基于SOC fpga的开发教程
SoC 芯片， 相较于传统的单一 ARM 处理器或 FPGA 芯片， Intel Cyclone V SoCFPGA 既拥有了 ARM 处理器灵活高效的数据运算和事务处理能力， 同时又集成了 FPGA 的高速并行处理优势， 同时， 基于两者独特的片上互联结构， 使用时可以将 FPGA 上的通用逻辑资源经过配置，映射为 ARM 处理器的一个或多个具有特定功能的外设。目录目录基于 Cyclone V SoC FPGA的嵌入式系统设计教程.1ntel Cyclone SoC FPGA介绍SOC FPGA的基木概念soPC的基本概念SoPC与 SOC FPgA之间的差异SOC FPGA架构的优势基于 Cyclone V SoC FPGA器件的重要电路设计FPGA IO和时钟SOC FPGA JTAG电路设计569AC501SoC开发板介绍11布局及组件11轻触按键用户LED……14时钟输入....::.::::::.:::∴15GP|O接∏15DDR3 SDRAM重着::::::....:::...通用显示扩展接口USB to uart∴………以太网收发器,21SOC EPGA开发板的FPGA配置数据下载和固化…….…SOC FPGA启动配置方式介绍∴23sof文件烧写方式.24JC文件生成和烧写26SOC FPGA开发流程简介31SOCEPGA开发流程使件开发.31软什开发AC501 SOC FPGA开发板黄金参考设计说明34什么是GHRD…34GHRD FOR AC501-SoC34打开和查看GHRD.…34clk o38sysid qsys39led_pio...,.,…,…………39button pIospIi2c 042alt vip vfr tft0.......……………42alt vip itc_ 044总结Step by step为HPS添加UART外设,45目录修改GHRD工程打开GHRD工程45添加 UART IP.246关于HPS与FPGA数据交互连接UART|P信号端口分配组件基地址…49生成Qsys系统的HDL文件50添加uat_1的端口到 Quartus工程中51分配FPGA管脚生成配置数据二进制文件54制作 Preloader Image打开 SOCEDS工具生成bsp文件56编译 preloader和 uboot60更新 preloader和 uboot62使用新的 Uboot启动SoC.:::::::::::·::·制作设备树设备树制作流程...64准备所需文件65生成dts文件…生成dtb文件.…67运行修改后的工程.68使用Ds-5编写和调试SoC的 Linux应用程序,,,…70启动DS-5创建C工程…72编详工程.176建立SSH远程连接77创建远程连接复制文件到目标板3运行应用程序85远程调试…GDB设置GDB连接和调试287总结使用 Win sCp在 Windows和 Linux系统之间传输文件……91为什么要使用 Winscp.安装 Win SCP.…91建立远程主机连接91新建远程连接.94调用 putty终端基丁虚拟地址映射的 Linux硬件编程....….….97什么是虚拟地址映射97虚拟地址映射的实现:::::::::.:a·基于虚拟地址映射的PIO编程应用目录P|O外设的虚拟地址映射…在DS-5中建立PO应用工程.102添加和包含HPS库文件.103添加FPGA侧外设硬件信息P|O|P核介绍108Po核寄存器映射110P|O|P核应用实例..112合理的程序退出机制.…116关于按键消抖.基于虚拟地址映射的UART编程应用…..119UART(RS232 Serial port)核介绍UART(RS-232 Serial port)寄存器映射UART|P核应用实例……122在DS-5中建立UART应用工程…虚拟地址射122设置波特率.:::::::·:.::.·:.124字符发送124字符串发送…125字符接收125宇符串接收UART|P核板级调试131总结基于虚拟地址映射的12C编程应用……133Open Cores2CP简介133Open Cores2C|P奇存器哄射.134PRER:时钟频率预分频寄存尜134CTRL:控制寄存器.134TXR:发送数据寄存器CR:命令寄存器135SR:状态寄存器136l2CP核应用实例.