可重構(gòu)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李瑞娟 陸大同

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.百色職業(yè)學(xué)院，廣西 百色 533000）

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（英文簡(jiǎn)稱 EDA，全稱為：Electronic Design Automation），它是一種集成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）等技術(shù)的設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)是對(duì)傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法、工具等進(jìn)行徹底的變革與創(chuàng)新的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)推動(dòng)了EDA的快速發(fā)展。作為一種設(shè)計(jì)平臺(tái)，EDA具有良好的通用性，設(shè)計(jì)者可以在EDA軟件平臺(tái)上，利用硬件描述語言VHDL完成項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)工作，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯和化簡(jiǎn)任務(wù)，最后實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的優(yōu)化、布局和仿真。EDA技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域是一個(gè)革新的突破，通過EDA的應(yīng)用使得電路設(shè)計(jì)的效率和可操作性得到提高，大大減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

開展EDA實(shí)驗(yàn)對(duì)提高使用者理解EDA設(shè)計(jì)的原理和方法、提高EDA應(yīng)用技術(shù)有著十分重要的輔助作用。然而，目前人們?cè)陂_展各種實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，隨著人們需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)種類不一樣，所需要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也完全不同。具體而言，主要分三類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別是基于單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、基于DSP的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和基于FPGA的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這三類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)側(cè)重點(diǎn)各不相同：基于單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更多的是為用戶提供綜合性的計(jì)算和控制資源，使得用戶理解和掌握微控制器的運(yùn)行原理和能夠完成的基本的控制功能。基于DSP的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更多地是為用戶提供高性能的計(jì)算服務(wù)，使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)諸如圖像處理、高性能計(jì)算等一些典型的應(yīng)用服務(wù)。而基于FPGA的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求靈活地開發(fā)各種組合或者時(shí)序邏輯電路，完成特定的應(yīng)用需求。然而，在這三類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，其完成的功能和平臺(tái)結(jié)構(gòu)有很大的相似性。為了提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的利用率，可以利用單片可編程邏輯器件強(qiáng)大而豐富的計(jì)算資源和控制資源，開發(fā)設(shè)計(jì)可重構(gòu)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以滿足用戶對(duì)這三類不同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用需求。

1 平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述的實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)如圖 1所示的可重構(gòu)EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中包含兩片F(xiàn)PGA芯片分別充當(dāng)主處理器和從處理器的功能，在FPGA芯片外圍包括由存儲(chǔ)芯片、兩片配置存儲(chǔ)芯片、線號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、LCD接口、LED接口、鍵盤接口、鼠標(biāo)接口、RS232接口、I2C接口、SPI接口、網(wǎng)線接口、A/D轉(zhuǎn)換芯片以及JTAG電源模塊[1]。

從圖1可看出，可重構(gòu)EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從各芯片和電路模塊的連接關(guān)系，首先主處理芯片和從處理芯片之間通過IO接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換，主 FPGA芯片主要完成可重構(gòu)EDACM平臺(tái)中的主要的計(jì)算和控制任務(wù)，從處理芯片主要完成各種接口信號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)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(chǔ)器A/D轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電路、LCD接口電路、LED接口、鍵盤接口、鼠標(biāo)接口、RS232接口、I2C接口、SPI接口和網(wǎng)線接口，除此之外JTAG接口和兩片配置存儲(chǔ)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F(xiàn)PGA芯片程序下載及更新提供數(shù)據(jù)訪問通道，兩片配置存儲(chǔ)芯片分別存儲(chǔ)主 FPGA芯片和從FPGA芯片的運(yùn)行程序。

