（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）指紋fpga粗比對加速卡的優(yōu)化.pdf

_ l i i ii iii ui ii ii ii i iiil 17 5 9 2 13 獨創(chuàng)性( 或創(chuàng)新性) 聲明 本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他 教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 申請學位論文與資料若有不實之處， 本人簽名：壘塵旦：壟 本人承擔一切相關(guān)責任。 日期：2 塵：生：魚 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 學位論文作者完全了解北京郵電大學有關(guān)保留和使用學位論文的規(guī)定，即： 研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬北京郵電大學。學校有權(quán)保 留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許學位論文被查閱和借 閱；學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它 復(fù)制手段保存、匯編學位論文。( 保密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定) 保密論文注釋：本學位論文屬于保密在一年解密后適用本授權(quán)書。非保密論 文注釋：本學位論文不屬于保密范圍， 本人簽名： 導(dǎo)師簽名： 適鬻權(quán)瓠引一日期：絲! ：! 同期：趔壁：厶，理 r 北京郵電人學碩士研究生學位論文 指紋f p g a 粗比對加速卡的優(yōu)化 摘要 本文首先對指紋粗比對加速卡的f p g a 核心比對模塊做了改進， 消除了原設(shè)計在特殊情況下出現(xiàn)的一些問題，并優(yōu)化了原設(shè)計的時 序。對修改后的核心比對模塊進行后仿真后，將新的代碼下載到a l t e r a 公司的s t r a t i x l if p g a 內(nèi)，用q u a r t u s l i 的嵌入式邏輯分析儀觀察，確 認能正常工作。 核心電路完成粗比對后，將與現(xiàn)場指紋匹配的庫指紋序號返回主 機。本文提出了一種利用原設(shè)計中庫指紋空閑空間存放庫指紋序號的 方法，具有不改變原設(shè)計時序、開發(fā)難度低的優(yōu)點。為提高系統(tǒng)性能， 匹配結(jié)果被暫存在一個隊列里，等到隊列充滿到一定程度再發(fā)中斷通 知9 0 5 4 從隊列中讀出比對結(jié)果。在調(diào)試階段，隊列用片內(nèi)r a m 實 現(xiàn)，如有必要也可采用專用芯片。 本課題的f p g a 的片內(nèi)存儲資源不夠存放從p c i9 0 5 4 一次發(fā)送 的庫指紋數(shù)據(jù)，因此外接了4 片i d t 公司的i d t 7 1 vs r a m 芯片作為 外部存儲器，本文設(shè)計了對s r a m 的讀寫控制。 p l x 公司的9 0 5 4 芯片是兼容p c i2 2 版本的總線橋設(shè)備，在本 課題里，用來將復(fù)雜的p c i 協(xié)議轉(zhuǎn)化為相對簡單的本地總線協(xié)議，降 低開發(fā)難度。本文設(shè)計了與9 0 5 4 的接口。 本文的最后一項工作是進行主機端應(yīng)用程序的設(shè)計和應(yīng)用程序、 驅(qū)動和加速卡的聯(lián)合調(diào)試，并在結(jié)尾給出總結(jié)與展望。 關(guān)鍵字：粗比對f p g as r a m 9 0 5 4 o t h eo p t i m i z a t i o no ft h ef i n g e r p r i n tf p g ac o a r s e m a t c h i n ga c c e l e r a t o r a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s tm a k e ss o m ei m p r o v e m e n t st ot h ef p g a c o r eo f f i n g e r p r i n tc o a r s em a t c h i n gc a r d ，e l i m i n a t i n gs o m ep r o b l e m si nt h e o r i g i n a ld e s i g nw h i c hm a yo c c u ri ns o m eo d dc i r c u m s t a n c e s ，a n d o p t i m a z i n gt h et i m i n go ft h eo r i g i n a ld e s i g n t h ep a p e rd i ds o m e t i m i n g - s i m u l a t i o n t ot h er e v i s e dc o r e m a t c h i n gm o d u l ef i r s t ，t h e n d o w n l o a d e dt h en e wc o d et oa l t e r a ss t r a t i xi if p g a ，a n do b s e r v e dt h e w a v e f o r mu s i n gq u a r t u si i se m b e d d e dl