基于FPGA的异构多处理器导航计算机设计

摘要

为适应多信息组合导航系统中导航计算机的多信息处理、高运算性能要求，本文设计出一种基于FPGA的异构多处理器导航计算机。
　　本文首先阐述了多信息组合导航系统的特点和应用需求，而后提出了基于FPGA的组合导航计算机方案。该方案以ARM处理器为控制核心，完成通讯处理和外设控制；两个DSP处理器分别完成数据滤波和预处理、多信息组合导航解算和卡尔曼滤波。在此基础上研究了组合导航计算机各主要接口要求，完成了导航计算机的原理图和PCB开发，并且在FPGA中实现了接口设备的控制逻辑。为解决多处理器之间的数据传输问题，详细对比了典型处理器间数据传输方法，提出了基于AMBA总线规范的多层AHB交叉开关网络实现处理器间互联的方案，并在 FPGA中完成了互联逻辑。根据组合导航系统要求，引入了VxWorks嵌入式实时操作系统，进行了驱动程序开发，划分了导航计算机应用软件的任务。导航计算机系统研制开发是软、硬件研究紧密结合的过程。在组合导航计算机系统需求分析的基础上，本文首先讨论了系统整体架构和处理器选择；其次针对导航计算机系统各个功能模块的硬件设计进行了说明，涉及处理器、存储器、惯性器件接口、通讯接口、FPGA以及电源系统。然后对交叉开关网络的设计情况进行了说明，介绍了基于多层AHB总线的实现方法。最后，对基于操作系统的导航计算机应用软件设计情况进行了论述。通过车载试验，所研制的异构多处理器导航计算机能够满足系统所提出的高精度和高运算性能的要求，同时为多信息组合导航计算预留了处理器运算能力。该结构计算机代表了高性能组合导航计算机的一个发展方向，交叉开关网络的实现也为后续实现SOC奠定了技术基础。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 导航计算机的发展现状

1.3 嵌入式实时操作系统的发展现状

1.4 多处理器互联典型方法

1.5 论文的主要内容和结构安排

第二章 导航计算机方案设计

2.1 需求分析

2.2 处理器体系结构设计

2.3 处理器选型

2.4 处理器互联设计方案

2.5 总体方案

2.6 本章小结

第三章 导航计算机硬件设计

3.1 处理器系统设计

3.2 惯性器件接口设计

3.3 通讯接口设计

3.4 FPGA设计

3.5 电源系统设计

3.6 本章小结

第四章 处理器互联逻辑设计

4.1 交叉开关网络设计

4.2 交叉开关控制策略

4.3 交叉开关网络的FPGA实现

4.4 本章小结

第五章 导航计算机软件设计

5.1 组合导航系统操作系统需求

5.2 VxWorks操作系统

5.3 引导程序和驱动程序开发

5.4 基于VxWorks操作系统的导航软件设计

5.5 本章小结

第六章 调试及车载试验

6.1 硬件调试

6.2 软件调试

6.3 车载实验

6.4 试验误差分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

致谢