a b s t r a c t a b s t r a c t ： a bs t r a c t a i m i n ga t t h et r a n s m i s s i o no fm a s sd a t aa n ds w i t c h i n gi no fm u l t i p a t ha n d d i f f e r e n tt y p es e n s o ri nu r b a nr o a dt r a f f i cc o n d i t i o n so b t a i n i n gt e c h n i c ，an e ws e n s o r n e t w o r ks t r u c t u r ei sp r o p o s e db a s eo nr e c o n f i g u r a b l et r a f f i ci n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n d s o f ts e n s i n gm o d e lr e s e a r c hp r o j e c t i nt h i sp a p e r , t h ez i g b e ei su s e da sl o w e rl a y e r n e t w o r ka n dt h ee t h e m e ti s r e g a r d e da su p p e rl a y e rn e t w o r k ，t h ef p g ai su s e dt o c o n s t r u c ts o p cs y s t e mt or e a l i z et h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g f o rs a t i s f y i n gt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft h ec o m p o u n d n o d e ，t h i st h e s i sw o r k e d o nt h ed e v e l o p m e n tb yt h eu s eo fs o p ct e c h n o l o g y f i r s t ，f i n i s ht h ed e s i g na n dd e b u g o fs o p ch a r d w a r es y s t e m ，i n c l u d et h ed e s i g na n ds e l e c t i o no fp r o c e s s o r , f l a s h ， s d r a ma n du a r ts o f t c o r e s e c o n d ，t h es e l e c t i o no fr t o s ，t h er e a l i z a t i o no fl a c o sk e r n e l ，t h ed e s i g no fc o m p o u n dn o d et a s k s t h i r d ，t h ed e v e l o p m e n to ff u n c t i o n m o d u l e ，i n c l u d et h ee t h e r n e tm o d u l e ，u a r tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，r e a l t i m ec l o c k m o d u l ea n d1 2 cb u sm o d u l e v e r i f i e dt h ee t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，u a r tc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n d r e a l - t i m ec l o c km o d u l eo ft h ec o m p o u n dn o d ep r o t o t y p eb ys u f f i c i e n te x p e r i m e n t s r e c u r r i n gt h ea c q u i s i t i o no fs e n s o rd a t aa n dz i g b e ec o m m u n i c a t i o nb ym yf e l l o w , r e a l i z e dt h ew h o l ep r o c e s so fa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n ，f o r m e d a c o m p l e t e dp r o t o t y p es y s t e m ，l a y e dt h ef i r s ts t o n ef o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：t r a f f i ci n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，c o m p o u n dn o d e ，f p g a ，s o p c ，uc o s c l a s s n 0 ：u 4 91t p 2 7 3 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特 授權(quán)北京交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó) 家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明) 學(xué)位論文作者簽名：v 卞峰導(dǎo)師簽名： 簽字日期： 年6 月名日 簽字同期： 護(hù)7 年加衫e l 獨(dú)創(chuàng)性聲明 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書 而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作 了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：簽字同期：年月 日 7 1 致謝 本論文的工作是在我的導(dǎo)師張和生副教授的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選 題、系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的解決等方面都凝聚著導(dǎo)師的大量心血。張和生 老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝 他這兩年來(lái)對(duì)我熱心的關(guān)懷和教誨，無(wú)論為人為學(xué)，都使我收獲良多。至此論文 完成之際，向我的導(dǎo)師表示衷心的感謝和誠(chéng)摯的敬意! 在實(shí)驗(yàn)室工作期問(wèn)，同研究組的國(guó)彬、王強(qiáng)、鄭巨明、潘成、揭志熹、王金 東和韋潔等同學(xué)無(wú)論在學(xué)習(xí)上還是在生活上都給予了我巨大的關(guān)心和幫助，讓我 體會(huì)到了共同克服困難后的喜悅和手足般的深厚情誼。在本課題的研究過(guò)程中， 還多次得到楊寧同學(xué)的幫助，在此也一并向他表示感謝。 此外，我感謝我的父親母親，他們的理解和支持是我能夠在學(xué)校專心完成我 的學(xué)業(yè)。在此對(duì)他們默默的付出表示深深的i 身 意。 再一次衷心感謝所有關(guān)心過(guò)我的老師、同學(xué)、家人們! 引言 1 引言 本章簡(jiǎn)要敘述了課題研究的項(xiàng)目背景與研究意義，介紹了交通信息采集技術(shù) 發(fā)展和現(xiàn)狀，分析了我國(guó)目前的交通狀態(tài)獲取系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題，并引出了本課 題對(duì)改進(jìn)現(xiàn)有的交通狀態(tài)獲取方式可能起到的積極作用。