高性能嵌入式系统技术及应用的若干问题研究

发布时间：2020-06-06 00:36

【摘要】：嵌入式系统是以计算机技术为基础,面向特定的应用目标和环境,同时对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。由于它是以软硬件可裁的“量体裁衣”方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中,具有高度的自动化、响应速度快等特点,因此特别适合于要求实时和多任务处理的场合。近年来随着电子技术飞速的发展特别是大规模集成电路工艺水平的不断提高,从便携式音乐播放器到航天飞机的实时控制子系统都能见到嵌入式系统的应用。而且其应用范围领域日趋广博、普遍深入到我们日常的工作生活当中,成为不可或缺的必要工具。针对目前在嵌入式系统方而应用热点的一些领域,本文主要围绕着高性能DSP、FPGA及无线传感器网络在设计应用中的一些问题及方法重点进行了研究,主要研究工作包括以下几个方面： (1)当前DSP的使用非常普及,针对迟滞系统的高精度实时控制的实现及语音信号的有效处理,本文选取一款典型的高性能代表性芯片TMS320C6713(225MHz)专门进行了相关的硬件电路设计及软件研究。围绕该芯片设计实现了满足上述目的要求的系统硬件平台,并按照系统中不同的功能模块,设计成各自独立的电路,极大的简化了电路设计及系统调试,并为系统后续功能扩展提供了可能。在软件设计上,深入其应用的核心——实时操作系统(RTOS),研究了可提供底层应用函数接口的RTOS/BIOS主要功能模块构成及应用。为后续DSP芯片内部资源优化配置,更方便灵活地使用DSP芯片打下基础。创新点为设计实现了高性能DSP系统硬件平台,同时将系统各功能模块设计为可自由组装的独立电路模块；并深入研究DSP实时操作系统RTOS及BIOS主要模块的功能与应用。 (2)图像及视频加密是当前的一个研究热点,但传统加密算法的设计实现多是以计算机为平台去实现的,很少考虑网络实时环境下的情况。对此本文从实际应用的角度出发,设计了一款网络环境下即插即用型的基于嵌入式系统的实时加密系统,即基于FPGA的网络视频流混沌加密系统。充分利用FPGA的并行处理与使用灵活的优势,对网络视频流进行混沌实时加密,实现了基于Baker映射、Cat映射,Logistic映射和超混沌映射的单一加密、双重加密和随机选择加密多种加密方式。进行超混沌视频加密时,使用VHDL语言编制特定的IP核实现硬件加密。整个系统通过局域网环境下的实际运行测试,系统安全性、稳定性得到了检验。创新点为设计实现了基于FPGA的网络视频流混沌实时加密系统,利用FPGA的优势实现了使用多种混沌加密方式对网络视频流的实时加密。 (3)目前无线传感网络的应用较为普遍,但其节点核心处理器的数据处理能力却相对较弱,为此提出了基于FPGA的无线传感器网络节点设计方法。利用FPGA应用的灵活性和良好的并行处理能力,针对不同的开发板分别研究了在其中嵌入单核、双核及多核处理器的实现过程及资源耗用情况。创新点为设计实现了基于FPGA的无线传感器网络节点,并研究了在三种不同FPGA开发板中嵌入单核、双核、多核处理器的具体实现方式。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP368.1

【参考文献】