五级流水线RISC-V微处理器的研究与设计

针对嵌入式领域低开销、高性能的应用需求,设计一种基于RISC-V开源指令集架构的32 bit微处理器。采用顺序发射、顺序执行、乱序写回的五级流水线结构,实现了整型和乘除法指令集模块组合。为了应对流水线冲突,处理器采用动态分支预测技术,设计数据相关性控制和乱序写回机制。使用Verilog进行设计并采用先进高性能总线(AHB)和高级外围总线(APB)为互联总线协议构建片上系统(SoC)。在仿真环境下通过编写RV32IM汇编指令测试程序,完成对处理器逻辑功能的验证。在Vivado综合工具下添加时序约束和物理约束条件后,对处理器代码进行逻辑综合并分析处理器硬件资源利用情况,最后将综合生成的码流文件下载到Xilinx Artix-7(XC7A200T-2FBG484I)现场可编程门阵列(FPGA)开发板中并以50 MHz的主频运行CoreMark程序,CoreMark跑分达到3.25 CoreMark/MHz。实验结果表明,处理器性能跑分与ARM Cortex-M3系列处理器基本持平,在各项技术对比指标相同的前提下,所设计的处理器跑分均优于RISC-V处理器对比项。所设计的处理器逻辑功能正确,使用较低的硬件开销,取得相对较高的性能指标,适用于成本受限的高性能嵌入式应用领域。

掌上型核磁共振控制台的设计与实现

常规的核磁共振仪器具有体积大,不易携带等缺点,限制了其在现场石油勘探、食品安全、环境污染、质检等领域的应用.为此,本文提出了一种掌上型核磁共振控制台设计方案,在一块可编程片上系统芯片Zynq-7000上,通过高级精简指令集计算机(Advanced RISC Machine,ARM)核构建、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)逻辑设计和控制程序设计,完成了整个掌上型核磁共振控制台的设计与实现.全部设计完成后,在课题组自研的0.5 T桌面式核磁共振系统上,进行了自由感应衰减(Free Induction Decay,FID)、自旋回波(Spin Echo,SE)和CPMG(Carr-Purcel1-Meiboom-Gill)几个基本脉冲序列的测试,验证了其整体架构设计的正确性和各个模块之间的协调性.设计的核磁共振控制台长10.6 cm,宽6.0 cm,高1.9 cm,在缩小体积的同时,还提高了脉冲序列的实时性和控制台的稳定性,为进一步研制便携式核磁共振仪器奠定了基础.

基于RISC的MPEG-4音频解码软件优化

为了提高MPEG-4先进音频编码(AAC)的解码效率,提出了在通用32位精简指令集计算机(reduced in-struction set computing,RISC)上实现MPEG-4 AAC低复杂度框架解码的软件优化技术.解码过程可以分成比特流解码部分和运算部分.应用存储器分层结构加速比特流解码;基于运算过程、对象和乘法运算的优化技术提高运算部分的解码效率.结果表明,在35 MHz的处理器频率上实现了立体声实时解码,提高了解码效率.

红外识别闸机控制系统的设计与实现

针对闸机通行逻辑算法数据处理复杂、实时性差等问题,设计红外识别闸机控制系统。该系统集成了通行逻辑、闸门控制、声光报警等功能;引入红外传感识别技术,结合旅客通行事件集,优化闸机通道传感器布局;基于位置识别思想,设计通行逻辑算法;采用32位AdvancedRISC Machine(ARM)微控制器,作为主控芯片。在国家铁路多个客运车站应用的结果表明,该系统误报率低,旅客行为检测精准,通行效率高,验证了其可靠性与实用性。

桌面式电火花加工机床数控系统硬件设计

针对桌面式电火花加工机床数控系统的兼容性和加工放电要求,课题组设计了一款基于ARM和现场可编辑门阵列(field programmable gate array, FPGA)的电火花加工机床数控系统硬件平台。该平台任务分配均匀合理,以ARM处理器为核心搭建上位机,移植Linux系统进行多任务处理、人机界面、插补运算等任务;以FPGA为核心搭建的下位机系统负责运动控制、放电脉冲控制、辅助模块控制等任务;硬件平台的搭建采用了核心板+基板的方式并采用以太网口进行通信。试验结果表明该硬件平台搭建的数控系统可以较好地完成电火花小孔加工。该研究提供了一种移植性好、迭代升级成本低、适配多种脉冲电源的电火花加工机床数控系统硬件平台设计方案。