….135在DS-5中建立12C应用工程136虚拟地址映射1362C|P核基本寄存器配冒,140使用12C|读写图像传感器寄存器1412C护P读写oV5640摄像头板级调试.146总结.152本章小节152基于 Linux应用程序的HPS配置FPGA……………………53制作 Quartus工程.153生成rbf格式配置数据……154编译 Linux配置FPGA应用稈序156在系统重配置FPGA实验…157本章小结159目录编译嵌入式LiuX系统内核160安装 VMware161安装 Ubuntu系统灬162下载 Linux系统源码172设置交叉编译环境…配置和编译内核∴……180快速配置内核180使能 Altera UART驱动182使能 Altera sp驱动使能OC12C控制器驱动.…184使能 Framereader驱动保存内核配置文件.187编详内核使用内核启动开发板本章小节192Linux设备树的原理与应用实例.:::::::::::..........:::..:193什么是设各树193设备树基木格式194设各树加载设备驱动原理编写12C控制器设备节点202加载OC12C驱动206使用RTC206使用 EEPROM∴211编写5P控制器设备节点211本章小节214基于 Linux标准文件/o的设备读写…………………………215什么是文件/O215基于文件|O操作的一般方法215文件描述符215打开设备(open)21向设各写入数据( write):::.::aa..216读取设备数据(read).216杂项操作( ioctl)…………217关闭设备(cose)……218其他操作218使用文件1O实现12C编程218本章小节.…221FPGA与HPS扃速数据交互应用222FPGA与HPS通信介绍.……………………………………22H2 LW AXI Master桥H2FAX| Master桥224F2 H AXI Slave桥225AX与 Avalon-MM总线的互联……225Ayalon-MM总线225目录Avalon-MM Slave接口227基本Aa|on- MM Slave iP设计框架29PWM控制器设计…1233Avalon-MM Master接口.253常见的通用 Avalon mm master主札………….…253高速数据采集系统……261Linux驱动编写与编译..273基本字符型设备驱动274字符型设备驱动框架275头文件包含276变量和宏定义.………277en方法278e方法278read方法.278write方法279ioct|方法:::::.::::::::::..a:::a.:....:280fops定义..281模块初始化代码282模块退出代码…284模块声明…284PWM控制器驱动完整源码.….284驱动编译 Makefile289Ubuntu卜编译设备驱动291字符型设备驱动验证292安装驱动文件292设计测试程序…::::::::::.:.:.·:...:::·293基于DMA的字符型设备驱动Avalon -MM Master Write驱动…297Avalon-MM Master Write测试303安装驱动文件303设计测试程序.::::·303本章小节310介绍介绍的基本概念(原于年发布的一款在单一芯片上集成了双核的处理器和逻辑瓷源的新型芯片,相较于传统的单处理器或片既拥有了处理器灵活高效的数据运算和事务处理能力,同时又集成的高速并行处理优势,同时,基于两者独特的片上互联结构,使用时可以将上的通用逻辑资源经过配置,映射为处理器的一个或多个具有特定功能的外设,通过高达位宽的高速总线进行通信,完成数据和控制命令的交互。出于片上的处理器是经过布局布线的硬线逻辑,因此其能工作的时钟主频较高,因此单位时间内能够执行的指令也更多。的基本概念在技术推出之前,各大厂家已经推广了有多年的技术。和不相同的是,是在单纯的心片上使用的逻辑和存储器资源搭建一个软核系统,由该软核实现所需处理器的完整功能。由于是使用的通用逻辑搭建的,因此具有一定的灵活性,用户可以根据自己的需求对进行定制裁剪,增加一些专用功能,例如除法或浮点运算单元,用于提升在某些专用运算方面的性能,或者删除些在系统里面使用不到的功能,以节约逻辑资源。另外也可以根据用户的实际需求,为添加各种标准或定制的外设,例如等标准接口外设,同时,用户也可以自己使用的逻辑资源,编写各种专用的外设,然后连接到总线上,由进行控制,以实现软硬件的协同工作,在保证系统性能的同时,増加了系统的灵活性。