【正文】 lash Programmer 和 Quartus II Programmer）將配置文件下載到 FPGA 的配置芯片或 Flash 存儲(chǔ)器，并將可執(zhí)行文件（ *.elf）編程到 Flash 中。設(shè)計(jì)者可以使用 Nios II IDE 對(duì)程序進(jìn)行編譯、鏈接，生成可執(zhí)行文件（ *.elf）。使用 SOPC Builder 生成系統(tǒng)后，可以直接使用 Nios II IDE 開(kāi)始設(shè)計(jì) C/C++應(yīng)用程序代碼。然后將生成的 SOPC 系統(tǒng)集成到 Quartus II 工程，在 Quartus II 中編譯綜合， 進(jìn)行布局布線，生成 FPGA 配置文件；最后可以使用編程工具通過(guò)下載電纜將配置文件下載到目標(biāo)板上。 在進(jìn)行 SOPC 開(kāi)發(fā)之前，首先必須分析系統(tǒng)需求，如應(yīng)用系統(tǒng)需求的計(jì)算性能、需要的帶寬和吞吐量、需求的接口類型等。 SOPC 設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分，兩部分進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。 FPGA/SOPC 開(kāi)發(fā)流程 完整的 FPGA 設(shè)計(jì)流程包括設(shè)計(jì)輸入、功能仿真、綜合、綜合后仿真、布局布線、布線后仿真與驗(yàn)證和板級(jí)仿真驗(yàn)證與調(diào)試等主要步驟。 Nios II IDE 是一個(gè)基于 Eclipse 架構(gòu)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它包括一整套開(kāi)發(fā)工具： GNU 開(kāi)發(fā)工具，基于 GDB 的調(diào)試器，包括軟件仿真和硬件調(diào)試；提供用戶一個(gè)硬件抽象層 HAL；提供嵌入式操作系統(tǒng) Micro C/OSII 和 LwTCP/IP 協(xié)議棧的支持；提供幫助用戶快速入門的軟件模板；提供 Flash 下載支持（ Flash Programmer 和 Quartus II Programmer）。當(dāng)設(shè)計(jì)完畢時(shí)，還可以借助 ModelSimAltera 仿真軟件進(jìn)行仿真， SOPC Builder 為仿真系統(tǒng)自生成 VHDL 和 Verilog 仿真模型。這些組件可以是從 Altera 或其他第三方合作伙伴購(gòu)買來(lái)的 IP 核，它們其中一些是可以免費(fèi)下載用作評(píng)估的。 SOPC Builder 提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，用于組建一個(gè)在模塊級(jí)和組件級(jí)定義的系統(tǒng)。它是一個(gè)革命性的系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)工具，它使得集成組件時(shí)花費(fèi)的時(shí)間最少。采用 Quartus II 軟件，可以在 Altera 器件中完成從設(shè) 計(jì)、綜合、仿真到布局布線、測(cè)試的整個(gè)過(guò)程，并可以輕松設(shè)計(jì)、優(yōu)化并驗(yàn)證 SOPC 設(shè)計(jì)。通過(guò)使用此綜合開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)者可以創(chuàng)建、組織和管理自己的設(shè)計(jì)。 FPGA/SOPC 開(kāi)發(fā)工具 FPGA 的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Altera 公司提供了一套完整的 FPGA/SOPC 開(kāi)發(fā)工具，包括 Quartus II 設(shè)計(jì)軟件、 SOPC Builder 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具、 Mode1SimAltera 仿真軟件、 Nios II IDE（ Integrated Development Environment，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）和 SingalTap II 嵌入式邏輯分析儀。它描述了主從組件外設(shè)間的端口連接關(guān)系，以及組件間通信的時(shí)序關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和定制外設(shè)與 Nios II 處理器核通過(guò)與 Avalon Switch Fabric 連接進(jìn)行通信。標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)是指 Altera 公司提供的標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備庫(kù)，比如定時(shí)器、串行通信接口、 SDRAM 控制器等。設(shè)計(jì)者能夠用 SOPC Builder 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具很容易地創(chuàng)建專用的處理器系統(tǒng)，并能夠根據(jù)系統(tǒng)的需求添加 Nios II 處理器的數(shù)量，可以輕松的將 Nios II 處理器嵌入到他們的系統(tǒng)中。這三種內(nèi)核使用共同的 32 位的指令集結(jié)構(gòu)（ ISA），并具有百分之一百的二進(jìn)制代碼兼容性。 