智能儀器課程設計

1、<p><b>　　智能儀器課程設計</b></p><p>　　題目：綜述四大類智能器件的原理、特點、技術指</p><p>　　標及應用方向，說明不同智能器件的選用</p><p><b>　　依據(jù)。</b></p><p><b>　　目 錄</b></

2、p><p>　　第1章 FPGA1</p><p>　　1.1 FPGA的簡介1</p><p>　　1.2 FPGA的工作原理1</p><p>　　1.3 FPGA的配置模式2</p><p>　　1.4 FPGA的應用3</p><p><b>　　第2章 DSP5<

3、;/b></p><p>　　2.1 DSP微處理器5</p><p>　　2.2 DSP的應用5</p><p><b>　　第3章 MCU7</b></p><p><b>　　第4章 ARM8</b></p><p>　　4.1 ARM的簡介8</

4、p><p>　　4.2 ARM的原理與特性8</p><p><b>　　FPGA</b></p><p><b>　　FPGA的簡介</b></p><p>　　FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程

5、器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。</p><p>　　目前以硬件描述語言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進行測試，是現(xiàn)代 IC 設計驗證的技術主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT

6、）或者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。</p><p>　　系統(tǒng)設計師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設計者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。 </p>

7、<p>　　FPGA一般來說比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無法完成復雜的設計，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設計的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設計轉移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復雜可編程邏輯器件備）。</p&

8、gt;<p><b>　　FPGA的工作原理</b></p><p>　　FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。FPGA的基本特點主要有： <

9、/p><p>　　1）采用FPGA設計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 </p><p>　　2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。 </p><p>　　3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。 </p><p>　　4）FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。 &l

10、t;/p><p>　　5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。 </p><p>　　可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 </p><p>　　FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 <

11、/p><p>　　加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復成白片，內(nèi)部邏輯關系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。<

12、;/p><p><b>　　FPGA的配置模式</b></p><p>　　FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設模式可以將FPGA作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。</p><p>　　如何實現(xiàn)快速的時序收斂、降低功

13、耗和成本、優(yōu)化時鐘管理并降低FPGA與PCB并行設計的復雜性等問題，一直是采用FPGA的系統(tǒng)設計工程師需要考慮的關鍵問題。如今，隨著FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向發(fā)展，系統(tǒng)設計工程師在從這些優(yōu)異性能獲益的同時，不得不面對由于FPGA前所未有的性能和能力水平而帶來的新的設計挑戰(zhàn)。 </p><p>　　例如，領先FPGA廠商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工藝，可提

14、供高達33萬個邏輯單元、1,200個I/O和大量硬IP塊。超大容量和密度使復雜的布線變得更加不可預測，由此帶來更嚴重的時序收斂問題。此外，針對不同應用而集成的更多數(shù)量的邏輯功能、DSP、嵌入式處理和接口模塊，也讓時鐘管理和電壓分配問題變得更加困難。 </p><p>　　幸運地是，F(xiàn)PGA廠商、EDA工具供應商正在通力合作解決65nm FPGA獨特的設計挑戰(zhàn)。不久以前，Synplicity與Xilinx宣布成立超

15、大容量時序收斂聯(lián)合工作小組，旨在最大程度幫助地系統(tǒng)設計工程師以更快、更高效的方式應用65nm FPGA器件。設計軟件供應商Magma推出的綜合工具Blast FPGA能幫助建立優(yōu)化的布局，加快時序的收斂。</p><p>　　最近FPGA的配置方式已經(jīng)多元化！</p><p><b>　　FPGA的應用</b></p><p>　　FPGA的應

16、用可分為三個層面：電路設計，產(chǎn)品設計，系統(tǒng)設計：１．電路設計中FPGA的應用</p><p>　　連接邏輯，控制邏輯是FPGA早期發(fā)揮作用比較大的領域也是FPGA應用的基石．事實上在電路設計中應用FPGA的難度還是比較大的這要求開發(fā)者要具備相應的硬件知識（電路知識）和軟件應用能力（開發(fā)工具）這方面的人才總是緊缺的，往往都從事新技術，新產(chǎn)品的開發(fā)成功的產(chǎn)品將變成市場主流基礎產(chǎn)品供產(chǎn)品設計者應用在不遠的將來，通用和專