而且,如果单个的软核无法满足用户需求,可以添加多个软核,搭建多核系统,通过多核协同工作,让系统拥有更加灵活便捷的控制能力但是,由于是使用的通用逻辑资源搭建的,相较使用经过布局布线优化的硬核处理器来说,软核处理器够运行的最高实时钟主频要低一些,而且也会相应的消耗较多的逻辑资源以及片上存储器资源,因此方案仅适用于对于数处理器整体性能要求不高的应用,例如整个系统的初始化配置,人机交互,多个功能模块问的协调控制等功能介绍与之间的差异从架构的角度来说,和是统一的,都是由部分和处理器部分组成。在中,嵌入的是公司的硬核处理器,简称技术中,嵌入的是软核处理器,两者指令集不一样,处理器性能也不一样核处理器性能远远高于软核处理器。片上的部分,不仅集成了有双核的硬核处理器,还集成了各种高性能外设,如控制器控制器等,有这些外设,部分就可以运行成熟的操作系统,提供统一的系统,降低开发者的软件开发难度。而软核虽然可以通过配置,用逻辑资源来搭建相应的控制器以支持相应功能,但是从性能和开发难度上来说,基于架构进行设计开发是比较好的选择。另外,虽然片上既包含了有又包含了有,但是两者一定程度上是相互独立的,芯片上的处理器核并非是包含于逻辑单元内部的,和()处理器只是封装到同一个芯片接冂、电源引脚和外设的接口引脚都是独立的,因此,如果使用芯片进行设计,即使不使用到片上的处理器,处理器部分占用的芯片资源也无法释放岀来,不能用作通用的资源。而」是使用通用逻辑和存储器资源搭建的,当不使用时部分占用的资源可以被释放,重新用作通用资源。架构的优势嵌入式处理器开发人员面对的一个最大挑战就是如何选择一个满足其应用要求的处理器。现在口有数百种嵌入式处理器,每种处理器都具备一组不同的外设、存储器、接口和性能特性,用户很难做出一个合理的选择:要么为∫匹配实际应川所需的外设和接口要求而不得不选择在某些性能上多余的处理器要么为」保持成本的需求而达不到原先预计的理想方案。采用集成架构的芯片,用户将不会局限于预先制造的处理器技杺,而是根捃自己的要求定制处理器,按照需要选择合适的外设、存储器和接口。此外,用户还可以轻松集成自己专有的功能(如,用户逻辑),创建一款“完美”的处理器,如图所示,使用户的设计具有独特的竞争优势。介绍vOFLASHlo LIcCPUFLASH1/OSDRAMFPGADSPFPGACPU CPU DSPSDRAM用户所需要的嵌入式设备主控制器,应该能够满足当前和今后的设计功能及性能需求。由于今后发展具有不确定性,因此,设计人员必须能够更改其设计,例如为处理器加入新的功能电路,定制硬件加速器,或者加入协处理器,以达刭新的性能日标,而基于的系统能够满足以上要求。采川芯片,用户不仅可以使川处理器的高性能运算和事务处理能力,还可以根据需要定制功能。在单个中实现高性能处理器、外设、存储器和接口功能,可以降低用户的系统总体成本。开发人员希望快速将产品推向市场并保持一个较长的产品生命周期,避免更新换代。基于的系统在以下几个方面可以帮助用户实现此目标≯缩短产品的上市时间—可编程的特性使其具有最快的产品上市速度。许多的设计通过简单的修改都可以被快速地实现到设计处理器能够运行成熟的操作系统,基于操作系统,用户能够非常简单高效的编写应用程序,加快软件开发周期。而系统的灵活性和快速上市的特性源于提供完整的开发套件、众多的参考设计、强大的硬件开发工具(和软件开发工具(套件。用户可以借助厂商提供的参考设计和易用的开发工具。在几个小吋内就完成自己的设计原型。建立有竞争性的优势一维持一个基于通用硬件平台的产品的竞争优势是非常困难的。而器件,能够充分发挥的可编程特性,设讣独有的硬件加速和协处理逻辑,配合处理器协同工作,具备硬件加速、定制的可裁剪的外设等的系统,具备了竞争的优势>延长了产品的生存时间一使川器件的产品带来的一个独特优势就是能够对硬件进行升级。即使产品口绎交付给客户,仍可以定期升级。这些特性可以解决很多问题:
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粒子滤波算法及其应用
