集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

Metronom实时操作系统:面向AVR微控制器的RTOS

Dieter Profos博士(瑞士苏黎世联邦理工学院), 禾沐(译者)

2023, 23(8): 1-3.

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专题论述

深入剖析51单片机软件函数的可重入性问题

朱剑辉, 刘胜阳, 郑渊, 洪小骏, 苏思友

2023, 23(8): 4-7.

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介绍了MCS-51单片机的内存分布、C51变量存储方式和函数参数传递方式,由此引发了对C51函数可重入性问题的思考和分析。与其他处理器C语言编译器不同的是,除了在函数体中显式访问全局资源会破坏函数的可重入性之外,C51函数参数传递和局部变量存储分配空间时,可能存在隐式的全局资源访问冲突,同样会导致函数不可重入。通过对各种情况下的全局资源访问冲突分析,提出了相应的解决方案以避免不可重入函数被多任务调用引起软件运行异常。

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专题论述

一种数据存储SoC芯片的静态时序约束设计

王涛, 赵启林

2023, 23(8): 8-10.

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静态时序分析主要依赖于时序模型和时序约束,是数字芯片时序验证的重要方法,其中时序约束是用来描述设计人员对时序的要求,如时钟频率、输入/输出延迟等。正确的时序约束可以缩短芯片设计周期,更快更好地完成静态时序分析。针对一款数据存储SoC芯片中的多时钟域异步设计要求,以及如何正确处理时序约束存在的问题,提出一种多分组异步时钟的全芯片时序约束,采用虚假路径、多时钟域分组、禁用单个寄存器多时钟分析设置等方法修复和优化设计规则、建立时间和保持时间违例,解决SoC存储芯片静态时序分析中的时序问题,保证所有时序路径正常满足时序逻辑功能要求,完成时序收敛,达到签核标准。

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专题论述

高层次综合的SM4算法硬件实现与优化

申懿鑫, 韩跃平, 唐道光

2023, 23(8): 11-14.

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高层次综合(HLS)工具在一些应用(如数字信号处理和神经网络)中逐渐流行,但其在加密应用上的可用性在很大程度上未被发掘。SM4算法具有安全性强、效率高和易于硬件实现等优势,对广泛使用的SM4算法的性能要求越来越高,被广泛应用于数据加密领域,而利用硬件高速特性实现SM4算法成为当前研究的热点。本文使用高层次综合工具(HLS)将C语言综合成为底层的硬件设计,并提出3种优化方案(循环展开、数组优化和流水线优化)对SM4算法硬件进行实现与优化。设计方案在Kintex-7芯片上进行仿真验证,最佳方案实现时钟频率最高达到223 MHz,吞吐量达到32.10 Gb/s,性能较传统设计方式提升了5倍。

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专题论述

基于APB总线接口的USART IP核设计与验证^*

朱亚琦, 侯晓娟

2023, 23(8): 15-19.

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针对传统UART IP核设计中存在的使用场景单一、不能支持同步通信的不足,设计了一款基于APB总线接口的USART外设。采用模块化设计方式通过Verilog语言对APB总线数据传输模块、寄存器组模块、串行数据发送模块、串行数据接收模块、波特率发生模块进行了详细设计,并使用Simvision软件通过UVM验证方法学对电路的异步/同步通信功能进行验证。验证结果表明,设计的IP核在实现异步数据收发的基础上可实现基于SPI协议的同步数据收发,相较于传统的UART IP核设计,具有更强的普适性。

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专题论述

MPC8280集成的SDRAM存储控制器设计

高子飞, 任敏华, 谷航平, 高崇尧

2023, 23(8): 20-23.

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介绍了NXP公司PowerQUICC II系列MPC8280处理器集成的SDRAM存储控制器的工作原理和工作模式,并在某国产化8280嵌入式系统开发板上,利用SDRAM存储控制器对4片SDRAM芯片进行读写操作。实际操作结果表明,该国产化8280处理器SDRAM存储控制器功能正常,可以访问SDRAM外设存储器。

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专题论述

Synopsys的SRIO controller FPGA原型验证方法

何健, 兰立奇, 唐顺晨

2023, 23(8): 24-27.

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包含 SRIO 接口的高性能处理器已广泛应用于航空航天通信系统,因此SRIO高速接口功能与性能的验证是系统设计的关键,同时设计可靠完备的验证平台对芯片SRIO controller的原型验证至关重要。本文基于对RapidIO协议的理解,搭建了Synopsys的SRIO controller+Xilinx Transceivers Wizard core FPGA原型验证平台完成对SRIO协议以及功能的验证。测试结果表明,所提的FPGA原型验证平台为芯片设计中的SRIO提供了一种高效的原型验证手段。

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技术纵横

基于RISC-V的SM2点乘运算协处理器设计

孙子婷, 韩跃平, 唐道光

2023, 23(8): 28-31.

