Báo cáo tóm tắt Đề tài Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy tính nhúng tích hợp công nghệ FPGA
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY TÍNH NHÚNG
TÍCH HỢP CÔNG NGHỆ FPGA
Mã số: B2017-ĐN06-09
Chủ nhiệm đề tài: TS. Trần Hoàng Vũ
Đà Nẵng, 6/2019
DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN
CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH
Chủ nhiệm đề tài:
TS. Trần Hoàng Vũ – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật, ĐHĐN
Thành viên tham gia đề tài:
ThS. Nguyễn Văn Thọ - NCS tại ĐHBKHN
ThS. Lê Ngọc Quý Văn - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật, ĐHĐN
ThS. Hoàng Bá Đại Nghĩa - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật, ĐHĐN
Đơn vị phối hợp chính: Lab ES&M - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ
thuật, ĐHĐN
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy tính nhúng tích
hợp công nghệ FPGA.
- Mã số: B2017-ĐN06-09
- Chủ nhiệm đề tài: TS. Trần Hoàng Vũ
- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật
- Thời gian thực hiện: từ 6/2017 đến 05 /2019.
2. Mục tiêu:
- Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế một máy tính nhúng dựa
trên nền tảng vi xử ARM có tích hợp core FPGA nhằm phục vụ cho công
tác nghiên cứu phát triển và giảng dạy các ngành học về hệ thống nhúng
và thiết kế vi mạch.
- Có thể cài đặt hệ điều hành Linux trên máy tính nhúng.
- Có thể thử nghiệm các thiết kế IC số trên nhân FPGA của máy
tính nhúng.
- Làm chủ công nghệ.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Nghiên cứu thiết kế một máy tính nhúng dựa trên nền tảng vi xử
ARM có tích hợp core FPGA nhằm phục vụ cho công tác nghiên cứu phát
triển và giảng dạy các ngành học về hệ thống nhúng và thiết kế vi mạch.
- Thiết kế và chế tạo máy tính nhúng tích hợp FPGA nhằm làm
chủ công nghệ, giảm giá thành sản phẩm thiết bị nhúng là vấn đề có tính
cấp thiết và thực tế cao.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Đã nghiên cứu và khảo sát các máy tính nhúng và kit phát triển
FPGA hiện nay, đánh giá ưu nhược điểm.
- Thiết kế phần cứng máy tính nhúng tích hợp FPGA
- Thi công máy tính nhúng, nạp hệ điều hành cho máy tính nhúng
- Xây dựng các bài thực hành mẫu cho máy tính nhúng.
5. Sản phẩm:
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
- Project title: A study on design and manufacture the embedded
computer integrated FPGA technology.
- Code number: B2017-DN06-09
- Coordinator: Dr. Tran Hoang Vu
- Implementing institution: The University of Danang
- Duration: from 06/2017 to 05/2019
2. Objective:
- The topic focuses on making a study of design the embedded
computer based on ARM microprocessor flatform which was integrated
FPGA core with the aim of serving a research on development and
teaching of majors related to embedded system and Integrated circuit
design.
- The operating system can be installed on embedded computer.
- The designs of IC digital on FPGA core of the embedded
computers.
- It helps reseachers be technology owners.
3. Creativeness and innovativeness:
- Making a study of design the embedded computer based on
ARM microprocessor flatform which was integrated with FPGA core with
the aim of serving a research on development and teaching of majors
related to embedded system and Integrated circuit design.
- Design and manufacture the embedded computer integrated with
FPGA with the purpose of being technology owner, reducing product
price of the embedded device is an urgent and real issue.
4. Research results:
- Having designed and surveyed the embedded computers and
FPGA development kit, evaluated its pros and cons.
- Hardware design of embedded computer was integrated with
FPGA
- The embedded computer execution, operating system loading
for the embedded computer.
- Organize some sample practise of the embedded computer.
5. Products:
5.1. Scientific publications
Articles published in domestic Journal
Articles published in the international Journal
Article: Design chaotic security communication
2] system based on FPGA technology. Authors: Hoang Vu Tran,
Van Tho Nguyen,Thi Bich Hanh Nguyen. International
Journal of Engineering Research & Technology (IJERT)
ISSN: 2278 – 0181, Vol. 8 Issue 04, Pages: 173-176. Year
2019.