Nios II 嵌 入式處理器是一款通用的 RISC 結(jié)構(gòu)的 CPU，它定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。 Nios II 嵌入式軟核處理器 Nios II 系列軟核處理器是 Altera 的第二代 FPGA 嵌入式軟核處理器，其性能超過(guò) 200DMIPS，在 Altera FPGA 中實(shí)現(xiàn)僅需 35 美分。 （ 3）基于 HardCopy 技術(shù)的 SOPC 系統(tǒng)。如果利用軟核嵌 13 入式系統(tǒng)處理器就能有效克服這些不利因素。 （ 2）基于 FPGA 嵌 入 IP 軟核的 SOPC 系統(tǒng)。Altera 公司 Excalibur 系列的 FPGA 中就植入了 ARM922T 嵌入式系統(tǒng)處理器；Xilinx 的 VirtexII Pro 系列中則植入了 IBM PowePC405 處理器。 SOPC 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式一般分為三種： （ 1）基于 FPGA 嵌入 IP（ Intellectual Property）硬核的 SOPC 系統(tǒng)。 SOPC 技術(shù)提供了一種有 12 效的解決方案，即用大規(guī)?？删幊唐骷?—— FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn) SoC（ System On Chip）的功能， SOPC 基于 FPGA 芯片，將處理器、存儲(chǔ)器、 I/O 口等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的模塊集成在一起，完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件可編程的功能。 FPGA 的品種和型號(hào)很多，主要有 Xilinx 的 Virtex、 Spartan 系列、 Altera 公司的 Stratix、 Cyclone 系列等。 FPGA 的基本特點(diǎn)主要有： 1) 采用 FPGA 設(shè)計(jì) ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合適的芯片； 2) FPGA 可做其他全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片； 3) FPGA 有豐富的邏輯資源和大量的 I/O 引腳，能滿足不同的功能需求； 4) FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一； 5) FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。 FPGA 結(jié)合了微電子技術(shù)、電路技術(shù)、 EDA 技術(shù)，使設(shè)計(jì)者可以集中精力進(jìn)行所需邏輯功能的設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。 11 FPGA 特點(diǎn) 在二十幾年的發(fā)展過(guò)程中， FPGA 的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件開(kāi) 發(fā)工具都在不斷的完善，日趨成熟。 4) 底層嵌入功能單元 底層嵌入功能單元這里指的是那些通用程度較高的嵌入式功能模塊，比如硬件乘法器、 PLL（ Phase Locked Loop）、 DLL（ Delay Locked Loop）、 DSP 等。 3) 豐富的布線資源 布線資源連通 FPGA 內(nèi)部所有的單元，連線的長(zhǎng)度和工藝決定著信號(hào)在連線上的驅(qū)動(dòng)能力和傳輸?shù)乃俣取? 2) 可編程輸入 /輸出單元 輸入 /輸出（ Input/Output）單元簡(jiǎn)稱 I/O 單元，它們是芯片與外界電路的接口部分完成不同電氣特性下對(duì)輸入 /輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與匹配需求。 圖 Xilinx 公司的 FPGA 結(jié)構(gòu)示意圖 每個(gè)單元的基本概念如下 ： 1) 基本可編程邏輯單元 基本可編程邏輯單元是可編程邏輯的主體，可以根據(jù)設(shè)計(jì)靈活地改變其內(nèi)部連接與配置，從而完成不同的邏輯功能。不同廠家或不同型號(hào)的 FPGA，在可編程邏輯塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、規(guī)模、內(nèi)部互連的結(jié)構(gòu)等方面經(jīng)常存在一定的差異。用戶可以通過(guò)編程決定每個(gè)單元的功能以及它們的互連關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)所需的邏輯功能。 典型的 FPGA 通常包含三類基本資源：可編程邏輯功能塊、可編程輸入 /輸出塊和可編程互連資源。 FPGA 結(jié)構(gòu) 目前 FPGA 的生產(chǎn)廠商主要有 Xilinx、 Altera、 Actel、 Lattice、 QuickLogic。它具有集成度高、研制時(shí)間短、體積小、保密性強(qiáng)、可靠性高及設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。 FPGA 產(chǎn)生于 80 年代中期，是在 PAL、 GAL 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。 