“計算機組成原理”是計算機專業的一門核心課程。傳統的計算機組成原理實驗是在指令格式、尋址方式、運算器、控制器、存儲器等都相對固定的情況下進行，學生主要進行功能實現和驗證，缺少自主設計和創新過程。 為改變這種狀況，須更新現有的計算機組成原理實驗系統。采用FPGA芯片作為載體，使用EDA開發工具，用硬件描述語言實現不同的硬件邏輯，再與硬件的輸入輸出接口線路相連，最終組成一臺可用于組成實驗教學的完整計算機系統。這期間學生將掌握組成原理實驗系統的各個部件的功能及其相互之間如何協作。本實驗系統能夠讓學生完成有關計算機組成原理的部件實驗和整機實驗：部件實驗包括加法器、乘法器、除法器、算術邏輯運算單元、控制器、存儲器等；整機實驗可以獨立實現各部件的功能描述。該系統能夠幫助學生鞏固課堂知識并增強設計能力。 為實現上述目的，依據EDA技術的開發流程和方法，建立了一個完整的體系，其中包括控制模塊、內存模塊、運算器模塊、通用寄存器組及其控制部件、程序計數器、地址寄存器、指令寄存器、時序部件、數據控制部件、狀態值控制部件，以及為幫學生調試而專門設計的輸出觀察部件。在Quartus Ⅱ開發環境下，使用Altera公司FPGA芯片，采用VHDL，語言設計并實現了上述模塊。經過仿真測試，所實現的各功能模塊作為獨立部件時能完成各自功能：而將這些部件組合起來的整機系統，可以執行程序段和進行各種運算處理，達到了設計要求。
上傳時間： 2013-06-01
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智能化住宅小區，是指在一定范圍內通過有效的傳輸網絡，將多元住處服務、物業管理、安防以及住宅智能化等系統結合在一起，為該小區的服務與管理提供高技術的智能化手段。從而實現快捷高效的超值服務管理和安全舒適的家居環境，使業主生活得更安全、更方便。 隨著國民經濟和科學技術水平的提高，特別是計算機技術、通信技術、網絡技術和控制技術的迅速發展，促進了智能小區在我國的推廣和應用。目前這些小區的智能化建設大多數是采用Lonworks、FF等現場總線技術。但是現場總線協議標準化程度還不成熟，且成本較高。隨著寬帶Internet進入家庭，利用Internet來構建智能小區已成為大勢所趨。 本文介紹了一種基于以太網和FPGA的嵌入式智能小區管理系統的組建方法。首先，以Altera的FPGA為核心，通過在外圍添加適當的存儲設備和通信接口設備，構成一個嵌入式系統的硬件平臺。其次，在此平臺的基礎上，通過在FPGA中定制Nios Ⅱ軟核處理器以及在外圍的Flash存儲器中下載uClinux操作系統，從而構建出一套資源豐富的嵌入式操作系統。該系統帶有一個網絡功能齊全的Web服務器。最后，將此操作系統作為智能小區的樓宇集中器，再根據需要配置適當的采集器和顯示器，就可以組建成一套功能強大的智能小區管理系統。它可以完成圖像抄表、定時圖像采集、實時溫度監控、樓宇廣播、智能語音報警等功能。 這種利用當前流行的嵌入式系統來組建的智能小區管理系統，不但實現簡單、功能強大；而且節約布線、成本低廉。因此具有很高的性價比，相信在未來有較大的市場潛力。 本文主要包括如下幾個部分：系統硬件結構設計，包括系統的原理圖構建和PCB板的繪制：系統核心處理器設計，包括Nios Ⅱ軟核CPU的設計方法、外圍存儲和通信器件的添加及設計方法；嵌入式操作系統uClinux的相關知識及移植方法：系統的軟件結構設計，包括圖像采集、溫度采集、LCD顯示等CGI程序設計，以及單片機語音報警程序設計等；最后給出了調試情況以及一些試驗結果。
上傳時間： 2013-04-24