5.3. Application products
- Principle diagram and layout of the embedded computer
- Programs of ARM embedded computer was integrated with
FPGA technology
- The ARM embedded computer was integrated with FPGA
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and
benefits of research results:
The results of this research can be applied to training of majors in
embedded system and IC design. It can be also applied in:
1
MỞ ĐẦU
1.
TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Các hệ thống thời gian thực mà điển hình là các hệ thống xử lý
nhận thức hỗ trợ bộ vi xử lý cho các công nghệ có thể cho phép các máy
tính cảm nhận thế giới theo cách con người. Nó nhắm mục tiêu các lĩnh
vực như phát hiện đối tượng, nhận dạng và theo dõi, nhận dạng giọng nói
và cử chỉ và khả năng đa phương thức như đọc môi để hỗ trợ nhận dạng
giọng nói. Các ứng dụng cho việc xử lý nhận thức đều rất lớn và đa dạng.
Trên cơ sở đó, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy tính nhúng tích
hợp FPGA nhằm làm chủ công nghệ là vấn đề có tính cấp thiết và thực
tế cao.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế một máy tính nhúng dựa trên
nền tảng vi xử ARM có tích hợp core FPGA nhằm phục vụ cho
công tác nghiên cứu phát triển và giảng dạy các ngành học về hệ
thống nhúng và thiết kế vi mạch.
Có thể cài đặt hệ điều hành Linux trên máy tính nhúng.
Có thể thử nghiệm các thiết kế IC số trên nhân FPGA của máy
tính nhúng.
Làm chủ công nghệ.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Vi xử lý ARM.
FPGA
Hệ điều hành Linux
Thiết kế và layout mạch tần số cao
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Thiết kế phần cứng máy tính nhúng ARM tích hợp FPGA.
Nạp hệ điều hành Linux vào máy tính nhúng.
4. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1. Cách tiếp cận.
2
Điều tra, khảo sát các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực liên
quan.
Tận dụng kết quả nghiên cứu đã có của bản thân nhóm nghiên
cứu.
Đề xuất các giải pháp thiết kế tích hợp FPGA vào máy tính
nhúng ARM.
Sản xuất thử nghiệm, đánh giá
4.2. Phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý luận: Sử dụng các phương pháp nghiên cứu lý thuyết về
thiết kế hệ vi xử lý, thiết kế bo mạch tần số cao.
Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo thử, thử nghiệm sản phẩm,
đánh giá hiệu quả của hệ thống thiết kế.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
5.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài.
Trong đề tài này, chúng tôi đề xuất giải pháp thiết kế máy tính nhúng
có tích hợp FPGA nhằm giải quyết hạn chế trên. Với thiết kế này các
công việc phức tạp cần tốc độ xử lý có thể được chuyển sang thực thi
trên FPGA. Một hệ xử lý truyền thông thời gian thực cũng được thực thi
thử nghiệm trên máy tính nhúng để đánh giá hiệu năng của thiết kế.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
Làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo máy tính nhúng
Phục vụ đào tạo ngành Hệ thống nhúng và ngành Thiết kế vi
mạch
Giảm thiểu chi phí đầu tư cho các phòng thí nghiệm phục vụ đào
tạo
6. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung của đề tài bao gồm 5 chương. Trong đó chương 1 trình
bày “Nghiên cứu, khảo sát và đánh giá các máy tính nhúng và Kit phát
triển FPGA hiện nay.
Toàn bộ đóng góp khoa học của đề tài thể hiện ở các nội dung đề xuất
và thực hiện trong Chương 2, Chương 3, Chương 4, Chương 5 với các
nội dung sau:
3
Chương 2. Thiết kế phần cứng máy tính nhúng tích hợp FPGA
Chương 3. Thiết kế và layout board mạch cho máy tính nhúng
Chương 4. Thi công và nạp hệ điều hành cho máy tính nhúng
Chương 5. Xây dựng các bài thực hành mẫu cho máy tính nhúng
CHƢƠNG 1
NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC MÁY TÍNH
NHÚNG VÀ KIT PHÁT TRIỂN FPGA HIỆN NAY
1.1 Máy tính nhúng
Máy tính nhúng là một thuật ngữ để chỉ một máy tính có khả năng tự
trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống trung tâm.
1.1.1 Đặc điểm Máy tính nhúng
Một hệ thống nhúng thường không phải là một khối riêng biệt mà
là một hệ thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển.