17、用IP的設計將成為一個熱門行業(yè)！搞電路設計的前提是必須要具備一定的硬件知識．在這個層面，干重于學，當然，快速入門是很重要的，越好的位子越不等人電路開發(fā)是黃金飯碗． </p><p><b>　?。玻a(chǎn)品設計</b></p><p>　　把相對成熟的技術應用到某些特定領域如通訊，視頻，信息處理等等開發(fā)出滿足行業(yè)需要并能被行業(yè)客戶接受的產(chǎn)品這方面主要是FPGA技術和專業(yè)技

18、術的結合問題，另外還有就是與專業(yè)客戶的界面問題產(chǎn)品設計還包括專業(yè)工具類產(chǎn)品及民用產(chǎn)品，前者重點在性能，后者對價格敏感產(chǎn)品設計以實現(xiàn)產(chǎn)品功能為主要目的，F(xiàn)PGA技術是一個實現(xiàn)手段在這個領域，F(xiàn)PGA因為具備接口，控制，功能IP，內(nèi)嵌CPU等特點有條件實現(xiàn)一個構造簡單，固化程度高，功能全面的系統(tǒng)產(chǎn)品設計將是FPGA技術應用最廣大的市場，具有極大的爆發(fā)性的需求空間產(chǎn)品設計對技術人員的要求比較高，路途也比較漫長不過現(xiàn)在整個行業(yè)正處在組建＂首發(fā)團

19、隊＂的狀態(tài)，只要加入，前途光明產(chǎn)品設計是一種職業(yè)發(fā)展方向定位，不是簡單的愛好就能做到的！產(chǎn)品設計領域會造就大量的企業(yè)和企業(yè)家，是一個近期的發(fā)展熱點和機遇</p><p><b>　?。常到y(tǒng)級應用</b></p><p>　　系統(tǒng)級的應用是FPGA與傳統(tǒng)的計算機技術結合，實現(xiàn)一種FPGA版的計算機系統(tǒng)如用Xilinx　V-4, V-5系列的FPGA，實現(xiàn)內(nèi)嵌POWER

20、　PC　CPU, 然后再配合各種外圍功能，實現(xiàn)一個基本環(huán)境，在這個平臺上跑LINIX等系統(tǒng)這個系統(tǒng)也就支持各種標準外設和功能接口（如圖象接口）了這對于快速構成FPGA大型系統(tǒng)來講是很有幫助的。這種＂山寨＂味很濃的系統(tǒng)早期優(yōu)勢不一定很明顯，類似ARM系統(tǒng)的境況但若能慢慢發(fā)揮出FPGA的優(yōu)勢，逐漸實現(xiàn)一些特色系統(tǒng)也是一種發(fā)展方向。若在系統(tǒng)級應用中，開發(fā)人員不具備系統(tǒng)的擴充開發(fā)能力，只是搞搞編程是沒什么意義的，當然設備驅動程序的開發(fā)是另一種情

21、況，搞系統(tǒng)級應用看似起點高，但不具備深層開發(fā)能力，很可能會變成愛好者，就如很多人會做網(wǎng)頁但不能稱做會編程類似以上是幾點個人開發(fā)，希望能幫助想學FPGA但很茫然無措的人理一理思路。這是一個不錯的行業(yè)，有很好的個人成功機會。但也肯定是一個競爭很激烈的行業(yè)，關鍵看的就是速度和深度當然還有市場適應能力。</p><p><b>　　DSP</b></p><p><b&

22、gt;　　DSP微處理器</b></p><p>　　DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是

23、數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。 </p><p>　　DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點： </p><p>　?。?）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； </p&g

24、t;<p>　　（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； </p><p>　?。?）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問； </p><p>　?。?）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持； </p><p>　?。?）快速的中斷處理和硬件I/O支持； </p><p>　?。?）具有在單周

25、期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器； </p><p>　　（7）可以并行執(zhí)行多個操作； </p><p>　　（8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 </p><p>　　當然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。</p><p><b>　　DSP的應用</b></p>

26、<p>　　DSP應用的快速發(fā)展為數(shù)字信息產(chǎn)品帶來廣闊的發(fā)展空間，并將支持通信、計算機和消費類電子產(chǎn)品的數(shù)字化融合。在無線領域，DSP遍及無線交換設備、基站、手持終端和網(wǎng)絡領域，并涵蓋從骨干基礎設施到寬帶入戶的設備，包括VoIP網(wǎng)關和IP電話、DSL和Cable Modem等。面向群體應用，DSP在媒體網(wǎng)關、視頻監(jiān)控、專業(yè)音響、數(shù)字廣播、激光打印等應用中表現(xiàn)出色；面向個人應用，DSP在便攜式數(shù)字音頻和影像播放器、指紋識別和

