基于FPGA的可穿戴医护系统的接口设计与研究

论文摘要

近年来,随着半导体技术、计算机技术、通讯技术日新月异的发展,计算机向着高性能、微型化方向发展的速度也越来越快。半导体技术的提高和嵌入式技术的应用,使得传统意义上的计算机已缩小至芯片级。人们对计算机的要求不满足于固定的场所和固定的方式,人们想在随时随地使用便携式计算机,在这种技术背景下,人们对当今计算机的应用提出了一种新的需求——可穿戴计算机。在QuartusII6.0设计环境下,使用VHDL硬件描述语言和基于FPGA的EDA设计方法,采用RISC和CISC相结合的思想设计出了可穿戴医护系统处理器。在研究和设计过程中主要做了以下工作：1.根据可穿戴医护系统所要实现的各种生理信息采集等功能需求,并对RISC技术和CISC技术进行对比分析,为系统设计出专用的指令系统。2.设计出可穿戴医护系统的各个组成模块。3.先对处理器各个模块进行功能仿真验证,然后将处理器的各个模块整合成CPU整机,针对不同的CPU功能,以所设计指令集编写测试程序进行仿真验证；将波形文件下载到硬件平台上进行验证,可以发现仿真验证和硬件平台验证是一致的。验证结果表明了所设计CPU的有效性。本课题的研究内容为“基于FPGA的可穿戴医护系统的接口设计与研究”,主要研究任务是：设计一个可穿戴医护系统的处理器,并根据可穿戴医护系统的需求和外设信息,设计出系统的中断系统、程序计数器和串行通信接口。最后通过仿真验证系统的正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究背景与研究意义
• 1.1.1 可穿戴系统的背景
• 1.1.2 嵌入式处理器的背景
• 1.1.3 可穿戴计算机的接口技术
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 可穿戴系统国内外现状
• 1.2.2 嵌入式处理器国内外现状
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 本论文的组织结构
• 第二章 系统设计相关技术
• 2.1 EDA技术
• 2.1.1 EDA技术的发展
• 2.1.2 EDA工具
• 2.1.3 EDA设计方法
• 2.1.4 EDA的开发流程
• 2.2 可编程逻辑器件的选择
• 2.2.1 典型可编程逻辑器件比较与分析
• 2.2.2 CPLD和FPGA的比较
• 2.3 现场可编程门阵列
• 2.3.1 FPGA发展历程
• 2.3.2 FPGA工作原理
• 2.3.3 FPGA配置模式
• 2.3.4 FPGA应用
• 2.4 硬件描述语言的选择
• 2.5 系统设计平台QUARTUSⅡ
• 2.6 本章小结
• 第三章 可穿戴计算机及其处理器的比较分析
• 3.1 可穿戴计算机
• 3.1.1 可穿戴计算机特点
• 3.1.2 可穿戴计算机的应用领域
• 3.1.3 可穿戴医疗监护系统的发展与其特点
• 3.2 嵌入式微处理器的比较分析
• 3.2.1 嵌入式微处理器的发展
• 3.2.2 当前流行的嵌入式微处理器简介
• 3.3 指令系统的分析比较
• 3.3.1 复杂指令系统计算机
• 3.3.2 精简指令系统计算机
• 3.4 可穿戴医护系统专用处理器
• 3.4.1 系统需求
• 3.4.2 专用处理器设计的必要性
• 3.5 本章小结
• 第四章 可穿戴处理器各模块设计
• 4.1 处理器的组成结构
• 4.2 运算器
• 4.3 寄存器
• 4.3.1 单寄存器REG
• 4.3.2 寄存器组RegArray
• 4.4 存储器
• 4.5 比较器
• 4.6 控制单元
• 4.6.1 总控制器
• 4.6.2 时序控制器
• 4.7 指令系统设计
• 4.7.1 指令格式
• 4.7.2 指令系统设计
• 4.8 程序计数器模块设计
• 4.8.1 程序计数器功能
• 4.8.2 程序计数器工作状态
• 4.8.3 模块设计
• 4.9 本章小结
• 第五章 中断和接口的设计
• 5.1 中断设计
• 5.1.1 中断重要性
• 5.1.2 中断的优先级
• 5.1.3 中断屏蔽
• 5.1.4 中断各模块设计
• 5.2 串行通信接口设计
• 5.3.1 组成与帧格式
• 5.3.2 发送模块设计
• 5.3.3 接受模块设计
• 5.3 本章小结
• 第六章 仿真验证
• 6.1 功能仿真
• 6.1.1 运算器的仿真
• 6.1.2 寄存器组regarray的仿真
• 6.1.3 比较器的仿真
• 6.2 整体验证
• 6.3 实验分析与结果
• 6.4 时序仿真
• 6.5 本章小结
• 总结与展望
• 本课题工作总结
• 下一步研究工作
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果
• 致谢