最后給出了本課題的主 要工作內(nèi)容及工作丌展的技術(shù)路線。 1 1 課題的項(xiàng)目背景與研究意義 本課題的研究?jī)?nèi)容依托于2 0 0 8 年教育部重點(diǎn)項(xiàng)目“交通狀態(tài)信息采集的可重 構(gòu)技術(shù)與軟測(cè)量模型的研究”( 項(xiàng)目編號(hào)1 0 8 1 2 7 ) 中的子課題“基于可重構(gòu)技術(shù)的交 通狀態(tài)獲取節(jié)點(diǎn)和組網(wǎng)設(shè)備”。 智能交通系統(tǒng)( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 是解決當(dāng)前大城市交通 問(wèn)題的有效手段【1 】【2 】。先進(jìn)交通管理系統(tǒng)( a d v a n c e dt r a 伍cm a n a g e m e n ts y s t e m ， a t m s ) 應(yīng)用計(jì)算機(jī)、通信、傳感器、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，將車輛、道路 和交通管理系統(tǒng)連為一體，通過(guò)對(duì)交通設(shè)施和道路運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)得到交通 狀態(tài)，根據(jù)交通狀態(tài)和相應(yīng)的控制手段( 如信號(hào)系統(tǒng)、信息發(fā)布板、交通廣播等) 對(duì)交通流進(jìn)行管理，調(diào)節(jié)和誘導(dǎo)并快速處理交通事故。a t m s 是i t s 的重要組成部 分和重要信息源，對(duì)i t s 各個(gè)組成系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)a t m s 實(shí)現(xiàn)的交通控 制和管理也是i t s 的主要目標(biāo)和落腳點(diǎn)。 在a t m s 中，交通狀態(tài)的獲取是最為核心的內(nèi)容，交通狀態(tài)獲取的基礎(chǔ)是動(dòng) 態(tài)交通信息的檢測(cè)和處理，包括網(wǎng)絡(luò)交通流狀態(tài)特征信息( 流量、速度、密度等) ； 交通緊急事故信息；交通環(huán)境信息等等【3 】【4 】。交通信息采集和處理方式影響交通流 檢測(cè)和交通狀態(tài)信息獲取得準(zhǔn)確性、影響交通控制和交通誘導(dǎo)策略的合理性。如 果交通信息采集存在缺陷，則交通控制和交通誘導(dǎo)策略難以奏效。以我國(guó)交通控 制系統(tǒng)為例，自八十年代開始，部分城市相繼從國(guó)外引進(jìn)了先進(jìn)的交通管理控制 系統(tǒng)，如s c o o t 、s c a t s 系統(tǒng)等。由于我國(guó)混合交通流相互影響造成車輛排隊(duì)、 停車延誤而引進(jìn)系統(tǒng)僅通過(guò)線圈傳感器采集車流量、速度、占有率等信息，沒(méi)有 檢測(cè)停車延誤，排隊(duì)長(zhǎng)度，交叉口行人行為等相關(guān)信息，國(guó)外行之有效的交通控 制系統(tǒng)在我國(guó)出現(xiàn)了“水土不服 的現(xiàn)象。由此可見交通信息采集系統(tǒng)和處理技 術(shù)在交通管理和控制中的基礎(chǔ)性地位和重要作用。 目前我國(guó)大中城市已部署了大量的交通信息檢測(cè)的傳感器，如線圈、微波、 視頻、紅外、超聲、溫濕度等固定傳感器，還利用出租車、公共汽車等公共交通 北京交通人學(xué)碩十學(xué)位論文 工具作為浮動(dòng)車、或采用電子標(biāo)簽和牌照自動(dòng)識(shí)別、采用移動(dòng)電話等移動(dòng)檢測(cè)方 法。固定檢測(cè)方式和移動(dòng)檢測(cè)方式各有優(yōu)勢(shì)，固定檢測(cè)方式能夠準(zhǔn)確檢測(cè)傳感器 附近的交通流，但是線圈，微波和超聲傳感器無(wú)法對(duì)區(qū)間交通狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)， 視頻傳感器盡管能夠檢測(cè)區(qū)間的交通參數(shù)，但目前還要依靠人工觀察，還不能實(shí) 現(xiàn)準(zhǔn)確的區(qū)間交通參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)。另外，由于線圈傳感器是破壞性，侵入性檢測(cè) 器，其安裝和維護(hù)費(fèi)用很高，不適用在路段大規(guī)模部署，而其他的路面設(shè)備也有 很高的安裝造價(jià)，或者檢測(cè)精度依賴環(huán)境條件，因此，目前的固定交通狀態(tài)采集 裝置不能直接提供全空間交通狀態(tài)信息。移動(dòng)檢測(cè)方式能夠檢測(cè)車輛全時(shí)空交通 運(yùn)行狀態(tài)，但僅用于安裝g p s 接收器和電子標(biāo)簽的車輛，不能完全反映路段整體 交通流的運(yùn)行狀態(tài)，采用移動(dòng)電話的檢測(cè)方法還有法律和技術(shù)方面的問(wèn)題。 目前部署的傳感器相互獨(dú)立，分屬不同的系統(tǒng)，無(wú)法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；傳 感器功能有限，無(wú)法直接獲取區(qū)間交通參數(shù)，不能獲取全時(shí)空交通狀態(tài)信息。由 于交通系統(tǒng)的各種應(yīng)用要求多源交通信息，目前交通信息采集的傳感器部署和運(yùn) 用方式一方面產(chǎn)生了海量的異構(gòu)數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)巨大，、對(duì)后臺(tái)系 統(tǒng)的處理能力要求極高并導(dǎo)致面向全局綜合應(yīng)用的集成復(fù)雜性同益增加；另一方 面各種應(yīng)用需要的交通狀態(tài)信息又不能在線、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的獲取。造成這一問(wèn)題 的主要原因是現(xiàn)有信息檢測(cè)裝置功能單一，不能接入面向不同應(yīng)用的多類型傳感 器；采集裝置缺乏數(shù)據(jù)處理能力，不能提取交通特征信息，不能獲取區(qū)間交通狀 態(tài)參數(shù)。 由于交通信息檢測(cè)器安裝困難，投資較大，不可能重新更換或者把現(xiàn)有的檢 測(cè)器重新布置。因此解決現(xiàn)有的信息檢測(cè)問(wèn)題的有效方法是研究能夠接入多類型 傳感器、嵌入智能計(jì)算功能、可在線提取交通特征信息、可自主組網(wǎng)并滿足不同 應(yīng)用需求的信息采集和處理技術(shù)。 計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展為解決上述問(wèn)題提供了條件。其 中具有可重構(gòu)特點(diǎn)的s o p c 技術(shù)為解決交通信息采集問(wèn)題提供了解決思路。 可重構(gòu)技術(shù)是利用可重用的硬件資源，根據(jù)不同應(yīng)用的需求，靈活的改變自 身的結(jié)構(gòu)配置，為每個(gè)特定的應(yīng)用需求提供與之相匹配的結(jié)構(gòu)。可重構(gòu)技術(shù)結(jié)合 了傳統(tǒng)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)點(diǎn)，既具有硬件并行計(jì)算的快速性，又具有軟件 的靈活性?