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可扩展FPGA片上系统的研究与设计

黄旺华  
【摘要】: 本文主要完成了基于WISHBONE总线可扩展FPGA片上系统的设计,该系统可以根据需求方便灵活地进行系统扩展。设计采用硬件描述语言Verilog进行描述,并在Xilinx公司的FPGA芯片上通过验证。 论文首先简单介绍了片上系统的发展过程,并分析了FPGA片上系统设计现存的主要问题,特别是片上总线问题和可复用设计问题。 论文首先分析了单片机应用系统的可扩展问题,并提出了基于FPGA的解决方案。然后简单介绍了无线传感器节点,并采用WISHBONE片上总线架构设计了一种基于FPGA的易扩展的无线传感器片上系统,该系统由一个8位的MCU IP核和多个外设控制器IP核组成,系统支持扩展多达16个不同接口类型的外部设备。 片上总线,是连接IP核构造成SoC的关键,同时也是可复用IP核的基础。本文介绍了目前常用的片上总线,并着重分析了WISHBONE总线,WISHBONE总线是一种简单、灵活的片上总线,非常适用于普通片上系统的开发。其只规范了IP核的接口标准,对IP核内部没有任何要求,接口实现占用资源少,并且可以自定义仲裁。可支持多种互连方式,包括有点对点、数据流、共享总线和交叉开关。 IP核复用是片上系统设计的前提,本论文按照规范的设计规则和设计流程设计了常用的数字处理IP核,包括与PIC16C5X指令相兼容的8位MCU、GPIO-WISHBONE接口、ⅡC-WISHBONE接口、ISP-WISHBONE接口和URAT-WISHBONE接口。 本论文所设计的8位MCU IP核实现了美国Microchip公司的PIC16C5X系列的33条指令集。通过对指令的分析,设计了一种基于FPGA的体系结构。在同一的模块实现和解决了系统中时钟和复位信号的同步问题;同时着重分析了跳转指令的实现和片内存储器的实现,跳转指令特别是条件跳转指令首先要进行条件判断,根据判断情况作出不同的操作选择;片内存器充分利用了XILINX ISE开发工具所提供的RAM模块,该模块支持XILINX FPGA芯片中的块状RAM。最后以WISHBONE总线接口标准对MCU IP的三组I/O进行了划分。 论文最后采用共享总线的连接方式,设计总线控制器,并将各IP核集成为一个片上系统。 论文中所涉及到的设计,无论是单IP核还是集成后的片上系统,都经过了综合优化、时序分析、功能仿真等,结果分析表明IP核和SOC均达到了设计目的。


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