可重構計算技術兼具通用處理器(General-Purpose Processor，GPP)和專用集成電路(Application Specific Integr—ated Circuits，ASIC)的特點，既可以提供硬件高速的特性，又具有軟件可以重新配置的特性。而動態部分可重構技術是可重構計算技術的最新進展之一。該技術的要點就是在系統正常工作的情況下，修改部分模塊的功能，而系統其它模塊能夠照常運行，這樣既節約硬件資源，又增強了系統靈活性。 可重構SoC既可以在處理器上進行編程又可以改變FPGA內部的硬件結構，這使得SoC系統既具有處理器善于控制和運算的特點，又具FPGA靈活的重構特點；由于處理器和FPGA硬件是在同一塊硅片上，使得它們之間的通信寬帶大大提高，這種平臺很適合于容錯算法的實現。 本文基于863計劃項目；動態重構計算機的可信實現關鍵技術，重點研究應用于惡劣環境中FPGA自我容錯的體系結構，提出了一套完整的SoC系統的容錯設計方案，并研究其實現技術，設計實現了實現該技術的硬件平臺和軟件算法，并驗證成功。 論文取得了如下的創新性研究成果： 1、設計了實現動態重構技術的硬件平臺，包括高性能的FPGA(內含入式處理器PowcrPC)、PROM、SRAM、FLASH、串口通信等硬件模塊。 2、說明了動態重構技術的設計規范和設計流程，實現動態重構技術。 3、提出了一種基于動態重構實現容錯的方法，不需要外部處理器干預，由嵌入式處理器負責管理整個過程。 4、設計并實現了嵌入式處理器運行時需要的軟件，主要有兩個功能，首先是從CF卡中讀入重構所需的配置文件，并將配置文件寫進FPGA內部的配置存儲器中，改變FPGA內部的功能。其次，是實現容錯技術的算法。
上傳時間： 2013-04-24
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MP3音樂是目前最為流行的音樂格式，因其音質、復雜度與壓縮比的完美折中，占據著廣闊的市場，不僅在互聯網上廣為流傳，而且在便攜式設備領域深受人們喜愛。本文以MPEG-1的MP3音頻解碼器為研究對象，在實時性、面積等約束條件下，研究MP3解碼電路的設計方法，實現FPGA原型芯片，研究MP3原型芯片的驗證方法。 論文的主要貢獻如下： (1)使用算法融合方法合并MP3解碼過程的相關步驟，以減少緩沖區存儲單元的容量和訪存次數。如把重排序步驟融合到反量化模塊，可以減少一半的讀寫RAM操作；把IMDCT模塊內部的三個算法步驟融合在一起進行設計，可以省去存儲中間計算結果的緩存區單元。 (2)反量化、立體聲處理等模塊中，采用流水線設計技術，設置寄存器把較長的組合邏輯路徑隔開，提高了電路的性能和可靠性；使用連續訪問公共緩存技術，合理規劃各計算子模塊的工作時序，將數據計算的時間隱藏在訪存過程中；充分利用頻率線的零值區特性，有效地減少數據計算量，加快了數據處理的速度。 (3)設計了MP3硬件解碼器的FPGA原型芯片。采用Verilog HDL硬件描述語言設計RTL級電路，完成功能仿真，以Altera公司Stratix II系列的EP2S180 FPGA開發板為平臺，實現MP3解碼器的FPGA原型芯片。MP3硬件解碼器在Stratix II EP2S180器件內的資源利用率約為5％，其中組合邏輯查找表ALUT為7189個，寄存器共有4024個，系統頻率可達69.6MHz，充分滿足了MP3解碼過程的實時性要求。實驗結果表明，MP3音頻解碼FPGA原型芯片可正常播放聲音，解碼音質良好。
上傳時間： 2013-07-01
