IP庫新增10多個功能IP簡介

IP庫簡介

一直想做一個可以供大家學(xué)習(xí)、使用的開源IP庫，類似OpenCores，OC上IP在領(lǐng)域內(nèi)的IP很少，通用性強一點，所以作為OC的“補充”，所以做了一個開源IP庫，側(cè)重點在領(lǐng)域的IP輔以工程或者仿真驗證，一個人能力有限，歡迎大家能夠共同構(gòu)建，有什么問題可以在網(wǎng)頁郵箱批評指正，謝謝~

FPGA 上的跳頻無線電

列表中的第一個 FPGA 項目是一個標(biāo)準(zhǔn)擴頻系統(tǒng)，屬于“direct sequence”或“frequency hopping”類型，或者是這兩種“混合”類型的某種組合。在跳頻中，系統(tǒng)在很寬的頻帶上從一個頻率“跳”到另一個頻率。頻率參與的模式是代碼序列的作用，從一個頻率跳到另一個頻率的速率是數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。

該項目旨在 FPGA 上設(shè)計、仿真和開發(fā)用于跳頻系統(tǒng)的發(fā)射器和接收器。該項目的完成涵蓋了安全數(shù)字通信的藝術(shù)，現(xiàn)在正被用于商業(yè)、工業(yè)和軍事目的。

該設(shè)計包括以下模塊；PN sequence block; serial to parallel converter; random input block; frequency synthesizer; mixer block。

圖1：無線電架構(gòu)

FPGA 上的數(shù)字視頻縮放

此IP具有以下特點：

AXI STREAM接口；

支持向上或者向下縮放；

輸入支持RGB或者YYCbCr 444；

允許獨立的水平和垂直縮放，可以生成任何分辨率或者長寬比；

內(nèi)具18個相位的7×7 FIR多相濾波器來提高視頻質(zhì)量；

支持2K及以上視頻；

無需進(jìn)行幀緩沖；

雙線性和最近鄰調(diào)整大小模式。

FPGA 上的 Canny 邊緣檢測

Canny 邊緣檢測是一種用于視覺處理的多階段算法，用于復(fù)雜視覺算法（例如車牌識別）的邊緣處理。Canny 邊緣檢測可以消除不相關(guān)的圖像信息，并為每個像素提供清晰的輸出。高性能計算傳統(tǒng)上是通過 Canny 邊緣檢測來實現(xiàn)的。但是，現(xiàn)在可以在嵌入式平臺上為低功耗移動應(yīng)用程序?qū)嵤┮曈X算法。

多個處理階段包括 Canny 等視覺算法。通常，處理器必須從外部存儲器獲取、處理輸入圖像幀并將其寫回外部存儲器。對于下一個處理塊，處理器重復(fù)這個過程。這種傳統(tǒng)的塊間內(nèi)存洗牌效率低下：在這個 FPGA 項目中，我們已經(jīng)實現(xiàn)了帶有 9×9 算子的 Canny 邊緣檢測器。能夠在每個時鐘周期產(chǎn)生 1 個像素。我們已經(jīng)在高達(dá) 400Mhz 時鐘頻率的 Virte系列FPGA上成功實現(xiàn)。該項目的目的是檢測圖像中的銳利邊緣。

直接數(shù)字頻率合成器

直接數(shù)字合成 (DDS) 通過生成數(shù)字時變信號然后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換來生成模擬波形，通常是正弦波。由于 DDS 系統(tǒng)內(nèi)部的操作主要是數(shù)字操作，因此它可以提供輸出頻率之間的快速切換、令人滿意的頻率分辨率以及在寬頻率范圍內(nèi)的操作。設(shè)計人員可以使用多種頻率生成:從基于鎖相環(huán) (PLL) 的甚高頻合成技術(shù)到動態(tài)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 輸出編程，以產(chǎn)生較低頻率的任意波形。但在通信和工業(yè)應(yīng)用中，DDS 方法正在迅速獲得解決頻率（或波形）生成要求的認(rèn)可，因為單芯片 IC 器件只能產(chǎn)生具有高分辨率和準(zhǔn)確性的可編程模擬輸出波形。

在這個 FPGA 項目中，我們實現(xiàn)了用于數(shù)字上/下轉(zhuǎn)換和周期波形生成的高精度直接數(shù)字頻率合成器 (DDFS)。例如，正弦波、余弦波、方波和鋸齒波。輸出是 16 位帶符號數(shù)據(jù)樣本。該項目非常適合正交信號生成、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)和軟件無線電應(yīng)用。此外，它還可以用作振蕩器和生成復(fù)雜的正交信號。以及周期性波形的產(chǎn)生。例如，正弦波、余弦波、方波和鋸齒波。輸出是 16 位帶符號數(shù)據(jù)樣本。

