第一部分 設(shè)計(jì)概述?

1.1設(shè)計(jì)目的

隨著車(chē)輛的普及，出行安全已經(jīng)成為人們熱切關(guān)注的話題，每年因?yàn)椴划?dāng)?shù)鸟{駛行為而造成的交通事故日益增加，在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的大環(huán)境下，科學(xué)保障人們的生命安全已經(jīng)成為必不可少的社會(huì)要點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年中國(guó)交通事故死亡人數(shù)為10萬(wàn)人，而同年美國(guó)的數(shù)字為4萬(wàn)人，日本為1萬(wàn)人。據(jù)全球各交通和警察部門(mén)的統(tǒng)計(jì)，2003年全世界交通事故死亡人數(shù)為50萬(wàn)人。其中，中國(guó)交通事故死亡人數(shù)為10．4萬(wàn)。我國(guó)交通事故的致死率也是世界最高的，為27．3％，因疲勞駕駛而造成的交通事故占總數(shù)的20%左右，重特大傷亡事故中約40%是由于疲勞駕駛造成的，高速路上20%的事故都是因?yàn)槠隈{駛。據(jù)公安部交管局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示深夜、凌晨或午后為“疲勞駕駛”事故高發(fā)期。 基于當(dāng)前的這些數(shù)據(jù)以及現(xiàn)狀，在疲勞駕駛的問(wèn)題中，我們應(yīng)該盡量減少事故的發(fā)生概率，即在駕駛過(guò)程使駕駛?cè)吮３智逍?，若遇到駕駛?cè)似跁r(shí)，我們需要采取一些方法來(lái)使駕駛?cè)饲逍鸦蛘咛嵝淹＼?chē)休息即“疲勞駕駛檢測(cè)功能”同時(shí)輔助多樣化全面的人性化行車(chē)輔助功能，以此高度保障人身安全，使行車(chē)更安全和智能，為駕駛者以及乘客提供一個(gè)更科學(xué)、可靠、便捷的輔助平臺(tái)。

? 1.2應(yīng)用領(lǐng)域

本作品所設(shè)計(jì)的智能行車(chē)輔助系統(tǒng)通過(guò)核心算法功能“疲勞駕駛檢測(cè)”，通過(guò)對(duì)駕駛員眨眼、打哈欠等行為的分析，實(shí)時(shí)檢測(cè)疲憊狀況并及語(yǔ)音提示駕駛員保持清醒，多種輔助系統(tǒng)可使行車(chē)更便捷應(yīng)用于私家、貨車(chē)、大巴等多種輛以及經(jīng)常需要夜間長(zhǎng)途出行的特定群體。行車(chē)輔助系統(tǒng)不僅具有疲勞駕駛檢測(cè)功能，同時(shí)還配備智的行車(chē)輔助系統(tǒng)的功能，如語(yǔ)音播報(bào)、超聲波測(cè)距倒車(chē)影像座椅按摩等多種便捷的且貼心功能，語(yǔ)音播報(bào)、超聲波測(cè)距倒車(chē)影像座椅按摩等多種便捷的且可以通過(guò)語(yǔ)音控制可達(dá)到真正解放雙手的目，使駕駛更專(zhuān)心、方便。 ?

1.3適用范圍 本行車(chē)輔助系統(tǒng)不僅可用于個(gè)人的安全，也應(yīng)用于車(chē)輛管理公司，如出租車(chē)、貨運(yùn)輸?shù)刃枰w配備行車(chē)輔助系統(tǒng)的團(tuán)體，更智能 、安全便捷的行車(chē)輔助效果會(huì)更加明顯。 ?