8 第 2 章 基礎(chǔ)知識(shí) 基于 FPGA 的預(yù)測(cè)控制器實(shí)現(xiàn)涉及到預(yù)測(cè)控制和 FPGA/SOPC 開(kāi)發(fā)技術(shù)等多方面的內(nèi)容，因此本章主要介紹關(guān)于預(yù)測(cè)控制和 FPGA/SOPC 開(kāi)發(fā)的一些重要基礎(chǔ)知識(shí)和關(guān)鍵技術(shù)。 因此，利用 FPGA 實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制器，能滿足 新應(yīng)用對(duì)預(yù)測(cè)控制器高實(shí)時(shí)性、微型化、高可靠性和低成本的需要，基于 FPGA 的預(yù)測(cè)控制器能進(jìn)一步擴(kuò)大預(yù)測(cè)控制的應(yīng)用領(lǐng)域。這種現(xiàn)場(chǎng)可編程性給產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品的升級(jí)帶來(lái)了極大的靈活性。同時(shí)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展， FPGA 的成本一直在不斷降低，完全可以滿足系統(tǒng)對(duì)低成本的要求。 3) 高可靠性及低成本： FPGA 芯片在出廠之前都做過(guò) 100%的嚴(yán)格測(cè)試，不需要設(shè)計(jì)人員承擔(dān)投片風(fēng)險(xiǎn)的 費(fèi)用。 2) 高集成性及控制器微型化： FPGA 芯片采用芯片級(jí)封裝（ CSP），其芯片的體積已經(jīng)縮小到 mm 級(jí)。 6 利用 FPGA 實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制器可以解決以下一些問(wèn)題： 1) 高性能及高實(shí)時(shí)性：由于 FPGA 芯片內(nèi)部是通過(guò)上百萬(wàn)門邏輯單元完成硬件實(shí)現(xiàn)，并且具有很強(qiáng)的并行處理能力，它的運(yùn)算速度比基于傳統(tǒng)的單片機(jī)和其他通用的嵌入式處理器的軟件實(shí)現(xiàn)方案要快，具有很高的性能。這種方案實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有很高的性能，而且開(kāi)發(fā)周期短，開(kāi)發(fā)難度相對(duì)較小。此方案利用 Nios II 處理器來(lái)實(shí)現(xiàn) MPC 算法，整個(gè)算法的 C/C++程序 運(yùn)行在 Nios II 處理器上。然而由于采用 FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)控制器的所有功能，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)的難度大。對(duì)于基于 FPGA 硬件實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制器，可以采用兩種方案：一是整個(gè)預(yù)測(cè)控制器都由 FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)，編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制算法的 HDL 代碼。 FPGA 實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制器的優(yōu)勢(shì) 作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種新型的半定制電路， FPGA 的出現(xiàn)，既解決了專用定制電路（ ASIC）的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限、無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的缺點(diǎn)。 傳統(tǒng)的基于工控機(jī)的預(yù)測(cè)控制算法實(shí)現(xiàn)方案顯然無(wú)法滿足高實(shí)時(shí)性、微型化、高可靠性和低成本的要求。因此，如何在有限的采樣間隔內(nèi)快速找到最優(yōu)解，是預(yù)測(cè)控制算法最困難的環(huán)節(jié)。 目前預(yù)測(cè)控制主要面臨的一大挑戰(zhàn)是其復(fù)雜的優(yōu)化運(yùn)算使其無(wú)法滿足高實(shí)時(shí)性要求。新的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)刂破魈岢隽诵碌囊?，如高?shí)時(shí)性、微型化、高可靠性和低成本等。 預(yù)測(cè)控制在新應(yīng)用中面臨的問(wèn)題 近年來(lái)，一些非工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域，如航空、航海、汽車電子控制等對(duì)控制算法的要求越來(lái)越高，一些先進(jìn)的控制算法逐漸得到應(yīng)用。預(yù)測(cè)控制已成為在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的主要先進(jìn)控制策略，給企業(yè)帶來(lái)巨大的效益。它利用過(guò)去和現(xiàn)在的輸入輸出狀態(tài)，根據(jù)內(nèi)部模型，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的輸出狀態(tài)，具有模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正等特點(diǎn)，其突出優(yōu)勢(shì)在于：由于采用了有限優(yōu)化窗口，使得優(yōu)化計(jì)算量大大減??