面向重构计算的FPGA硬件模块与配置方案设计

摘要

上世纪90年代以来，可重构技术成为集成电路领域的研究热点。由于其所构成的可重构模块既具有通用处理器系统设计灵活、升级换代方便的特点，又具有专用集成电路系统执行速度快、运行效率高、运行可靠的特点，因此基于FPGA进行可重构系统的研究具有特殊的意义。
　　本课题在系统分析国内外可重构系统的研究特点和实现方法的基础上，提出并设计了基于STM32微处理器和FPGA相结合的可重构系统级模块。整个可重构模块主要由五部分组成：SDRAM的数据存储器用于多种逻辑功能配置数据流的存储；STM32微处理器用于完成可重构过程；FPGA用于不同逻辑功能的执行；电源模块用于提供不同工作芯片的稳定可靠的电源；外围接口电路用于实现不同重构模块信息的输入。在系统分析功能需求的基础上，进行了系统电路图和PCB印刷电路板的设计,为了满足小型化和模块化要求，选用了BGA封装形式的FPGA芯片，采用Protel软件完成了FPGA可重构模块的设计。通过对几种配置模式的分析，确定了从串配置模式，并采用Verilog语言编制流水灯程序和SDRAM控制器读写数据程序两种方式完成了该可重构模块的功能检测。
　　实验结果表明，基于微处理器和FPGA所组建的可重构模块设计方案正确可行，能够实现可重构功能，并且该系统级模块能够应用于多种逻辑功能的可重构，具有较强的实用性和广泛适用性。

目录

面向重构计算的FPGA硬件模块与配置方案设计

FPGA HARDWARE MODULE FOR RECONFIGURABLE COMPUTING AND CONFIGURATION METHOD DESIGN

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的与意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展现状

1.3 主要研究内容

1.4 论文的组织结构

第2章 可重构系统级模块设计

2.1 FPGA的基本结构与特性

2.1.1 FPGA的基本结构

2.1.2 FPGA编程技术

2.1.3 FPGA配置方式

2.1.4 FPGA芯片选择

2.2 可重构系统实现方式分析

2.2.1 基于CPLD配置方式的可重构系统设计

2.2.2 基于微处理器的可重构系统设计

2.2.3 基于嵌入式SoC的可重构系统设计

2.3 PFGA电源电路设计方案

2.3.1 普通电源电路设计

2.3.2 FPGA电源电路设计

2.4 可重构模块需求分析与功能设计

2.4.1 目标应用与设计思想

2.4.2 可重构系统级模块计算资源的优点

2.5 模块结构设计与器件特性

2.5.1 基于FPGA的可重构计算模块的连接框图

2.5.2 FPGA可重构器件的特性

2.5.3 微控制器器件的特性

2.5.4 存储器元件的特性

2.5.5 电源系统的特性

2.5.6 IO接口的实现

2.6 本章小结

第3章 FPGA可重构系统级模块硬件电路设计

3.1 FPGA可重构计算模块电路原理图设计

3.1.1 硬件电路互联框图

3.1.2 FPGA可重构电路设计

3.1.3 微控制器通讯电路设计

3.1.4 电源电源设计

3.1.5 数据存储电路的设计

3.1.6 系统电路原理图

3.2 FPGA可重构模块PCB制版原则

3.2.1 PCB制版流程和要求

3.2.2 FPGA芯片BGA封装原则和方法

3.3 FPGA可重构模块电路板设计

3.4 本章小结

第4章 基于FPGA的可重构模块软件设计

4.1 微控制器程序设计

4.1.1 STM32F107的驱动配置

4.1.2 串口配置和测试流程

4.1.3 微控制器与FPGA的配置

4.2 FPGA基本功能测试

4.2.1 流水灯功能测试

4.2.2 SDRAM读写测试

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢

个人简历