第二部分 系統(tǒng)組成及功能說(shuō)明

2.1系統(tǒng)介紹

本作品的核心系統(tǒng)疲勞駕駛檢測(cè)搭載于 XILINX Zynq-7000 系列 PYNQ-Z2 開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板如圖 2.1 所示，其主芯片為 XC7Z020CLG400-1，該芯片為 FPGA+ARM 架構(gòu)并且可用于 python 開(kāi)發(fā)，同時(shí)提供了豐富的 python API 和完 善的硬件設(shè)計(jì)流程，為較復(fù)雜算法的編寫(xiě)及應(yīng)用提供了新思路。同時(shí)使用 Artix-7 核心板為輔助功能模塊顯示控制中心，如圖 2.2 所示。系統(tǒng)主要包含：疲勞駕駛檢測(cè)、倒車(chē)輔助、語(yǔ)音控制平臺(tái)、安全車(chē)距檢 測(cè)等部分組成，總體流程圖如 2.3 所示。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自啟，并實(shí)時(shí)檢測(cè) 駕駛者的疲憊情況，輔助功能模塊由語(yǔ)音控制功能協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)解放雙手 安心駕駛的目的，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)提醒駕駛員疲憊狀況以及車(chē)輛周?chē)系K物情 況并及時(shí)反饋給駕駛者，達(dá)到預(yù)防交通事故發(fā)生的目的。

? 2.2 各模塊介紹

2.2.1.疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 考慮到疲勞狀態(tài)圖像處理的實(shí)時(shí)性和疲勞狀態(tài)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。采用 PYNQ 開(kāi)發(fā)板作為系統(tǒng)的嵌入式控制單元，用于運(yùn)行圖像采集和圖像處理的程序，以及控制各個(gè)預(yù)警模塊;使用 usb 攝像頭 實(shí)時(shí)采集機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員的人臉和眼部圖像視頻流。該視頻流的每一幀圖像作 為駕駛員疲勞狀態(tài)監(jiān)測(cè)的源數(shù)據(jù); 采用 OpenCV 計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)、Dlib 機(jī)器 學(xué)習(xí)庫(kù)和 Python 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言對(duì)駕駛員的人臉圖像進(jìn)行處理，通過(guò)計(jì)算 EAR 參 數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)眼部張合度，判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到駕駛員處于疲 勞駕駛的狀態(tài)時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音預(yù)警及座椅震動(dòng)按摩的方式提醒駕駛員注意安全行車(chē)。

? （二）系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)

（1）嵌式控制單元 考慮到圖像采集和圖像處理算法的復(fù)雜性，以及疲勞駕駛檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng) 景對(duì)體積、安裝與成本的要求，采用 PYNQ 開(kāi)發(fā)板作為控制單元，PYNQ-Z2 開(kāi) 發(fā)板支持 PYNQ 項(xiàng)目，這是一個(gè)新的開(kāi)源框架，使嵌入式編程人員能夠在無(wú) 需設(shè)計(jì)可編程邏輯電路的情況下即可充分發(fā)揮 Xilinx Zynq All Programmable SoC（APSoC） 的功能。與常規(guī)方式不同的是，通過(guò) PYNQ，用戶可以使用 Python 進(jìn)行APSoC 編程，并且代碼可直接在 PYNQ-Z2 上進(jìn) 行開(kāi)發(fā)和測(cè)試。通過(guò) PYNQ，可編程邏輯電路將作為硬件庫(kù)導(dǎo)入并通過(guò)其 API 進(jìn)行編程，其方式與導(dǎo)入和編程軟件庫(kù)基本相同。 PYNQ-Z2 開(kāi)發(fā)板是 PYNQ 開(kāi)源框架的硬件平臺(tái)。在 ARM A9 CPU 上運(yùn)行的 軟件包括： ? 載有 Jupyter Notebooks 設(shè)計(jì)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 ? IPython 內(nèi)核和程序包 ? Linux ? FPGA 的基本硬件庫(kù)和 API ?