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针对SM2国密算法在有限域上大数运算结构复杂、运算开销大的问题,通过研究SM2国密算法在二元扩域下的椭圆曲线点乘运算及其相关基础运算,设计了一种基于RISC-V指令集的椭圆曲线点乘运算加速协处理器。协处理器采用三级流水线结构,提高了计算效率。处理器内部集成9条自定义指令,可协助支持RISC-V的主处理器快速完成SM2国密算法。Vivado仿真结果表明,本设计各流水级功能正常,将协处理器烧录至Xilinx XC7A100T FPGA 上,在200 MHz频率下运行结果正确,达到预期目标。

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技术纵横

基于T2080处理器平台的虚拟机管理器设计^*

虞保忠, 邓傲, 任晓瑞, 黄保垒

2023, 23(8): 32-34.

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随着嵌入式计算机技术的发展,计算资源越来越丰富并提供硬件辅助虚拟化支持能力。为了提升计算效能,通过虚拟化技术实现在一个嵌入式计算机中集成多种异构系统应用,从而降低系统成本,但会带来安全隔离、不同应用的竞争冲突、数据安全、实时性保障等问题。虚拟机管理器借助硬件辅助虚拟化技术,在软件层构建多个资源深度隔离的虚拟机,由操作系统管理虚拟机内的硬件资源、软件资源及应用。本文在T2080处理器平台上设计了虚拟机管理器,实现了处理器核虚拟化、内存虚拟化、设备虚拟化,提供虚拟机管理和安全隔离能力。

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技术纵横

Cortex-A57的轻量级人脸检测算法研究^*

马旺健, 陈小平

2023, 23(8): 35-38.

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针对高性能人脸检测模型参数量大、计算复杂度高,难以在嵌入式设备进行边缘部署的问题,对RetinaFace模型进行轻量化改进,提出一种轻量级人脸检测算法。采用MobileNetV2_0.5×作为特征提取骨干,应用轻量的PANLite对多尺度特征进行双向融合,增强特征表征能力。采用RFBLite实现特征增强,在增大特征感受野的同时合并上下文信息。使用滤波器剪枝算法对训练后的模型进行剪枝处理,再次训练微调网络参数后部署到嵌入式端Nvidia Jetson Nano进行模型推理。实验结果表明,该轻量级模型能够以较少的参数量和较低的计算复杂度实现较高的人脸检测性能,且能在嵌入式平台上进行实时推理。

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技术纵横

一种新型数字图像水印攻击算法研究^*

李友子, 张伟岗

2023, 23(8): 39-42.

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针对水印系统抗攻击能力弱的问题,对目前所提出的数字图像水印技术进行深入分析,采用哈尔小波变换对原始图像进行水印图像的嵌入,通过DCT变换对添加过水印图像的数字图像进行还原,提取出水印图像,同时采用添加白噪声、高斯低通滤波处理、对图像进行部分剪切、将图像旋转10度、将图像压缩处理、添加椒盐噪声以及不处理图像直接显示提取水印方式对水印图像进行攻击,原始水印图像和提取出的水印图像之间的互相关系数平均达90%以上。

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技术纵横

采用卫星双模定位的物联网智慧路锥^*

李艳丽, 杨代强

2023, 23(8): 43-45.

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“智慧路锥”采用卫星双模(GPS/北斗)定位+千寻高精度差分定位技术,通过对传统路锥进行物联网化改造,在热启动下可秒级定位事故发生的精确位置(米级),并上传至OneNET物联网平台,第三方应用平台可以使用云平台提供的API接口获取“智慧路锥”的系统信息,从而实现丰富的应用场景。因此,“智慧路锥”投入使用后不再需要人工报送,会自动采集道路占道施工、封闭等信息,可以通过地图显示的形式引导车主提前躲避施工路段或减速慢行,防范二次事故发生。与传统交通路锥相比,这款“智慧路锥”加装了高精度定位和物联网通信模块,同时接入了中移动的OneNET数据平台和千寻的高精度定位平台,可有效解决道路交通安全预警等问题。

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技术纵横

FreeRTOS线程执行时间统计方法设计与应用

蒲泽坤, 沈勇, 陈旅超

2023, 23(8): 46-49.