；同時(shí)采用滾動(dòng)策略，在局部?jī)?yōu)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了全局的優(yōu)化；利用反饋校正，解決了系統(tǒng)干擾等不確定問(wèn)題。正是在這種背景下， Richalet 等人于 20 世紀(jì) 70 年代末提出了預(yù)測(cè)控制。 主要反映在以下幾個(gè)方面： （ 1）現(xiàn)代控制理論過(guò)份依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而在現(xiàn)實(shí)工業(yè)過(guò)程中，往往很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，即使一些被控對(duì)象能夠建立起數(shù)學(xué)模型，但因其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜而難于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有效的控制； （ 2）傳統(tǒng)的最優(yōu)控制通過(guò)全局優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)反饋控 制的計(jì)算，但是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中可能存在上千個(gè)控制變量，這樣導(dǎo)致最優(yōu)控制的計(jì)算規(guī)模很大，以至于無(wú)法實(shí)現(xiàn)； （ 3）工業(yè)實(shí)踐中往往具有很多干擾因素，很難得出確定性模型； （ 4）工業(yè)中往往需要實(shí)時(shí)控制，有時(shí)并不需要全局的優(yōu)化控制，需要當(dāng)前局部的控制決策。 預(yù)測(cè)控制的發(fā)展和應(yīng)用 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理 論自創(chuàng)立以來(lái)，已得到了迅速發(fā)展，特別是在航天、航空領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，并且對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。我認(rèn)為此類處理器會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，有助于 3 在今后幾年進(jìn)一步提升電腦運(yùn)算速度。雖然現(xiàn)有許多技術(shù)充分使用 FPGA 芯片，如等離子電視、液晶電視和電腦網(wǎng)絡(luò)路由器，但它們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)臺(tái)式機(jī)上的應(yīng)用卻十分有限。 一名用戶坐在運(yùn)算速度很慢的臺(tái)式機(jī)前面，看上去一籌莫展。 ” 雖然當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的電腦大多數(shù)內(nèi)核超過(guò)一個(gè)，可以同時(shí)實(shí)施不同任務(wù)，但傳統(tǒng)多核處理器只能共用一個(gè)存儲(chǔ)源，這降低了運(yùn)算速度。 范德堡韋德說(shuō)： “FPGA 芯片沒(méi)有應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)電腦上，原因是對(duì) FPGA 芯片編程相當(dāng)困難。這項(xiàng)研究由英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的韋姆 通過(guò)在 FPGA芯片內(nèi)創(chuàng)建逾 1000個(gè)微電路，研究人員便將這個(gè)芯片變成了 1000個(gè)內(nèi)核的處理器 —— 每個(gè)內(nèi)核都可以遵照自己的指令工作。不過(guò)， FPGA 芯片可由用戶安裝到特定電路，它們的功能不是在出廠時(shí) 2 就設(shè)定好的。雖然速度更快，但由于新型 “ 超級(jí) ” 電腦的能耗遠(yuǎn)低于當(dāng)前電腦，所以更加環(huán)保。如今，美英研究人員開(kāi)發(fā)的中央處理器 (CPU)將 1000 個(gè)內(nèi)核有效集成于一個(gè)芯片上。 研究現(xiàn)狀概述 北京時(shí)間 20xx 年 12 月 30 日消息，美英兩國(guó)科學(xué)家聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款運(yùn)算速度超快的電腦芯片 ，使當(dāng)前臺(tái)式機(jī)的運(yùn)算能力提升 20 倍。由于它采用多步預(yù)測(cè)，滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因而控制效果好，魯棒性強(qiáng)，適用于對(duì)不易建立精確數(shù)學(xué)模型且比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，因此它一出現(xiàn)就受到國(guó)內(nèi)外工程界和控制界的重視，在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 Paralle