o g i ca n a l y z e r , t h u sv e r i f l e dt h e n e wc o d ew o r kw e l l a f t e rt h ec o a r s e m a t c h i n g ，t h ec o r er e t u r n st h ei do fl i b r a r y f i n g e r p r i n t s ，w h i c ha c c o r dw i t ht h ef i e l df i n g e r p r i n t ，t ot h ec o m p u t e r t h i s p a p e rp u t sf o r w a r dam e t h o dw h i c hu t i l i z e st h ef o r m e rf r e es p a c eo ft h e l i b r a r yf i n g e r p r i n t i nt h e o r i g i n a ld e s i g n t h i sm e t h o dh a ss u c h a d v a n t a g e sa sk e e pt h eo r i g i n a lt i m i n ga n de a s yt od e v e o p i no r d e rt o r a i s et h es y s t e m sp e r f o r m a n c e ，t h em a t c h i n gr e s u l ti st e m p o r i l ys t o r e di n aq u e u e 、枷e nt h eq u e u ei ss t u 腩dt oac e r t a i ne x t a n t a ni n t e r r u p ti ss e n t t oi n f o r m9 0 5 4t or e a dt h e m a t c h i n g r e s u l tf r o mt h eq u e u e i nt h e d e b u g g i n gp h a s e ，t h eq u e u ei sf u l f i l l e dw i t ho n c h i pr a m h o w e v e li t c a na l s ob ea nd e d i c a t e dc h i pi fn e c e s s a r y i nt h i si s s u e ，t h ef p g ah a sn o te n o u g hm e m o r yt os t o r eo n eb a t c ho f l i b r a r yf i n g e r p r i n t ss e n tf r o mp c i9 0 5 4 ，s oi t sc o n n e c t e dt o4i d t r s i d t 71vs r a mc h i p sa se x t e r n a l m e m o r y t h i sp a p e rm a k e sa n p r e s e n t a t i o na b o u t t h er e a d i n ga n d w r i t i n go fs r a m t h ep l x s9 0 5 4i sab u sb r i d g ec o m p a t i b l ew i t hp c iv e r s i o n2 2 i n t h i si s s u e ，i ti su s e dt ot u r nc o m p l i c a t e dp c ip r o t e c o li n t os i m p l e rl o c a l b u sp r o t e c 0 1 t h i sw a yt h e d e s i g ni s e a s i e r t h i s p a p e rm a k e sa n p r e s e n t a t i o na b o u tt h ed e s i g no ft h ei n t e r f a c et o9 0 5 4 h _王一 l t h el a s tp a r to ft h ep a p e ri sa b o u tt h ed e s i g no f t h ea p p l i c a t i o ni nt h e c o m p u t e ra n dt h ej o i n tt e s to ft h ea p p l i c a t i o n ，t h ed r i v e ra n dt h e a c c e l e r a t o r as u m m a r ya n d p r o s p e c to ft h ei s s u ei sg i v e na tt h ee n do ft h e p a p e r k e y w o r d s ：c o a r s e m a t c h i n g ，f p g a ，9 0 5 4 ，s r a m i i i 北京郵電人學碩1 ：研究生學位論文 目錄 第一章緒論1 1 1 指紋粗比對加速卡的研究背景l(fā) 1 2 主要 ：作和章節(jié)安排2 第二章硬件描述語言v h d l 與f p g a 設(shè)計4 2 1v h d l 語言的特性及優(yōu)勢4 2 3 開發(fā)f p g a 的原則和技巧5 2 3 1 開發(fā)f p g a 的幾點原則6 2 3 2 開發(fā)f p g a 的一些技巧。