；陟o態(tài)存儲(chǔ)器( s r a m ) 的大型現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 的出現(xiàn)和應(yīng)用，提高了可重構(gòu)技術(shù)的可行性和可 靠性，拓展了可重構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，基于f p g a 芯片的s o p c ( s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ) 技術(shù)能夠根據(jù)系統(tǒng)的不同應(yīng)用需求嵌入不同類型的軟核，從而 大大提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，此外，f p g a 還能嵌入基于不同傳感器的軟測(cè)量算 法電路，極大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。 2 引言 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 ) 交通信息采集技術(shù) 交通信息采集技術(shù)源自道路交通控制，從1 8 6 8 年出現(xiàn)最早的交通信號(hào)燈以來(lái)， 道路交通控制已經(jīng)經(jīng)過(guò)1 0 0 多年的發(fā)展。早期的交通控制時(shí)憑肉眼觀測(cè)道路交通 狀況和手動(dòng)控制信號(hào)燈。二十世紀(jì)三十年代初，在美國(guó)和英國(guó)相繼采用氣動(dòng)橡皮 管作為車輛檢測(cè)器得到交通狀態(tài)來(lái)控制交通信號(hào)燈。隨后，線圈檢測(cè)器、超聲波 檢測(cè)器、光電檢測(cè)器、紅外檢測(cè)器、微波檢測(cè)器相繼應(yīng)用于道路交通控制中。1 9 5 9 年，德國(guó)慕尼黑利用攝像機(jī)監(jiān)測(cè)中心廣場(chǎng)的交通狀態(tài)。七十年代，英國(guó)和澳大利 亞開發(fā)出基于線圈傳感器的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)s c o o t 和s c a t s 。進(jìn)入八十年 代，智能交通系統(tǒng)得到發(fā)展，許多新的交通信息檢測(cè)的傳感器和新的檢測(cè)方法用 于交通系統(tǒng)。 我國(guó)道路交通狀態(tài)獲取技術(shù)發(fā)展雖然起步晚，但也取得了較大成績(jī)。7 0 年代 中期在上海和北京研制成功環(huán)形線圈、超聲波、電磁式等多種車輛檢測(cè)器。進(jìn)入 九十年代中期，我國(guó)丌始進(jìn)行智能交通系統(tǒng)的研究和開發(fā)。2 0 0 0 年完成中國(guó)i t s 體系框架和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)我國(guó)建設(shè)i t s 奠定了基礎(chǔ)。十五期間，我國(guó)i t s 開發(fā)和試 驗(yàn)由討論可行性和必要性進(jìn)入實(shí)際開發(fā)和試驗(yàn)階段。在技術(shù)研究方面，i t s 關(guān)鍵技 術(shù)丌發(fā)和示范工程作為十五國(guó)家科技攻關(guān)重大專項(xiàng)已經(jīng)在基礎(chǔ)交通信息采集與融 合、i t s 數(shù)據(jù)管理技術(shù)、短程通信等關(guān)鍵技術(shù)展開了研究，并在北京、上海、天津、 重慶等十個(gè)城市丌展示范工程，形成了一些研究成果和原型系統(tǒng)。 2 ) 可重構(gòu)和s o p c 技術(shù) 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展，許多應(yīng)用領(lǐng)域中各類智能設(shè)備的不斷發(fā)展， 對(duì)高性能信息處理系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)，主要體現(xiàn)在要求大數(shù)據(jù)量，大計(jì)算量的 高速處理；要求系統(tǒng)具有可針對(duì)應(yīng)用環(huán)境變化的自適應(yīng)性；要求系統(tǒng)小型化，低 功耗。傳統(tǒng)的基于通用處理器通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)基本算法的方法和基于專用集成 電路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ，a s i c ) 的方法都無(wú)法滿足這些要求，而 利用可重構(gòu)技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)點(diǎn)，即具有硬件并行計(jì) 算的高性能，又具有軟件的靈活性【5 1 ?？芍貥?gòu)技術(shù)是指在信息處理系統(tǒng)中，硬件模 塊能夠根據(jù)變化的數(shù)據(jù)流或算法進(jìn)行重新配置和重新設(shè)置，即硬件結(jié)構(gòu)可以根據(jù) 用戶需求進(jìn)行重新配置。在基于靜態(tài)存儲(chǔ)器的大型現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列出現(xiàn)以后， 可重構(gòu)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。目前已應(yīng)用的可重構(gòu)系統(tǒng)包含了可重構(gòu)邏輯部分和固 定邏輯部分。按照他們之間的耦合程度可以將可重構(gòu)系統(tǒng)大致分為四種模式：功 能單元模式( 如i o ) 、獨(dú)立處理單元模式和單芯片可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)模式。 可編程片上系統(tǒng)( s o p c ) 是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)( s o c ) ， 3 北京交通人學(xué)碩十學(xué)位論文 即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活 的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。 s o p c 技術(shù)主要應(yīng)用以下三個(gè)方向： 1 ) 基于f p g a 嵌入i p 硬核的應(yīng)用。這種s o p c 系統(tǒng)是指在f p g a 中預(yù)先植入 處理器。這使得f p g a 靈活的硬件設(shè)計(jì)與處理器的強(qiáng)大軟件功能有機(jī)地結(jié)合在一 起，高效地實(shí)現(xiàn)s o p c 系統(tǒng)； 2 ) 基于f p g a 嵌入i p 軟核的應(yīng)用。這種s o p c 系統(tǒng)是指在f p g a 中植入軟核 處理器，如：n i o si i 核等。用戶可以根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，利用相應(yīng)的e d a 工具， 對(duì)n i o si i 及其外圍設(shè)備進(jìn)行構(gòu)建，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資 源占用等方面全面滿足用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求； 3 ) 基于h a r d c o p y 技術(shù)的應(yīng)用。這種s o p c 系統(tǒng)是指將成功實(shí)現(xiàn)于f p g a 器 件上的s o p c 系統(tǒng)通過(guò)特定的技術(shù)直接向a s i c 轉(zhuǎn)化。