該項目非常適合正交信號生成、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)和軟件無線電應(yīng)用。此外，它還可以用作振蕩器和生成復(fù)雜的正交信號。以及周期性波形的產(chǎn)生。例如，正弦波、余弦波、方波和鋸齒波。輸出是 16 位帶符號數(shù)據(jù)樣本。該項目非常適合正交信號生成、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)和軟件無線電應(yīng)用。此外，它還可以用作振蕩器和生成復(fù)雜的正交信號。

圖4：正弦波

優(yōu)化區(qū)塊鏈系統(tǒng)的哈希算法

加密哈希函數(shù)是一種哈希算法。它是一種將任意大小的信息映射到固定大小的哈希的數(shù)學(xué)算法。在 IT 中，加密哈希函數(shù)是很常用的。我們可以將它們用于數(shù)字簽名、消息的身份驗證碼 (MAC) 和其他驗證類型。我們還可以將它們用于哈希表中的索引數(shù)據(jù)、指紋識別、文件識別、檢測重復(fù)項或用作校驗和（我們可以感知發(fā)送的文件是否發(fā)生了意外或故意的數(shù)據(jù)損壞）。哈希函數(shù)的算法被設(shè)計為一種不可逆的單向函數(shù)。然而，近年來有多種哈希算法被破壞。該 FPGA 項目旨在提供哈希算法的 FPGA 實現(xiàn)，以生成工作量證明 (Pow) 的哈希值。在這個項目中，開發(fā)了區(qū)塊鏈系統(tǒng)來挖掘0x比特幣。我們使用了CVP 13 FPGA板，并在其上實現(xiàn)了Keccak-256算法。我們已經(jīng)實現(xiàn)了每秒500千兆的哈希值。

雷達(dá)信號處理器在FPGA上的實現(xiàn)

用于機載降水回波信號處理的高性能數(shù)字電子電路——已開發(fā)出商用領(lǐng)域的雷達(dá)測量設(shè)備——可編程門陣列（FPGA）。以前，將雷達(dá)回波數(shù)據(jù)下行到后處理地面站是一種常見的做法，這是一種昂貴的做法，消除了近實時使用自動瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)的可能性。理論上，一個由大約20個個人計算機類型的微處理器組成的系統(tǒng)可以執(zhí)行機載處理；與這樣的系統(tǒng)相比，當(dāng)前基于 FPGA 的處理器體積小得多，功耗也低得多?；蛘?，專用集成電路 (ASIC) 可用于板載處理。然而，與 ASIC 實現(xiàn)相比，當(dāng)前的 FPGA 實現(xiàn)具有以下優(yōu)勢：(1) 研究應(yīng)用程序具有更大的通用性，例如當(dāng)前的應(yīng)用程序；(2) 在研究應(yīng)用程序典型的有限生產(chǎn)量中成本更低。在 FPGA 上實現(xiàn)雷達(dá)信號處理技術(shù)是重要的領(lǐng)域。在這個FPGA項目中，我們選擇了FPGA中的幾個算法實現(xiàn)雷達(dá)方程以及脈沖壓縮算法，實現(xiàn)多普勒頻移以檢測目標(biāo)速度，并實現(xiàn)脈沖多普勒波形。

在FPGA上實現(xiàn)了一種恒虛警率（CFAR）檢測自適應(yīng)算法，用于雷達(dá)系統(tǒng)在噪聲、雜波和干擾的背景下檢測目標(biāo)信號。該項目的目的是從噪聲條件下檢測目標(biāo)。

FPGA 上的快速傅立葉變換 (FFT)

快速傅里葉變換 (FFT) 是 DSP 系統(tǒng)中使用的基本構(gòu)建塊，其應(yīng)用范圍從基于 OFDM 的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器到超聲波、雷達(dá)和 CT 圖像重建的算法。盡管它的算法簡單易懂，但對于當(dāng)今的工程師來說，實現(xiàn)架構(gòu)和細(xì)節(jié)的變體是必不可少的，并且是一個巨大的時間消耗。在這個FPGA項目中，我們在FPGA上實現(xiàn)了快速傅里葉變換；我們已經(jīng)使用蝶形技術(shù)在FPGA上實現(xiàn)了它。FFT用于在復(fù)雜信號計劃中執(zhí)行頻率分量的查找。這是一個4096點的FFT。通過設(shè)備級固定點C模型，該FFT項目核心提供了四種不同的架構(gòu)，并將平均實現(xiàn)時間從3-6個月縮短到按下一個按鈕。它還為用戶提供了對DSP算法和硬件工程師所需的所有適當(dāng)算法和實現(xiàn)進(jìn)行復(fù)雜權(quán)衡的機會。FFT項目強調(diào)增加動態(tài)范圍，將數(shù)據(jù)和相位因子寬度的支持增加到34位，并支持IEEE單精度浮點數(shù)據(jù)形式。通過在內(nèi)部使用更高精度的定點FFT，實現(xiàn)可比的噪聲效率。