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JPEG 2000是為適應不斷發展的圖像壓縮應用而出現的新的靜止圖像壓縮標準，小波變換是JEPG 2000核心算法之一。小波變換是一種可達到時(空)域或頻率域局部化的時頻域或空頻域分析方法，其多尺度分解特性符合人類的視覺機制，更加適用于圖像信息的處理。提升小波變換是一類不采用傅立葉變換做為主要分析工具的小波變換新方法，提升小波變換的提出大大簡化了小波變換的計算，使其在實時信號處理領域得到廣泛的應用。通過提升的方法很容易構造一般的整數小波變換，由于圖像一般用位數較低的整數表示，整數小波變換可以將為整數序列的圖像矩陣映射成整數小波系數矩陣，這就大大簡化了小波變換的硬件電路設計。在當今數字化和信息化時代背景下，研究具有高速硬件處理功能的可變程邏輯器件在圖像壓縮算法領域的應用已經成為當今研究的熱點。 本文旨在探討和研制基于FPGA的小波變換模塊的可能性和方法。本文采用Xilinx公司的Spartan-Ⅲ系列芯片，根據JPEG 2000推薦無損提升小波算法和有損提升小波算法，設計圖像壓縮系統的小波變換模塊。主要工作如下： 第一部分介紹了傳統小波分析理論和提升小波分析理論。包括連續小波時頻局域性的特征，離散小波變換系數的意義，多分辨分析引出的構造小波基的系統方法和計算離散小波的快速算法等。重點放在介紹正交小波和雙正交小波的構造方法，并介紹了數字圖像在小波域的特點。討論了提升小波變換的基本思想，討論了用提升方法構造小波基以及傳統小波變換的提升實現，討論了整數小波變換。 第二部分介紹了FPGA結構及其設計流程。介紹了FPGA/CPLD器件的特征、發展趨勢及FPGA/CPLD基本結構，然后重點介紹了本文用到的Xilinx公司Spartan-Ⅲ系列芯片的結構特點，以及Xilinx的FPGA開發軟件ISE，最后介紹了硬件描述語言VHDL語言的特點。 最后一部分是本論文研究的主要內容，即JPEG 2000中最核心的算法-提升格式小波變換的一維變換模塊設計和二維變換模塊設計。一維提升小波變換模塊采用兩種不同的電路結構進行設計-低速低功耗的串行流水線結構和高速高功耗的并行陣列結構。同樣，二維小波變換模塊也采用了兩種不同的電路結構進行設計-低速低功耗的折疊結構和高速高功耗的串行結構。 文章對提升小波變換的FPGA實現中的大量細節問題進行了討論，給出了每種結構提升小波變換模塊的電路原理圖，并對原理圖進行了仿真測試，仿真測試結果不僅表明了模塊功能的正確性，而且表明不同小波模塊可以滿足相應領域的實際要求。
上傳時間： 2013-06-08
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論文以反應式步進電機為研究對象，應用了先進的FPGA/CPLD技術，設計了一種全數字的步進電機控制系統，通過了仿真、綜合和下載的各個程序測試環節，并在實驗中得到了良好的應用。 本論文分析了反應式步進電機工作原理以及其具體的控制過程，然后闡述了FPGA的設計原理以及所涉及到的相關芯片，接著對所要應用的硬件語言VerilogHDL方面的知識進行了簡要地介紹，這些為論文的具體設計部分提供了理論基礎。 本系統針對需要實現對步進電機的調速，設計出了一種符合要求的連續可調的脈沖信號發生器，整個脈沖信號發生器有兩個大的模塊組成，最后用一個頂層的模塊將二者連接起來，并且每個子模塊以及頂層的模塊都通過了仿真測試。系統采用了模塊化的設計思路，為系統的設計和維護提供了方便，同時也提高了系統性能的可擴展性。系統采用一種軟件硬化的設計思路，應用了VerilogHDL硬件語言，該語言較容易理解。軟件也是采用了目前應用比較廣泛的幾種。在最后的實物實驗中也取得了良好的效果，從而證明了設計的正確性。論文針對VerilogHDL硬件語言的應用技巧以及實際編寫程序中經常遇到的問題都做了詳細的解釋，并提出了幾個解決問題的方法；對于如何合理的選擇芯片，文章也做了仔細說明。 FPGA+VerilogHDL+EDA工具構成的數字系統現場集成技術，是本系統設計的核心部分，該門技術具有操作靈活、利用廣泛以及價廉等特點。該門技術具有旺盛的生命力和廣闊的前景，必然推動著整個集成電路產業系統集成的進一步發展。整個系統設計采用了全數字化的控制方案，使系統更加緊湊、更加合理以及經濟節約。由于系統的全數字化，使得整個系統運行變得十分可靠，調試也極為方便。作為一種先進技術的應用，論文在很多方面做了新的嘗試。
