Διερεύνηση επιδόσεων αρχιτεκτονικών υλικού-λογισμικού για εφαρμογές ψηφιακής επεξεργασίας σε FPGA

• Κύριος συγγραφέας: Ρώσση, Μαρία-Ευγενία
• Άλλοι συγγραφείς: Παλιουράς, Βασίλειος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2012
• Θέματα: Συστοιχίες προγραμματιζόμενων πυλών (FPGAs); FIR φίλτρα; Field-programmable gate array (FPGA); Spartan 3E starter board; Xilinx platform studio; Xilinx software development kit; 621.395

Οι συστοιχίες προγραμματιζόμενων πυλών (FPGAs) αποτελούν μια σημαντική τεχνολογία, η οποία επιτρέπει στους σχεδιαστές κυκλωμάτων την παραγωγή συγκεκριμένου σκοπού ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε σύντομο χρόνο. Tα σημαντικότερα των χαρακτηριστικών τους είναι η αρχιτεκτονική τους και η δυνατότητα σχεδιασμού τους μέσω υπολογιστών, η χαμηλή κατανάλωση ισχύος καθώς και το μικρό χρονικό διάστημα που απαιτείται για τον επαναπρογραμματισμό τους. Τα FPGAs είναι κατάλληλα σχεδιασμένα για ψηφιακές εφαρμογές φιλτραρίσματος. Η πυκνότητα των προγραμματιζόμενων αυτών συστημάτων είναι τέτοια ώστε πολύ μεγάλος αριθμός αριθμητικών πράξεων όπως αυτές που προκύπτουν μέσω ψηφιακού φιλτραρίσματος να μπορεί να εφαρμοστεί σε μία μόνο συσκευή. Τα πλεονεκτήματα των FPGA στην υλοποίηση ψηφιακών φίλτρων είναι μεταξύ άλλων οι υψηλότεροι ρυθμοί δειγματοληψίας από παραδοσιακούς DSP chip, το χαμηλότερο κόστος από μια μέτρια ASIC (Application Specific Integrated Circuit, Kύκλωμα οριζόμενο από εφαρμογή) για εφαρμογές μεγάλου όγκου, καθώς και η μεγαλύτερη ευελιξία από όλες τις εναλλακτικές προσεγγίσεις για την υλοποίηση των FIR φίλτρων. Σπουδαιότερο όλων είναι ότι προγραμματίζονται μέσα στο σύστημα και έχουν δυνατότητα επαναπρογραμματισμού για την υλοποίηση διαφόρων εναλλακτικών λειτουργιών φιλτραρίσματος. Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι να συνδυασθούν τεχνικές VLSI και ψηφιακής επεξεργασίας σήματος και μέσω κατανόησης της αρχιτεκτονικής του υπολογιστή να δημιουργηθεί μια χρήσιμη εφαρμογή. Επιλέχθηκε για τον λόγο αυτό: α) η ανάπτυξη ενός FIR φίλτρου σε γλώσσα περιγραφής υλικού, β) υλοποίησή του σε FPGA, γ) εισαγωγή αυτού σε ενσωματωμένο σύστημα και σύνδεση σε διάδρομο δεδομένων επεξεργαστή και δ) έλεγχος του φίλτρου με τη βοήθεια του επεξεργαστή μέσω γλώσσας υψηλού επιπέδου. Η συγγραφή του κώδικα του φίλτρου έγινε σε γλώσσα VHDL, με structural μεθόδους και η προσομοίωση του συστήματος στο Modelsim. Επιπροσθέτως χρησιμοποιήθηκε ο Project Navigator ISE της Xilinx για τον έλεγχο του κώδικα αλλά και τον προγραμματισμό του FPGA Spartan 3E Starter Board. Χρησιμοποιήθηκαν ακόμα τα υποπρογράμματα Plan Ahead και ChipScope Pro του ISE ώστε να ελεγχθεί η λειτουργία του κυκλώματος στο FPGA. To κύκλωμα τελικά εισάγεται σε ενσωματωμένο σύστημα με τη βοήθεια του εργαλείου σχεδίασης EDK της Xilinx και ελέγχεται η λειτουργία του προγραμματίζοντας τον επεξεργαστή Microblaze. Ακόμα ελέγχεται η λειτουργία του φίλτρου για διαφορετικούς συντελεστές FIR φίλτρων που χρησιμοποιούν διαφορετικά παράθυρα και συγκρίνονται οι «ιδανικές» τιμές που παράγονται από το Matlab με αυτές που παράγονται από το φίλτρο. Τέλος μετράται η ενέργεια (δυναμική και στατική) που καταναλώνεται κατά τη λειτουργία του κυκλώματος στο FPGA με τη βοήθεια του XPower Analyzer.