主處理FPGA芯片在運(yùn)行過程中既可以使用FPGA內(nèi)部自帶的存儲(chǔ)區(qū)域，也可以通過主存儲(chǔ)器存放 FPGA運(yùn)行過程中所需要的存儲(chǔ)空間，因此主處理 FPGA芯片和主存儲(chǔ)器之間構(gòu)成一個(gè)最小的核心處理單元，其功能類似于嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的處理器和存儲(chǔ)器之間的關(guān)系。A / D轉(zhuǎn)換芯片為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能，能夠使該EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成一些需要對(duì)模擬信號(hào)采樣和處理的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用場(chǎng)合，擴(kuò)大了可重構(gòu)EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用范圍。從處理FPGA芯片連接的多種接口電路使得該EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠滿足不同的外圍接口電路模塊的連接和數(shù)據(jù)訪問等功能，為該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過重構(gòu)滿足多樣化的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用需求提供支持[2]。

圖1 可重構(gòu)EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 平臺(tái)工作流程

下面將結(jié)合EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作流程，介紹EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體工作流程及各功能模塊的作用。

第一，當(dāng)用戶需要開展電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過對(duì)可重構(gòu)EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中主處理FPGA芯片和從處理FPGA芯片的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和加載。主處理FPGA芯片完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的主體功能，從處理FPGA芯片則完成將主處理FPGA芯片計(jì)算得到的相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，傳輸至驅(qū)動(dòng)電路。而驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)收到的信號(hào)進(jìn)行放大之后，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)利用可重構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

第二，當(dāng)用戶需要使用可重構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成對(duì)LCD、LED等典型顯示設(shè)備進(jìn)行訪問和控制時(shí)，可以對(duì)可重構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的主處理FPGA芯片和從處理FPGA芯片分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，并加載所設(shè)計(jì)的程序，由主處理FPGA芯片完成對(duì)LCD、LED等顯示模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，分別傳輸至LCD和LED信號(hào)接口。其中，將信號(hào)傳輸?shù)絃ED信號(hào)接口時(shí)，其控制過程相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要將控制信號(hào)直接送到LED顯示燈的信號(hào)線上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED顯示燈的控制。而對(duì)LCD信號(hào)的控制則需要在從處理FPGA芯片上開發(fā)LCD的接口電路程序，通過可編程邏輯期間運(yùn)行接口電路程序，實(shí)現(xiàn)對(duì) LCD訪問接口協(xié)議和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD的訪問與控制[3]。

第三，當(dāng)用戶需要使用可重構(gòu)EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信實(shí)驗(yàn)時(shí)，由用戶開發(fā)和設(shè)計(jì)主處理 FPGA程序和從處理FPGA程序。其中，主處理FPGA程序完成數(shù)據(jù)通信中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及數(shù)據(jù)接收后的相關(guān)處理工作，而從處理FPGA芯片則完成數(shù)據(jù)接口格式及信號(hào)時(shí)序的轉(zhuǎn)換。通過 SPI數(shù)據(jù)總線協(xié)議，從 FPGA接口芯片將需要根據(jù)數(shù)據(jù)訪問協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)該數(shù)據(jù)通信訪問協(xié)議的模擬和實(shí)現(xiàn)，使得主FPGA芯片能夠按規(guī)定的數(shù)據(jù)訪問協(xié)議實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)訪問功能。

第四，當(dāng)用戶需要進(jìn)行圖像處理的綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以由用戶開發(fā)主處理FPGA程序，并加載至FPGA芯片中。根據(jù)運(yùn)算規(guī)模和計(jì)算任務(wù)的復(fù)雜程度，決定是否需要使用可重構(gòu)EDA主存儲(chǔ)器資源。如果用戶開發(fā)的圖像處理程序相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算復(fù)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(jì)算存儲(chǔ)空間，由FPGA中的可編程邏輯單元進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)。如果用戶需要完成的圖像處理程序相對(duì)較為復(fù)雜，需要較大規(guī)模的存儲(chǔ)空間進(jìn)行支持，則用戶設(shè)計(jì)的圖像處理程序可以將主存儲(chǔ)器中所提供的存儲(chǔ)資源作為訪問空間，最終實(shí)現(xiàn)圖像處理實(shí)驗(yàn)的各種計(jì)算要求。