上傳時間： 2013-05-20
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低壓電力線通信(PLC)具有網絡分布廣、無需重新布線和維護方便等優點。近年來，低壓電力線通信被看成是解決信息高速公路“最后一英里”問題的一種方案，在國內外掀起了一個新的研究熱潮。電力線信道中不僅存在多徑干擾和子信道衰落，而且還存在開關噪聲和窄帶噪聲，因此在電力線通信系統中，信道編碼是不可或缺的重要組成部分。 本文著重研究了在FPGA上實現OFDM系統中的信道編解碼方案。其中編碼端由卷積碼編碼器和交織器組成，解碼端由Viterbi譯碼器和解交織器組成，同時為了與PC機進行通信，還在FPGA上做了一個RS232串行接口模塊，以上所有的模塊均采用硬件描述語言VerilogHDL編寫。另外，峰值平均功率比(PAR)較大是OFDM系統所面臨的一個重要問題，必須要考慮如何降低大峰值功率信號出現的概率。本文重點研究了三種降低PAR的方法：即信號預畸變技術、信號非畸變技術和編碼技術。這三種方法各有優缺點，但是迄今為止還沒有一種好方法能夠徹底地解決OFDM系統中較高PAR的弊病。本論文內容安排如下：第一章介紹了課題的背景，可編程器件和OFDM技術的發展歷程。第二章詳細介紹了OFDM的原理以及實現OFDM所采用的一些技術細節。第三章詳細介紹了本課題中信道編碼的方案，包括信道編碼的基本原理，組成結構以及方案中采用的卷積碼和交織的原理及設計。第四章詳細討論了編碼方案如何在FPGA上實現，包括可編程邏輯器件FPGA/CPLD的結構特點，開發流程，以及串口通信接口、編解碼器的FPGA設計。第五章詳細介紹了如何降低OFDM系統中的峰值平均功率比。最后，在第六章總結全文，并對課題中需要進一步完善的方面進行了探討。
上傳時間： 2013-04-24
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VLSI(超大規模集成電路)的快速發展，使得FPGA技術得到了迅猛發展，FPGA的快速發展又為實時圖像處理在算法、系統結構上帶來了新的方法和思路，全景圖像處理是實時圖像處理中一個嶄新的領域，其在視頻監視領域內有廣泛的應用前景。 本文首先介紹了全景圖像處理的發展狀況，課題的主要背景、國內外發展現狀、課題的研究意義、課題的來源和本文的主要研究工作及論文組織結構。然后在第二章中介紹了FPGA的發展，FPGA/CPLD的特點，并介紹了Cyclone Ⅱ系列FPGA的硬件結構，硬件描述語言，開發工具Quartus Ⅱ以及FPGA開發的一般原則。 文章的重點放在了電路板的設計部分，也就是本文的第三章。在介紹電路設計部分之前首先介紹一些高速數字電路設計中的一些概念、高速數字電路設計中常見問題，并對常見問題給出了一般解決方法。 在FPGA電路板設計部分中，對FPGA電路的設計過程作了詳細的說明，其中著重介紹了采用了FBGA封裝的EP2C35芯片的電路設計要點，多層電路板設計要點，FPGA供電管腳的處理注意事項，FPGA芯片中PLL模塊的設計以及FPGA的配置方法，并給出了作者的設計思路。FPGA供電電源也是電路板設計的要點所在，文章中也著重對其進行了介紹，提及了FPGA電源設計指標要求及電壓功耗估計，并根據現有的FPGA電源解決方案提出了設計思路和方法。同時文章中對FPGA芯片外圍器件電路包括圖像采集顯示芯片電路、圖像存儲電路、USB2.0接口電路的設計做了相應的介紹。最終目的就是為基于FPGA的全景圖象處理搭建一個穩定運行的平臺。 在第四章中介紹了IC總線控制器的狀態機圖及信號說明和相應的仿真圖。 文章最后給出了FPGA硬件電路的調試結果，驗證了設計目的，為進一步的工作打下了良好的基礎。