本书系统介绍粒子滤波算法的基本原理和关键技术，针对标准粒子滤波算法存在的粒子退化、计算量大的缺点介绍了多种改进的粒子滤波算法，包括基于重要性密度函数选择的粒子滤波算法、基于重采样技术的粒子滤波算法、基于智能优化思想的粒子滤波算法、自适应粒子滤波算法、流形粒子滤波算法等，并将粒子滤波算法应用于机动目标跟踪、语音增强、传感器故障诊断、人脸跟踪等领域，最后探讨了粒子滤波算法的硬件实现问题，给出了基于DSP和FPCA的粒子滤波算法实现方法。内容简介本书系统介绍粒子滤波算法的基本原理和关键技术,针对标准粒子滤波算法存在的粒子退化、计算量大的缺点介绍了多种改进的粒子滤波算法,包括基于重要性密度函数选择的粒子滤波算法、基于重采样技术的粒子滤波算法、基于智能优化思想的粒子滤波算法、自适应粒子滤波算法流形粒子滤波算法等,并将粒子滤波算法应用于机动目标跟踪、语音增强、传感器故障诊断、人脸跟踪等领域最后探讨了粒子滤波算法的硬件实现问题,给出了基于DsP和FPGA的粒子滤波算法实现方法。本书可供高等院校电子信息、自动化、计算机应用、应用数学等有关专业高年级本科生和研究生,以及从事控制科学与工程、信号与信息处理领域的工程技术人员和研究人员参考阅读。图书在版编目(CIP)数据粒子滤波算法及其应用/朱志宇著.一北京:科学出版社,2010.6ISBN978-7-03-027611-7I.①粒…Ⅱ.①朱…Ⅲ.①非线性控制系统Ⅳ,①O231.2中国版本图书馆CIP数据核字(2010)第08821号责任編辑:孙芳王志欣/责任校对:陈玉责任印制;赵博/封面设计:耕者设计工作室學☆出版北京东黄城根北街|6号邮攻编码:100717http://www.sciencep400酉卹剩厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销2010年6月第版开本;B5(720×10002010年6月第一次印刷印张:163/4印数:1-3000字数:324000定价:48.00元(如有印装质量问题,我社负责调换)前言粒子滤波又称序贯蒙特卡罗方法,是一种基于蒙特卡罗方法和递推贝叶斯估计的统计滤波方法,它依据大数定理,采用蒙特卡罗方法来求解贝叶斯估计中的积分运算。粒子滤波算法首先依据系统状态向量的经验条件分布在状态空间产生组随机样本的集合,然后根据观测量不断地调整粒子的权重和位置,通过调整后粒子的信息修正最初的经验条件分布。当样本容量很大时,这种蒙特卡罗描述就近似于状态变量真实的后验概率密度函数。粒子滤波适用于任何能用状态空间模型表示的非高斯背景的非线性随机系统,它完全突破了传统的 Kalman滤波理论框架,对系统的过程噪声和量测噪声没有任何限制,可适用于任何非线性系统,精度可以逼近最优估计,是一种很有效的非线性滤波技术,可广泛应用于数字通信、金融领域数据分析、统计学、图像处理、计算机视觉、自适应估计、语音信号处理、机器学习等方面。粒子滤波算法是现代信号与信息处理学科和统计模拟理论之间的交叉学科,其研究有着重要的理论意义和现实价值,随着计算机性能的迅速提高,这方法日益受到人们的关注。近年来,从解决粒子退化和粒子多样性丧失、提高算法实时性和鲁棒性、降低计算复杂度等角度考虑,国内外学者广泛开展了粒子滤波研究。本书系统总结了近年来粒子滤波的研究成果,针对粒子滤波算法的缺点提出了若干种改进算法,包括基于微分流形的粒子滤波算法、基于人工鱼群的粒子滤波算法、基于神经网络的粒子滤波算法、自适应粒子滤波算法等;广泛探讨了粒子滤波算法的各种应用,给出了粒子滤波算法的硬件实现方法在本书编撰过程中,作者研读了大量文献,参考融合了国内外专家、学者们在相关领域的硏究成果,在此,对他们表示衷心谢意!王建华教授、姜长生教授、张冰教授对本书的编写工作提供了很多宝贵意见,杨官校、李冀、皇丰辉、刘炜、薄超等同学编制了书中的仿真程序,赵成、苏岭东、姜威威等同学绘制了书中的部分图表。在此,向参与和关心本书编写工作的各位同事和同学表示真诚的感谢本书的出版得到了江苏省高校自然科学基金(项目编号:06KJB510030)和中国船舶行业预研基金(项目编号:3.1.5)的资助。由于作者学术水平有限,书中难免存在不妥之处,殷切期望广大读者批评指正。作者2010年3月目录前言第一篇粒子滤波算法第1章绪论1粒子滤波的发展和应用……··d·············.41.2粒子滤波的缺点和现有的解决方法4第2章 Kalman滤波理论2.1标准 Kalman滤波算法R-y滤波器102.3EKF滤波算法24 MVEKF算法142.5UKF算法D春看曲。·鲁b·····。音·看自。··非自b。非…………15第3章从贝叶斯理论到粒子滤波…193.1动态空间模型3.2贝叶斯估计理论203.3蒙特卡罗积分………·.·日···↓..··":·.·“.···香。·。