7 2 4s t r a t i x l i 系列f p g a 的特性和結(jié)構(gòu)1 0 2 4 1s t r a t i x l i 系列芯片的特點1 0 2 4 2s t r a t i x l i 芯片的結(jié)構(gòu)1 0 第三章核心比對模塊的優(yōu)化和改進1 2 3 1 核心比對模塊的總體框架1 2 3 1 1 特征三角形比對。1 2 3 1 2 偏移暈計算1 3 3 1 3 細節(jié)點匹配。1 3 3 2 計數(shù)讀取標識輸出的邊產(chǎn)生的改進1 4 3 2 1 邊產(chǎn)生模塊的作用。1 4 3 2 2 原始設(shè)計的問題和相應(yīng)的解決辦法1 4 3 2 3 改進后的特征邊生成模塊一1 5 3 3 特征三角形比對模塊中并串轉(zhuǎn)換模塊的改進1 7 3 3 1 進行并串轉(zhuǎn)換的原因1 7 3 3 2 原始并串轉(zhuǎn)換模塊的隱患1 8 3 3 3 對并串轉(zhuǎn)換模塊的改進1 8 3 4 對偏移鼉排序模塊的改進2 0 3 4 1 偏移量排序模塊的功能2 0 3 4 2 原設(shè)計存在的問題2l 3 4 - 3 新的偏移量排序模塊2 1 3 5 對細節(jié)點匹配模塊的d f b 緩沖的修改2 5 3 5 1 細節(jié)點匹配模塊的d f b 緩沖的作用2 5 3 5 2 原始設(shè)計的d f b 緩沖存在的問題2 5 3 5 3 新的d f b 緩沖2 6 3 6 對偏移量讀取控制的改進。3l 3 6 1 原設(shè)計的偏移量讀取模塊的問題3 l 3 6 2 新的偏移量讀取控制3 2 3 6 3 新的偏移量讀取控制與原設(shè)計的比較3 2 3 7 對庫指紋特征點讀取控制的修改3 4 3 8 比對結(jié)束信號生成模塊m a t c h o v e rg e n 3 5 3 8 1 為什么用全1 的f i d 指示比對結(jié)束3 5 3 9 2m a t c h o v e r 的設(shè)計36_gen 3 9 存放匹配庫指紋序號的f i f o 的寫控制模塊f i f ow r i t e 一3 7 3 9 1f i f ow r i t e 的作用3 7 i v i i l 北京郵電人學碩：l 二研究生學位論義 3 9 2f i f ow d t e 的設(shè)計3 8 3 1 0 對打分模塊f i l t e rm a r k e r 的修改4 l 3 1 0 1 打分篩選模塊的作用4 l 3 1 0 。2 原設(shè)計中的f i l t e r m a r k e r 的問題及解決4 l 3 1 l 對現(xiàn)場指紋特征點少于1 7 個的求結(jié)構(gòu)分模塊f i l t e rm a r k e rt o t a lg r a d e 的改進4 2 3 11 1f i l t e r _ m a r k e r _ t o t a l _ g r a d e 的作用4 2 3 1 1 2 原設(shè)計的f i t e r的問題。43_markertotalg r a d e 3 1 1 3 新的求結(jié)構(gòu)分狀態(tài)機4 4 3 1 1 4 新的打分模塊與原設(shè)計的比較4 5 3 1 2 現(xiàn)場指紋特征點多于1 6 個的打分模塊f i t l e rm a r k e ru p 的設(shè)計- 一4 7 第四章片外s r a m 控制器的設(shè)計4 9 4 1 片外s r a m 概述4 9 4 2 片外s r a m 控制器s r a m 的整體規(guī)劃5 0 4 - 3s r a m 寫控制模塊s r a m _write 51 4 4s r a m 的讀控制模塊s i a m r e a d 5 4 4 5s r a m 核心控制模塊s r a m _ c o r e 5 5 4 6 與s r a m 的接口s i a ms i a m 5 7 第五章本地總線與9 0 5 4 的接口5 9 5 19 0 5 4 概j 盔5 9 5 2 通信模式的選擇5 9 5 2 1 選擇c 模式的原因。5 9 5 2 2c 模式的工作流程6 0 5 3 對p c b 板布線的改動6 2 5 4 本地總線上與9 0 5 4 的接口l o c a l9 0 5 4 的設(shè)計6 2 第六章驗證和測試結(jié)果。6 6 6 1f p g a 代碼編譯報告6 6 6 2 與應(yīng)用程序、驅(qū)動程序聯(lián)合測試6 7 6 2 1 測試程序的設(shè)計6 7 6 2 2 測試結(jié)果6 8 第七章總結(jié)與展望7 0 7 1 總結(jié)7 0 7 2 展望7 0 參考文獻。7l 致謝7 2 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文7 3 - i i ， t 技術(shù)的研究對象。 會發(fā)生變化；指紋 的唯一性是說世界上沒有任何兩個人的指紋相同。 指紋是人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線。紋線有規(guī)律的排 列形成不同的紋型。紋線的起點、終點、結(jié)合點和分叉點，稱為指紋的細節(jié) 特征點( m i n u t i a e ) 。指紋識別即指通過比較不同指紋的細節(jié)特征點來進行身 份鑒別的技術(shù)。 指紋的應(yīng)用歷史悠久，經(jīng)考古證實，公元前7 0 0 0 年到6 0 0 0 年以前，在古 敘利亞和中國，指紋作為身份鑒別的一種手段，已經(jīng)得到應(yīng)用。但長期以來，人 們對指紋的應(yīng)用還停留在原始階段，主要作為身份憑證，例如，我國古代利用 指紋( 手印) 來簽字畫押。直到1 6 8 4 年，英國植物形態(tài)學家g r e w 發(fā)表了第 一篇研究指紋的科學論文，標志著現(xiàn)代意義的指紋識別理論的誕生。