把大容量f p g a 的靈活性和 a s i c 的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于有較大批量要求并對(duì)成本敏感的電子產(chǎn)品， 避丌了直接設(shè)計(jì)a s i c 的困難。 利用f p g a 可重構(gòu)的特點(diǎn)并在其中嵌入i p 軟核，可以滿足復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)合下對(duì) 系統(tǒng)硬件的苛刻要求。f p g a 也成為解決交通信息采集的強(qiáng)有力的技術(shù)手段之一， 既可以解決交通信息采集的多傳感器接入后的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，又可以面對(duì)不同的 應(yīng)用得到不同的邏輯結(jié)構(gòu)。 1 3 課題主要的研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線 本節(jié)將從課題研究的主要工作和技術(shù)路線兩個(gè)方面來(lái)介紹課題的研究的內(nèi)容 和實(shí)現(xiàn)的方案。 1 3 1課題的主要工作 結(jié)合項(xiàng)目課題，本課題主要做了如下研究工作： 對(duì)f p g a 、可編程片上系統(tǒng)( s o p c ) 、uc o s 操作系統(tǒng)、t c p i p 協(xié)議棧做 了較為深入的研究，并根據(jù)項(xiàng)目的需求，確定了在s o p c 系統(tǒng)上使用u c o s 操作系統(tǒng)，并在應(yīng)用層編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合節(jié)點(diǎn)所需完成的功能； 結(jié)合課題，在m a r cs o p c 硬件平臺(tái)上使用s o p cb u i l d e r 構(gòu)建硬件系統(tǒng)， 并下載入系統(tǒng)的f l a s h 中： 基于硬件系統(tǒng)，按照功能將系統(tǒng)劃分為多個(gè)任務(wù)，分別用于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通 信，串口通信，時(shí)鐘控制等，并根據(jù)任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性將它們劃分為 不同的優(yōu)先級(jí)； 4 引言 結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的其余部分成果，在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下搭建原型系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)各功 能模塊進(jìn)行驗(yàn)證。 1 3 2課題研究的技術(shù)路線 根據(jù)交通信息采集系統(tǒng)的研究特點(diǎn)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中采用了需求提出一 一硬件實(shí)現(xiàn)功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)研究路線，先提出系統(tǒng)的需求，然 后通過(guò)硬軟件設(shè)計(jì)其所需要的功能，最后通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)的合 理性和可行性。圖1 1 為本課題的技術(shù)路線圖。 實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證 功能 實(shí)現(xiàn) 硬件 實(shí)現(xiàn) 需求 提出 系統(tǒng)搭建和實(shí)驗(yàn)分析 u a r t 通信實(shí)驗(yàn)以太網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn) 一一一一一 一 f 一一一 時(shí)鐘：薈j i j 初 l w i p 協(xié)議 u a r t 始化和讀取 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 實(shí)現(xiàn) 程序窄間 數(shù)據(jù)窄間 + 的定義 i i c o s 操作 i tc o s 操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)的災(zāi)現(xiàn) + s d r a m l 。n 口 以太網(wǎng)控 以太網(wǎng) 控制器i 一 一l 。一、“” 制器存儲(chǔ)模塊 n i o s a v a l o n 1 一i f l 。h 通信模塊 軟核端口1 1 7 i lu a r t i 通信單元1 1 u a r tl 1 2 c 總線| 叫實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元l 交通狀態(tài)獲取概念的提出，復(fù)合節(jié)點(diǎn)中s o p c 模塊的定位 圖1 1 課題技術(shù)路線圖 f i g u r e l 一1t e c h n o l o g yr o a d m a po f t h es y s t e m 1 ) 需求提出 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是使用s o p c 構(gòu)建交通狀態(tài)獲取的復(fù)合節(jié)點(diǎn)，結(jié)合整個(gè)傳感 器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，本部分的功能需求有二： 結(jié)合系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)規(guī)劃，在f p g a 上構(gòu)建s o p c 系統(tǒng)； 北京交通人學(xué)碩士學(xué)位論文 在硬件系統(tǒng)上，選用uc o s 操作系統(tǒng)，并在n i o s 系統(tǒng)中編寫相應(yīng)的應(yīng)用 程序來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。 2 ) 硬件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)主要是針對(duì)已有的m a g i cs o p c 平臺(tái)在f p g a 中構(gòu)建s o p c 系 統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件包含以下幾個(gè)模塊 處理器模塊：根據(jù)f p g a 的容量和系統(tǒng)的需求，添加合適的軟核處理器； 存儲(chǔ)模塊：s o p c 的網(wǎng)表文件、程序和數(shù)據(jù)需要有存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，所以 系統(tǒng)需添加f l a s h 和s d r a m ； 實(shí)時(shí)通信模塊：為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的通信，需在s o p c 系統(tǒng)中添 加以太網(wǎng)通信模塊，u a r t 模塊包含u a r t 和j t a gu a r t ，u a r t 完成 本系統(tǒng)與無(wú)線模塊之間的通信，添加j t a gu a r t 方便軟件的調(diào)試； 時(shí)鐘模塊：為能夠?qū)崟r(shí)記錄下交通流數(shù)據(jù)發(fā)生的具體時(shí)間，需要在s o p c 系統(tǒng)中添加時(shí)鐘模塊。 