27、語音識別等應用中表現(xiàn)不俗；針對嵌入式數(shù)字控制應用，DSP極大地滿足了工業(yè)界的需求，如數(shù)字變頻電力電源設備、工業(yè)縫紉機等；DSP也極大地滿足了消費電子的需求，如空調(diào)、冰箱、洗衣機等。</p><p>　　語音處理：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、語音郵件、語音儲存等。</p><p>　　圖像/圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識別、動畫、機器人視覺、多媒體、電子地圖、圖

28、像增強等。</p><p>　　軍事；保密通信、雷達處理、聲吶處理、導航、全球定位、跳頻電臺、搜索和反搜索等。</p><p>　　儀器儀表：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、地震處理等。</p><p>　　自動控制：控制、深空作業(yè)、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等。</p><p>　　醫(yī)療：助聽、超聲設備、診斷工具、病人監(jiān)護、心電圖等。&l

29、t;/p><p>　　家用電器：數(shù)字音響、數(shù)字電視、可視電話、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲等。</p><p>　　CT：計算機X射線斷層攝影裝置。（其中發(fā)明頭顱CT英國EMI公司的豪斯菲爾德獲諾貝爾獎。）</p><p><b>　　MCU</b></p><p>　　MCU(Micro Control Unit)中文名

30、稱為微控制單元，又稱單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)或者單片機，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制。</p><p>　　MCU按其存儲器類型可分為MASK(掩模)ROM、OTP(一次性可編程)ROM、FLASHROM等類型。MASKROM的MCU價

31、格便宜，但程序在出廠時已經(jīng)固化，適合程序固定不變的應用場合；FALSHROM的MCU程序可以反復擦寫，靈活性很強，但價格較高，適合對價格不敏感的應用場合或做開發(fā)用途；OTPROM的MCU價格介于前兩者之間，同時又擁有一次性可編程能力，適合既要求一定靈活性，又要求低成本的應用場合，尤其是功能不斷翻新、需要迅速量產(chǎn)的電子產(chǎn)品。 </p><p>　　由于制程的改進，8位MCU與4位MCU價差相去無幾，8位已漸成為市場

32、主流；目前4位MCU大部份應用在計算器、車用儀表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD播放器、LED驅動控制器、LCD游戲機、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計、溫濕度計、遙控器及傻瓜相機等；8位MCU大部份應用在電表、馬達控制器、電動玩具機、變頻式冷氣機、呼叫器、傳真機、來電辨識器（CallerID）、電話錄音機、CRT顯示器、鍵盤及USB等；16位MCU大部份應用在行動電話、數(shù)字相機及攝錄放影機等；32位MCU大部份應用在Modem、G

33、PS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN電話、激光打印機與彩色傳真機；64位MCU大部份應用在高階工作站、多媒體互動系統(tǒng)、高級電視游樂器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy）及高級終端機等。</p><p>　　多元處理單元 (MCU)</p><p>　　MCU是視頻會議系統(tǒng)的核心部分，為用戶提供群組會議、多組會議的

34、連接服務。目前主流廠商的MCU一般可以提供單機多達32個用戶的接入服務，并且可以進行級聯(lián)，可以基本滿足用戶的使用要求。MCU的使用和管理不應該太復雜，要使客戶方技術部甚至行政部的一般員工能夠操作。</p><p><b>　　ARM</b></p><p><b>　　ARM的簡介</b></p><p>　　ARM 即A

35、dvanced RISC Machines的縮寫,既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。</p><p>　　ARM處理器本身是32位設計，但也配備16位指令集。一般來講存儲器比等價32位代碼節(jié)省達35％，然而保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢。ARM的Jazelle技術使Java加速得到比基于軟件的Java虛擬機(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗

36、降低80％。CPU功能上增加DSP指令集提供增強的16位和32位算術運算能力，提高了性能和靈活性。ARM還提供兩個前沿特性來輔助帶深嵌入處理器的高集成SoC器件的調(diào)試，它們是嵌入式ICE-RT邏輯和嵌入式跟蹤宏核(ETMS)系列。</p><p><b>　　ARM的原理與特性</b></p><p>　　ARM處理器的三大特點是：耗電少功能強、16位/32位雙指令集