（2）實(shí)時(shí)視頻圖像采集單元 圖像的采集使用的是 NUOXI ZL-008 型號(hào)USB 攝像頭，該攝像頭支持分辨率640*480，幀率 30 幀/秒，增強(qiáng)像素?cái)?shù)1200 萬(wàn)，可以滿足本文研究中對(duì) 圖像的清晰度和實(shí)時(shí)性的要求。將攝像頭連接到PYNQ 的USB 接口，并將攝像頭放置在車(chē)子內(nèi)部的儀表盤(pán)上方。在 PYNQ 上，使用 Python 的 imutils 包采集實(shí)時(shí)的視頻流，進(jìn)而獲取視 頻流的每一幀圖像，用于后續(xù)的圖像處理。 ?

圖 2 核心板 ? FPGA中實(shí)現(xiàn)的SoC框圖如圖3所示： ?

圖3 SoC原理框圖 ? ?

圖 4 SoC的RTL視圖

? 2.2.1.1 PRV332處理器內(nèi)核

?

圖5 CPU內(nèi)核 ? 整個(gè)SoC的PRV332處理器核心如圖5所示，PRV332SV0處理器內(nèi)核是一款支持RISCV-32 I和A拓展指令集，完全實(shí)現(xiàn)RISCV定 義的所有功能的處理器，不僅具備機(jī)器模式（M）模式下運(yùn)行，還支持虛擬內(nèi)存MMU 和系統(tǒng)（S）用戶（U）模式，理論上完全具備運(yùn)行類(lèi)linux系統(tǒng)的能力。這款處理器內(nèi)核主要由BIU（總線接口單元），EXU（執(zhí)行單元），INS-CSR-GPR（指 令-CSR-通用寄存器單元），中斷控制器組成，簡(jiǎn)單原理框圖如圖6所示。

圖6 CPU原理框圖 ? 整個(gè)CPU以狀態(tài)機(jī)的方式運(yùn)行，常規(guī)指令需要6T：T0：BIU準(zhǔn)備開(kāi)始下一條指令的地址。T1：BIU（總線接口單元）發(fā)出地址和總線控制信號(hào)。T2：BIU（總線接口單元）根據(jù)總線上的信號(hào)（訪問(wèn)失敗信號(hào)、準(zhǔn)備好信號(hào)）選擇是否存入總線上的數(shù)據(jù)，若總線訪問(wèn)失敗，則跳轉(zhuǎn)到T10，若準(zhǔn)備好信號(hào)為0，則保持T2狀態(tài)，若準(zhǔn)備好為高，則寄存總線上的數(shù)據(jù)并進(jìn)入下一狀態(tài)。T3：BIU發(fā)出準(zhǔn)備好信號(hào)， 同時(shí)把指令通過(guò)BIU的指令輸出總線輸出給指令解碼單元（INS_DEC）開(kāi)始指令解碼。T4：EXU開(kāi)始動(dòng)作，常規(guī)的加減法和邏輯運(yùn)算將在這個(gè)周期內(nèi)完成，如果是移位指令等則需要多個(gè)周期才能完成。T5：寫(xiě)回階段，CPU內(nèi)部的寄存器根據(jù)指令譯碼器譯碼結(jié)果進(jìn)行寄存，同時(shí)PC（程序計(jì)數(shù)器）值在這個(gè)階段被更改，指向下一條要被執(zhí)行的指令的位置。如果在這個(gè)執(zhí)行階段中斷控制器接受了某個(gè)外部中斷，則跳到T10。當(dāng)處理器遇到內(nèi)存訪問(wèn)指令，需要增加額外的四個(gè)執(zhí)行周期 T6-T9。T6：BIU準(zhǔn)備開(kāi)始下一條指令的地址。T7：BIU（總線接口單元）發(fā)出地址和總線控制信號(hào)。T8：BIU（總線接口單元）根據(jù)總線上的信號(hào)（訪問(wèn)失敗信號(hào)、準(zhǔn)備好信號(hào)）選擇是否存入總線上的數(shù)據(jù)，若總線訪問(wèn)失敗，則跳轉(zhuǎn)到T10，若準(zhǔn)備好信號(hào)為0，則保持T2狀態(tài)，若準(zhǔn)備好為高，則寄存總線上的數(shù)據(jù)并進(jìn)入下一狀態(tài)。T9：BIU發(fā)出準(zhǔn)備好信號(hào)， 同時(shí)把數(shù)據(jù)放在內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)處理器遇到中斷或者發(fā)生異常，需要增加一個(gè)執(zhí)行周期T10，T10可以插入到以上執(zhí)行周期的T2或T5或T8之后。在T10里處理器將根據(jù)錯(cuò)誤類(lèi)型將PC值自動(dòng)撥到對(duì)應(yīng)的中斷向量上，同時(shí)儲(chǔ)存當(dāng)前發(fā)生異常的PC值和異常值到MEPC和MTVAL寄存器里。 *關(guān)于RISCV的中斷和異常處理可參考《The RISC-V Instruction Set Manual Volume II : Privileged Architecture》

