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基于流水线结构的8位MCU设计

8位高速流水线结构MCU的设计

FPGA是一个技术密集型的行业，没有坚实的技术功底，很难形成有竞争力的产品。从技术上来看FPGA未来的发展，至少在几年内还是遵循摩尔定律的规则，工艺不断升级，目前xilinx16nm工艺的FPGA已经成熟商用，xilinx下一代产品会升级到7nm，重点应该还是瞄准通信和可能出现的新兴行业如大数据处理等。有这方面需求的网友不妨来共同学习探讨。

为了提高模糊控制器的响应速度，提出了一种基于FPGA的高速模糊控制器设计方案。该方案采用了5级流水线结构：第一级计算期望值与实际值的差值，第二级得到精确的差值e与ec，第三级对其模糊化得到模糊值E与EC，第四级对前一级输出查表得到模糊输出U，第五级解模糊得到精确输出u。该方案在Vertex-IIFPGA上运行时钟频率达到100M，适用于对响应速度敏感的控制领域。通过对该模糊控制器的matlab以及电路的仿真，验证了其功能的正确性，达到预期的设计效果，具有较高的应用价值。

根据AES算法的特点，从3方面对算法硬件实现进行改进:列混合部分使用查找表代替矩阵变换，降低算法实现的运算复杂度，采用流水线结构优化关键路径-密钥拓展，提升加密速度，利用FPGA定制RAM（BRAM）预存查找表进一步提升加密速度。优化后的AES算法在Virtex-6xc6vlx240T（速度等级-3）FPGA上实现，结果发现，AES算法共占用1139个Slice，最大频率达到443.99MHz，通量达到56.83Gbit/s，效率达到49.89（Mbit/s）/Slice；然后，对AES算法进行接口逻辑声明，将优化后AES算法封装成自定制IP核；最后，采用基于NIOSII的SOPC技术，构建了一个嵌入式AES算法加密系统，实现了数据通信中的高速加密。

在指纹图像实时处理中，通常会用到三角函数的运算，然而业界大多采用软件的方式来实现这个计算过程，导致图像处理效率较低。针对该问题，本文在详细分析了用CORDIC算法实现Sine/Cosine函数和Arctan2函数共同点的基础上，提出了一种基于CORDIC算法计算正余弦、反正切函数的改进方法，采用资源共享的方式共享了两个函数核心的迭代运算部分，以16级流水线结构实现了计算正余弦和反正切两个函数功能。通过与Altera和Xilinx相同流水线结构的正余弦、反正切函数IP进行对比，本文所设计的三角函数加速核在资源开销方面有明显的优势，与C语言软件函数库在计算正余弦、反正切函数的绝对误差分别保持在10-4、10-5的数量级，其对应的运算速度分别为软件的92倍、64.5倍。