第五，當(dāng)用戶需要使用該可重構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成溫度控制相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以由用戶設(shè)計(jì)主處理 FPGA程序和從處理FPGA程序，并分別加載至兩個(gè)FPGA芯片中，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片對(duì)目標(biāo)區(qū)域溫度進(jìn)行采樣，并將采樣得到的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并傳輸至主處理FPGA程序根據(jù)所收到的溫度數(shù)值進(jìn)行相關(guān)的控制預(yù)處理。得到的控制結(jié)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(zhuǎn)換，最終通過驅(qū)動(dòng)電路送至相關(guān)的控制單元，實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)控制目標(biāo)[4]。其中，主處理FPGA芯片和A/D芯片之間的連接關(guān)系原理關(guān)系如圖2所示。

圖2 FPGA與A/D芯片的連接原理圖

3 平臺(tái)性能分析

上述設(shè)計(jì)的可重構(gòu)EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)及所提供的功能，在性能方面相對(duì)于目前傳統(tǒng)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有更為廣泛的應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠通過對(duì)組重 FPGA芯片功能的重構(gòu)，使得該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用特點(diǎn)能夠分別滿足嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)合，極大地?cái)U(kuò)大了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用范圍。

（2）應(yīng)用上述設(shè)計(jì)的 EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠同時(shí)連接種類多樣的外圍電路模塊，為該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行多樣化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開設(shè)提供了良好的硬件支持。

（3）應(yīng)用上述設(shè)計(jì)的重構(gòu) EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠?qū)⒍喾N實(shí)驗(yàn)內(nèi)容合并在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練，極大地降低了用戶購買實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成本，提高了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用效率。

4 總結(jié)

目前，常見的EDA試驗(yàn)平臺(tái)往往是采用基于可編程邏輯器件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這種試驗(yàn)平臺(tái)其設(shè)計(jì)目的是為了實(shí)現(xiàn)一些常見的EDA實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證及訓(xùn)練功能，為用戶學(xué)習(xí)和掌握EDA程序編寫、調(diào)試及設(shè)計(jì)相關(guān)的模擬和訓(xùn)練環(huán)境，使得用戶理解EDA設(shè)計(jì)的基本原理，掌握EDA設(shè)計(jì)的基本方法和技巧。由于當(dāng)前EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在設(shè)計(jì)上主要是從EDA開發(fā)和設(shè)計(jì)所面臨的問題而提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)及訓(xùn)練環(huán)境，因此目前的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一般只適合于對(duì)可編程邏輯器件學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和研究使用。然而目前用戶在進(jìn)行EDA學(xué)習(xí)過程中往往也會(huì)涉及到嵌入式實(shí)驗(yàn)和圖線處理等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，而為了開展這些相關(guān)實(shí)驗(yàn)，用戶往往需要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來完成，其中嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更多的是強(qiáng)調(diào)為用戶提供豐富的外側(cè)接口和控制資源， 使得用戶能夠在這種平臺(tái)中完成一些復(fù)雜的控制實(shí)驗(yàn)的功能，而針對(duì)圖像處理的實(shí)驗(yàn)一般需要基于DSP的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使得用戶能夠開發(fā)及實(shí)現(xiàn)高效能的圖像處理程序，針對(duì)目前EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所能夠提供的功能相對(duì)單一，應(yīng)用范圍比較局限的情況，本文提出一種可重構(gòu)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，充分利用EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中FPGA可重構(gòu)的特性，針對(duì)用戶的不同需求將 FPGA進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)，使其在用戶不同的應(yīng)用場(chǎng)合中發(fā)揮不同的控制或計(jì)算作用，將EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)改造為具有嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等多種功能特性的可重構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

[1] 潘梅勇,李瑞娟.可重構(gòu)的 EDA 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[P].中國:CN203149961U, 2013-08-21.

[2] 黃力.高職嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與實(shí)踐研究[J].柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2010,10(1):81-84

[3] 潘梅勇,李瑞娟.基于ChipScope的EDA調(diào)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)[P].中國:CN203149572U,2013-08-21.