? 2.2.1.2 BOOTROM（程序只讀儲(chǔ)存器）

?

圖7 BOOT-ROM ? PVS332具有一個(gè)片上BOOT-ROM，如圖7，在BOOT-ROM里面預(yù)置了開(kāi)機(jī)啟動(dòng)代碼，系統(tǒng)復(fù)位后處理器首先執(zhí)行該ROM里面的程序，通過(guò)修改該BOOT-ROM里面程序的內(nèi)容可以實(shí)現(xiàn)多種功能。 ? 2.2.1.3 OCRAM（片上內(nèi)存）

圖8 OCRAM ? PVS332具備一個(gè)4K字節(jié)的片上RAM，如圖8所示，該內(nèi)存為同步SRAM，可以在2T周期內(nèi)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，工作頻率和CPU同步。具備比較高的讀寫(xiě)帶寬?？梢栽谙到y(tǒng)沒(méi)有拓展內(nèi)存的情況下使用。 ? 2.2.1.4 SPI收發(fā)器

??圖9 SPI收發(fā)器

PVS332具備一個(gè)硬件SPI收發(fā)器，如圖9所示，可以使用額外的門(mén)電路可以同時(shí)管理八個(gè)從設(shè)備。以下截圖來(lái)自于《PVS332處理器編程手冊(cè)》，描述的是SPI收發(fā)器的地址和操作，分別如圖10、圖11所示。

? 圖10 SPI收發(fā)器寄存器

圖11 SPI寄存器定義 ? 2.2.1.5 EXT-SLOT（拓展插槽）

圖12 拓展插槽適配器 ? PVS332通過(guò)該適配器，如圖12所示，支持最多8個(gè)，每個(gè)2MB的多功能拓展插槽，這些插槽都支持等待狀態(tài)，同時(shí)插槽的地址直接被映射在處理器外部地址里面，程序可以直接訪問(wèn)到這些插槽上面的設(shè)備。拓展槽使用32個(gè)雙向IO作為數(shù)據(jù)總線（SRAM_Data），22條地址總線（SRAM_Add），4條字節(jié)選擇線(SRAM_BSEL)，外部設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)線(rdy)，讀寫(xiě)信號(hào)線(SRAM_OE，SRAM_WR)和外部片選信號(hào)線（SRAM_CS)。外部總線讀寫(xiě)分四個(gè)周期。（a）讀時(shí)序當(dāng)PVS332處理器內(nèi)置的PRV332SV0處理器訪問(wèn)的內(nèi)存屬于外部?jī)?chǔ)存器時(shí)，PVS332自動(dòng)將內(nèi)存選擇到外部，進(jìn)入讀周期。T1：SRAM_CS拉低，SRAM_OE拉低，SRAM_Add送出地址，SRAM_BSEL的某幾個(gè)位拉低以指示是哪個(gè)字節(jié)被讀寫(xiě)。在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿進(jìn)入T2狀態(tài)T2：保持T1狀態(tài)，在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿進(jìn)入T3狀態(tài)。T3：保持T2狀態(tài)，當(dāng)rdy=1時(shí)候，在下一個(gè)時(shí)鐘沿進(jìn)入T4狀態(tài)，否則等待在T3狀態(tài)T4：保持T3狀態(tài)，在T4周期結(jié)束的時(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，同時(shí)回到等待狀態(tài)TW。(b)寫(xiě)時(shí)序T1:SRAM_CS拉低，SRAM_Add送出地址 ，SRAM_Data送出數(shù)據(jù)，SRAM_BSEL某幾個(gè)位拉低以指示要操作哪個(gè)字節(jié)，在下一個(gè)上升沿進(jìn)入T2周期。T2：SRAM_WR拉低，其余參數(shù)保持和T1一致，在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿進(jìn)入T3周期。T3：保持T2狀態(tài)，等待rdy信號(hào)之后在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿進(jìn)入T4周期T4: SRAM_WR拉高，其余參數(shù)保持和T1一致，在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿進(jìn)入TW。