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为精确获得嵌入式实时操作系统线程执行时间信息,本文针对意法半导体STM32嵌入式开发平台,以STM32F407单片机为例,基于STM32CubeMX开发工具生成的FreeRTOS工程对线程执行时间统计测量功能进行完善与软件设计,并对FreeRTOS支持包中的时间状态API接口进行介绍与配置,提出使用单片机硬件定时器实现微秒级高精度线程执行时间测量器的设计。实验测试结果表明,该软件设计方法可移植性强,能够正确输出执行时间信息,适用于对线程执行时间要求较高的嵌入式项目以及STM32系列单片机嵌入式工程设计。

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新器件新技术

一种基于Xilinx FPGA的串口在线升级方法^*

吴海龙

2023, 23(8): 50-52.

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在整机系统的复杂条件下,针对使用JATG仿真器对FPGA进行固件升级方式在工程应用上实现困难的问题,提出了一种基于Xilinx FPGA的串口在线升级方法,利用MultiBoot功能将FLASH分为Golden Image区和Update Image区,Golden Image区存储引导固件,Update Image区存储工程应用固件。实验结果表明,对Update Image进行升级时,串口速率的识别误差小于等于1.408%,具有较强的波特率自适应能力,能够适用于非常规波特率的应用场景。

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新器件新技术

MCU的嵌入式设备通用软件平台研究

刘伟, 周焰红, 周强, 赵天恩, 孙浩, 秦志永

2023, 23(8): 53-56.

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基于MCU实现的嵌入式设备存在软件复用度及开发调试效率较低的问题,通过分析MCU嵌入式设备的应用需求,提出嵌入式设备通用软件平台的分层架构,详细描述了硬件系统及软件平台的设计思路,并针对任务调度、配置管理、数据交互、调试监视等核心系统功能提供可行的解决方案。该软件平台基于STM32硬件系统实际部署并应用于多种电力系统嵌入式设备,能有效提升设备研发及维护效率,具有较高的工程应用价值。

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新器件新技术

一种解决魂芯HX1041并口与限制区域数据传输的方法

吴海燕

2023, 23(8): 57-58.

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在DSP应用中,通常需要DSP内核空间数据之间、内核空间数据与外接器件空间数据互相传输。例如,在脱机运行条件下,系统加电后DSP自行将代码从外扩非易失性存储器中装载到DSP内核空间或DDR中执行,这是DSP开发的重点和难点,关系到系统的可靠性和处理速度。HX1041与传统通用数字信号处理器数据传输方式不同,禁止其并口外接的非易失性存储区域向内存代码段区域或外接的易失性存储器区域传输数据,这样会导致脱机运行的程序无法自启动。本文提出一种解决魂芯HX1041并口与限制区域数据传输问题的方法,在不改动原有硬件设计的前提下,实现芯片HX1041全区域空间数据互传功能。

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新器件新技术

DSP与同步串行EEPROM 93LC56B的接口研究

张文婷, 谢伟

2023, 23(8): 59-63.

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为了查明同步串行EEPROM芯片93LC56B是否适配DSP芯片TMS320F2812的SPI接口,分析了93LC56B的关键接口时序特性,设计电路将TMS320F2812和93LC56B的SPI引脚连接在FPGA的I/O引脚上,通过ChipScope抓取两个芯片的SPI接口数据,确定了TMS320F2812的SPI接口适配93LC56B时需要的寄存器参数和读写子程序,并发现了单次读取时数据最高位无效的应用限制。

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新器件新技术

TDLAS直接吸收法温度测量的硬件系统构建

石浩男, 张丕状

2023, 23(8): 64-67.

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在燃烧场瞬态温度测量中,传统侵入式测量方法存在响应速度慢、精确偏差大等问题,而吸收光谱方法则一直没有合适的硬件系统。针对这类问题,本文基于可调谐半导体吸收光谱技术(TDLAS)完成直接吸收法温度测量的硬件系统构建,以实现对燃烧场温度的检测。搭建实验平台选择中心频率为6 807.835 cm^-1、7 182.949 6 cm^-1的谱线,以H₂O为目标分子,通过MATLAB进行温度测量分析,验证该硬件系统有效可行,可实现燃烧场瞬态温度10%以内的精确测量。

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应用精选

国产飞腾D2000的CPLD控制系统设计

孟梓桐, 韩跃平, 唐道光

2023, 23(8): 68-70.

