基于SOPC的控制模块及其IP核设计技术研究

发布时间：2017-04-01 17:02

  本文关键词：基于SOPC的控制模块及其IP核设计技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：视频监控、航空航天、医疗器械、汽车电子等领域往往需要控制模块承担系统管理、系统监控、实时数据处理等功能。随着嵌入式系统应用的高速发展,对控制模块有高性能、多功能、小型化、灵活性、实时性、低功耗等需求。常用的处理器结合外设的控制模块架构集成化低、硬件结构大、不够灵活、软硬件交互开销大。SOPC (System-on-a-Programmable-Chip,即可编程片上系统)是近年来发展起来的系统级可编程芯片技术,具有高集成、灵活性、软硬件协作等优点。针对新型控制模块应用需求,本文在高性能嵌入式平台的开发中,研究基于SOPC的控制模块及其IP核的设计技术,能够灵活高效地实现复杂嵌入式系统控制模块的应用需求。本文主要工作如下：(1)针对高性能嵌入式开发平台的功能及需求,提出了一种基于SOPC芯片的系统设计方案；(2)针对软硬件交互的需求,分析了SOPC平台的特点,研究了基于SOPC的处理器和FPGA互连的方案,提出了一种基于双互联结构的FPGA总体框架；(3)针对流数据处理的具体需求,设计了一种基于AXI-Stream协议的IP核互联方式,并基于该互联方式提出了一种具有高吞吐、多级缓存、同时读写、流水线工作特点的DDR缓存模块方案；(4)针对板卡互连的需求,研究了板卡互连的方式,采用软硬件紧密结合的设计方法,实现了基于RapidIO的用户自定义协议的板间数据传输功能；(5)设计并实现了三路CAN/RS-422通道的部分动态可重配置功能以及主控板CPU接口模块IP核。通过实际平台的实验与测试,结果表明基于双互联结构的控制模块能够很好的实现高性能嵌入式开发平台的系统控制、数据传输、数据缓存、动态可重配置等功能。DDR缓存模块实现同时读写、流水线工作模式等功能；三路CAN/RS-422通道具备部分动态可重配置能力；基于RapidIO协议和DMA通道的板间数据传输速率约为327MB/s,达到理论带宽63.2%。
【关键词】：SOPC 软硬件协同 数据缓存模块 RapidIO 嵌入式系统
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 课题的背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.3 总结和意义13
• 1.4 课题研究内容和文章组织结构13-17
• 1.4.1 论文主要工作13-14
• 1.4.2 文章组织结构14-17
• 2 SOPC相关技术概述17-25
• 2.1 SOPC平台17-18
• 2.2 部分动态可重配置18-19
• 2.3 RapidIO协议19-21
• 2.4 AXI协议21-23
• 2.5 本章小结23-25
• 3 硬件平台设计25-29
• 3.1 设计依据和主要功能指标25
• 3.2 系统硬件方案设计25-28
• 3.2.1 系统结构25-26
• 3.2.2 硬件方案设计26-28
• 3.3 本章小结28-29
• 4 SOPC控制模块研究与设计29-87
• 4.1 需求分析29-30
• 4.1.1 外接接口29-30
• 4.1.2 功能需求30
• 4.2 FPGA总体设计30-39
• 4.2.1 互连总线技术研究30-32
• 4.2.2 双互联结构控制模块设计32-39
• 4.3 DDR缓存模块设计39-58
• 4.3.1 应用框架研究39-42
• 4.3.2 DDR控制器设计42-49
• 4.3.3 DDR控制器实现49-58
• 4.4 RapidIO板间数据传输模块设计58-73
• 4.4.1 拓扑结构研究58-60
• 4.4.2 传输过程设计60-65
• 4.4.3 传输模块实现65-73
• 4.5 部分动态可重配置模块设计73-79
• 4.5.1 部分动态可重配置技术研究73-75
• 4.5.2 部分动态可重配置模块实现75-79
• 4.6 CPU接口模块设计79-85
• 4.6.1 接口模块设计及实现79-83
• 4.6.2 CPU与SOPC交互功能实现83-85
• 4.7 本章小结85-87
• 5 系统正确性验证87-103
• 5.1 DDR功能模块验证88-95
• 5.1.1 DDR控制模功能测试88-92
• 5.1.2 DDR效率测试92-94
• 5.1.3 DDR测试总结94-95
• 5.2 RapidIO互连模块验证95-101
• 5.2.1 功能测试95-97
• 5.2.2 速率测试97-101
• 5.3 部分动态可重配置验证101-102
• 5.3.1 基于JTAG配置动态可重配置101-102
• 5.4 本章小结102-103
• 6 总结和展望103-105
• 6.1 总结103
• 6.2 展望103-105
• 参考文献105-109
• 作者简历109

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