1.1.2 Giá trị của một máy tính nhúng
Thiết bị phần cứng thì hiện nay giá một module Bluetooth Smart
khoảng $4 – $6, một module wifi giá cũng dao động từ $5 – $10. Một
con chip Bluetooth của hãng Nordic nếu mua lẻ giá là $5 và mua trên
1000 con giá giảm khoảng 50% ($2.6).
Hình 1.3.
Một số máy tính nhúng phổ biến
1.1.3 Ưu điểm của máy tính nhúng
- Chi phí thấp: Do máy tính nhúng thường nhỏ hơn nhiều so với
máy tính có đa dụng và không cần phải mua màn hình, bàn phím, chuột
nên chi phí ít hơn cho một hệ thống máy tính đa dụng.
- Kích thước nhỏ cũng giúp triển khai các máy tính nhúng một số
lượng lớn các địa điểm từ xa một cách dễ dàng hơn.
4
- Tính linh hoạt: Máy tính nhúng có khả năng kết nối với nhiều loại
giao thức khác nhau như:
1.1.4 Nhược điểm của máy tính nhúng
- Với các ứng dụng có tính toán phức tạp trong khi phải đáp ứng thời
gian thực các máy tính nhúng thông thường không thể đáp ứng được.
- Khó tuỳ biến
1.2 Kit phát triển FPGA hiện nay
FPGA là viết tắt của thuật ngữ tiếng anh “Field programmable Gate
Array”, nghĩa là Mảng cổng lập trình được dạng trường. FPGA thuộc họ
ASIC lập trình được.
1.2.1 Ý nghĩa và vai trò của FPGA
Quy trình sản xuất Chip ASIC bằng cách này gọi là fabless rất phổ
biến hiện nay trên thế giới, giúp các công ty nhỏ và vừa và đặc biệt là các
nước yếu về công nghệ như Việt nam tham gia vào thế giới của IC.
1.2.2 Một số ứng dụng quan trọng và thiết thực
Thực tế là FPGA rất hay được sử dụng trong các hệ thống SDR
(Software Defined Radio) vì khả năng tái cấu hình giúp các chức năng
của thiết bị có thể thay đổi nhanh chóng.
Hình 1.9. Các sản phẩm kit FPGA thông dụng của 2 công ty Xilinx
và Altera
1.2.3 Ưu điểm Kit phát triển FPGA
5
Tính linh động đối với người dùng, giúp phát triển các giải pháp
tốt hơn mà không phụ thuộc vào phần cứng của nhà sản xuất. Dễ
dàng tuỳ biến
Tiêu tốn ít năng lượng
Giá thành thấp
Hiệu năng cao
Tự thiết kế lại kiến trúc phần cứng theo ý mình muốn,
Xây dựng các driver tương ứng để phát triển các phần mềm ứng
dụng và giải thuật tối ưu hơn.
1.2.4 Nhược điểm Kit phát triển FPGA
Cần nhiều nổ lực phát triển
Cần thời gian để có thể thương mại hoá.
Kết luận Chƣơng 1
Với các ứng dụng có tính toán phức tạp trong khi phải đáp ứng
thời gian thực các máy tính nhúng thông thường không thể đáp ứng
được. Giải pháp ở đây thường là xử dụng một module IPCore FPGA chịu
trách nhiệm giải quyết khối lượng tính toán phức tạp và trả kết quả về
máy tính nhúng.
CHƢƠNG 2
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÁY TÍNH NHÚNG TÍCH HỢP
FPGA
2.1 Sơ đồ khối máy tính nhúng tích hợp FPGA
Hình 2.1. Sơ đồ khối máy tính nhúng
6
2.2 Sơ đồ chi tiết máy tính nhúng tích hợp FPGA
2.2.1 Khối vi xử lý
Hình 2.2. Vi xử lý AT91SAM9260
2.2.2 Bộ nhớ
Bộ nhớ là một trong những thành phần không thể thiếu tạo thành hệ
thống xử lý của máy tính nhúng, được dung để lưu chương trình xử lý và
xử lý cùng với dữ liệu.
2.2.3 Cổng Ethenet
Vi xử lý AT91SAM9260 có thể kết nối internet hoặc trao đổi thông
tin qua mạng nhờ kết hợp với ic Fast Ethernet DM9161A và cổng RJ45.
Máy tính nhứng có thể được sử dụng như một hệ thống webserver
nhúng, sử dụng trong hệ thống thu thập đo lường, điều khiển từ xa,…
2.2.4 Cổng USB
Cổng USB được sử dụng như MicroSD, hệ thống có thể boot Linux
qua các thiết bị lưu trữ di động cổng USB.
