可重構電子設計自動化平臺的設計與實現

李瑞娟 陸大同

（1.柳州職業技術學院，廣西 柳州 545006；2.百色職業學院，廣西 百色 533000）

電子設計自動化（英文簡稱 EDA，全稱為：Electronic Design Automation），它是一種集成計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）等技術的設計平臺。該平臺是對傳統的電子設計方法、工具等進行徹底的變革與創新的產物，它的出現推動了EDA的快速發展。作為一種設計平臺，EDA具有良好的通用性，設計者可以在EDA軟件平臺上，利用硬件描述語言VHDL完成項目的整體設計工作，通過計算機自動地完成邏輯編譯和化簡任務，最后實現項目的優化、布局和仿真。EDA技術的出現，對電子設計領域是一個革新的突破，通過EDA的應用使得電路設計的效率和可操作性得到提高，大大減輕了設計者的勞動強度。

開展EDA實驗對提高使用者理解EDA設計的原理和方法、提高EDA應用技術有著十分重要的輔助作用。然而，目前人們在開展各種實驗的過程中發現，隨著人們需要進行的實驗內容和實驗種類不一樣，所需要的實驗平臺也完全不同。具體而言，主要分三類實驗平臺，分別是基于單片機的實驗平臺、基于DSP的實驗平臺和基于FPGA的實驗平臺。這三類實驗平臺側重點各不相同：基于單片機的實驗平臺更多的是為用戶提供綜合性的計算和控制資源，使得用戶理解和掌握微控制器的運行原理和能夠完成的基本的控制功能。基于DSP的實驗平臺更多地是為用戶提供高性能的計算服務，使用戶能夠實現諸如圖像處理、高性能計算等一些典型的應用服務。而基于FPGA的實驗平臺則主要為用戶提供豐富的可編程邏輯資源，使用戶能夠根據實際的應用需求靈活地開發各種組合或者時序邏輯電路，完成特定的應用需求。然而，在這三類實驗平臺中，其完成的功能和平臺結構有很大的相似性。為了提高實驗平臺的利用率，可以利用單片可編程邏輯器件強大而豐富的計算資源和控制資源，開發設計可重構的EDA實驗平臺，以滿足用戶對這三類不同的實驗平臺的應用需求。

1 平臺組成結構

根據上述的實際情況，本文設計如圖 1所示的可重構EDA實驗平臺，在該實驗平臺中包含兩片FPGA芯片分別充當主處理器和從處理器的功能，在FPGA芯片外圍包括由存儲芯片、兩片配置存儲芯片、線號驅動電路、LCD接口、LED接口、鍵盤接口、鼠標接口、RS232接口、I2C接口、SPI接口、網線接口、A/D轉換芯片以及JTAG電源模塊[1]。

從圖1可看出，可重構EDA實驗平臺從各芯片和電路模塊的連接關系，首先主處理芯片和從處理芯片之間通過IO接口實現數據的傳輸和交換，主 FPGA芯片主要完成可重構EDACM平臺中的主要的計算和控制任務，從處理芯片主要完成各種接口信號的數據結構格式轉換及數據鎖存等功能，因此在硬件連線上主處理FPGA芯片分別連接主存儲器A/D轉換芯片、從處理FPGA芯片。

而從處理FPGA芯片連接的功能模塊包括有驅動電路、LCD接口電路、LED接口、鍵盤接口、鼠標接口、RS232接口、I2C接口、SPI接口和網線接口，除此之外JTAG接口和兩片配置存儲芯片分別連接主處理 FPGA芯片和從處理FPGA芯片。JTAG接口為兩片FPGA芯片程序下載及更新提供數據訪問通道，兩片配置存儲芯片分別存儲主 FPGA芯片和從FPGA芯片的運行程序。

主處理FPGA芯片在運行過程中既可以使用FPGA內部自帶的存儲區域，也可以通過主存儲器存放 FPGA運行過程中所需要的存儲空間，因此主處理 FPGA芯片和主存儲器之間構成一個最小的核心處理單元，其功能類似于嵌入式實驗平臺中的處理器和存儲器之間的關系。A / D轉換芯片為實驗平臺提供模擬信號向數字信號轉換的功能，能夠使該EDA實驗平臺完成一些需要對模擬信號采樣和處理的實驗應用場合，擴大了可重構EDA實驗平臺的應用范圍。從處理FPGA芯片連接的多種接口電路使得該EDA實驗平臺能夠滿足不同的外圍接口電路模塊的連接和數據訪問等功能，為該實驗平臺通過重構滿足多樣化的實驗應用需求提供支持[2]。

圖1 可重構EDA實驗平臺內部結構圖

2 平臺工作流程

下面將結合EDA實驗平臺的工作流程，介紹EDA實驗平臺的整體工作流程及各功能模塊的作用。

第一，當用戶需要開展電機驅動實驗時，可以通過對可重構EDA實驗平臺中主處理FPGA芯片和從處理FPGA芯片的程序進行設計和加載。主處理FPGA芯片完成電機驅動控制的主體功能，從處理FPGA芯片則完成將主處理FPGA芯片計算得到的相關控制參數進行格式轉換，傳輸至驅動電路。而驅動電路根據收到的信號進行放大之后，對驅動電機進行控制，從而實現利用可重構實驗平臺完成電機驅動的實驗內容。