37、和眾多合作伙伴。</p><p>　　ARM架構包含了下述RISC特性：</p><p>　　讀取／儲存 架構不支援地址不對齊內(nèi)存存?。ˋRMv6內(nèi)核現(xiàn)已支援）正交指令集（任意存取指令可以任意的尋址方式存取數(shù)據(jù)Orthogonal instruction set）大量的16 × 32-bit 寄存器陣列（register file）固定的32 bits 操作碼（opcode）長度

38、，降低編碼數(shù)量所產(chǎn)生的耗費，減輕解碼和流水線化的負擔。大多均為一個CPU周期執(zhí)行。為了補強這種簡單的設計方式，相較于同時期的處理器如Intel 80286和Motorola 68020，還多加了一些特殊設計：</p><p>　　大部分指令可以條件式地執(zhí)行，降低在分支時產(chǎn)生的負重，彌補分支預測器（branch predictor）的不足。算數(shù)指令只會在要求時更改條件編碼（condition code）32-bit

39、筒型位移器（barrel shifter）可用來執(zhí)行大部分的算數(shù)指令和尋址計算而不會損失效能強大的索引尋址模式（addressing mode）精簡但快速的雙優(yōu)先級中斷子系統(tǒng)，具有可切換的暫存器組有個附加在ARM設計中好玩的東西，就是使用一個4-bit&nbsp;條件編碼&nbsp;在每個指令前頭，表示每支指令的執(zhí)行是否為有條件式的</p><p>　　這大大的減低了在內(nèi)存存取指令時用到的編碼位，

40、換句話說，它避免在對小型敘述如if做分支指令。</p><p>　　ARM處理器還有一些在其他RISC的架構所不常見到的特色，例如PC-相對尋址（的確在ARM上PC為16個暫存器的其中一個）以及 前遞加或后遞加的尋址模式。</p><p>　　另外一些注意事項是 ARM 處理器會隨著時間，不斷地增加它的指令集。某些早期的 ARM 處理器（比ARM7TDMI更早），譬如可能并未具備指令可以讀

41、取兩 Bytes 的數(shù)量，因此，嚴格來講，對這些處理器產(chǎn)生程式碼時，就不可能處理如 C 語言物件中使用 "volatile short" 的資料型態(tài)。</p><p>　　ARM7 和大多數(shù)較早的設計具備三階段的流水線化（Pipeline）：提取指令、解碼，并執(zhí)行。較高效能的設計，如 ARM9，則有五階段的流水線化。提高效能的額外方式，包含一顆較快的加法器，和更廣的分支預測邏輯線路。</

42、p><p>　　這個架構使用“協(xié)處理器”提供一種非侵入式的方法來延伸指令集，可透過軟件下 MCR、MRC、MRRC和MCRR 等指令來對協(xié)處理器尋址。協(xié)處理器空間邏輯上通常分成16個協(xié)處理器，編號分別從 0 至 15 ，而第15號協(xié)處理器（CP15）是保留用作某些常用的控制功能，像是使用高速緩存和記憶管理單元運算（若包含于處理器時）。</p><p>　　在ARM 架構的機器中，周邊裝置連接處

43、理器的方式，通常透過將裝置的實體暫存器對應到 ARM 的內(nèi)存空間、協(xié)處理器空間，或是連接到另外依序接上處理器的裝置（如總線）。協(xié)處理器的存取延遲較低，所以有些周邊裝置（例如&nbsp;XScale&nbsp;中斷控制器）會設計成可透過不同方式存取（透過內(nèi)存和協(xié)處理器）。</p><p>　　僅“同等學歷”的同學需要寫這個。什么是“同等學歷”？我也不懂。</p><p>　　

44、千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。不要在此行和下頁的注釋之間填寫任何內(nèi)容</p><p>　　下面的內(nèi)容是參考文獻，通過“插入”“引用”“腳注和尾注”，插入尾注到“文檔結尾”后，word會自動生成序號。雙擊序號能自動定位。移動引用位置會自動重新編號。還可以插入“交叉引用”，實現(xiàn)對一篇文獻的多次引用。</p><p>　　因為本人能力所限，不能將其自動放入前面的“參考文獻”章節(jié)內(nèi)，也