2.2.5 Cổng COM
2.2.6 Interface và mở rộng
2.2.7 Mạch nguồn
2.2.8 Khối FPGA
FPGA XC3S500E 5Hz-300Mz
- 32MB SDRAM, 256MB NAND FLASH. WinCE.
7
- Ethernet 10/100 base RJ45 connector, USB host, device connector.
- RS232 connector., Connector mở rộng
Bảng 2.1.
Thông số kỹ thuật của XC3S500E
Logic
cells
Total
CLBs
Total
Slices
Maximum
User I/O
Maximum
Diffrential
I/O pairs
System
Gate
500.000
10.476
1164
4656
232
92
Hình 2.23. Sơ đồ nguyên lý kết nối FPGA
Kết luận Chƣơng 2
Ở chương này chúng tôi đã đề xuất một thiết kế máy tính nhúng
ARM tích hợp FPGA. Các thiết kế có tham khảo các khuyến nghị cũng
như những sơ đồ tham khảo của nhà sản xuất linh kiện. Chúng tôi cũng
sản xuất thử nghiệm bo mạch máy tính nhúng đã thiết kế.
8
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ VÀ LAYOUT BOARD MẠCH CHO MÁY TÍNH
NHÚNG
3.1 Giới thiệu
Trong chương này chúng tôi giới thiệu phương pháp thiết kế
mạch in tốc độ cao và ứng dụng nó trong việc thiết kế bo mạch in máy
tính nhúng ARM có tích hợp FPGA. Đồng thời chúng tôi cũng giới thiệu
các phương pháp mô phỏng nhằm đánh giá chất lượng thiết kế Thiết kế
mạch in tốc độ cao và ứng dụng trong thiết kế máy tính nhúng ARM tích
hợp FPGA.
3.2 Thiết kế mạch in tốc độ cao và ứng dụng trong thiết kế máy
tính nhúng ARM tích hợp FPGA
3.2.1 Phương pháp thiết kế mạch in tốc độ cao
Để làm một bo mạch in tốc độ cao với chất lượng đảm bảo thì ta cần
các quá trình sau đây
-
-
-
Quá trình thiết kế hệ hệ thống
Quá trình thiết kế mạch in
Kiểm tra tính toàn vẹn của tín hiệu
Quy trình thiết kế sơ đồ mạch cho hệ thống có thể trải qua các bước sau
Bước 1: Xác định yêu cầu hệ thống
Bước 2: Xây dựng kiển trúc cho hệ thống
Bước 3: Chọn linh kiện, tính toán giá, tạo thư viện
Bước 4: Vẽ sơ đồ mạch
Bước 5: Kiểm tra các luật, các mức logic trong hệ thống
Bước 6: tạo netlist
3.2.2 Một số quy tắc khác trong thiết kế PCB Layout
Tụ bypass
- Đặt sát chân nguồn IC, cực dương và cực âm của tụ nối mass phải
ngắn nhất có thể.
- Đặt và đi dây sao cho đảm bảo dòng điện phải đi từ nguồn qua tụ
rồi mới vào đến chân nguồn của IC.
Các linh kiện sử dụng tay để tác động nhƣ nút nhấn, jumper,
test point
9
- Đặt ở nơi dễ chạm tay đến, tránh đặt quá gần những linh kiện có độ
cao lớn hơn hoặc nhỏ hơn 5mm, tốt nhất là lớn hơn 1mm.
3.3 Kết quả thiết kế mạch in cho máy tính nhúng ARM tích
hợp FPGA
Trên cơ sở những nguyên lý trên chúng tôi đã tiến hành thiết kế
layout cho máy tính nhúng ARM tích hợp FPGA với phần mềm Altium.
Sơ đồ mạch nguyên lý cho việc thiết kế mạch in này đã được trình bày ở
chương 2. Kết quả thiết kế được thể hiện ở Hình 3.1 và Hình 3.2.