第二，當用戶需要使用可重構實驗平臺完成對LCD、LED等典型顯示設備進行訪問和控制時，可以對可重構實驗平臺中的主處理FPGA芯片和從處理FPGA芯片分別進行設計，并加載所設計的程序，由主處理FPGA芯片完成對LCD、LED等顯示模塊的相關數據處理和控制的功能。從處理FPGA芯片則完成從主處理FPGA芯片接收的數據進行格式轉換，分別傳輸至LCD和LED信號接口。其中，將信號傳輸到LED信號接口時，其控制過程相對簡單，只需要將控制信號直接送到LED顯示燈的信號線上即可實現對LED顯示燈的控制。而對LCD信號的控制則需要在從處理FPGA芯片上開發LCD的接口電路程序，通過可編程邏輯期間運行接口電路程序，實現對 LCD訪問接口協議和數據格式的轉換，從而實現對LCD的訪問與控制[3]。

第三，當用戶需要使用可重構EDA實驗平臺進行數據通信實驗時，由用戶開發和設計主處理 FPGA程序和從處理FPGA程序。其中，主處理FPGA程序完成數據通信中的數據準備及數據接收后的相關處理工作，而從處理FPGA芯片則完成數據接口格式及信號時序的轉換。通過 SPI數據總線協議，從 FPGA接口芯片將需要根據數據訪問協議實現對該數據通信訪問協議的模擬和實現，使得主FPGA芯片能夠按規定的數據訪問協議實現相應的數據訪問功能。

第四，當用戶需要進行圖像處理的綜合實驗時，可以由用戶開發主處理FPGA程序，并加載至FPGA芯片中。根據運算規模和計算任務的復雜程度，決定是否需要使用可重構EDA主存儲器資源。如果用戶開發的圖像處理程序相對簡單，計算復雜度不高，則該圖像處理程序完全在FPGA中完成。其所需要的計算存儲空間，由FPGA中的可編程邏輯單元進行模擬實現。如果用戶需要完成的圖像處理程序相對較為復雜，需要較大規模的存儲空間進行支持，則用戶設計的圖像處理程序可以將主存儲器中所提供的存儲資源作為訪問空間，最終實現圖像處理實驗的各種計算要求。

第五，當用戶需要使用該可重構實驗平臺完成溫度控制相關實驗時，可以由用戶設計主處理 FPGA程序和從處理FPGA程序，并分別加載至兩個FPGA芯片中，通過A/D轉換芯片對目標區域溫度進行采樣，并將采樣得到的結果進行數據轉換，并傳輸至主處理FPGA程序根據所收到的溫度數值進行相關的控制預處理。得到的控制結果傳輸至從處理FPGA芯片，由從處理FPGA芯片按照一定的格式轉換，最終通過驅動電路送至相關的控制單元，實現溫度的連續控制目標[4]。其中，主處理FPGA芯片和A/D芯片之間的連接關系原理關系如圖2所示。

圖2 FPGA與A/D芯片的連接原理圖

3 平臺性能分析

上述設計的可重構EDA實驗平臺的組成結構及所提供的功能，在性能方面相對于目前傳統的EDA實驗平臺具有以下優勢：

（1）實驗平臺具有更為廣泛的應用范圍。實驗平臺能夠通過對組重 FPGA芯片功能的重構，使得該實驗平臺應用特點能夠分別滿足嵌入式實驗平臺、DSP實驗平臺和FPGA實驗平臺的應用場合，極大地擴大了實驗平臺的應用范圍。

（2）應用上述設計的 EDA實驗平臺能夠同時連接種類多樣的外圍電路模塊，為該實驗平臺進行多樣化的實驗內容開設提供了良好的硬件支持。

（3）應用上述設計的重構 EDA實驗平臺，能夠將多種實驗內容合并在一個實驗平臺上進行實驗和訓練，極大地降低了用戶購買實驗平臺的成本，提高了實驗平臺的應用效率。

4 總結

目前，常見的EDA試驗平臺往往是采用基于可編程邏輯器件設計的實驗平臺，這種試驗平臺其設計目的是為了實現一些常見的EDA實驗的驗證及訓練功能，為用戶學習和掌握EDA程序編寫、調試及設計相關的模擬和訓練環境，使得用戶理解EDA設計的基本原理，掌握EDA設計的基本方法和技巧。由于當前EDA實驗平臺在設計上主要是從EDA開發和設計所面臨的問題而提供相應的實驗及訓練環境，因此目前的EDA實驗平臺一般只適合于對可編程邏輯器件學習、訓練和研究使用。然而目前用戶在進行EDA學習過程中往往也會涉及到嵌入式實驗和圖線處理等相關的實驗和應用，而為了開展這些相關實驗，用戶往往需要實驗平臺來完成，其中嵌入式實驗平臺更多的是強調為用戶提供豐富的外側接口和控制資源， 使得用戶能夠在這種平臺中完成一些復雜的控制實驗的功能，而針對圖像處理的實驗一般需要基于DSP的實驗平臺，使得用戶能夠開發及實現高效能的圖像處理程序，針對目前EDA實驗平臺所能夠提供的功能相對單一，應用范圍比較局限的情況，本文提出一種可重構的EDA實驗平臺，充分利用EDA實驗平臺中FPGA可重構的特性，針對用戶的不同需求將 FPGA進行重構設計，使其在用戶不同的應用場合中發揮不同的控制或計算作用，將EDA實驗平臺改造為具有嵌入式實驗平臺、DSP實驗平臺等多種功能特性的可重構實驗平臺。

[1] 潘梅勇,李瑞娟.可重構的 EDA 實驗平臺[P].中國:CN203149961U, 2013-08-21.

[2] 黃力.高職嵌入式系統教學與實踐研究[J].柳州職業技術學院學報.2010,10(1):81-84

[3] 潘梅勇,李瑞娟.基于ChipScope的EDA調試過程輔助分析裝置[P].中國:CN203149573U,2013-08-21.

[4] 潘梅勇,李瑞娟.基于FPGA芯片的EDA綜合實驗平臺[P].中國:CN203149572U,2013-08-21.