3 ) 功能實(shí)現(xiàn) i xc o s 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：交通狀態(tài)信息采集對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提出了較高的 要求，所以在本設(shè)計(jì)中選用l ac o s 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性； n i o s 應(yīng)用程序：在uc o s 操作系統(tǒng)上，通過(guò)編寫各功能模塊的應(yīng)用程序 來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，其中包含選用l w i p 協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)t c p i p 協(xié)議，通過(guò) a n s ic 庫(kù)函數(shù)訪問(wèn)u a r t ，時(shí)鐘芯片。 4 ) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 根據(jù)搭建好的硬軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)各模塊和整個(gè)原型系統(tǒng)的功 能，其中包含u a r t 通信實(shí)驗(yàn)、以太網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)和原型系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn)。 1 3 3論文的結(jié)構(gòu) 本論文分五個(gè)章節(jié)對(duì)課題研究研究進(jìn)行敘述 第一章為引言部分，主要介紹了課題的研究背景和研究意義，并介紹了國(guó)內(nèi) 外發(fā)展的現(xiàn)狀，以及使用s o p c 技術(shù)的必要性。 第二章介紹了在f p g a 上構(gòu)建s o p c 硬件系統(tǒng)，主要介紹了系統(tǒng)硬件的整體 結(jié)構(gòu)，軟核的參數(shù)的選擇以及添加。 第三章介紹了在n i o s 系統(tǒng)中使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)pc o s ，介紹了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 的特點(diǎn)，i xc o s 內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)任務(wù)的分配。 第四章介紹了uc o s 操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序開發(fā)，包含以太網(wǎng)應(yīng)用程序的開 發(fā)，其中包含l w i p 協(xié)議棧的選擇以及程序的封裝，基于a n s ic 庫(kù)函數(shù)訪問(wèn)的 6 引言 u a r t 和實(shí)時(shí)時(shí)鐘應(yīng)用程序的開發(fā)。 第五章介紹了系統(tǒng)的搭建和實(shí)驗(yàn)分析，其中包含u a r t 通信實(shí)驗(yàn)、以太網(wǎng)通 信實(shí)驗(yàn)和原型系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn)。 7 s o p c 硬 ：，f ：系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2s o p c 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本章以分布式的交通狀態(tài)獲取系統(tǒng)為背景，針對(duì)實(shí)際道路交通的應(yīng)用和s o p c 的特點(diǎn)，構(gòu)建了適合于城市道路交通狀態(tài)獲取的s o p c 系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng) 的硬件組成和軟核的嵌入。各項(xiàng)功能都基于其硬件條件和特點(diǎn)完成實(shí)現(xiàn)。 2 1交通狀態(tài)獲取系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 交通狀態(tài)獲取是城市道路交通控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)性問(wèn)題，是制定各項(xiàng)交通控制 策略的必要前提。目前我國(guó)道路交通系統(tǒng)中已布設(shè)了大量的各類交通狀態(tài)檢測(cè)傳 感器，如環(huán)形線圈，地磁，超聲等。這些傳感器每天將產(chǎn)生海量的異構(gòu)數(shù)據(jù)。以 北京市s c o o t 系統(tǒng)為例，遍布于城區(qū)主要交通干線上的1 0 0 0 多個(gè)傳感器每月產(chǎn) 生的數(shù)據(jù)量達(dá)到幾十g b 。美國(guó)圣安東尼奧市附近的高速公路( 4 6 k m ) 上的傳感器每 天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為1 2 0 m b 。在這種情況下，傳統(tǒng)的城市道路交通控制系統(tǒng)所采用 的中央處理計(jì)算機(jī)集中接入和控制模式面臨著巨大的數(shù)據(jù)傳輸和處理壓力。 交通管理中央計(jì)算機(jī) 以太網(wǎng) l i 今今 復(fù) s o p cs o p c 合 系統(tǒng) 復(fù) 系統(tǒng) a 口 竹 節(jié) 點(diǎn) z i g b e e 無(wú)線z i g b e e 無(wú)線 通信模塊 點(diǎn) 通信模塊 f l f c ) 4 i g 絡(luò)d f i , 麓 z i g b e e z i g b e e z i g b e e z i g b e e 接口 接u 接u 接口 接入話點(diǎn)接入裕點(diǎn) 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 電路 l 電路 渦流渦流光電渦流渦流光電 傳感傳感傳感 傳感器 傳感傳感傳感 傳感器 囂器器器器器 智能傳感器智能傳感器 圖2 - 1 分布式交通狀態(tài)獲取結(jié)構(gòu)示意圖 f i g u r e 2 1a r c h i t e c t u r eo fd i s t r i b u t e dt r a f f i cc o n d i t i o n so b t a i n i n gs y s t e m 針對(duì)實(shí)際道路交通控制系統(tǒng)中傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題，提出了一種分層的傳 感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。底層通訊采用具有部署方便，實(shí)時(shí)性高的無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上層通信采用接口方便和能夠適應(yīng)大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴?網(wǎng)。上下層網(wǎng)絡(luò)之間構(gòu)建復(fù)合節(jié)點(diǎn)來(lái)減輕上層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理壓力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的 9 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 靈活傳輸。