Hình 3.1. Mạch Layout mặt trên sau khi thiết kế
Hình 3.2. Mạch Layout mặt dưới sau khi thiết kế
3.4 Mô phỏng đánh giá chất lượng
10
3.4.1 Phương pháp mô phỏng đánh giá chất lượng
Để có thể mô phỏng những đường tín hiệu có thể đi qua từng bước
như sau :
Bước 1 : Chọn linh kiện cho đầu phát, linh kiện cho đầu thu
Bước 2 : Thiết kế các lớp mạch in cho bo mạch
Bước 3 : Thiết kế sơ đồ mạch mô phỏng
Bước 4 : Chạy mô phỏng và lấy kết quả
Kết quả được đánh giá ở dạng giản đồ mắt là số liệu
3.4.2 Mô phỏng ảnh hưởng của phối hợp trở kháng đường
truyền đến chất lượng tín hiệu
Hình 3.3. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của phối hợp trở kháng
đường truyền: Dạng sóng đầu phát
Hình 3.4. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của phối hợp trở kháng
đường truyền : Dạng sóng đầu phát
3.4.3 Mô phỏng ảnh hưởng của điểm kết nối đối với chất lượng
của tín hiệu
Chúng tôi tiếp tục sử dụng chương trình mô phỏng đánh giá chất
lượng Hyperlynx của hãng Mentor Graphic để tiến hành mô phỏng ảnh
hưởng của điểm kết nối đối với chất lượng của tín hiệu. Kết quả mô
phỏng được thể hiện ở Hình 3.5 và Hình 3.6. Theo kết quả mô phỏng ta
thấy dạng sóng ít bị méo dạng, mắt mở to, các điểm quá áp rất ít
11
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của điểm kết nối đối với
chất lượng đường truyền : Dạng sóng đầu phát
Hình 3.6. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của điểm kết nối đối với
chất lượng đường truyền : Dạng sóng đầu phát
3.4.4 Mô phỏng ảnh hưởng của nhiễu xuyên âm
Hình 3.7. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của nhiễu xuyên âm :
Dạng sóng đầu phát
Hình 3.8. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của nhiễu xuyên âm :
Dạng sóng đầu thu
12
Kết luận Chƣơng 3
Ở chương này chúng tôi giới thiệu phương pháp thiết kế mạch in cho
các bo mạch tốc độ cao và ứng dụng các phương pháp này để thiết kế
mạch in cho máy tính nhúng ARM tích hợp FPGA mà chúng tối đã đề
xuất. Chúng tôi cũng đã sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng
và đánh giá chất lượng. Các kết quả mô phỏng cho thấy thiết kế của
chúng tôi cho phép bo mạch hoạt động với các tín hiệu có tốc độ cao mà
không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố tương thích điện từ.
CHƢƠNG 4
THI CÔNG VÀ NẠP HỆ ĐIỀU HÀNH CHO MÁY TÍNH NHÚNG
4.1 Thi công máy tính nhúng
4.1.1 Quy trình thiết kế mạch sơ đồ mạch máy tính nhúng
Quy trình thiết kế sơ đồ mạch cho hệ thống [42], [43], [44], [45]
được thể hiện qua các bước sau:
Bước 1 : Xác định yêu cầu hệ thống
Bước 2 : Xây dựng kiển trúc cho hệ thống
Bước 3 : Chọn linh kiện, tính toán giá, tạo thư viện
Bước 4 : Vẽ sơ đồ mạch
Bước 5 : Kiểm tra các luật, các mức logic trong hệ thống
Bước 6 : tạo netlist
4.1.2 Kết quả thi công máy tính nhúng
Kết quả thiết kế và thực hiện mạch in sau các bước trên được thể
hiện ở Hình 4.1 và Hình 4.2. Chúng tôi đã thiết kế máy tính nhúng với
công nghệ mạch in 2 lớp để có thể dễ dàng sản xuất ở trong nước. Với
việc thiết kế mạch in 2 lớp, rất nhiều nơi ở Việt Nam có thể thực hiện
được mà không cần phải gửi ra nước ngoài để gia công
13
Hình 4.1. Mặt dưới của mạch in
Hình 4.2. Mặt trên của mạch in
Sau khi đã gia công mạch in chúng tôi tiến hành hàn linh kiện vào
mạch in để chế tạo sản phẩm mẫu. Công việc này được tiến hành tại
phòng thí nghiệm Điện tử của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuât- Đại
học Đà Nẵng. Kết quả được thể hiện ở Hình 4.3 và Hình 4.4 là sản phẩm
máy tính nhúng đã thi công xong phần cứng (chưa nạp hệ điều hành).
Tải về để xem bản đầy đủ
31 trang
18980
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo tóm tắt Đề tài Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy tính nhúng tích hợp công nghệ FPGA", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bao_cao_tom_tat_de_tai_nghien_cuu_thiet_ke_va_che_tao_may_ti.pdf