基于ARM的螺栓抗滑移系数自动检测仪研究

抗滑移系数是评定高强度螺栓性能的重要指标参数。传统的螺栓抗滑移检测仪通常采用计算机与人工结合的控制模式。本文采用高级精简指令集处理器(Advanced RISC Machines,ARM)作为电机控制与传感器数据采集的核心模块,结合Qt完成抗滑移系数的自动检测,可实现螺栓预紧力设置、螺栓实时应力监测、滑移系数计算、数据与远程数据传输等功能,具有结构简单、实时性好以及控制精度高等优点。

基于ARM的无线SoC设计

无线片上系统(System on Chip,SoC)已成为物联网产业发展的基础,在现代信息社会中占有越来越重要的地位。但由于通信算法的复杂化、通信协议的多样化,对无线通信设备的要求也在提高。针对此问题,使用Arm®Cortex™-M0处理器设计无线SoC,使用先进高性能总线(Advanced High-performance Bus,AHB)与先进外围总线(Advanced Peripheral Bus,APB)连接外设,Msi001芯片采集FM信号后通过解调算法得出解调信号,利用接收信号的强度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)模块实现FM电台收发和自动搜台,结合液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)屏、矩阵键盘、数码管等模块实现人机交互,相比传统无线通信设备有更好的音质和更快的响应速度。

RISC-V AES扩展指令的硅前评估与安全增强

针对密码算法加速的指令集架构扩展可能为处理器引入侧信道泄露的风险,提出了一种硅前阶段侧信道安全评估方法,能准确定位处理器运行过程中存在侧信道泄露风险的时刻与微架构组件.基于一款32 bit顺序精简指令集计算机(RISC-V)处理器架构,实现了两种代表性的高级加密标准(AES)扩展指令与扩展硬件电路,而后应用所提出的评估方法对其开展侧信道安全评估.基于评估结果提出了扩展端口动态掩码和运算单元功耗随机化的混合防护策略,进行了硅前安全验证,最终实现了高侧信道安全的AES指令集架构扩展.实验结果表明:所提出的混合防护策略能够在4.9%的面积开销下,提升了AES扩展1 886倍以上的侧信道安全性.

基于ARM的变量喷药控制系统设计

为提高农药利用率,设计一套具有手动控制、自动控制和试验标定3种工作模式的变量喷药控制系统。该系统以ARM7系列的S3C44B0X微处理器为核心,在UCOS-Ⅱ操作系统环境下,使用C语言编程实现机具作业位置、行进速度、喷头入口压力以及喷头喷药量信息的采集与处理、网格识别和电动调节阀控制。喷头喷药量控制误差田间试验结果表明:喷药机以4.2km/h(Ⅱ档中油门)速度工作,喷药处方量在465～600kg/hm2范围内变化时,采用本系统完成变量喷药作业,系统喷头喷药量最大控制误差≤5%,满足变量喷药作业要求。

基于uCOS-II的嵌入式数控系统实时性分析

提出了一种嵌入式数控系统的软硬件体系结构,该系统采用实时操作系统uCOS-II和ARM嵌入式微处理器构建。结合实时多任务操作系统的性能指标,分析了嵌入式实时操作系统uCOS-II的时间特性,并给出了uCOS-II中最长时间特性的计算方法,同时,在数控系统的平台上,测试了系统任务调度各个阶段所用时间,并对此系统的实时性和稳定性进行了分析。结果表明,基于uCOS-II和ARM所构建的嵌入式数控系统的实时性好,且具有低成本、高性能的特点,具有广泛的应用前景。

μC/OS-Ⅱ及其在ARM平台上的实现

对μC/OS-Ⅱ微内核系统及其主要特点做了简要介绍,并指出μC/OS-Ⅱ本身在任务调度时的局限性,同时参考当前应用广泛的嵌入式平台ARM系列,详细分析了在该平台上实现μC/OS-Ⅱ系统时的主要难点,并分别给出了切实可行的解决办法。

基于ARM和VxWorks的新型发电机微机励磁调节装置

针对现有基于16位处理器和前后台软件设计的发电机微机励磁调节装置的不足,提出基于32位AT91RM9200处理器和嵌入式实时操作系统VxWorks的新型设计方案。详细阐述了各个硬件模块的设计构成,用复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)解决了传统移相脉冲触发问题,提高触发脉冲可靠性,保证发电机不失磁;用高速以太网可以使励磁调节装置便捷地实现网络化控制。详细描述了基于VxWorks的微机励磁软件开发方法。最后,讨论了装置的抗干扰设计。