其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。 圖2 1 中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)z i g b e e 部分由國(guó)家自然科學(xué)基金“交通信息采集 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建模與信息協(xié)同處理方法研究”( 6 0 8 7 4 0 7 9 ) 負(fù)責(zé)開發(fā)，多傳感器 接入的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題由“交通狀態(tài)信息采集的可重構(gòu)技術(shù)與軟測(cè)量模型的研究 中的另一個(gè)子課題“面向交通狀態(tài)信息獲取的軟測(cè)量模型研究 來(lái)負(fù)責(zé)研究。 本課題主要負(fù)責(zé)復(fù)合節(jié)點(diǎn)中交通信息的接入和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)，添 加實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片用于標(biāo)記交通信息的產(chǎn)生時(shí)間，方便了對(duì)交通信息的存儲(chǔ)和異常 交通流的時(shí)間判斷。 從復(fù)合節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的功能和作用出發(fā)，研究面向初期實(shí)驗(yàn)調(diào)試階段的基于 s o p c 技術(shù)的復(fù)合節(jié)點(diǎn)裝置的概念樣機(jī)， 器、以太網(wǎng)通信模塊。u a r t 通信模塊， 模塊。 2 2基于f p g a 的嵌入式系統(tǒng) 其主要的功能模塊包含n i o si i 軟核處理 存儲(chǔ)器模塊( s d r a m ，f l a s h ) 、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 本節(jié)中主要介紹了可編程邏輯邏輯器件( f p g a ) 矛 in - 編程片上系統(tǒng)( s o p c ) ，并 對(duì)幾種s o p c 系統(tǒng)進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)合節(jié)點(diǎn)所采用的f p g a 和s o p c 系統(tǒng)進(jìn)行了選型。 2 2 1 現(xiàn)場(chǎng)可編程門整歹t ( f p g a ) f p g a t 6 】即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在通用陣列邏輯( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，g a l ) ， 電可編程邏輯器件( e l e c t r i c a l l yp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，e p l d ) 等可編程器件的 基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路領(lǐng)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(diǎn)。 f p g a 采用了邏輯單元陣歹l j ( l o g i cc e l la r r a y , l c a ) 這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括 可配置邏輯模塊( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ，c l b ) 、輸出輸入模塊( i n p u to u t p u t b l o c k ，i o b ) 和內(nèi)部連線三個(gè)部分。f p g a 的基本特點(diǎn)主要有 1 ) 采用f p g a 設(shè)計(jì)a s i c 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到適用芯片； 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 電路的樣片； 3 ) f p g a 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和i o 引腳； 4 ) f p g a 是a s i c 電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一； 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工藝，功耗低，可以與c m o s 、t t l 電平兼容。 可以說(shuō)，f p g a 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。 1 0 s o p c 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 隨著可編程邏輯器件應(yīng)用的日益廣泛，許多i c 制造廠商涉足p l d f p g a 領(lǐng)域。目 前世界上有十幾家生產(chǎn)f p g a 的公司，最大的三家是：a l t e r a ，x i n l i n x 和l a t t i c e ， 在本系統(tǒng)中，選擇a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 的e p 2 c 3 5 6 7 2 c 8 n 作為處理器，具體原 因如下： 1 ) 從硬件設(shè)計(jì)上，e p 2 c 3 5 6 7 2 c 8 n 包含有3 3 2 1 6 個(gè)邏輯單元( l e s ) ，足夠嵌 入一個(gè)n i o s i i 軟核，此外擁有4 8 3 8 4 0 b i t s 的片上r a m 和4 7 5 個(gè)用戶可用i o 口， 為原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了較大的裕量； 2 ) 從軟件設(shè)計(jì)上，a l t e r a 公司提供了完整的開發(fā)工具，通過(guò)a l t e r a 公司的 q u a r t u si i 軟件可以對(duì)芯片的i o 管腳很方便的進(jìn)行定義、配置。允許通過(guò)編程下 載到f p g a 中，在不改變電路板的基礎(chǔ)上得到需要的功能電路、接口或控制功能， 通過(guò)s o p cb u i l d e r 對(duì)n i o s i i 軟核外圍基本器件進(jìn)行配置。 2 2 2 可編程片上系統(tǒng)( s o p c ) s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，可編程的片上系統(tǒng)) 【7 】是a l t e r a 公司提出 來(lái)的一種靈活，高效的s o c 解決方案。它將處理器、存儲(chǔ)器、i o 口、低壓差分 信號(hào)傳輸( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ，l v d s ) 、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)( c l o c kd a t a r e c o v e r , c d r ) 等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè)可編程器件上，構(gòu)成一個(gè)可 編程片上系統(tǒng)。 