在 FPGA 上將 BCD 碼轉(zhuǎn)換為 7 段碼

數(shù)字解碼器 IC 是一種將一種數(shù)字格式轉(zhuǎn)換為另一種數(shù)字格式的設(shè)備，二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制 (BCD) 到 7 段顯示解碼器是執(zhí)行此操作最廣泛使用的設(shè)備之一。7 段 LED（發(fā)光二極管）或 LCD（液晶顯示器）式顯示器為數(shù)字、字母甚至字母數(shù)字字符提供了一種非常方便的方式來顯示信息或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。通常，7 段顯示器由七個不同顏色的 LED（稱為段）組成。LED 段的正確組合需要在顯示屏上點亮，以生成從 0 到 9 和 A 到 F 的必要數(shù)字或十六進(jìn)制字符，相應(yīng)地，BCD 到 7 段顯示解碼器 74LS47 就是這樣做的。

圖5：BCD 轉(zhuǎn)七段顯示

FPGA 上的數(shù)字時鐘

數(shù)字時鐘的主要用途是使用 Artix-7 FPGA 板上的 7 段面板以數(shù)字方式顯示時間。默認(rèn)情況下，數(shù)字時鐘顯示運行時間，可以使用分配給板載開關(guān)的時間設(shè)置來調(diào)整時間。警報角色也使用警報集和套件開關(guān)上的警報進(jìn)行配置。開發(fā)的數(shù)字時鐘是為 24 時鐘設(shè)計的格式。對于數(shù)字時鐘的硬件實現(xiàn)，本項目采用FPGA。一旦 FPGA 打開，時鐘就會開始。FPGA 和板載時鐘將產(chǎn)生時序信號。可以使用板上的撥碼開關(guān)設(shè)置時鐘時間和鬧鐘時間。使用數(shù)字運算：計數(shù)、比較、遞增和遞減，改進(jìn)了建議的數(shù)字時鐘設(shè)計。使用時間設(shè)置開關(guān)，可以設(shè)置時鐘時間，可以使用鬧鐘設(shè)置開關(guān)設(shè)置鬧鐘時間。如果時鐘等于鬧鐘時間，鬧鐘就會響起。通過使用顯示器上的按鈕，可以增加和減少分鐘和小時。在這個 FPGA 項目中，我們在 FPGA 上實現(xiàn)了數(shù)字時鐘。該模塊有一個輸入“FPGA 的源時鐘”，有 3 個輸出（時針、分針和秒針）。

FPGA 上的 JPEG 硬件壓縮器

壓縮圖像可以通過在不顯著降低圖像存儲和傳輸圖像質(zhì)量的情況下最大限度地減少成本和時間來提高設(shè)備效率。可以在圖像元素（像素）的矩陣上描述每個像素的單色圖像，由8位的灰度值描述。圖像數(shù)據(jù)的這種描述可能需要大量存儲需求。圖像壓縮旨在減小圖像的大小，同時保留大部分細(xì)節(jié)。它可以是有損壓縮，也可以是無損壓縮。與無損壓縮相比，有損在數(shù)據(jù)量上有更高的壓縮比；而只是初始壓縮的近似值，可以重新創(chuàng)建圖像。圖像壓縮有很多規(guī)范，例如聯(lián)合圖像專家解壓縮 (CODEC) 團(tuán)隊、圖形交換格式 (GIF)、便攜式網(wǎng)絡(luò)圖形 (PNG)、文件圖片標(biāo)簽格式 (TIFF)。最常用的 JPEG 壓縮方式，使用并基于余弦離散變換 (DCT) 的有損圖像壓縮類型。根據(jù)在圖像和圖像中發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，JPEG 格式的壓縮圖像的壓縮效率可能約為原始大小的 10%。結(jié)果是所需帶寬減少了 90%。這個 FPGA 項目包括一個完整的 JPEG 硬件，具有 41 子采樣，能夠以最大分辨率（256×256 @ 60 MHz）以每秒高達(dá) 42 張圖像的速率進(jìn)行壓縮，并將壓縮的JPEG圖像輸出到存儲器。。

FPGA 上的 FM 接收器

我們在 FPGA 上構(gòu)建了一個簡單的 FM 接收器，用于解調(diào) FM 調(diào)制頻率信號。我們使用偶極天線接收 FM 信號，然后使用 FM 解調(diào)器邏輯解調(diào)接收到的信號。首先，我們使用ADC將模擬FM信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對其進(jìn)行數(shù)字處理以去除載波，從而獲得來自廣播電臺的唯一純聲波。