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本文提出了一種基于FPGA的硬件防火墻的實現方案，采用了FPGA來實現千兆線速的防火墻。傳統的基于X86等通用CPU的防火墻無法支撐快速增長的網絡速度，無法實現線速過濾和轉發。本文在采用FPGA可編程器件+通用CPU模式下，快速處理網絡數據。網絡數據在建立連接跟蹤后，直接由FPGA實現的快速處理板直接轉發，實現了網絡數據的線速處理，通用CPU在操作系統支持下，完成網絡數據的連接跟蹤的創建、維護，對網絡規則表的維護等工作。FPGA硬件板和CPU各司所長，實現快速轉發的目的。 本文設計了基于FPGA的硬件板的硬件規格，提出了硬件連接跟蹤表的存儲模式，以及規則表的存儲模式和定義等； 防火墻系統軟件采用NetBSD操作系統，完成了硬件板的NetBSD的驅動；在軟件系統完成了新建連接的建立、下發、老化等工作；在連接跟蹤上完成了規則的建立、刪除、修改等工作。 本文完成了防火墻的實現。實現了基于連接跟蹤的包過濾、地址轉換（NAT），設計了連接跟蹤的關鍵數據結構，包過濾的關鍵數據結構等，重用了NetBSD操作系統的路由。本文針對地址轉換應用程序的穿透問題，新增了部分實現。 在DoS攻擊是一種比較常見的攻擊網絡手段，本文采用了軟硬件結合的方法，不僅在軟件部分做了完善，也在硬件部分采取了相應的措施，測試數據表明，對常見的Syn洪水攻擊效果明顯。 在實踐過程中，我們發現了NetBSD操作系統內核的軟件缺陷，做了修正，使之更完善。 經過測試分析，本方案不僅明顯的優于X86方案，和基于NP方案、基于ASIC方案比較，具有靈活、可配置、易升級的優點。
上傳時間： 2013-06-21
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高速大容量數據采集存儲技術在通信、航天、氣象、雷達等多個領域中擁有著廣泛應用。各領域科技與信息技術不斷發展，對數據的采集和傳輸速率要求越來越高，對數據存儲的速度和容量要求也越來越高。高速數據存儲主要包括存儲介質選取、存儲器控制、數據存儲和總線應用等，如何實時、高速、連續大量地采集存儲數據是一個關鍵性問題。 本文設計了一種基于FPGA控制的高速數據采集存儲系統。該系統選用符合ATA-6規范的IDE硬盤作為數據存儲介質，采用RAID0配置的磁盤陣列形式，并配合板載的128MB內存實現對數據的高速大容量穩定存儲。 該磁盤陣列同時管理五個IDE硬盤，平均數據流達到250MB/s，峰值傳輸速率達到500MB/s，也可以擴展更多硬盤構成大容量的磁盤陣列。系統采用PCI-9054橋芯片與計算機連接，可同時存儲四路AD數據，可以通過人機交互界面實時監控數據采集情況，在計算機上實現整個磁盤陣列的實時控制。
上傳時間： 2013-06-14
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本文對基于FPGA的對象存儲控制器原型的硬件設計進行了研究。主要內容如下： ⑴研究了對象存儲控制器的硬件設計，使其高效完成對象級接口的智能化管理和復雜存儲協議的解析，對對象存儲系統整體性能提升有重要意義。基于SoPC(片上可編程系統)技術，在FPGA(現場可編程門陣列)上實現的對象存儲控制器，具有功能配置靈活，調試方便，成本較低等優點。 ⑵采用Cyclone II器件實現的對象存儲控制器的網絡接口，包含處理器模塊、內存模塊、Flash模塊等核心組成部分，提供千兆以太網的網絡接口和PCI(周邊元件擴展接口)總線的主機接口，還具備電源模塊、時鐘模塊等以保證系統正常運行。在設計實現PCB(印制電路板)時，從疊層設計、布局、布線、阻抗匹配等多方面解決高達100MHz的全局時鐘帶來的信號完整性問題，并基于IBIS模型進行了信號完整性分析及仿真。針對各功能模塊提出了相應的調試策略，并完成了部分模塊的調試工作。 ⑶提出了基于Virtex-4的對象存儲控制器系統設計方案，Virtex-4內嵌PowerPC高性能處理器，可更好地完成對象存儲設備相關的控制和管理工作。實現了豐富的接口設計，包括千兆以太網、光纖通道、SATA(串行高級技術附件)等網絡存儲接口以及較PCI性能更優異的PCI-X(并連的PCI總線)主機接口；提供多種FPGA配置方式。使用Cadence公司的Capture CIS工具完成了該系統硬件的原理圖繪制，通過了設計規則檢查，生成了網表用作下一步設計工作的交付文件。
上傳時間： 2013-04-24