嵌入式网络数控技术与系统

指出基于通用PC的数控技术存在系统资源与需求不匹配、操作系统不适应于实时控制、系统的核心硬软件不具有自主知识产权等问题,认为嵌入式技术是网络数控技术与系统未来发展的方向之一。提出一种基于嵌入式技术的网络数控系统硬件和软件体系,开发与仿真环境。硬件结构由显示及输入装置、嵌入式数控单元、嵌入式可编程序逻辑控制器、嵌入式伺服控制模块、高速现场总线和以太网共同组成,软件体系结构由控制与运算软件、组态软件模块、嵌入式操作系统、辅助设计系统和控制仿真系统组成,能够实现基于通用PC数控系统的所有功能。规划了嵌入式网络数控软件自动生成与辅助开发过程,以及嵌入式可编程序逻辑控制器辅助开发与软件生成过程。提出嵌入式新型网络数控系统中央数控单元硬件实现方案,搭建起中央数控单元先进精简指令集处理器和数字信号处理器的软件架构。基于嵌入式技术的网络数控系统的最大特点是中央数字控制单元不再是一个通用的计算机系统,而是一个嵌入式计算机系统,不但运算能力强、结构灵活和成本低廉,而且具有通用性强、可组合、易扩展、可伸缩和开放性等特点。

无线传感器网络节点硬件平台设计

针对无线传感器网络(W SNs)的功能需求,给出了基于高性能先进精简指令集机器(ARM)微处理器AT91SAM7S64、射频芯片CC2420、温度传感器MAX6666和加速度传感器ADXL202的W SNs节点的设计方案;分析了系统组成和原理;重点阐述了节点的硬件设计,基于SPI总线的CC2420驱动程序设计和温度传感器信号采集驱动程序的设计;最后,对传感器网络和节点上温度传感器的准确度进行了实验测试和分析。实验中,无线温度传感器网络的精度最高可达0.25℃。

基于μc/os-Ⅱ嵌入式数控系统研制

介绍了嵌入式数控系统的结构及其组成.系统硬件平台采用嵌入式微控制器ARM(Advanced RISC Machines)和现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Arrays),软件平台采用μc/os-Ⅱ实时操作系统.给出了该系统的硬件结构.根据数控系统的软件需求,给出了系统的软件结构,系统的模块,任务以及任务的优先级和周期.同时给出了实现系统的一些关键技术.在嵌入式实时操作系统μc/os-Ⅱ上实现了该系统,在数控机床上进行了加工试验、环境适应能力测试以及静电放电抗干扰试验,试验表明系统稳定可靠.

基于ARM微处理器的自动称重选别系统

介绍了一种新型的高精度自动称重分选系统,其特点是能快速准确地对产品进行称重分选,并实时计算、存储、显示数据。针对动态称重数据的特点,提出斜率滤波的软件算法,设计了对应的软件滤波程序,改善了数据处理精度和效率。实验结果表明,该系统运行精确可靠。

ARM处理器+DSP构架的微机馈线保护装置的研制

基于 IEC61850体系的变电站自动化系统设计思想研制了微机馈线保护装置，利用嵌入式ARM(Advanced RISC Machines)处理器强大的以太网通信功能和数字信号处理器(DSP)高效快速的处理能力实现微机保护的功能。双口 RAM 用于双处理器间的高速数据交换。装置采用双保护出口机制，有效提高了装置的可靠性。保护算法在 MATLAB 仿真和试验中都验证了保护装置的速动性、选择性和可靠性。

基于ARM的多功能数字化逆变电源

针对不同焊接方式的不同控制方法,设计了基于先进精简指令集处理器(ARM)控制的多功能数字化逆变电源.利用基于ARM和复杂可编程逻辑器件的人机交互系统,通过软件设计,在一台电源上实现了CO2气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊、手工焊条焊等多种焊接方式的转换与选择.采用小波分析仪采集焊接过程的电流电压信号,考察了多功能数字化逆变电源的工艺性能,结果表明所设计的电源可满足各种焊接工艺要求,实现了数字化逆变电源的多功能化,提高了数字化逆变电源的实用性.

基于ARM的家庭智能化系统设计与实现

为了提高家庭的智能化水平,提出了采用ARM芯片作为整个智能化系统的控制芯片、Linux作为整个系统的操作系统的设计思想.给出了智能化系统的具体的软硬件解决方案.ARM芯片的应用增强了系统的性能,而Linux的应用则降低了成本.

基于ARM的温度控制系统的设计

本文设计了一种温度控制系统,它基于三星公司生产的ARM7内核的S3C44B0,以Pt100热电阻采集温度信号,通过RWB温度变送器和A/D转换获得实际温度值,同时通过LCD实时显示;通过调整脉宽调制的占空比,控制加热电路继电器的通断时间,实现温度的闭环控制。文章介绍了该系统的构成原理,实现流程,并重点介绍了PID自整定算法的原理和实现,给出了部分应用电路。此温度控制系统应用于热电仪,实际应用表明,系统稳定、可靠,满足了热电仪的温度控制要求。