全数字导航接收机协处理器技术研究

论文摘要

随着微电子技术的迅猛发展,导航接收机进一步小型化、芯片化,传统的需要主处理器参与的基带处理方案正在被基于协处理器的与主处理器无关的方案所取代。用于导航信号基带处理的协处理器不需要有强的计算功能,只需要有强的控制功能,同时要尽可能的节省硬件资源,因此使用ARM、MicroBlaze、NiosII等通用处理器不能很好地适应基带信号处理的要求。通过对基带处理实现方案的分析与比较,本文找到了PicoBlaze适合导航信号基带处理的突出优点。然而PicoBlaze在代码容量、调试方便性方面的不足,严重制约了其应用。在继承PicoBlaze优点的基础上,通过对PicoBlaze微体系结构的修改,本文设计了的一种新协处理器EPicoBlaze,克服了PicoBlaze的不足,同时为其提供了方便的开发环境。本文的主要工作有:(1)通过参考标准RISC处理器的体系结构对PicoBlaze的微体系结构进行了巧妙的修改,使得EPicoBlaze很好地继承PicoBlaze原有的设计,同时仅通过增加两条指令实现了将PC的宽度由10位扩展到18位,使PicoBlaze的代码容量不足的问题得到了根本解决。(2)在PicoBlaze的开源汇编器基础上,为EPicoBlaze设计了专用的汇编器,该汇编器不仅能够支持新的指令,并且可以通过预处理的方式屏蔽EPicoBlaze与PicoBlaze在微体系结构上的差异,从而使EPicoBlaze与PicoBlaze在编程上可以无缝衔接。(3)通过一种专用调试模块的设计,建立了针对EpicoBlaze的在线调试机制,并且调试机制与指令集无关,非常便于扩展出新的调试功能;通过一种基于ASCII码的串口通信协议,调试主机只需通过串口即可以实现对EPicoBlaze的调试。论文的成果是一种通用的处理器及其开发环境,不仅能够用于导航信号基带处理,还有广阔的应用领域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 卫星导航系统概述
• 1.2 全数字导航接收机概述
• 1.2.1 导航接收机的基本原理
• 1.2.2 导航接收机的功能结构划分
• 1.2.3 基带信号处理的任务和实现特点
• 1.3 基于协处理器的单片基带信号处理方案
• 1.3.1 基带处理的芯片化技术现状
• 1.3.2 软硬件划分与协处理器的选择和设计
• 1.4 论文的主要工作及内容安排
• 第二章 基带信号处理方案分析及PicoBlaze的应用
• 2.1 前言
• 2.2 基带处理结构方案概述
• 2.2.1 传统的基带处理结构
• 2.2.2 基于协处理器基带信号处理结构
• 2.3 应用PicoBlaze的基带处理方案
• 2.4 应用PicoBlaze的局限性
• 2.5 小结
• 第三章 EPicoBlaze处理器设计
• 3.1 前言
• 3.2 对PicoBlaze的实现特点分析
• 3.2.1 PicoBlaze的指令集
• 3.2.2 PicoBlaze针对FPGA的优化设计
• 3.2.3 PicoBlaze代码容量的扩展
• 3.3 EPicoBlaze的硬件设计
• 3.3.1 限制PicoBlaze扩展PC宽度的因素
• 3.3.2 EPicoBlaze的顶层方案设计
• 3.3.3 EPicoBlaze的具体逻辑实现
• 3.4 EPicoBlaze的汇编器设计
• 3.4.1 openPicIde的软件架构
• 3.4.2 不使用预处理的工作模式
• 3.4.3 简单预处理工作模式
• 3.4.4 优化的预处理工作模式
• 3.5 小结
• 第四章 调试模块（PDM）设计
• 4.1 前言
• 4.2 调试系统构成
• 4.3 底层调试功能的实现
• 4.3.1 PDM实现调试的原理
• 4.3.2 核心控制模块的硬件实现
• 4.3.3 使用PDM的操作流程
• 4.4 基于串口的通信模块设计
• 4.4.1 通信协议设计
• 4.4.2 协议的实现方案
• 4.5 小结
• 第五章 EPicoBlaze及PDM的验证及应用情况
• 5.1 前言
• 5.2 仿真验证
• 5.2.1 验证平台设计
• 5.2.2 验证情况分析
• 5.3 EPicoBlaze在基带信号处理中的应用
• 5.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A EpicoBlaze硬件设计中的典型代码
• 附录B EPicoBlaze汇编器设计中的关键代码