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本文著重研究用現場可編程門陣列(FPGA)來開發設計精插補芯片。選用Altera公司的Cyclone系列的EP1C3T144C8芯片設計了逐點比較法，數字積分法和比較積分法三種經典插補算法，并對各種算法模塊進行了仿真驗證。又設計了三個算法選通信號，將三種算法模塊綜合成了一個整電路。 在完成了FPGA內部三種算法的實現后，設計以一個STC單片機為粗插補處理器的FPGA實驗開發系統，并制作了PCB板。實驗開發系統板中設計了單片機程序下載和的FPGA下載配置電路，并且配有FPGA專用配置芯片，能實現FPGA上電自動配置。可用該實驗系統板進行精插補芯片的設計與開發，以及對所完成設計的功能進行驗證。 為驗證所設計芯片的插補功能，編寫了單片機粗插補程序，將產生的粗插補坐標增量發給FPGA進行插補實驗，得到了理想的插補輸出脈沖。又編寫了單片機脈沖處理程序，讀回了FPGA的輸出脈沖，并由串口發送給PC機。最后通過編寫PC機的串口通信程序以及根據插補脈沖繪圖的程序，把FPGA的輸出脈沖繪制成了插補軌跡圖形。 最終繪圖結果顯示，在20M輸入時鐘頻率下，由插補脈沖生成的插補軌跡圖形正確，驗證了本文設計的三種插補算法功能的正確性。本設計插補芯片達到了高速插補功能要求。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著圖像處理技術和投影技術的不斷發展，人們對高沉浸感的虛擬現實場景提出了更高的要求，這種虛擬顯示的場景往往由多通道的投影儀器同時在屏幕上投影出多幅高清晰的圖像，再把這些單獨的圖像拼接在一起組成一幅大場景的圖像。而為了給人以逼真的效果，投影的屏幕往往被設計為柱面屏幕，甚至是球面屏幕。當圖像投影在柱面屏幕的時候就會發生幾何形狀的變化，而避免這種幾何變形的就是圖像拼接過程中的幾何校正和邊緣融合技術。 一個大場景可視化系統由投影機、投影屏幕、圖像融合機等主要模塊組成。在虛擬現實應用系統中，要實現高臨感的多屏幕無縫拼接以及曲面組合顯示，顯示系統還需要運用幾何數字變形及邊緣融合等圖像處理技術，實現諸如在平面、柱面、球面等投影顯示面上顯示圖像。而關鍵設備在于圖像融合機，它實時采集圖形服務器，或者PC的圖像信號，通過圖像處理模塊對圖像信息進行幾何校正和邊緣融合，在處理完成后再送到顯示設備。 本課題提出了一種基于FPGA技術的圖像處理系統。該系統實現圖像數據的AiD采集、圖像數據在SRAM以及SDRAM中的存取、圖像在FPGA內部的DSP運算以及圖像數據的D/A輸出。系統設計的核心部分在于系統的控制以及數字信號的處理。本課題采用XilinxVirtex4系列FPGA作為主處理芯片，并利用VerilogHDL硬件描述語言在FPGA內部設計了A/D模塊、D/A模塊、SRAM、SDRAM以及ARM處理器的控制器邏輯。 本課題在FPGA圖像處理系統中設計了一個ARM處理器模塊，用于上電時對系統在圖像變化處理時所需參數進行傳遞，并能實時從上位機更新參數。該設計在提高了系統性能的同時也便于系統擴展。 本文首先介紹了圖像處理過程中的幾何變化和圖像融合的算法，接著提出了系統的設計方案及模塊劃分，然后圍繞FPGA的設計介紹了SDRAM控制器的設計方法，最后介紹了ARM處理器的接口及外圍電路的設計。
上傳時間： 2013-04-24
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視頻監控一直是人們關注的應用技術熱點之一，它以其直觀、方便、信息內容豐富而被廣泛用于在電視臺、銀行、商場等場合。在視頻圖像監控系統中，經常需要對多路視頻信號進行實時監控，如果每一路視頻信號都占用一個監視器屏幕，則會大大增加系統成本。視頻圖像畫面分割器主要功能是完成多路視頻信號合成一路在監視器顯示，是視頻監控系統的核心部分。 傳統的基于分立數字邏輯電路甚至DSP芯片設計的畫面分割器的體積較大且成本較高。為此，本文介紹了一種基于FPGA技術的視頻圖像畫面分割器的設計與實現。 