? 2.2.1.6 GPIO

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圖13 GPIO ? PVS332處理器支持128個(gè)GPIO, 所設(shè)計(jì)的模塊如圖13所示，在目前系統(tǒng)里面因?yàn)镕PGA引腳較少，實(shí)際只使用了GPIOC的22個(gè)GPIO。GPIO有關(guān)的控制寄存器如下圖14所示。

圖14 GPIO控制寄存器 ? *以上設(shè)備的匯編測(cè)試程序可見(jiàn)SIM-TESTCODE文件夾。 *以上設(shè)備的寄存器定義可以見(jiàn)附錄中的PVS332編程手冊(cè)。 ? 2.2.1.7 UART16550

圖 15 UART16550 如圖15，PVS332支持一個(gè)帶FIFO的UART收發(fā)器，具備16字節(jié)深度的FIFO，最高支持波特 率為9600。UART16550的控制寄存器如圖16所示： ?

圖16 UART16550控制寄存器 *詳情可以參考附錄中的PVS332編程手冊(cè) ?

2.2.1.8 控制寄存器組

圖17 控制寄存器組 ? PVS332 SoC中有一個(gè)控制寄存器（圖17 控制寄存器組）控制整個(gè)SoC的各項(xiàng)功能?？刂萍拇嫫鹘M里面包含了：（1）系統(tǒng)定時(shí)器PVS332 SoC支持RISCV架構(gòu)定義的系統(tǒng)的定時(shí)器（MTIME、MTIMECMP）這兩個(gè)寄存器在0x0ffc0000-0x0ffc000f的空間里。該定時(shí)器在MTIME計(jì)時(shí)到MTIMECMP之后會(huì)產(chǎn)生定時(shí)器中斷，只有當(dāng)程序更新了MTIME或者M(jìn)TIMECMP寄存器之后中斷才會(huì)被清除。（2）軟件中斷控制器軟件中斷控制器可以讓程序使用置1的方式產(chǎn)生同步的軟件中斷。（3）中斷控制器（SIC）SIC可以支持最多256個(gè)外部中斷的管理，并可以配置它們的優(yōu)先級(jí)，由這個(gè)寄存器管理的中斷源最后都連接在PRV332處理器的ext_int中斷上，觸發(fā)中斷之后PRV332的xcause寄存器將會(huì)被更新為外部中斷，軟件可以查詢SIC里面的中斷掛起寄存器而找到是哪個(gè)外部設(shè)備發(fā)起了中斷。圖18是SIC的寄存器列表，詳情可見(jiàn)附錄中的《PVS332編程手冊(cè)》??

圖18 SIC控制寄存器 *詳情可見(jiàn)附錄中的《PVS332編程手冊(cè)》。 ?

2.2.2 系統(tǒng)主板

系統(tǒng)主板分為3大部分，分別為FPGA插座部分、拓展插槽部分、SPI和GPIO和flash部分。 ?

