大学学士学位论文基于NiosII系统的MP3播放器的设计 精品Word下载.docx

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NiosII；

MP3；

软硬件协同设计；

NiosIISystemBasedontheDesignofMP3Players

Abstract

Inrecentyears,digitalelectronicproductsrenewveryfast.Fromtheoriginaldiscretecomponentstothecurrentintegratedchips,theseproductsshowinguswithmuchpowerfulfunctionswhiledecreasingtheirsizes.Theyprovidesusagreathelpfordailylife.

Sopc（SystemonaprogrammableChip）isaflexibleandefficientSOCsolutionproposedbyAlteraCorporation.Itputmodulesthatarenecessarylikeprocessor,memory,input/outputinterface,LVDSandCDRtogetherintoaPLDdevice.Asaresult,thesystemcanbecut、expand、upgradedatourwill,hardwareandsoftwareareprogrammablein-systematthesametime.

ThispaperpresentsaNiosIIprocessor-basedMP3Players,thesystemisbasedonAltera'

sDE2developmentplatformusingtheSDcardontheboardasstoreequipmenttoachievefunctionslikeMP3playing,txtfilereadingandLCDdisplaying.

HardwaredesigniscompletedinSopcBuilder,Throughaddingtheprocessor、memoryandotherIPcoresoftheperipheralstotheirowncustomizedSOPCcontrolsystem,generatingaNiosIIsoft-coresystemsofcustomizedcompletely.CombinedwithQuartusIIEDAtools,wecanpreciselymeetthedemandofthecustomizedsystemafterdownloadthecoreintotheFPGAchips.ThedesignofthesoftwarepartwascompletedintheNiosIIIDEenvironment,andfunctionslikereadingtheTXTandMP3filesstoredintheSDcard,LCDdisplaying,MP3musicplayingandbuttonscontrollingcanbeachieved.AllofthiscanbeprogrammedbyC.

ThisthesisEmphasizeonthefollowingkeytechniquesinhardware/softwareco-design,itistheintegrationofspecification,synthesisandsimulationofhardwareandsoftwarewithunifieddesigntools.Byusinghardware/softwareco-design,thedesigncyclecanbeshortenedanddesignefficiencycanbeimproved.Ontheotherhand,designerscanchoosehardwareorsoftwareimplicationmethodforsystemfunctionsaccordingthecharacteristicoffunctionandthedesignconstraints,inordertoachievehighperformance,lowcostdesign.

ThroughapplyingtheSOPCdesignconceptintotheprocessofdesigningdigitalproducts,periodofthedevelopmentprocesscanbeshortened.Needsoftheupgradingtechnologycanbemetatthesametime.It'

sveryimportanttoapplytheadvancedNIOSsoft-coreintoelectroniccircuitdesign,whichcanhelpustounderstandandmasterthiskindoftechnology.

Keywords　SOPC（SystemonaProgrammableChip）;

NiosII;

MP3;

Hardware/softwareCo-design

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摘要

Abstract

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第1章绪论

1.1课题背景

随着时代的发展、科技的进步，各种电子产品已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分，我们的日常生活、工作及学习方式也因此发生了极大的改变。

各式各样的数码产品，它们不仅体积小巧，而且功能强大，这些产品在我们的生活中扮演着重要的角色，因为它们丰富并改善着我们的生活。

由于核心器件及一些知识产权的成本居高不下，一些电子产品的售价让消费者望而生畏。

由于目前各种技术更新很快，开发商唯有跟上时代，不断更新自己的产品，才能满足消费者更高的需求，在竞争中求得生存。

传统器件及设计中的诸多缺陷很难适应当前的需要，如何在短时间内开发出满足需求的产品，是当前亟待解决的难题。

1.1.1可编程片上系统

当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。

数字集成电路本身在不断地进行更新换代。

它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路（VLSIC，几万门以上）以及许多具有特定功能的专用集成电路。

但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。

系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。

现场可编程门阵列（FPGA）是一种半导体器件，可以在制造完成后进行编程。

FPGA硬件功能不是预先确定好的，而是支持您对产品特性和功能进行编程，以适应新标准，即使产品已经在现场使用了，也可以针对某些应用重新配置硬件。

可以使用FPGA来实现专用集成电路（ASIC）完成的任何逻辑功能，而且在产品发售后也能够对功能进行更新，在很多应用中都具有一定优势。

FPGA是一类高集成度的可编程逻辑器件，起源于美国的Xilinx公司，该公司于1985年推出了世界上第一块FPGA芯片。

在这二十多年的发展过程中，FPGA的硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善，日趋成熟。

从最初的1200个可用门，90年代时几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片，Xilinx、Altera等世界顶级厂商已经将FPGA器件的集成度提高到一个新的水平。

IP（IntellectualProperty）是指可用来生成ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）和PLD（ProgrammableLogicDevice）的逻辑功能块，又称为IP核（IPCore）及虚拟器件VC。