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针对信息安全及主机国产化的需求,基于国产CPLD芯片设计了一种控制国产飞腾D2000处理器主板上下电时序及具有设备检测功能的电路系统。本系统选用安路公司CPLD产品作为控制芯片,CPLD接收CPU控制信号,控制系统电源状态转换,进而控制主板各部件的电源,系统还包括电源电路、时钟电路、设备检测电路和JTAG下载调试电路。本系统采用Verilog语言实现CPLD的控制功能,使用安路专用国产EDA工具进行后续的综合、烧写工作。实验结果表明,该系统能精确控制飞腾主板各部件的上下电时序,可以实现正常开关机及设备检测功能,具有一定的实用性和推广价值。

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应用精选

FPGA的PXI总线多路数据采集板卡设计

郑铖, 杨星, 李鑫, 巫书红

2023, 23(8): 71-74.

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为了满足仪器仪表设备在工作过程中对于数据采集准确性、灵活性以及实时性的要求,设计了一种基于PXI总线的多通道数据采集板卡。本设计采用Xilinx公司的K7系列FPGA芯片作为主控制器,实现了多路采集的可控性、500k~1 Msps采样率及采样点数的可调性、数据存储传输与上位机显示4个主要功能;系统硬件板卡搭载8路A/D芯片采集不同电压信号,范围为±40 V,数据缓存采用DDR3 SDRAM,通过PXI总线进行数据交互,由上位机下发各项命令完成各项指标与功能。

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应用精选

Zynq7020的PCM遥测数据测试系统设计

孙雪飞, 马科研, 苏旭, 刘敏霞, 王亚凯

2023, 23(8): 75-78.

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飞行器在地面测试以及飞行试验过程中,广泛采用脉冲编码调制(PCM)技术实现遥测数据的高速采集和稳定传输。针对目前要求遥测数据传输速率高、容量大、实时性强的特点,设计了基于Zynq7020的PCM遥测数据测试系统。该系统以Zynq7020为主控中心,通过CPCI总线实现上位机通信,能够模拟弹上设备向遥测采编发送装置发送LVDS数据,并实现两路PCM数据的实时高速采集与存储。经过反复测试验证,PCM数据未发现任何丢帧现象,可以满足飞行器地面测试的需要。

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应用精选

基于FR8016蓝牙芯片的心率及血氧采集系统设计

唐智皇

2023, 23(8): 79-82.

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采用FR8016微控制器以及MAX30102传感器实现人体手腕或手指心率以及血氧浓度的数据采集、计算以及存储,采用MAX30205传感器采集人体温度数据,并通过微控制器的蓝牙加密传输到手机APP端进行呈现以及数据存储。在与手机端断开连接时,将数据存储到微控制器本地Flash中,连接成功后将数据上传,该系统功耗低、可靠性高,适于日常生活使用。

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应用精选

嵌入式通信软件编译优化方法研究^*

李维, 王瑞

2023, 23(8): 83-86.

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随着DevSecOps实践的持续深入,版本验证全面前移和过程质量控制理念已经深受各大软件厂商的广泛认可,在前移的同时过程质量控制做得越来越繁琐,比如5G-NR控制面子系统就需要验证多达24种板型和制式的编译和运行效率,但编译太耗时、反馈速度较慢,严重影响开发和交付效率。为了解决这一问题,结合嵌入式软件的特点,提出了一种提升软件编译和运行效率的方法,该方法能够确保运行于ARM和PowerPC芯片的具有80万行代码的软件系统在3分钟之内给予编译结果反馈,同时提升版本验证效率,不仅为DevSecOps有效落地提供有力支撑,而且提高了研发效能和软件版本质量,具有较高的实际应用价值。

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应用精选

空间制冷控制器的SPWM波相位调整设计^*

田园, 康建兵, 于婷婷, 刘成

2023, 23(8): 87-91.

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空间制冷控制器输出的交流电在整星母线上会产生反射纹波,进而对整星配电器造成恶劣影响,为解决这一问题,传统方法为通过扼流器减小母线上反射纹波的幅值,弊端在于增加了载荷的负重。本文提出一种软件设计方案,基于冲量等效原理,通过并行进程同步生成无符号正弦波和无符号三角载波,通过自然采样法生成SPWM波。采用发送遥控指令的方式将目标相位发送给制冷控制器,通过时序逻辑的约束设计对遥控指令计数进行双采样处理,以建立正确的计时机制,通过嵌套算法实现计时机制的退出和从零点输出SPWM波时机的抓取实现了对SPWM波相位的精确调整,当两台制冷控制器的SPWM波相位差达到180°时,产生在母线上反射纹波的整体幅值最小,起到了抑制反射纹波的作用。经仿真和实验验证,该软件设计方案可替代扼流器抑制反射纹波,从而达到为载荷降低成本、减少负重的效果。

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产业技术

Silicon Labs力助蓝牙定位技术多场景应用

Silicon Labs无线产品经理 Priyanka Sukumar

2023, 23(8): 92-96.

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