之后指 紋識別理論蓬勃發(fā)展。 1 8 0 9 年b e w i c k 把自己的指紋作為商標。1 8 2 3 年解剖學家p u r k i j e 將指紋 分為九類。1 8 8 0 年，f a u l d s 在自然雜志提倡將指紋用于識別罪犯。1 8 9 1 年g a l t o n 提出著名的高爾頓分類系統(tǒng)。之后，英國、美國：德國等的警察部 門先后采用指紋鑒別法作為身份鑒定的主要方法。隨著計算機和信息技術(shù)的 發(fā)展，f b i 和法國巴黎警察局于六十年代開始研究開發(fā)指紋自動識別系統(tǒng) ( a f i s ) 用于刑事案件偵破。目前，世界各地的警察局已經(jīng)廣泛采用了指紋 自動識別系統(tǒng)。九十年代，用于個人身份鑒定的自動指紋識別系統(tǒng)得到開發(fā) 和應(yīng)用。以上事件在指紋識別的發(fā)展史上都具有里程碑的意義。 飛速發(fā)展的信息技術(shù)將人類社會帶入一個嶄新的信息時代。在高度信息化的 今天，信息安全變得尤為重要，人們對身份驗證和識別的需求也越發(fā)迫切。生物 特征識別技術(shù)很好地滿足了這一需求?？捎糜谧R別的生物特征有指紋、掌紋、人 臉、視網(wǎng)膜、虹膜、毛發(fā)等。其中指紋識別技術(shù)是最傳統(tǒng)、發(fā)展最成熟也是應(yīng)用 最廣泛的生物特征識別技術(shù)。 和其他生物特征識別方式比較，指紋識別有如下特點： 北京郵電人學碩i ：研究生學位論文 表1 1 1 1 1 生物統(tǒng)普遍性唯一性穩(wěn)定性可采集準確性可接受安全性 計特征 性性 指紋 中高尚中高中兩 臉型高低中高低高低 手形 中 中 中 高中中中 擊鍵方低低低 中 低 中中 式 虹膜高 咼 局中局低 音 同 d n a同局向低 高低 低 從表中可見，指紋的各項指標都較好。和其他生物特征識別方式比較，指紋 有內(nèi)在的高唯一性每個人的指紋都是獨一無二的；高穩(wěn)定性指紋的形狀 特征固定不變。；高安全性每個人有多枚指紋可用；高準確性旨紋識別 技術(shù)理論嚴謹、技術(shù)成熟；其他特性也較好，因此是首選的生物特征識別手段。 根據(jù)指紋應(yīng)用場合的不同，指紋識別系統(tǒng)可分為身份認證和查證兩大類。 身份認證系統(tǒng)是一對一的查比系統(tǒng)，即將欲驗證的用戶指紋與庫中存儲的合法 用戶的指紋進行比對來確認其身份的合法性；而查證系統(tǒng)則是一對多的查比系 統(tǒng)，警察局和公安部門就是應(yīng)用查證系統(tǒng)來進行案件偵破的。這兩種系統(tǒng)有截 然不同的特點：前者只需驗證欲比對指紋和特定庫指紋是否匹配；后者則需要 搜索和遍歷數(shù)據(jù)庫中的每一枚指紋，將欲比對的指紋和庫中指紋進行一一比對 【2 l 0 在國際上，自動指紋識別系統(tǒng)( a f i s ) 的研究開始于二十世紀六十年代。在 近五十年的發(fā)展中，先后有多種規(guī)模、性能不同的系統(tǒng)問世。 指紋比對是重復(fù)的大運算量任務(wù)，隨著近年來應(yīng)用的深入與推廣，指紋比對 的規(guī)模更是不斷增加。用硬件設(shè)備完成指紋比對，集中主機處理能力于其他的工 作是一個比較好的對策。配備專用的指紋比對加速卡不僅可以大幅度提高系統(tǒng)的 速度，同時也為系統(tǒng)中采用更復(fù)雜的算法來提高系統(tǒng)處理的精度創(chuàng)造了更有利的 條件。由于指紋庫中的指紋數(shù)目巨大，把現(xiàn)場指紋和它們一一進行比對，要耗費 大量的時間，因此在精細的比對之前，先進行一次粗比對，排除大量的明顯不匹 配的指紋是提高自動指紋識別系統(tǒng)的一個有效途徑。 1 2 主要工作和章節(jié)安排 2 k 北京郵電人學碩：l 研究生學位論文 本論文針對指紋粗比對加速卡，主要完成了以下4 個工作： ( 1 ) 優(yōu)化和改進了粗比對算法在f p g a 上的實現(xiàn)，修正了原設(shè)計的一些問 題，使得算法在f p g a 上的工作更加穩(wěn)定可靠；并進行了功能仿真驗證。 ( 2 ) 設(shè)計了外部s r a m 控制器，通過用嵌入式邏輯分析儀調(diào)試，驗證了 該控制器可以正常工作。 ( 3 ) 設(shè)計了f p g a 與9 0 5 4 芯片的接口，修改了p c b 布線，并用嵌入式邏 輯分析儀調(diào)試，驗證了該電路工作正常。 ( 4 ) 修改了驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，使應(yīng)用程序、驅(qū)動程序和加速卡可以協(xié) 同工作，并經(jīng)實驗驗證了其工作正常。 本論文共分7 章，第l 章介紹了自動指紋識別系統(tǒng)的研究背景，以及論文工 作和章節(jié)安排；第2 章介紹了v h d l 語言、f p g a 開發(fā)基本原則、技巧及s t r a t i x l i 系列芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性；第3 章是對原粗比對算法的優(yōu)化和改進；第4 章介紹 s r a m 控制器的設(shè)計；第5 章闡述了與9 0 5 4 芯片的接口的設(shè)計；第6 章給出了 應(yīng)用程序、驅(qū)動程序和加速卡聯(lián)合工作的測試結(jié)果；第7 章對指紋粗比對系統(tǒng)進 行總結(jié)和展望。 北京郵電人學碩f ：研究生學位論文 第二章硬件描述語言v h d l 與f p g a 設(shè)計 2 1v h d l 語言的特性及優(yōu)勢 v h d l 語言是一種用于電路設(shè)計的高級語言。