睞。實(shí)現(xiàn)SPWM控制算法的方法很多，其中模擬比較法因電路復(fù)雜、且不易與數(shù)字系統(tǒng)連接而很少采用;傳統(tǒng)的微處理器因不能滿足電機(jī)控制所要求的較高采樣頻率(≥1 kHz)而逐漸被高性能的DSP硬件系統(tǒng)所取代，但該系統(tǒng)成本高、設(shè)計(jì)復(fù)雜。與傳統(tǒng)方法相比，在現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA上產(chǎn)生一種新的SPWM控制算法，具有成本低、研發(fā)周期短、執(zhí)行速度高、可擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。
關(guān)鍵字： Verilog HDL SPWM FPGA

基于FPGA的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化

　　基于以太網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)是工業(yè)市場(chǎng)中增長最快的技術(shù)之一。大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，因此這些網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。但每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都采用不同的技術(shù)來提供實(shí)時(shí)性能，一些采用定制硬件，一些利用定制軟件，還有的采用完全標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)/TCP/IP實(shí)現(xiàn)。結(jié)果就出現(xiàn)了眾多不同等級(jí)性能、不同成本的互不兼容標(biāo)準(zhǔn)。　　針對(duì)以太網(wǎng)協(xié)議非確定性通信時(shí)間的一個(gè)越來越普及的對(duì)策是在每個(gè)設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)本地時(shí)鐘。由于大多數(shù)設(shè)備都有微處理器及(相對(duì))高速度的時(shí)鐘，因此這種方法比較容易實(shí)現(xiàn)。若
關(guān)鍵字： FPGA 以太網(wǎng) ASSP

FPGA研發(fā)之道(5)從零開始調(diào)試FPGA

　　“合抱之木，生于毫末;九層之臺(tái)，起于壘土;千里之行，始于足下?！?老子《道德經(jīng)》　　對(duì)于新手來說，如何上手調(diào)試FPGA是關(guān)鍵的一步。　　對(duì)于每一個(gè)新設(shè)計(jì)的FPGA板卡，也需要從零開始調(diào)試。　　那么如何開始調(diào)試? 　　下面介紹一種簡易的調(diào)試方法。　　(1) 至少設(shè)定一個(gè)輸入時(shí)鐘 input sys_clk; 　　(2) 設(shè)定輸出 output [N-1:0] led; 　　(3)設(shè)定32位計(jì)數(shù)器 reg [31:0] led_cnt; 　　(4) 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)
關(guān)鍵字： FPGA JTAG CMOS

FPGA研發(fā)之道(4)靈活性的陷阱

　　如果說用一個(gè)詞來描述FPGA的特性，靈活性肯定名列前茅。　　FPGA的靈活性在于：　　(一)I/O的靈活性，其可以通過其I/O組成各種接口與各種器件連接，并且支持不同的電氣特性。　　(二)內(nèi)部存儲(chǔ)器靈活性，可以通過IP生成工具生成各種深度和寬度的RAM或者FIFO等。　　(三)邏輯的靈活性，內(nèi)部邏輯通可生成的各種類型IP。　　對(duì)于I/O接口來說，F(xiàn)PGA的I/O可以支持不同類型的電平和驅(qū)動(dòng)能力，各I/O未定義之前其地位平等，例如一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)可將其約束在任意引腳，只要其電平符合連接的
關(guān)鍵字： FPGA RAM FIFO

基于FPGA的SOC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　為減少在印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)中的面積開銷，介紹一種Flash結(jié)構(gòu)的現(xiàn) 場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)器件，進(jìn)而介紹采用該器件搭建基于先進(jìn)精簡指令集機(jī)器(ARM)的片上系統(tǒng)(SOC)電路的設(shè)計(jì)方法，該方法按照高級(jí)微控制器總線架構(gòu)(AMBA)，設(shè)計(jì)ARM7處理器微系統(tǒng)及其外設(shè)電路，通過用搭建的系統(tǒng)對(duì)片外存儲(chǔ)器進(jìn)行擦寫，以及通過編寫軟硬件代碼定制符合ARM7外圍低速總線協(xié)議的用戶邏輯外設(shè)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)可用于驗(yàn)證SOC設(shè)計(jì)系統(tǒng)。　　近年來，SOC技術(shù)得到了快速的發(fā)展，逐漸成為微電子行業(yè)的主
關(guān)鍵字： FPGA SOC ARM7