1 ) 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 基于f p g a 嵌入式i p 硬核的s o p c 系統(tǒng)是指在f p g a 中預(yù)先植入處理器。目 前最常用的嵌入式處理器大多采用含有a r m 3 2 位知識(shí)產(chǎn)權(quán)處理器核的硬件。為了 達(dá)到通用性，必須為常規(guī)的嵌入式處理器集成諸多通用和專用的接口，但這樣無(wú) 疑會(huì)增加芯片的成本和功耗。如果將a r m 或其他處理器核以硬核的方式植入 f p g a 中，利用f p g a 的可編程邏輯資源，按照系統(tǒng)功能需求來(lái)添加接口功能模塊， 既能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)功能，又能降低系統(tǒng)的成本和功耗。 2 ) 基于f p g a 嵌入i p 軟核的s o p c 系統(tǒng) 將i p 硬核直接嵌入f p g a 的解決方案有以下不足： 由于此類硬核多來(lái)自第三方公司，f p g a 廠商通常無(wú)法直接控制其知識(shí)產(chǎn) 權(quán)費(fèi)用，從而導(dǎo)致f p g a 期間成本相對(duì)偏高； 由于硬核是預(yù)先植入的，設(shè)計(jì)者無(wú)法根據(jù)實(shí)際需要改變處理器的結(jié)構(gòu)，如 總線規(guī)模、接口方式、指令方式，更不可能將f p g a 邏輯資源構(gòu)成的硬件 模塊以指令形式嵌入硬件加速模塊； 無(wú)法根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要在同一f p g a 中集成多個(gè)處理器； 北京交通人學(xué)碩+ 學(xué)位論文 無(wú)法根據(jù)需要裁減處理器硬件資源以降低f p g a 成本； 無(wú)法在特定的f p g a 中使用硬核嵌入式處理器。 根據(jù)以上所述，考慮到實(shí)際道路交通中需要接入多類型的傳感器，即要求針 對(duì)不用的傳感器具有不同的硬件加速算法，則須采用嵌入i p 軟核的s o p c 系統(tǒng)。 2 3s o p c 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) j 以人網(wǎng) 芯片 + a v a l o ni 處邪器l l 以太網(wǎng)l 系統(tǒng)i 蒜ii 潦i a v a l o n 交換結(jié)構(gòu) j ；s善 3 2 位 a v a l o n 從a v a l o n a 1 6 位 a v a l o n 從a v a l o b 端u 端u 端u 從端u s d r a m j t a g 控制器 1 2 c 總線u a r t u a r t + +牛 1 + r s 2 3 2 8 位 a v a l o n i i s d r a m j 1 r a g 念從端u 存銘器 安時(shí)時(shí)鐘 f l a s h 芯片 芯片 z i g b e e j 匝信模塊 存儲(chǔ)器 圖2 2s o p c 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 f i g u r e 2 - 2a r c h i t e c t u r eo fs o p cs y s t e m 從復(fù)合節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的功能和作用出發(fā)，研究面向初期實(shí)驗(yàn)調(diào)試階段的基于 s o p c 技術(shù)的復(fù)合節(jié)點(diǎn)裝置的概念樣機(jī)，其主要的功能模塊包含n i o si i 軟核處理 器、以太網(wǎng)通信模塊。串口( r s 一2 3 2 ) 通信模塊，存儲(chǔ)器模塊( s d r a m ，f l a s h ) 、實(shí) 時(shí)時(shí)鐘模塊。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2 2 所示。 各模塊的簡(jiǎn)單說(shuō)明 1 ) f p g a 采用a l t e r a 公司c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 3 5 f 6 7 2 ； 2 ) j t a g 接口用于硬件配置信息的下載和n i o si i 處理器應(yīng)用程序的下載 3 ) f l a s h 芯片采用的是一片1 2 8 m b 的s 2 9 g l l 2 8 n 1 0 t f l 0 1 0 ( 8 m x1 6 b i t ) 。在 f p g a 器件上實(shí)現(xiàn)的n i o si i 嵌入式處理器可以使用f l a s h 存儲(chǔ)器作為通用 的只讀存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器，將n i o si i 處理器的應(yīng)用程序通過(guò)編程器 1 2 s o p c 硬什系統(tǒng)設(shè)計(jì) 燒寫入f l a s h 中； 4 ) 采用一片1 6 位總線1 2 8 m b 的d d rs d r a m 器件h y 5 d u 2 8 1 6 2 2 e t - j ，d d r 非常適合作為需要大量存儲(chǔ)且有成本要求的系統(tǒng)。 5 ) 為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的以太網(wǎng)通信，需要添加以太網(wǎng)控制芯片，這 里采用的d m 9 0 0 0 e1 0 1 0 0 m 的以太網(wǎng)控制器，以實(shí)現(xiàn)海量交通數(shù)據(jù)的傳 輸； 6 ) 由于z i g b e e 無(wú)線通信模塊的對(duì)外接口只有u a r t 通信接口，為了能夠?qū)?來(lái)自接入節(jié)點(diǎn)的交通流數(shù)據(jù)接入，驗(yàn)證原型系統(tǒng)的可行性，在電路中添加 了u a r t 模塊； 7 ) 為了能夠記錄交通流數(shù)據(jù)發(fā)生時(shí)間，系統(tǒng)添加了采用1 2 c 接口的低功耗的 c m o s 實(shí)時(shí)時(shí)鐘同歷芯片p c f 8 5 6 3 t , 所有數(shù)據(jù)通過(guò)1 2 c 總線進(jìn)行串行傳 輸。 2 4s o p c 硬件模塊定制 針對(duì)a l t e r a 公司s o p c 系統(tǒng)的特點(diǎn)和交通信息采集系統(tǒng)的實(shí)際需要，對(duì)復(fù)合 節(jié)點(diǎn)所需的處理器和外圍設(shè)備的軟核進(jìn)行選擇，并根據(jù)應(yīng)用需求定制軟核相關(guān)參 數(shù)。 2 4 1n i o si i 軟核 所謂的軟核，是指未被固化到硅片上，使用時(shí)需要借助e d a 軟件對(duì)其進(jìn)行配 置并下載到可編程芯片( 比如f p g a ) 中的軟核。軟核最大的特點(diǎn)就是可由用戶按需 要進(jìn)行配置。 n i o si i 是目前最有代表性的軟核( s o f t c o r e ) 處理器，它采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，數(shù) 據(jù)總線和指令總線分開。為了提高系統(tǒng)的整體性能，n i o s i i 內(nèi)核不僅可以集成數(shù)據(jù) c a c h e 和指令c a c h e ，還帶有緊耦合存儲(chǔ)器t c m ( t i g h t l yc o u p l e dm e m o r y ) 接口。緊 耦合存儲(chǔ)器是一種緊挨著內(nèi)核的快速s r a m ，它不僅能改善系統(tǒng)性能，而且保證 了裝載和存儲(chǔ)指令或數(shù)據(jù)的時(shí)間是確定的。