它在2 0 世紀8 0 年代后期 出現(xiàn)。最初是由美國國防部開發(fā)出來供美軍用來提高設(shè)計的可靠性和縮減開 發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計語言。1 9 8 7 年底，v h d l 被i e e e 和美國 國防部確認為標準硬件描述語言。自i e e e 公布了v h d l 的標準版本， i e e e 一1 0 7 6 ( 簡稱8 7 版) 之后，各e d a 公司相繼推出了自己的v h d l 設(shè)計環(huán) 境，或宣布自己的設(shè)計工具可以和v h d l 接口。此后v h d l 在電子設(shè)計領(lǐng)域 得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標準的硬件描述語言。1 9 9 3 年， i e e e 對v h d l 進行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴展v h d l 的內(nèi)容，公布了新版本的v h d l ，即i e e e 標準的1 0 7 6 1 9 9 3 版本，簡稱9 3 版。2 0 0 8 年，在v h p i 任務(wù)團隊和p 1 0 7 6 工作組的共同努力下，推出v h d l 2 0 0 8 ?，F(xiàn)在，v h d l 和v e r i l o g 作為i e e e 的工業(yè)標準硬件描述語言，又得到 眾多e d a 公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實上的通用硬件描述語言。 v h d l 的英文全稱是v h s i c ( v e r yh i 曲s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語言。因 此它的應(yīng)用主要是應(yīng)用在數(shù)字電路的設(shè)計中。目前，它在中國的應(yīng)用多數(shù)是 用在f p g a c p l d e p l d 的設(shè)計中。當然在一些實力較為雄厚的單位，它也被 用來設(shè)計a s i c 。 v h d l 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許 多具有硬件特征的語句外，v h d l 的語言形式、描述風格與句法十分類似于 一般的計算機高級語言。v h d l 的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計，或稱設(shè) 計實體( 可以是一個元件、一個電路模塊或一個系統(tǒng)) 分成外部( 或稱可視 部分及端口) 和內(nèi)部( 或稱不可視部分) ，既涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成 部分。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成，其他的 設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是 v h d l 系統(tǒng)設(shè)計的基本點。 v h d l 語言具有很強的電路描述和建模能力，能從多個層次對數(shù)字系統(tǒng) 進行建模和描述，從而大大簡化了硬件設(shè)計任務(wù)，提高了設(shè)計效率和可靠性。 4 北京郵電大學碩i ：研究生學位論文 v h d l 具有與具體硬件電路無關(guān)和與設(shè)計平臺無關(guān)的特性，具有良好的 電路行為描述和系統(tǒng)描述的能力，并在語言易讀性和層次化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計方 面表現(xiàn)了強大的生命力和應(yīng)用潛力3 1 。 與其他硬件描述語言相比，v h d l 具有以下特點： 功能強大、設(shè)計靈活。v h d l 具有功能強大的語言結(jié)構(gòu)，可以用簡潔明 確的源代碼來描述復(fù)雜的邏輯控制。它具有多層次的設(shè)計描述功能，層層細 化，最后可直接生成電路級描述。v h d l 支持同步電路、異步電路和隨機電 路的設(shè)計，這是其他硬件描述語言所不能比擬的。v h d l 還支持各種設(shè)計方 法，既支持自底向上的設(shè)計，又支持自頂向下的設(shè)計；既支持模塊化設(shè)計， 又支持層次化設(shè)計。 支持廣泛、易于修改。由于v h d l 已經(jīng)成為i e e e 標準所規(guī)范的硬件描 述語言，目前大多數(shù)e d a 工具幾乎都支持v h d l ，這為v h d l 的進一步推 廣和廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在硬件電路設(shè)計過程中，主要的設(shè)計文件是用 v h d l 編寫的源代碼，因為v h d l 易讀和結(jié)構(gòu)化，所以易于修改設(shè)計。 強大的系統(tǒng)硬件描述能力。v h d l 具有多層次的設(shè)計描述功能，既可以 描述系統(tǒng)級電路，又可以描述門級電路。而描述既可以采用行為描述、寄存 器傳輸描述或結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者混合的混合級描述。另外，v h d l 支持慣性延遲和傳輸延遲，還可以準確地建立硬件電路模型。