根据IP核描述的所在集成电路的设计层次，或者说根据核优化的程度，IP可分为硬IP、软IP和固核IP。

硬IP所有的验证和仿真工作都已完成，用它可以直接产生硅片，系统设计者不能再对它进行修改。

而软IP，是以行为级或RTL级的Verilog或VHDL代码的形式存在，它要经过逻辑综合及版图综合才能最终实现在硅片上。

固IP是指在结构和拓扑方面针对性能和面积通过版图规划，它们以综合好的代码或通用库元件的网表形式存在，介于软核和硬核之间。

SOPC（SystemOnaProgrammableChip）是Altera公司于2000年提出的一种灵活高效的SOC解决方案，SOPC利用可编程逻辑技术把整个电子系统集成在一个单片上，是一种特殊的嵌入式系统：

首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；

其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

1.1.2软硬件协同设计

SOPC的设计过程是一项非常复杂且极具挑战性的工作，没有一套有效的设计方法很难保证芯片的正确、高效。

在SOPC的设计中，设计工艺的发展使得越来越多的功能集成到一个芯片成为可能。

为实现这一目标，有两种可能的SOPC设计方法。

第一种方法称为基于核的设计（Core-baseddesign），它将系统的功能划分为不同的核，采用IP（IntellectualProperty）核以完成特定的设计功能。

第二种方法是在超大规模的集成处理器核上使用软件的方法实现设计功能。

专用的IP核通常有较好的性能，此外对系统的功耗能有很好的控制：

而采用软件的方法使得系统芯片有更大的灵活性，因为目前存在多种不兼容的通信和处理协议，使用软件实现便于二次开发。

软硬件协同设计综合以上两种设计方法。

在系统设计的初期考虑软硬件划分，根据特定的标准，将一部分系统功能采用IP核实现，而另一些功能采用软件实现。

软硬件协同设计强调在整个设计过程中，以最优化设计为目标，可以调整软/硬件之间的界限。

软硬件协同设计的结果是：

一个或多个系统任务或系统模块是采用软件实现。

这些任务可能会有互相同步和通信的需要，会有时限的要求，或者要求访问系统芯片的专用硬件的接口。

1.1.3嵌入式系统

嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。

目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子等领域……，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统”更加难于明确定义。

根据IEEE（国际电机工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。

这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。

不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被认同的定义是：

以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

在这个定义上，可从以下几方面来理解嵌入式系统：

　　1.嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。

因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。

　　2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。

例如Palm之所以在PDA领域占有70％以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；

而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。

3.嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。

所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。

目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。

一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：

处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件（由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，在这里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和Windows系统的最大区别）。

嵌入式片上系统（SystemOnChip）是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。

SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。

用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。

由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。

1.1.4MPEGLayer3

MP3全称是动态影像专家压缩标准音频层面3（MovingPictureExpertsGroupAudioLayerIII）。

是当今较流行的一种数字音频编码和有损压缩格式，它设计用来大幅度地降低音频数据量，而对于大多数用户来说重放的音质与最初的不压缩音频相比没有明显的下降。

它是在1991年由位于德国埃尔朗根的研究组织Fraunhofer-Gesellschaft的一组工程师发明和标准化的。

简单的说，MP3就是一种音频压缩技术，由于这种压缩方式的全称叫MPEGAudioLayer3，所以人们把它简称为MP3。

MP3是利用MPEGAudioLayer3的技术，将音乐以1:

10甚至1:

12的压缩率，压缩成容量较小的file，换句话说，能够在音质丢失很小的情况下把文件压缩到更小的程度。

而且还非常好的保持了原来的音质。

正是因为MP3体积小，音质高的特点使得MP3格式几乎成为网上音乐的代名词。

每分钟音乐的MP3格式只有1MB左右大小，这样每首歌的大小只有3～4兆字节。

使用MP3播放器对MP3文件进行实时的解压缩（解码），这样，高品质的MP3音乐就播放出来了。

MP3是一个数据压缩格式。

MP3音频可以按照不同的位速进行压缩，提供了在数据大小和声音质量之间进行权衡的一个范围。

它丢弃掉脉冲编码调制（PCM）音频数据中对人类听觉不重要的数据（类似于JPEG是一个有损图像压缩），从而达到了小得多的文件大小。

在MP3中使用了许多技术其中包括心理声学以确定音频的哪一部分可以丢弃。

1.2国内外文献综述

目前软硬件协同设计领域的研究十分活跃，Berkeley，Princeton等著名大学有专门的研究小组进行相关研究，在电子设计领域权威的学术会议，DAC（DesignAutomationConference）和ICCAD上每年都有相当篇幅的论文涉及软硬件协同设计，每年ACM还召开软硬件协同设计的专门会议CODES。