2.2.2.1 FPGA插座部分

圖19 FPGA核心板插座部分 ? 如圖19，在這個(gè)部分里的CPU位置，可以插入上述FPGA核心板作為系統(tǒng)主板的CPU，該核心板一共有96個(gè)可用IO，我們將IO分配為：拓展卡IO、通用輸入輸出（GPIO）、SPI收發(fā)器 三個(gè)部分。在旁邊的穩(wěn)壓器部分，主要為板上的邏輯芯片供電。同時(shí)我們搭載了多個(gè)指示燈用于指示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

? 2.2.2.2 拓展插槽部分

圖20 拓展插槽部分 ? ? 在拓展插槽上圖20所示，我們使用32個(gè)IO作為雙向數(shù)據(jù)總線，22個(gè)IO作為地址總線，4個(gè)IO作為字節(jié)選擇線， 2個(gè)IO作為讀寫(xiě)使能線，1個(gè)IO作為準(zhǔn)備好信號(hào)輸入線?？偩€工作頻率為8MHz（FPGA工作頻率33MHz時(shí)）。最大傳輸速度為32MB/s。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)外部設(shè)備，我們將A19-A21作為一個(gè)3-8譯碼器的輸入信號(hào)，使用該3-8譯碼器獲得8個(gè)譯碼器信號(hào)，這樣外部就可以獲得8個(gè)插槽的片選信號(hào)。其余的A0-A18作為地址線，配合四個(gè)字節(jié)選擇線可以尋址8 * 512K * 4Byte的空間。 ?

2.2.2.3 SPI、GPIO和flash部分

圖21 SPI、IO和外部FLASH ? SPI部分同樣使用3-8譯碼器作為從設(shè)備選擇信號(hào)，而后使用一片8-1數(shù)據(jù)選擇器作為八個(gè)SPI從設(shè)備的MISO選擇。FLASH部分使用額外的74系列邏輯芯片搭建了復(fù)用器，在調(diào)試器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位時(shí)(/RESET為低），此時(shí)復(fù)用器將FLASH的引腳切換給調(diào)試器的MOSI、MISO、SCK、CS使用。當(dāng)調(diào)試器燒錄FLASH完成之后，/RESET被拉高，此時(shí)該復(fù)用器將FLASH切換給主系統(tǒng)的SPI收發(fā)器使用。 ?

2.2.2.4 主板PCB圖

圖 22 主板PCB圖 ?

2.2.2.5 主板實(shí)物

PVS332可以搭配配套的PVS332-XC7MB主板，板上引出了七個(gè)SPI，16個(gè)GPIO和 燒錄器用的插針。同時(shí)引出了四個(gè)可以直接使用的拓展槽接口和一個(gè)需要外接其它拓展電路的接口。主板實(shí)物如圖23所示：

圖23 主板實(shí)物圖

? 2.2.3 調(diào)試器

調(diào)試器使用ESP32作為主控，使用ESP32通過(guò)藍(lán)牙/WIFI等多種方式連接系統(tǒng)主板和電腦端軟件。該調(diào)試器可以和電腦端配套軟件聯(lián)合使用，執(zhí)行包括對(duì)系統(tǒng)主板進(jìn)行復(fù)位、燒錄外部FLASH、監(jiān)視系統(tǒng)主板串口并回傳數(shù)據(jù)等一系列任務(wù)。調(diào)試器通過(guò)自定義排線接口與系統(tǒng)主板相連接，自定義接口的引腳定義如圖24所示：

圖24 調(diào)試器電路 ? ?

調(diào)試器通過(guò)上圖中MISO，MOSI，SCK，/CS來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)主板的復(fù)位和調(diào)試工作。在/RESET為0時(shí)（即系統(tǒng)復(fù)位）， 調(diào)試器作為SPI從機(jī)，MOSI，MISO，SCK，CS引腳控制系統(tǒng)主板上的外部FLASH；在/RESET為高（即系統(tǒng)正常工作）時(shí)，MOSI，MISO，SCK為SoC的SPI收發(fā)器0引腳，此時(shí)調(diào)試器作為SPI 從機(jī)，可以監(jiān)視串口數(shù)據(jù)。調(diào)試器實(shí)物如圖25所示：

圖25 調(diào)試實(shí)物圖 ?