上傳時間： 2013-04-24
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JPEG2000是由ISO/ITU-T組織下的IEC JTC1/SC29/WG1小組制定的下一代靜止圖像壓縮標準.與JPEG(Joint Photographic Experts Group)相比,JPEG2000能夠提供更好的數據壓縮比,并且提供了一些JPEG所不具有的功能[1].JPEG2000具有的多種特性使得它具有廣泛的應用前景.但是,JPEG2000是一個復雜編碼系統,目前為止的軟件實現方案的執行時間和所需的存儲量較大,若想將JPEG2000應用于實際中,有著較大的困難,而用硬件電路實現JPEG2000或者其中的某些模塊,必然能夠減少JPEG200的執行時間,因而具有重要的意義.本文首先簡單介紹了JPEG2000這一新的靜止圖像壓縮標準,然后對算術編碼的原理及實現算法進行了深入的研究,并重點探討了JPEG2000中算術編碼的硬件實現問題,給出了一種硬件最優化的算術編碼實現方案.最后使用硬件描述語言(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,VHDL)在寄存器傳輸級(Register Transfer Level,RTL描述了該硬件最優化的算術編碼實現方案,并以Altera 20K200E FPGA為基礎,在Active-HDL環境中進行了功能仿真,在Quartus Ⅱ集成開發環境下完成了綜合以及后仿真,綜合得到的最高工作時鐘頻率達45.81MHz.在相同的輸入條件下,輸出結果表明,本文設計的硬件算術編碼器與實現JPEG2000的軟件:Jasper[2]中的算術編碼模塊相比,處理時間縮短了30﹪左右.因而本文的研究對于JPEG2000應用于數字監控系統等實際應用有著重要的意義.
上傳時間： 2013-05-16
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隨著信息社會的發展，人們要處理的各種信息總量變得越來越大，尤其在處理大數據量與實時處理數據方面，對處理設備的要求是非常高的。為滿足這些要求，實時快速的各種CPU、處理板應運而生。這類CPU與板卡處理數據速度快，效率高，并且不斷的完善與發展。此類板卡要求與外部設備通訊，同時也要進行內部的數據交換，于是板卡的接口設備調試與內部數據交換也成為必須要完成的工作。本文所作的工作正是基于一種高速通用信號處理板的外部接口和內部數據通道的設計。 本文首先介紹了通用信號處理板的應用開發背景，包括此類板卡使用的處理芯片、板上設備、發展概況以及和外部相連的各種總線概況，同時說明了本人所作的主要工作。 其次，介紹了PCI接口的有關規范，給出了通用信號處理板與CPCI的J1口的設計時序；介紹了DDR存儲器的概況、電平標準以及功能寄存器，并給出了與DDR．存儲器接口的設計時序；介紹了片上主要數據處理器件TS-202的有關概況，設計了板卡與DSP的接口時序。 再次，介紹了Altera公司FPGA的程序設計流程，并使用VHDL語言編程完成各個模塊之間的數據傳遞，并重點介紹了DDR控制核的編寫。 再次，介紹了WDM驅動程序的結構，程序設計方法等。 最后，通過從工控機向通用信號處理板寫連續遞增的數據驗證了整個系統已經正常工作。實現了信號處理板內部數據通道設計以及與外部接口的通訊；并且還提到了對此設計以后地完善與發展。 本文所作的工作如下： 1、設計完成了處理板各接口時序，使處理板可以從接口接受/發送數據。 2、完成了FPGA內部的數據通道的設計，使數據可以從CPCI準確的傳送到DSP進行處理，并編寫了DSP的測試程序。 3、完成了DDR SDRAM控制核的VHDL程序編寫。 4、完成了PCI驅動程序的編寫。