主要EDA厂家（Candence，ALTERA）目前已经推出部分支持软硬件协同设计的工具，并将软硬件协同设计作为下一代的系统级EDA工具的关键技术。

嵌入式产品开发中已经有许多软硬件协同设计技术的成功应用实例。

国外相关研究：

CASTLE（CodesignandSynthesisToolEnvironment）由德国信息技术国家研究中心系统设计研究所开发。

该环境支持软硬件协同设计流程和嵌入式系统的快速模板制作，系统描述采用细粒度的程序设计语言C，同时也支持硬件描述语言Verilog和VHDL，这些描述可进行仿真和性能分析，以支持系统综合的决策。

有关协同仿真的研究项目中，Berkeley大学的Ptolemy是最有影响的。

Ptolemy系统的特色在于它是一个异构的模拟环境，提供对于多种模型（数据流、离散事件、有限状态机等）的描述和模拟手段，并可以在一个仿真应用中采用不同的仿真模型。

Ptolemy的扩展性很好，在Ptolemy中有许多C++语言开发的域（Domain）和节点（Star）作为仿真的构件，用户可以编写新的域和节点，并构造自己的仿真模型。

软硬件协同仿真可看作异构仿真的一种，Ptolemy己经应用于嵌入式系统的算法层和体系结构层描述和验证。

早期的软硬件协同设计工具仅仅支持协同验证，大多数工具都只有在体系结构层设计基本完成后才能仿真硬件和软件模块的相互作用。

目前的发展趋势是采用SBE（SimulationBasedDesign）的思想，用仿真技术支持划分和协同调试、分析，以便加快设计进程。

微处理器是嵌入式系统的核心，可仿真的微处理器模型是这些仿真工具的重要组成部分，但大部分工具将微处理器模型看作是不可变的。

国内的研究状况：

软硬件协同设计作为系统级设计的支持技术，理论上和技术上还在不断地发展和完善中。

研究研发功能强大的软硬件协同设计平台，是这一技术逐渐走向成熟的标志，而基于FPGA实现的Sopc技术，比基于ASIC实现的SoC技术提供了一种更灵活而成本低廉的系统级芯片设计方式。

国内外都在研发支持Sopc技术的软硬件协同设计平台。

在国内，这方面的研究研发已展开并取得了初步的成果。

北京大学计算机系杨芙清院士和程旭教授等人，已研发成功国内第一个微处理器软硬件协同设计平台；

上海嵌入式系统研究所研发的基于FPGA实现处理器的ECNUX研发平台，1.0版本已完成，功能强大的2.0版本正在研发过程中。

在不久的将来，随着软硬件协同设计技术研究的深入，支持FPGA设计实现的功能强大的软硬件协同设计平台将会出现，并加速推进嵌入式系统的设计研发进程。

1.3论文研究内容

本文研究的主要内容是基于NiosII的MP3播放器的设计与实现。

本文对软硬件协同的相关技术进行了研究，并体现于设计中。

设计中具体研究了软硬件的系统描述、软硬件划分、软硬件综合等方面的技术，并在此基础上设计了一个MP3播放器方案。

在研究的基础上提出了基于NiosII（SOPC）的软硬件协同设计、软硬件协同划分的方法和基于NiosII的软硬件协同的开发流程。

第2章SOPC技术及软硬件协同方案

2.1FPGA器件基本原理

PLD（ProgrammableLogicDevice）是可编程逻辑器件的总称，早期多采用EEPROM工艺，基于乘积项（ProductTerm）结构。

FPGA（FieldProgrammableGateArray）是指现场可编程门阵列，多为SRAM工艺，基于查找表（LookUpTable）结构，FPGA在掉电后信息即丢失，所以每次上电后需对FPGA进行重新加载，要外挂配置用的EEPROM。

在上电的时候，由EEPROM内自行启动的加载时序把数据流加入FPGA中，对其内部逻辑进行配置。

而对基于EEPROM工艺的CPLD来说，则不存在这样的问题，在数据下载芯片后，掉电后也不会丢失，唯一的缺点是CPLD芯片数据擦写次数往往有限，对产品开发阶段的技术设计人员要求较高。

FPGA的特点有：

1.采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合适的芯片。

2.FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3.FPGA内部有丰富的触发器I/O引脚。

4.FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5.FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS，TTL电平兼容。

查找表（Look-up-table）简称LUT，它本质上是一个RAM，目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16*1的RAM。

当用户通过原理图或HDL语言描述一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有结果，并把结果事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算相当于输入一个地址进行查表，找出相应地址，然后输出即可。

现在PLD中已经广泛嵌入RAM/ROM，FIFO等存储模块，有的PLD里还内嵌了DSP模块，如Xilinx的Vertex-II器件系列中就嵌入了DSP，将来的PLD还要嵌入多种功能模块，可以实现各种复杂的操作和运算。

2.2Sopc设计技术

现代集成电路制造工艺的改进，使得在一个芯片上集成几十万甚至上百万个逻辑门成为可能。

但如此大规模的电路设