本文對視頻圖像畫面分割技術進行了分析，完成了基于ITU-RBT.656視頻數據格式的畫面分割方法設計；系統采用Xilinx公司的FPGA作為核心控制器，設計了視頻圖像畫面分割器的硬件電路，該電路在FPGA中，將數字電路集成在一起，電路結構簡潔，具有較好的穩定性和靈活性；在硬件電路平臺基礎上，以四路視頻圖像分割為例，完成了I2C總線接口模塊，異步FIFO模塊，有效視頻圖像數據提取模塊，圖像存儲控制模塊和圖像合成模塊的設計，首先，由攝像頭采集四路模擬視頻信號，經視頻解碼芯片轉換為數字視頻圖像信號后送入異步FIFO緩沖。然后，根據畫面分割需要進行視頻圖像數據抽取，并將抽取的視頻圖像數據按照一定的規則存儲到圖像存儲器。最后，按照數字視頻圖像的數據格式，將四路視頻圖像合成一路編碼輸出，實現了四路視頻圖像分割的功能。從而驗證了電路設計和分割方法的正確性。 本文通過由FPGA實現多路視頻圖像的采集、存儲和合成等邏輯控制功能，I2C總線對兩片視頻解碼器進行動態配置等方法，實現四路視頻圖像的輪流采集、存儲和圖像的合成，提高了系統集成度，并可根據系統需要修改設計和進一步擴展功能，同時提高了系統的靈活性。
上傳時間： 2013-04-24
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本文主要研究了認知無線電頻譜感知功能的關鍵技術以及硬件實現方法。首先，提出了認知無線電頻譜感知功能的硬件實現框圖，包括射頻前端部分和數字信號處理部分，接著簡單介紹了射頻前端電路的功能與特性，最后重點介紹了數字信號處理部分的FPGA實現與驗證過程。 數字處理部分主要實現寬帶信號的短時傅立葉分析，將中頻寬帶數字信號通過基于多相濾波器組的下變頻模塊，實現并行多通道的數字下變頻，然后對每個信道進行重疊加窗處理，最后再做快速傅立葉分析(FFT)，從而得到信號的時頻關系。整個系統主要包括：延時抽取模塊、多相濾波器模塊、32點開關式流水線FFT模塊、滑動窗緩沖區、256點流水線FFT模塊等。 本設計采用Verilog HDL硬件描述語言進行設計，基于Xilinx公司的Virtex-4XC4VSX35芯片。整個系統采用全同步設計，可穩定工作于200MHz，其分析帶寬高達65MHz，具有很高的使用價值。
上傳時間： 2013-07-09
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FPGA(Field Programmable Gate Arrays)是目前廣泛使用的一種可編程器件，FPGA的出現使得ASIC(Application Specific Integrated Circuits)產品的上市周期大大縮短，并且節省了大量的開發成本。目前FPGA的功能越來越強大，滿足了目前集成電路發展的新需求，但是其結構同益復雜，規模也越來越大，內部資源的種類也R益豐富，但同時也給測試帶來了困難，FPGA的發展對測試的要求越來越高，對FPGA測試的研究也就顯得異常重要。 本文的主要工作是提出一種開關盒布線資源的可測性設計，通過在FPGA內部加入一條移位寄存器鏈對開關盒進行配置編程，使得開關盒布線資源測試時間和測試成本減少了99％以上，而且所增加的芯片面積僅僅在5％左右，增加的邏輯資源對FPGA芯片的使用不會造成任何影響，這種方案采用了小規模電路進行了驗證，取得了很好的結果，是一種可行的測試方案。 本文的另一工作是采用一種FPGA邏輯資源的測試算法對自主研發的FPGA芯片FDP250K的邏輯資源進行了嚴格、充分的測試，從FPGA最小的邏輯單元LC開始，首先得到一個LC的測試配置，再結合SLICE內部兩個LC的連接關系得到一個SLICE邏輯單元的4種測試配置，并且采用陣列化的測試方案，同時測試芯片內部所有的邏輯單元，使得FPGA內部的邏輯資源得完全充分的測試，測試的故障覆蓋率可達100％，測試配置由配套編程工具產生，測試取得了完滿的結果。
上傳時間： 2013-06-11
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