上傳時間： 2013-06-30
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卷積碼是無線通信系統中廣泛使用的一種信道編碼方式。Viterbi譯碼算法是一種卷積碼的最大似然譯碼算法，它具有譯碼效率高、速度快等特點，被認為是卷積碼的最佳譯碼算法。本文的主要內容是在FPGA上實現約束長度為9，碼率為1/2，采用軟判決方式的Viterbi譯碼器。 本文首先介紹了卷積碼的基本概念，闡述了Viterbi算法的原理，重點討論了決定Viterbi算法復雜度和譯碼性能的關鍵因素，在此基礎上設計了采用“串-并”結合運算方式的Viterbi譯碼器，并在Altera EP1C20 FPGA芯片上測試通過。本文的主要工作如下： 1.對輸入數據采用了二比特四電平量化的軟判決方式，對歐氏距離的計算方法進行了簡化，以便于用硬件電路方式實現。 2.對ACS運算單元采用了“串-并”結合的運算方式，和全并行的設計相比，在滿足譯碼速度的同時，節約了芯片資源。本文中提出了一種路徑度量值存儲器的組織方式，簡化了控制模塊的邏輯電路，優化了系統的時序。 3.在幸存路徑的選擇輸出上采用了回溯譯碼方法，與傳統的寄存器交換法相比，減少了寄存器的使用，大大降低了功耗和設計的復雜度。 4.本文中設計了一個仿真平臺，采用Modelsim仿真器對設計進行了功能仿真，結果完全正確。同時提出了一種在被測設計內部插入監視器的調試方法，巧妙地利用了Matlab算法仿真程序的輸出結果，提高了追蹤錯誤的效率。 5.該設計在Altera EP1C20 FPGA芯片上通過測試，最大運行時鐘頻率110MHz，最大譯碼輸出速率10.3Mbps。 本文對譯碼器的綜合結果和Altera設計的Viterbi譯碼器IP核進行了性能比較，比較結果證明本文中設計的Viterbi譯碼器具有很高的工程實用價值。
上傳時間： 2013-07-23
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隨著SOC技術、IP技術以及集成電路技術的發展，RISC軟核處理器的研究與開發設計開始受到了人們的重視?；贔PGA的RISC軟核處理器在各個行業開始得到了廣泛的應用，特別是在一些基于FPGA的嵌入式系統中有著越來越廣泛的應用前景。 該論文在研究了大量國內外技術文獻的基礎上，總結了RISC處理器發展的現狀與水平。認真分析了RISC處理器的基本結構，包括總線結構，流水線處理的原理，以及流水線數據通路和流水線控制的原理；并詳細分析了該設計采用的指令集——MIPS指令集的內在結構。設計出了一個32位RISC軟核處理器，這個軟核處理器采用五級流水線結構，能完成加法、減法、邏輯與、邏輯或、左移右移等算術邏輯操作，以及它們的組合操作。通過軟件仿真和在Altera的FPGA開發板上進行驗證，證明了所設計的32位RISC處理器能準確的執行所選用的MIPS指令集，運行速度能達到30MHz，功能良好。 通過對所設計對象特點及其可行性的研究，選用了Altera公司QuartusⅡ軟件作為設計與仿真驗證的環境。在設計方法上，該課題采用了自頂向下的設計方法。在設計過程中采用了邊設計邊驗證這種設計與驗證相結合的設計流程，大大提高了設計的可靠性。該課題在設計過程中還提出了兩個有效的設計思路：第一是在32位寄存器的設計中利用FPGA的內部RAM資源來設計，減少了傳輸延時，提高了運行速度，并大大減少了對FPGA內部資源的占用；第二是在系統架構上采用了柔性化的設計方法，使得設計可以根據實際的需求適當的增減相應的部件，以達到需求與性能的統一。這兩個方法都有效地解決了設計中出現的問題，提高了處理器的性能。
上傳時間： 2013-07-21
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