v h d l 支持預(yù) 定義的和自定義的數(shù)據(jù)類型，給硬件描述帶來較大的自由度，使設(shè)計人員能 夠方便地創(chuàng)建高層次的系統(tǒng)模型。 獨立于器件的設(shè)計、與工藝無關(guān)。設(shè)計人員用v h d l 進行設(shè)計時，不需 要首先考慮選擇完成設(shè)計的器件，就可以集中精力進行設(shè)計的優(yōu)化。當設(shè)計 描述完成后，可以用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其功能。 很強的移植能力。v h d l 是一種標準化的硬件描述語言，同一個設(shè)計描 述可以被不同的工具所支持，使得設(shè)計描述的移植成為可能。 易于共享和復(fù)用。v h d l 采用基于庫( l i b r a r y ) 的設(shè)計方法，可以建立 各種可再次利用的模塊。這些模塊可以預(yù)先設(shè)計或使用以前設(shè)計中的存檔模 塊，將這些模塊存放到庫中，就可以在以后的設(shè)計中進行復(fù)用，可以使設(shè)計 成果在設(shè)計人員之間進行交流和共享，減少硬件電路設(shè)計的時間。 f p g a 設(shè)計不同于軟件設(shè)計，它有著自己特有的設(shè)計原則，下面是f p g a 常 用的設(shè)計原則，在進行f p g a 設(shè)計時，必須遵照這些基本原則。 2 3 開發(fā)f p g a 的原則和技巧 5 北京郵電大學碩i j 研究生學位論文 2 3 1 開發(fā)f p g a 的幾點原則 1 面積和速度的平衡與互換原則 這里“面積”指一個設(shè)計消耗f p g a c p l d 的邏輯資源的數(shù)量，對于f p g a 可 以用所消耗的觸發(fā)器和查找表來衡量，更一般的衡量方式可以使用設(shè)計所占用的 等價邏輯門數(shù)；“速度”指設(shè)計在芯片上穩(wěn)定運行時所能夠達到的最高頻率，這個 頻率由設(shè)計的時序狀況決定，和設(shè)計滿足的時鐘周期、管腳到管腳延時( p a dt o p a dt i m e ) 、建立時間( c l o c ks e t u pt i m e ) 、保持時間( c l o c kh o l dt i m e ) 以及 時鐘到輸出延時( c l o c kt oo u t p u td e l a y ) 等眾多時序特征量密切相關(guān)。面積與速 度這兩個指標貫穿著f p g a c p l d 設(shè)計的始終，是設(shè)計質(zhì)量評價的終極標準。 面積和速度是一對對立統(tǒng)一的矛盾體。要求一個同時具備設(shè)計面積最小，運 行頻率最高是不現(xiàn)實的?？茖W的設(shè)計目標應(yīng)該是在滿足設(shè)計時序要求( 包含對設(shè) 計頻率的要求) 的前提下，占用最小的芯片面積?；蛘咴谒?guī)定的面積下，使設(shè) 計的時序余量更大，頻率更高。這兩種目標充分體現(xiàn)了面積和速度的平衡思想。 關(guān)于面積和速度的要求，我們不應(yīng)該簡單地理解為工程師水平的提高和設(shè)計完美 性的追求，而應(yīng)該認識到它們是和產(chǎn)品的質(zhì)量和成本直接相關(guān)的。如果設(shè)計的時 序余量比較大，運行的頻率比較高，則意味著設(shè)計的健壯性更強，整個系統(tǒng)的質(zhì) 量更有保證；另一方面，設(shè)計所消耗的面積更小，則意味著在單位芯片上實現(xiàn)的 功能模塊更多，需要的芯片數(shù)量更少，整個系統(tǒng)的成本也隨之大幅度削減1 4 1 。 面積和速度的互換是f p g a c p l d 設(shè)計的一個重要思想。從理論上講，一個 設(shè)計如果時序余量較大，所能跑的頻率遠遠高于設(shè)計要求，那么就能通過功能模 塊復(fù)用減少整個設(shè)計消耗的芯片面積，這就是用速度的優(yōu)勢換面積的節(jié)約；反之， 如果一個設(shè)計的時序要求很高，普通方法達不到設(shè)計頻率，那么一般可以通過將 數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換，并行復(fù)制多個操作模塊，對整個設(shè)計采取“乒乓操作”和“串并 轉(zhuǎn)換”的思想進行運作，在芯片輸出模塊再對數(shù)據(jù)進行“并串轉(zhuǎn)換”，使得從宏觀 上看整個芯片滿足了處理速度的要求，這相當于用面積復(fù)制換取速度的提高。 2 硬件原則 硬件原則主要針對h d l 代碼編寫而言。 首先應(yīng)該明確f p g a c p l d 、a s i c 的邏輯設(shè)計所采用的硬件描述語言( h d l ) 與軟件語言( 如c ，c + + 等) 是有本質(zhì)區(qū)別的，以v e i l o g h d l 語言為例，雖然 v e i l o g 很多語法規(guī)則和c 語言相似，但是v e i l o g 作為硬件描述語言，它的本質(zhì) 作用在于描述硬件，而不是設(shè)計硬件，它的最終實現(xiàn)結(jié)果是芯片內(nèi)部的實際電路。 所以評判一段h d l 代碼的優(yōu)劣的最終標準是：其描述并實現(xiàn)的電路的性能。 片面追求代碼的整潔、簡短是錯誤的，是與評價h d l 的標準背道而馳的，j 下確 的編碼方法是，首先要做到對所需實現(xiàn)的硬件電路非常熟悉，對該部分硬件的結(jié) 構(gòu)與連接十分清晰，然后再用適當?shù)膆 d l 語句表達出來才可以。 