FPGA 上的平方根

在物理學(xué)中，平方根函數(shù)sqrt（x）是一個重要的基本函數(shù)——數(shù)字信號和圖像處理，ANN方程。現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）目前正在擴展以解決這個問題。需要計算函數(shù)sqrt（x）的問題。FPGA制造商和第三方公司正在提出sqrt計算（x）的各種IP核心。但這些IP核心是幾十年前開發(fā)的，通常沒有考慮到最新一代FPGA的特性。因此，它們確實需要升級。在這個FPGA項目中，提出了一種計算sqrt（x）的增強特征算法，它適合FPGA的實現(xiàn)。已經(jīng)在FPGA上編寫了一個代碼來尋找有符號數(shù)的平方根。該代碼基于“非恢復(fù)平方根算法”。該代碼采用一個32位大小的有符號數(shù)字，并返回平方根，平方根也是16位大小的帶符號類型。提出了一種類似CORDIC的改進(jìn)算法，用于推導(dǎo)平方根方程。該算法由與給定數(shù)據(jù)成比例的減少的步數(shù)之和分開，結(jié)果是位寬。

FPGA 錯誤檢測-CRC

錯誤檢測決定了通過介質(zhì)獲得的數(shù)據(jù)在傳輸時是否損壞。為實現(xiàn)這一點，發(fā)射器使用一種功能來測量原始數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)校驗和并附加校驗和值。為了為接收到的數(shù)據(jù)幀創(chuàng)建校驗和，接收器使用相同的計算技術(shù)并將接收到的校驗和與傳輸?shù)男ｒ灪瓦M(jìn)行比較。如果兩個校驗和值相同，則得到的數(shù)據(jù)幀是正確的，在傳輸或存儲過程中沒有數(shù)據(jù)損壞。在這個 FPGA 項目中，在這個FPGA項目中，我們在FPGA上開發(fā)了CRC來檢測傳輸消息中的錯誤。所生成的CRC電路的優(yōu)點是假定輸入被串行饋送到電路中。這意味著，輸入可能很長，并且FPGA資源的使用仍然保持不變。

FPGA 上的環(huán)形計數(shù)器

環(huán)形計數(shù)器是一種由連接到移位寄存器的觸發(fā)器組成的計數(shù)器，最后一個觸發(fā)器的輸出饋送到第一個觸發(fā)器的輸入，形成“循環(huán)”或“環(huán)形”結(jié)構(gòu)。在硬件設(shè)計（例如，ASIC 和FPGA 設(shè)計）中，環(huán)形計數(shù)器也用于構(gòu)造有限狀態(tài)機。二進(jìn)制計數(shù)器將需要一個比環(huán)形計數(shù)器復(fù)雜得多的加法器電路，并且隨著位數(shù)的增加具有更顯著的傳播延遲，而無論代碼的位數(shù)如何，環(huán)形計數(shù)器的傳播延遲幾乎都是恒定的。在這個FPGA項目中，在FPGA上實現(xiàn)了一個環(huán)形計數(shù)器，由一系列正連接的觸發(fā)器組成。該電路是一種特殊類型的移位寄存器，其中最后一個觸發(fā)器的輸出被反饋到第一個觸發(fā)器輸入。

圖6：FPGA 上的環(huán)形計數(shù)器

基于 AES 的加密處理器的 FPGA 實現(xiàn)

對數(shù)據(jù)安全的需求增加是不可否認(rèn)的事實。為了實現(xiàn)更高的安全性，加密算法在保護(hù)數(shù)據(jù)免遭未經(jīng)批準(zhǔn)的使用方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在這個 FPGA 項目中，我們展示了一個使用高級加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 的加密處理器。AES 集成了一個 32 位通用 5 級流水線 MIPS 處理器。集成的AES模塊是一個全流水線模塊，遵循內(nèi)圓和外圓流水線設(shè)計。結(jié)果表明，所呈現(xiàn)的 AES 算法流水線版本和 MIPS 處理器優(yōu)于傳統(tǒng)方法。在 553 MHz 的工作頻率下，所提出的設(shè)計可以實現(xiàn) 58 Gbps 的吞吐量、240 ns 的延遲和 76 MW 的功耗。

設(shè)計是這樣實現(xiàn)的，即使加密協(xié)處理器同時運行，加密指令也不會阻塞處理器的指令獲取周期。默認(rèn)情況下，如果指令是為處理器設(shè)計的，則每條指令都從指令內(nèi)存單元中取出并在 MIPS 處理器上完成其所有周期。然而，如果獲取指令不是MIPS指令，它將在解碼階段后的下一個時鐘周期被發(fā)送到密碼協(xié)處理器。我們將加密協(xié)處理器與 MIPS 合并并進(jìn)行這種集成，以便加密協(xié)處理器由 MIPS 運行而不會干擾流水線階段。





審核編輯：劉清