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研究生: 陳鶴仁
Ho-jen Chen
論文名稱: SOPC-based演算處理器驗證系統之硬體設計
Hardware Design of a SOPC-based Verification System for Algorithmic Processors
指導教授: 吳乾彌
Chen-Mie Wu
口試委員: 陳省隆
Hsing-Lung Chen
張勝良
Sheng-Lyang Jang
陳漢宗
Hann-Trong Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 84
中文關鍵詞: 嵌入式系統演算法演算處理器硬體設計
外文關鍵詞: hardware
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本論文係有關以SOPC為基礎的演算處理器驗證系統之硬體設計,相關研究工作包含四大部分:第一部份為雙FPGA板之聯結介面設計;第二部份為FPGA板上的同步動態隨機存取記憶體與FPGA晶片內部的嵌入式靜態隨機存取記憶體控制器設計;第三部份為演算處理器基本架構設計,其包含了演算處理器硬體、靜態隨機存取記憶體、CPU介面電路、直接記憶體存取控制器與內建自我測試電路等;第四部份為演算處理器驗證系統之相關測試程式與電路設計。
整體而言,本論文係以提供一個演算處理器的設計與發展環境為目標,並以簡易的模組附掛方式,來改善硬體設計與驗證流程之效率。


This thesis is related to the hardware design of a verification system for system-on-a-programmable-chip-based (SOPC-based) algorithmic processors. The research work includes four parts: the first part is to design an interface circuit for connecting the two field-programmable gate array (FPGA) boards. The second part is to design memory controllers for both the synchronous dynamic random-access memory (SDRAM), which is on the FPGA board, and the static random-access memory (SRAM), which is embedded in the FPGA chip. The third part is related to the basic structure design for algorithmic processors. The basic structure consists of algorithmic-processing hardware, SRAM, CPU interface circuit, direct memory access (DMA) controllers, and built-in self-test circuit. The fourth part is to develop the related testing programs and circuits for this algorithmic-processing verification system.
On the whole, the goal of this thesis is to provide an environment for the design and development of algorithmic processors. Meanwhile, through using a simple way to append modules, the efficiency of the hardware design and verification flow is improved.

第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 研究內容相關架構 2 1.3 論文組織及概觀 3 第二章 SOPC-based 演算處理器驗證系統之發展環境與架構 4 2.1 NIOS II硬體簡介 4 2.2 SOPC-based 演算處理器驗證系統發展環境 7 2.2.1 SOPC Builder 7 2.2.2 Quartus II 8 2.2.3 IDE (Integrated Development Environment) 9 2.3 SOPC-based 演算處理器驗證系統架構與發展流程 10 2.3.1 系統架構 10 2.3.2 Master Board硬體發展流程 12 2.3.3 Slave Board硬體發展流程 13 第三章 SOPC-based 演算處理器驗證系統之硬體設計 15 3.1 NIOS II系統簡介 15 3.1.1 FPGA規格與功能 15 3.1.2 CPU架構 17 3.2 Avalon Bus簡介 18 3.2.1 周邊控制等待週期讀取傳輸 20 3.2.2 周邊控制等待週期寫入傳輸 22 3.3 硬體架構與電路設計 23 3.3.1 Master Board硬體電路架構與電路設計 25 3.3.2 Slave Board硬體電路架構與電路設計 27 3.4 記憶體控制器 31 3.4.1 SRAM控制器 31 3.4.2 SDRAM控制器 33 3.4.3 直接記憶體存取控制器(DMA) 35 3.5 Custom Timer 42 3.6 多種資料型態處理 43 第四章 SOPC-based演算處理器驗證系統之 測試程式與電路設計 44 4.1 測試環境與測試電路簡介 44 4.2 韌體測試程式設計 46 4.2.1 多種資料型態處理驗證 46 4.2.2 Master/Slave Board, 1-D/2-D DMA綜合驗證 48 4.3 JTAG簡介與JTAG控制電路設計 55 4.3.1 測試資料暫存器 57 4.3.2 指令暫存器 58 4.3.3 測試存取埠 60 4.3.4 測試存取埠控制器 61 4.3.5 JTAG Controller驗證 65 4.4 BIST測試電路設計 67 第五章 結論 69 參考文獻 70

[1] 洪偉程, SOPC-based微處理器匯流排控制器之設計, 國立台灣科技大學碩士學位論文, 民國九十四年。

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[3] 簡弘倫, Verilog晶片設計, 文魁, 民國九十四年。

[4] Michael D. Ciletti, Advanced Digital Design with the Verilog HDL, Prentice-Hall, 2003

[5] Janick Bergeron, Writing Testbenches: Functional Verification of HDL Model, 2nd edition, Kluwer Academic, 2003.

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[7] IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2001.

[8] Nios II Processor Refrence Handbook, Altera Corporation, 2005.

[9] Quartus II Handbook, Altera Corporation, 2005.

[10] Nios II Software Developer’s Handbook, Altera Corporation, 2005.

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[12] ModelSim SE User’s Manual, version 5.8b, Model Technology, 2003.

[13] David A. Patterson & John L. Hennessy, Computer Organization & Design the Hardware/Software Interface, 2nd ed., Morgan Kaufmann, 2003.

[14] IEEE Computer Society, IEEE Standard 1364.1TM-2002, IEEE Standard for Verilog Register Transfer Level Synthesis.

[15] 128M bits Synchronous DRAM datasheet, Micron, Inc., 2003.

[16] StratixII Device Handbook, Altera Corporation., 2005.

[17]Interfacing to Mobile SDRAM with CoolRunner-II CPLDs, Xilinx Corporation., 2004.

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