6 k 北京郵電大學碩 研究生學位論文 3 系統(tǒng)原則 系統(tǒng)原則包含兩個層次的含義：具體到f p g a 設(shè)計層面，要求對設(shè)計的全局 有個宏觀上的合理安排，比如時鐘域、模塊復(fù)用、約束、面積、速度等問題，要 知道在系統(tǒng)上復(fù)用模塊節(jié)省的面積遠比在代碼上小打小鬧來的實惠得多；從更高 層面上看，是一個硬件系統(tǒng)，一塊單板如何進行模塊花費與任務(wù)分配，什么樣的 算法和功能適合放在f p g a 里面實現(xiàn)，什么樣的算法和功能適合放在d s p 、c p u 里面實現(xiàn)，以及f p g a 的規(guī)模估算、數(shù)據(jù)接口設(shè)計等。 一般來說，實時性要求高、頻率快的功能模塊適合使用f p g a c p l d 實現(xiàn)。 與c p l d 相比，f p g a 更適合實現(xiàn)規(guī)模較大、頻率較高、寄存器資源使用較多的 設(shè)計。使用f p g a c p l d 設(shè)計時，應(yīng)該對芯片內(nèi)部的各種底層硬件資源，和可用 的設(shè)計資源有一個較深刻的認識。如f p g a 通常觸發(fā)器資源比較豐富，而c p l d 組合邏輯資源更多一些。 4 同步設(shè)計原則 采用同步時序設(shè)計是f p g a c p l d 設(shè)計的一個重要原則，在f p g a 器件中， 有非常豐富的觸發(fā)器資源和全局時鐘資源，可以很方便地進行同步設(shè)計，利用觸 發(fā)器構(gòu)成同步電路，采用全局時鐘同步，將會給設(shè)計帶來極大方便，使大規(guī)模設(shè) 計成為可能。 采用同步設(shè)計方法可以有效避免競爭和冒險，提高電路運行的穩(wěn)定性，極大 減少亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的幾率；同步設(shè)計中，采用流水線的方法，對邏輯進行流水線分 級，各級之間互不干擾，提高了硬件資源的利用效率，同時也減少了系統(tǒng)的時延； 在高速電路中，采用同步設(shè)計的方法可以減少電平翻轉(zhuǎn)的頻率，有效降低系統(tǒng)的 功耗。 2 3 2 開發(fā)f p g a 的一些技巧 1 流水線設(shè)計 流水線處理是高速設(shè)計中的一個常用設(shè)計手段。如果某個設(shè)計的處理流程分 為若干步驟，而且整個數(shù)據(jù)處理是“單流向”的，即沒有反饋或者迭代運算，前一 個步驟的輸出是下一個步驟的輸入，則可以考慮采用流水線設(shè)計方法提高系統(tǒng)的 工作頻率，即將比較大的組合邏輯塊分成小塊實現(xiàn)，小邏輯塊之間用觸發(fā)器間隔， 如圖2 1 所示為流水線劃分的示意圖。 7 北京郵電火學碩i ：研究生學位論文 寄 一數(shù)據(jù)處理操作卜 寄 存 存 器器 數(shù) 數(shù)數(shù) 據(jù) 廿 據(jù) 寄 據(jù)寄 操 操存 _ - 卜操 作 作器作器 l 23 氣三對氣三療氣三對 圖2 - i 流水線劃分示意圖5 1 流水線設(shè)計的一個關(guān)鍵在于：整個設(shè)計時序的合理安排、前后級接口間數(shù)據(jù) 流速的匹配。這就要求每個操作步驟的劃分必須合理，要統(tǒng)籌考慮各個操作步驟 間的數(shù)據(jù)流量。如果前級操作時間恰好等于后級的操作時間，設(shè)計最為簡單，前 級的輸出直接匯入后級的輸入即可。如果前級操作時間小于后級的操作時間，則 需要對前級的輸出數(shù)據(jù)適當緩存，才能匯入后級，還必須注意數(shù)據(jù)速率的匹配， 防止后級數(shù)據(jù)的溢出。如果前級操作時間大于后級的操作時間，則必須通過邏輯 復(fù)制、串并轉(zhuǎn)換等手段將數(shù)據(jù)流分流，或者在前級對數(shù)據(jù)采用存儲、后處理方式， 否則會造成與后級的處理節(jié)拍不匹配。 事實上，在設(shè)計中加入了流水線，盡管可以提高系統(tǒng)的工作頻率，但并不會 減少原設(shè)計中總的延時，有時甚至還會增加插入的寄存器的延時及信號同步的時 間差，而且流水線的級數(shù)過多，雖然系統(tǒng)的工作頻率可能會很高，但是系統(tǒng)的 工作效率不一定高，所以，采用流水線設(shè)計方法要權(quán)衡利弊。 2 乒乓操作 乒乓存儲操作是一種最常用的乒乓操作方式，如圖2 2 為乒乓存儲操作示意 圖。 輸入 叫存儲單元l 睜 輸出 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 選擇選擇 單元 刮存儲單元2b 單元 圖2 - 2 乒乓存儲操作示意圖5 1 通過輸入數(shù)據(jù)流選擇單元和輸出數(shù)據(jù)流選擇單元按節(jié)拍、相互配合的切換。 整個乒乓存儲模塊對外只有一個讀信號和一個寫信號，讀寫相互配合，后級的模 塊在進行讀操作時，不會與前級的寫操作產(chǎn)生沖突。乒乓存儲操作與流水線配合， 可以保證流水線不會出現(xiàn)“斷流”或者“溢出”的現(xiàn)象。 3 串并轉(zhuǎn)換 串并轉(zhuǎn)換是f p g a 設(shè)計的一個非常重要的思想，是e d a 設(shè)計中經(jīng)常用到的 k 北京郵電大學碩十研究生學位論文 數(shù)據(jù)流處理手段，從本質(zhì)上來講，串并轉(zhuǎn)換實際上是設(shè)計中消耗的芯片面積與想 要得到的設(shè)計工作速度的互換思想的體現(xiàn)。將串行轉(zhuǎn)換為并行，一般旨在通過復(fù) 制邏輯，提高整個設(shè)計的數(shù)據(jù)吞吐率，本質(zhì)是通過芯片面積的消耗來換取系統(tǒng)工 作頻率的提高，而將并行轉(zhuǎn)換為串行，則是在保證了工作頻率的情況下盡量的節(jié) 約芯片消耗的面積，以達到降低整個設(shè)計成本的目的。