着非●自·223.4序贯蒙特卡罗信号处理2435粒子滤波27第4章基于重要密度函数选择的改进粒子滤波算法334.1GHPF…………………………………………………334.2 EKPF354.3 UPF374.4 IMMPF算法…………384.5二阶中心差分粒子滤波…………404.6基于 Stiefel流形的粒子滤波器研究434.7混合退火粒子滤波器研究45IV粒子滤波算法及其应用第5章基于重采样技术的改进粒子滤波算法最自自自485.1重要性重采样粒子滤波器………485.2基于MCMC的粒子滤波……495、3AVPF……………525.4 RPF∴…545.5核K-粒子滤波算法(KPF)5.6基于权值选择的粒子滤波算法…575.7线性优化重采样粒子滤波算法5.8基于 Stiefel流形和权值优选的粒子滤波器( SM-WSPF)研究605.9基于 Stiefel流形和线性优化重采样的粒子滤波器( SM-LOCR-PF)研究615.10其他常用的重采样方法621仿真分析第6章基于智能优化思想的粒子滤波算法6.1GPF算法…………………736.2 PSO-PF算法p·普·日···曹·。昏鲁··甲啊·。··中日中··串自自·事6.3 AFSA-PF算法6.4AIPF算法鲁音·鲁甲··鲁曹·自·即………906.5仿真分析97第7章基于神经网络的粒子滤波算法……1027.1基于神经网络的重要性权值调整粒子滤波( NNWA-PF)算法…1027.2基于神经网络的重要性样本调整粒子滤波( NNISA-PF)算法1057.3仿真分析……109第8章APF算法音·自·普自自自非●·P,自自··自··非鲁自单最自自音自自自·4非鲁备自音。非·鲁音。··音鲁1148.1似然分布自适应调整1148.2样本数APF8.3改进APF…1188.4APF的仿真分析…119第9章其他粒子滤波算法1269.1免重采样粒子滤波1269.2MPF……………………………………………………132目录9.3分布式粒子滤波134第二篇粒子滤波算法的应用第10章粒子滤波算法在机动目标跟踪中的应用……1390.1基于贝叶斯理论的目标跟踪技术…………………13910.2机动目标的运动模型……14010.3多目标跟踪中的联合概率数据关联方法14210.4非线性、非高斯条件(闪烁噪声)下的机动目标跟踪14510.5基于粒子滤波和JPDA的多目标跟踪数据关联算法10.6仿真实验…150第11章粒子滤波应用于语音信号增强………16111.1语音增强技术………………………………………16111.2TVAR模型11.3基于GPF的语音增强算法11.4语音信号增强仿真实验…I68第12章粒子滤波应用于传感器故障诊断e早看值·看…………17212.1故障诊断的方法…17212.2传感器故障诊断的基本原理…17412.3应用粒子滤波进行故障诊断鲁番“·.····.;·4···17712.4仿真实例分析180第13章粒子滤波算法在人脸跟踪中的应用19013.1人脸跟踪介绍…………………19013.2跟踪算法相关理论基础·19313.3基于直方图的坞值偏移人脸跟踪算法·19613.4基于直方图的粒子滤波人脸跟踪算法20113.5基于椭圆拟合的人脸跟踪算法…20613.6基于流形的人脸跟踪算法p音直最看·鲁鲁··息·翟·唱备售暴4鲁售聊鲁20713.7人脸跟踪仿真…………鲁电210第14章粒子滤波在倒立摆控制系统中的应用21614.1引言21614.2倒立摆控制系统模型216粒子滤波算法及其应用14.3基于神经网络的倒立摆控制系统研究∴21914.4粒子滤波优化神经网络倒立摆控制仿真…22第15章基于DSP实现的粒子滤波算法……22515.1FBPF算法鲁t·息鲁鲁∴22515.2基于硬件实现的改进FBPF算法…22715.3实现改进FBPF算法的DSP···→·········:·..··.·;····..·········22815.4改进FBPF算法DSP实现的软件环境…23015.5改进FBPF算法的软件仿真与DSP实现…23115.6基于改进FBPF算法的GPS导航系统设计237第16章基于FPGA的粒子滤波算法实现∴24116.1基于FPGA的改进FBPF算法的总体设计∴…241l16.2FPGA简介…24216.3改进FBPF算法的软件仿真与FPGA实现245参考文献…:a4a....············.··.··········253第一箭粒子滤波算法
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