緊耦合存儲(chǔ)器可以使n i o si i 處理器既 能提高性能，又能獲得可預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。這對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的復(fù)合節(jié)點(diǎn)有 著重要的意義。 n i o si i 處理器包含以下用戶可見的功能模塊，寄存器文件、算術(shù)邏輯單元 ( a r i t h m e t i cl o n cu n i t ，a l u ) 、用戶邏輯接口、異?？刂破鳌⒅袛嗫刂破?、數(shù)據(jù)總 線和指令總線、數(shù)據(jù)c a c h e 和指令c a c h e 、j t a g 調(diào)試模塊及緊耦合的數(shù)據(jù)、指令 1 3 北京交通人學(xué)碩十學(xué)位論文 存儲(chǔ)器接口。此外n i o si i 采用a v a l o n 總線結(jié)構(gòu)通信接口；包含由f i r s ts i l i c o n s o l u t i o n ( f s 2 ) 開發(fā)的基于j t a g 的片內(nèi)設(shè)備( o c i ) i 為核。在把n i o s i i 植入f p g a 前， 用戶可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用q u a r t u si i 和s o p cb u i l d e r ，對(duì)n i o si i 和外圍設(shè)備進(jìn) 行構(gòu)建，使嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源占用等方面全面滿足系統(tǒng)設(shè) 計(jì)的需求。n i o s i i 在同一f p g a 中的植入數(shù)目沒(méi)有限制，只要f p g a 的資源足夠 即可。 表2 - 1n i o s i i 處理器內(nèi)核性能表 t a b l e 2 - 1p e r f o r m a n c eo f n i o si i p r o c e s s o r 處理器內(nèi)核 特性 n i o si i e n i o s i i sn i o s i i f d m i p s m h zo 15 0 7 41 1 6 性能最大d m i p s3 l1 2 72 1 8 f m a x m h z 2 0 01 6 51 8 5 流水線階數(shù) l56 外御：尋址空間g b 222 指令高速緩存 5 1 2 6 4 k b5 1 2 6 4 k b 總線存儲(chǔ)流水線訪問(wèn)可選可選 數(shù)據(jù)高速緩存 5 1 2 - 6 4 k b 總線緊耦合存儲(chǔ)器可選 算數(shù)邏硬件乘法器3 周期1 周期 輯單元硬件除法器可選可選 j t a g 、運(yùn)行控制、 是 是是 j t a g 軟件斷點(diǎn)支持 調(diào)試模塊硬件斷點(diǎn)支持否是是 跟蹤緩沖區(qū)支持否是是 異常處理 集成中斷控制器 是是是 用戶模式支持否，超級(jí)模式否，超級(jí)模式否，超級(jí)模式 指令定制支持 2 5 62 5 62 5 6 n i o si i 處理器有3 種類型：n i o si i e ( 經(jīng)濟(jì)型) 、n i o s i i s ( 標(biāo)準(zhǔn)型) 、n i o si i f ( 快 速型) 。n i o s i i e 型所占的f p g a 資源最少，但是性能最低：n i o s i i f 型性能最高， 但是所消耗的資源最多；n i o s i i s 型的性能和資源消耗介于n i o s i i e 型和n i o s i i f 型之間。表2 1 比較了3 種n i o s i i 處理器內(nèi)核的功能、面積和性能【8 1 。 根據(jù)復(fù)合節(jié)點(diǎn)實(shí)際的應(yīng)用需要，選擇n i o si i f 處理器，并考慮到5 1 2 b y t e 的指 1 4 s o p c 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 令緩存已經(jīng)足夠使用，且不需要使用到d a t ac a c h e ，由于在本課題中暫不涉及定制 指令內(nèi)容，所以用戶定制指令選擇無(wú)，n i o s i i 參數(shù)選擇如表2 2 所示。 表2 - 2 n i o s 內(nèi)核設(shè)置 t a b l e 2 2s e t t i n go f n i o sk e r n e l 處理器n i o s i i f i n s t r u c t i o nc a c h e 5 1 2 b y t e d a t ac a c h e 無(wú) j t a g 調(diào)試模塊 支持軟件斷點(diǎn)( l e v e l1 ) 定制指令無(wú) 2 4 2a v a l o n 總線 a v a l o n 總線是a l t e r a 公司提出的一種總線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)它的目的是為了能夠簡(jiǎn) 單可靠地將處理器和外圍設(shè)備連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)s o p c 系統(tǒng)。a v a l o n 和n i o s 是在 同一塊芯片內(nèi)，n i o s 必須使用a v a l o n 總線同外圍設(shè)備相連【9 】。 a v a l o n 總線結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)相比有顯著的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)中，單 個(gè)總線仲裁器控制總線主機(jī)和從機(jī)的通信，每個(gè)總線主機(jī)發(fā)起總線控制的請(qǐng)求， 由總線總裁器對(duì)某個(gè)主機(jī)授權(quán)接入總線。如果多個(gè)主機(jī)試圖同時(shí)接入總線，總線 仲裁器會(huì)根據(jù)一套固定的仲裁規(guī)則，分配總線資源給某個(gè)主機(jī)。由于每次只有一 個(gè)主機(jī)能夠接入總線，使用總線資源，因此會(huì)導(dǎo)致帶寬瓶頸。 a v a l o n 交換結(jié)構(gòu)( s w i t c hf a b r i c ) 是系統(tǒng)的主干，是s o p c 設(shè)計(jì)中外設(shè)之間通信 的主要信道。它能實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的同時(shí)處理。此外，它的同時(shí)多主機(jī)體系結(jié)構(gòu)提 高了系統(tǒng)帶寬，消除了帶寬瓶頸。采用a v a l o n 交換結(jié)構(gòu)，每個(gè)總線主機(jī)具有自己 的專有互聯(lián)，總線主機(jī)只需搶占共享從機(jī)，而不是總線本身。a v a l o n 交換結(jié)構(gòu)支 持多種系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如單主機(jī)多主機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在外設(shè)與性能最佳數(shù)據(jù) 通道之間的無(wú)縫傳輸。a v a l o n 交換結(jié)構(gòu)同樣支持用戶設(shè)計(jì)的片外處理器和外設(shè)。 a v a l o n 交換結(jié)構(gòu)由各種控制、數(shù)據(jù)和地址信號(hào)以及仲裁邏輯組成，將構(gòu)成系 統(tǒng)模塊的各外設(shè)連接起來(lái)。它是一種可配置的總線結(jié)構(gòu)，隨著用戶不同互聯(lián)需求 而改變。它由s o p cb u i l d e r 自動(dòng)生