串并轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的方法多種 多樣，根據(jù)數(shù)據(jù)的排序和數(shù)量的要求可以選用寄存器、r a m 等實現(xiàn)。前面在乒 乓操作的舉例，就是通過d p r a m 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換，而且由于使用了 d p r a m ，數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)可以開的很大。對于數(shù)量比較小的設(shè)計可以采用寄存器 完成串并轉(zhuǎn)換。如無特殊需求，應(yīng)該用同步時序設(shè)計完成串并之間的轉(zhuǎn)換。對于 排列順序有規(guī)定的串并轉(zhuǎn)換，可以用c a s e 語句判斷實現(xiàn)。對于復(fù)雜的串并轉(zhuǎn)換， 還可以用狀態(tài)機實現(xiàn)。 4 模塊化設(shè)計 模塊化設(shè)計就是將設(shè)計按照流程、功能將系統(tǒng)劃分為若干個模塊，每一個模 塊也可以再劃分為若干個子模塊，結(jié)構(gòu)層次化編碼就是模塊化設(shè)計思想的一種體 現(xiàn)，目前大型設(shè)計中必須采用結(jié)構(gòu)層次化編碼風格，以提高代碼的可讀性，易于 模塊劃分，易于分工協(xié)作，易于設(shè)計仿真測試激勵。最基本的結(jié)構(gòu)化層次是由一 個頂層模塊和若干個子模塊構(gòu)成，每個子模塊根據(jù)需要還可以包含自己的子模 塊。合理的子模塊劃分不但有利于降低e d a 綜合布線工具的壓力，還有利于進 行團隊合作，加快開發(fā)進度。 5 模塊復(fù)用 模塊復(fù)用是從微觀的角度來觀察節(jié)省“面積”的問題。 在f p g a 芯片中，許多資源是非常有限的，尤其是乘法器d s p 資源。采用 模塊復(fù)用的方法將有助于節(jié)約這些資源，提高資源的利用率。下面舉一個例子對 模塊復(fù)用進行討論。 l f l s e i o ) t h e n ll f s e l = 0 ) t h e n f a 木b ； l m u l t i = a ； e l s e l m u l l 2 乒8 ； f c 囊d ：l e l s e e n di f ； m u l t i c ； lm u l t 2 = d ： 一 le n di f ； i ：f = m u l l i * m u l t 2 ； 。p 。 ( a ) ； b ) 圖2 - 3 模塊復(fù)用示例嘲 在設(shè)計中，實現(xiàn)f = s e l ? ( a x b ) ：( c x d ) 運算時，如果直接按照其運算的方 式編寫代碼( 如圖2 - 3 ( a ) 所示) 并綜合實現(xiàn)，那么將需要用2 個乘法器加一個雙 路選擇器；而經(jīng)過優(yōu)化后，采用模塊復(fù)用的方式，其代碼如圖2 3 ( b ) 所示，經(jīng)過 o 北京郵電火學碩j ：研究生學位論文 綜合實現(xiàn)，只需要一個乘法器和兩個雙路選擇器。由此可見，模塊復(fù)用的方式可 以使緊張的資源得到高效的利用，在實際應(yīng)用中，這對于緩解e d a 工具布局布 線的壓力也有很重要的作用。 2 4s t r a t i x i i 系列f p g a 的特性和結(jié)構(gòu) 2 4 1s t r a t i x i i 系列芯片的特點 s t r a t i xi i 是基于1 2 v 、9 0 n m 的全銅f p g a 系列。s t r a t i xi i 采用新的邏輯結(jié) 構(gòu)，能夠使性能達到最優(yōu)，等效邏輯單元( l e s ) 達到1 8 0 0 0 0 個。s t r a t i xi i 系列器 件提供多達9 兆比特的片內(nèi)三維矩陣型存儲器，用來實現(xiàn)高存儲要求的應(yīng)用，和 9 6 個d s p 塊，可配置成3 8 4 ( 1 8 - b i t x l 8 - b i t ) 個乘法器，有效實現(xiàn)高性能濾波器和 其他d s p 功能。s t r a t i x1 1 支持多種高速外圍存儲器接口，包括雙倍速率 ( d d r ) s d r a m 和第二代雙倍速率( d d r 2 ) s d r a m 、第二代低延遲動態(tài)隨機存取 內(nèi)存( r l d r a m ) 、第二代四倍速率( q d r ) s d r a m 和單倍速率( s d r ) s d r a m 。 s t r a t i xi i 芯片支持多種i o 標準，如具有動態(tài)相位調(diào)整電路的每秒g b i t ( g b p s ) 的 源同步。s t r a t i xi i 提供完備的時鐘管理方案，其內(nèi)部時鐘頻率高達5 5 0m h z ，內(nèi) 嵌1 2 個鎖相環(huán)( p l l s ) 。s t r a t i xi i 也是業(yè)界第一款使用先進編碼標準( a e s ) 算法 翻譯配置比特流的芯片，達到保護設(shè)計的目的【剛。 2 4 2s t r a t i x l i 芯片的結(jié)構(gòu) 對于一般f p g a 芯片，其邏輯單元( l e ) 經(jīng)典結(jié)構(gòu)為一個四輸入查找表( l u t ) 和一個觸發(fā)器。為什么幾乎所有的f p g a 廠商都采用這個結(jié)構(gòu)昵? 我