? 2.2.4內(nèi)存拓展卡

外置內(nèi)存拓展卡是兩片IS62WV51216構(gòu)成的，一共2兆字節(jié)?？梢圆逶谥靼迳系耐卣共宀蹆?nèi)，可以讓系統(tǒng)獲得額外的2MB內(nèi)存。拓展卡如圖26所示：

圖26 內(nèi)存拓展卡 ? ?

2.2.5 PC端IDE

軟件部分我們完全自主研發(fā)了一個(gè)IDE-PRV332IDE，具備編輯RISCV匯編，生成多種機(jī)器碼文件的能力，可以極大的方便程序驗(yàn)證和調(diào)試工作。IDE界面如圖27所示：

圖27 IDE界面 ?

2.2.5.1 IDE各項(xiàng)功能介紹

圖28 IDE功能 如圖28所示，IDE功能從上到下依次為：復(fù)制文件、剪切文件、新建文件、生成二進(jìn)制文件、生成Hex文件、生成coe文件、縮進(jìn)、換行。其中生成二進(jìn)制文件可以讓匯編代碼直接被仿真器仿真；生成的Hex文件可以直接燒錄到flash里面，配合SoC內(nèi)部的BOOTLOADER程序使用；生成的coe文件可以作為xilinx FPGA的ROM里面的內(nèi)容。 ?

2.2.5.2 IDE實(shí)現(xiàn)技術(shù)特點(diǎn) Prv332ide使用pyqt編寫(xiě)圖形界面同時(shí)重構(gòu)了原有的riscv匯編工具鏈，是一個(gè)總代碼約2000行的輕量級(jí)prv332定制的可以直接燒錄的ide.匯編工具鏈上拋棄傳統(tǒng)的兩遍掃描算法使用高效的一遍掃描算法，同時(shí)利用散列算法進(jìn)行加速使得匯編翻譯和地址分配速度非?？?。不僅在速度上進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)利用python面向?qū)ο蟮膬?yōu)點(diǎn)預(yù)留多個(gè)接口，配合圖

形界面可以直接生成用于仿真的二進(jìn)制文件（直接用于modelsim仿真），coe文件（用于直接燒錄xilinx的BROM），hex文件（用于直接燒錄到soc的片外flash）。大大方便了驗(yàn)證和調(diào)試工作。圖形界面使用pyqt開(kāi)發(fā)，除了匯編工具鏈生成的之外還可以利用socket直連jttag接收soc傳來(lái)的數(shù)據(jù)以及燒錄工作。 ? 第三部分 完成情況及性能參數(shù) 3.1綜合完成FPGA邏輯資源占用

圖29 FPGA布線占用 ? ?

圖30 FPGA資源占用 ? 圖29和圖30可看到，綜合布線完成后共占用邏輯單元3628個(gè)，一共使用總邏輯單元數(shù)量的45.35%。片內(nèi)RAM共使用8KB，占用總片內(nèi)RAM資源的80%。在總的資源占用上較為良好的達(dá)到了對(duì)輕量的需求。

? 3.2 在MODELSIM里面進(jìn)行匯編代碼仿真（以SPI收發(fā)器為例）

首先我們?cè)谂涮椎膮R編軟件中寫(xiě)SPI收發(fā)器的匯編代碼，圖31所示：

圖31 SPI收發(fā)器驅(qū)動(dòng)

此程序?qū)懥艘粋€(gè)使用SPI收發(fā)器完成發(fā)送一系列字符串的程序的程序。程序流程如下：設(shè)置SPI收發(fā)器的基地址、設(shè)置要發(fā)送的數(shù)據(jù)、使能SPI收發(fā)器、檢查SPI收發(fā)器的TXOK位，若為1則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。其次我們使用PRV332IDE生成給modelsim仿真使用的二進(jìn)制文件，如圖32所示：?

圖32 生成的二進(jìn)制文件 ? 然后我們打開(kāi)modelsim，直接開(kāi)始仿真，可以看到SoC的SPI有關(guān)引腳上出現(xiàn)了我們希望看到的數(shù)據(jù)，如圖33所示。?

圖33 仿真波形

? 3.3 PVS332實(shí)機(jī)啟動(dòng)演示

首先我們將上述仿真過(guò)的匯編代碼使用PRV332IDE生成COE文件，如圖34所示；接著我們將該COE文件作為PVS332系統(tǒng)里面BOOTROM的內(nèi)容燒錄到FPGA里面。為了更好的觀察SPI收發(fā)器的工作情況，我們搭建如圖35所示的測(cè)試電路。在該測(cè)試電路里，系統(tǒng)主板的調(diào)試接口和調(diào)試器通過(guò)排線連接在一起，由于系統(tǒng)主板的SPI收發(fā)器0和調(diào)試器有硬件連接，調(diào)試器監(jiān)視SPI0收發(fā)器的數(shù)據(jù)，故我們用示波器觀察系統(tǒng)主板上SPI0的SCK和MOSI線上的數(shù)據(jù)。

圖34 COE文件 ?

圖35測(cè)試電路 ? 系統(tǒng)啟動(dòng)之后可以看到從BOOTROM啟動(dòng)的SPI程序發(fā)出的信息，如圖36所示：

圖36 啟動(dòng)信息 ? 同時(shí)在示波器上也可以看到SPI收發(fā)器正常工作，圖37所示：

圖37 示波器觀察到的波形 ?

第四部分 總結(jié) 4.1主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）本系統(tǒng)完全自主研發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的SoC，主CPU同樣為自主研發(fā)，拋棄了MCS51，X86等落后的指令集，采用了新型的RISCV指令集， （2）本系統(tǒng)同時(shí)完全自主研發(fā)了一個(gè)匯編語(yǔ)言IDE，在保證簡(jiǎn)單易用的前提下，實(shí)現(xiàn)了生成多種文件的功能，極大的方便了調(diào)試。 （3）本系統(tǒng)的SoC不僅可以在仿真軟件上運(yùn)行，我們還制作了相應(yīng)的系統(tǒng)主板，突破了目前國(guó)內(nèi)同類(lèi)教學(xué)用RISCV系統(tǒng)只有仿真文件的問(wèn)題。

? 4.2可擴(kuò)展之處 （1）目前只支持少量的通信設(shè)備(八個(gè)SPI一個(gè)UART）,以及非常少的拓展卡設(shè)備可以用（只有一個(gè)2MB拓展內(nèi)存卡，最多只能拓展16MB的外部?jī)?chǔ)存空間）。 （2）目前的匯編器只支持匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，以后可以移植GCC編譯器讓該系統(tǒng)可以用于C語(yǔ)言編程下的微機(jī)教學(xué)。 （3）目前本系統(tǒng)暫時(shí)不支持JTAG等調(diào)試機(jī)制，以后有望移植JTAG讓調(diào)試更加簡(jiǎn)單。? ?

第五部分 參考文獻(xiàn)

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[2]胡振波，手把手教你設(shè)計(jì)CPU-RISC-V處理器[M].武漢:人民郵電出版社，2018

[3]胡振波，RISC-V架構(gòu)與嵌入式開(kāi)發(fā)快速入門(mén)[M].武漢:人民郵電出版社，2018

[4]夏宇聞，Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程（第四版）[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2017

[5]Andrew Waterman, Krste Asanovic, SiFive Inc.The RISC-V Instruction Set Manual Volume II :Privileged Architecture[Z].Califorina:University of California, Berkeley,July 27,2019.

[6]Andrew Waterman, Krste Asanovic, SiFive Inc.The RISC-V Instruction Set Manual Volume I :Unprivileged Architecture[Z].Califorina:University of California, Berkeley,July 27,2019.

審核編輯：黃飛

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