基于可编程逻辑器件采用veriloghdl语言实现分布式数据系统设计

基于可编程逻辑器件采用veriloghdl语言实现分布式数据系统设计内容摘要：

交互的例程集合。 •设计能够在多个层次上加以描述，从开关级、门级、寄存器传送级 (RTL )到算法级，包括进程和队列级。 •能够使用内置开关级原语在开关级对设计完整建模。 •同一语言可用于生成模拟激励和指定测试的验证约束条件，例如输入值的指定。 •Verilog HDL能够监控模拟验证的执行，即模拟验证执行过程中设计的值能够被监控和显示。 这些值也能够用于与期望值比较，在不匹配的情况下，打印报告消息。 沈阳理工大学学士学位论文 7 •在行为级描述中， Verilog HDL 不仅能够在 RTL 级上进行设计描述，而且能够 在体系结构级描述及其算法级行为上进行设计描述。 •能够使用门和模块实例化语句在结构级进行结构描述。 且在一个设计中每个模块均可以在不同设计层次上建模。 •Verilog HDL还具有内置逻辑函数，例如 amp。 (按位与 )和 |(按位或 )。 •支持高级编程语言结构，例如 if 语句、 case 语句和循环语句。 •可以显式地对并发和定时进行建模。 •通过系统函数提供强有力的文件读写能力。 •语言在特定情况下是非确定性的，即在不同的模拟器上模型可以产生不同的结果 ； 例如 ： 事件队列上的事件顺序在标准中没有定义。 设计层次与选用的语 言 按传统方法，我们将硬件抽象级的模型类型分为以下五种 ： 系统级 (system)—用语言提供的高级结构实现算法运行的模型。 算法级 (algorithm)—用语言提供的高级结构实现算法运行的模型。 RTL 级 (Register Transfer Level)—描述数据在寄存器之间流动和如何处理、控制这些数据流动的模型。 (以上三种都属于行为描述，只有 RTL 级才与逻辑电路有明确的对应关系。 ) 门级 (gatelevel )—描述逻辑门以及逻辑门之间的连接模型，与逻辑电路有确切的连接关系。 开关级 (switchlevel)—描述器件中三极管和存储节点以及它们之间连接的模型，与具体的物理电路有对应关系。 根据目前芯片设计的发展趋势，验证级和综合抽象级也有可能成为一种标准级别。 因为它们适合于 iP 核复用和系统级仿真综合优化的需要，而软件 (嵌入式、固件式 )也越来越成为一个和系统密切相关的抽象级别口。 除了 Verilog HDL 外，还有下面几种比较常用的 HDL： (1) VHDL，是 1980 年因为美国军事工业的需要由美国国防部开发的， 1987年由 IEEE （ Institute of Electrical and Electronics Engineers)将 VHDL 制定为标准，称为 IEEE l0761987。 第二个版本是在 1993 年制定的，称为 VHDL93，增加了一些新的命令和属性。 (2) Superlog，是为了在原有硬件描述语言的基础上，结合高级语言 C, C++甚至 Java 等语言的特点，进行扩展，达到的一种新的系统级设计语言标准，在沈阳理工大学学士学位论文 8 1999 年由 CoDesign 公司发布，同时发布了两个开发工具 ： SYSTEMSIM 和SYSTEMX。 一个用于系统级开发，一个用于高级验证。 2020 年， CoDesign 公司向电子产业标准化 组织 Accellera 发布了 Superlog 扩展综合子集 ESS，使其可以为各种系统级的 EDA 软件工具所利用。 (3) SystemC，是一种能同时实现较高层次的软件和硬件描述的系统级设计语言，由 Synopsys 公司和 CoWare 公司积极响应目前各方对系统级设计语言的需求而合作开发的。 1999 年 9 月 27 日， 40 多家世界著名的 EDA 公司、 IP 公司、半导体公司和嵌入式软件公司宣布成立 “开放式 SystemC 联盟 ”。 Cadence 公司也于2020 年加入了 SystemC 联盟。 所有的 SystemC 都是基于 C++的，由一组 描述类库和一个包含仿真核的库组成。 在用户的描述程序中，必须包括相应的类库，可以通过通常的 ANSI C++编译器编译。 目前，对于一个系统芯片设计项目，可以参考以下几种设计方案 : ① 在系统级采用 VHDL，在软件级采用 C 语言，在实现级采用 Verilog。 目前， VHDL 与 Verilog 的互操作性已经逐步走向标准化，但软件与硬件的协调设计还是一个很具挑战性的工作，因为软件越来越成为 SvC 设计的关键。 该方案的特点是 ： 风险小 、 集成难度大，与原有方法完全兼容，有现成的开发工具 ； 但工具集成由开发者自行负责完成。 ② 系统级及 软件级采用 Superlog，硬件级和实现级均采用 Verilog HDL 描述，这样和原有的硬件设计可以兼容。 只要重新采购两个 Snperlog 开发工具SYSTEMSIM 和 SYSTEMEX 即可。 该方案特点是风险较小，易于集成，与原硬件设计兼容性好，有集成开发环境。 ③ 系统级和软件级采用 SystemC，硬件级采用 SystemC与常规的 Verilog HDL互相转换，与原来的软件编译环境完全兼容。 开发者只需要一组描述类库和一个包含仿真核的库，就可以在通常的 ANSI C++编译器环境下开发 ； 但硬件描述与原有方法完全不兼 容。 该方案特点是风险较大，与原软件开发兼容性好，硬件开发有风险。 沈阳理工大学学士学位论文 9 2 分布式数据采集的原理 分布式数据采集 简介 分布式数据采集系统（ distributed acquisition system）是相对于集中式数据采集系统而言的。 它一般是由地面采集站、遥测数传电缆以及中央控制站三部分组成，其中地面采集站按测线的方向布置，负责采集一个或几个测点的地球物理数据，而中央控智站的主要任务是完成数据的记录和质量监控。 目前这种系统已在地震勘探和高密度电法中被采用。 分布式采集系统是一种概念明确、有广泛适用性的数据采集方式。 简单的说 分布式数据采集就是把分布在不同区域内的工控设备上的数据采集到需要数据的计算机上。 这些工控设备可以是在同一个地理区域的不同类型的的智能设备，也可以分布在不同的地理区域的同一类型的智能设备，还可以是分布在不同的地理区域的不同类型的智能设备。 下面就这三种情况分别解释。 第一种情况出现在地理位置相对集中的系统中。 为了达到客户的需要，工程的开发人员选购了各种不同类型的智能设备。 这是我们就需要把这些设备上的数据采集到一台计算机上，以便开发者可以有效的利用这些数据。 比如一个智能楼宇系统中使用的电 力，中央空调，温度湿度等环境监测设备，生活用水、煤气使用等的检测设备。 要把这些不同类型的设备数据采集回来，我们就需要使用紫金桥组态软件提供的丰富的设备驱动程序来实现。 具体施工过程中会用到 RS485总线、 RS232 总线等可以近距离传输数据的物理设备。 针对不同的设备，我们选择建立不同的逻辑设备，以便跟实际的物理设备做好一一映射。 之后我们在数据点组态中新建好我们要使用的数据点，然后我们可以对这些点的连接选项进行，最后我们运行这个工程后我们就可以得到我们需要的数据。 第二种情况一般是为了实现某一个功能，选购了某一个 厂家的同一种设备，比如某煤矿集团需要实时的观测旗下 N 个煤矿的各生产矿井的瓦斯气体浓度等数据，以便更好的进行安全管理。 一种解决方法是我们使用紫金桥软件提供的数据源功能来实现不同地理位置中数据的采集和汇总，当然前提是你必须有相应的物理连接。 这种方法适用于大型的多级数据汇总，我们在下层的数据采集服务器上把数据采集到数据库中以后，然后在上位机中使用数据源来获取下位数据采集服务器上的数据，这种方式是紫金桥软件自己的网络结构中传输数据，所以可以沈阳理工大学学士学位论文 10 使用较少的带宽来传输较多的数据。 另一种解决方法是使用光纤、电台、 GPRS等远 程数据传输模块。 这一方法是使用紫金桥的逻辑设备，在相应的设备组态中添加这些远端数据传输模块即可，适用于小型的单一的数据采集应用。 同样的情况也可以应用在灌区内河流水位的监测、市区环境监测、电力调度等行业。 第三种情况是前两种的结合。 也是应用较多的一种，比如一个物业管理公司下的很多个智能楼宇，或者是一个煤矿集团需要旗下煤矿除了瓦斯气体浓度以外还需要知道有关煤矿生产安全的更多的量时。 这一解决方案就是把前两种解决方案组合起来应用。 分布式系统的 原理 一、前言 自 1946 年第一台计算机 ENIAC 诞生， 60多年来，计算机技术取得了飞速的发展。 50 年代，计算机是串行处理机，一次运行一个作业直至完成。 这些处理机通过一个操作员从控制台操纵，而对于普通用户则是不可访问的。 在 60 年代，需求相似的作业作为一个组以批处理的方式通过计算机运行以减少计算机的空闲时间。 同一时期还提出了其他一些技术，如利用缓冲、假脱机和多道程序等的脱机处理。 70 年代产生了分时系统，不仅作为提高计算机利用率的手段，也使用户离计算机更近了。 分时是迈向分布式系统的第一步：用户可以在不同的地点共享并访问资源。 从 80 年代中期开始，计算机技术领域中两方面 的进步开始使得多台计算机连接成为可能。 第一项进步是高性能微处理器的开发，第二项进步是高速计算机网络的发明。 有了以上这些技术的使用，到了 90 年代，分布式系统迎来了它发展的春天。 当用户需要完成任何任务时，分布式计算提供对尽可能多的计算机能力和数据的透明访问，同时实现高性能与高可靠性的目标。 在过去10 多年里，无数研究人员都在研究分布式硬件结构和软件设计来开发利用其潜在的并行性和容错性。 二、分布式系统定义 分布式系统是若干独立计算机的集合，这些计算机对于用户来说就像是单个相关系统。 这包含了两方面的内容。 第一个方 面是关于硬件的：机器本身是独立的。 第二个方面是关于软件的：对用户来说他们就想在于单个系统打交道。 如果一个系统的部件局限在一个地方，它就是集中式的；如果它的部件在不沈阳理工大学学士学位论文 11 同地方，部件之间要么不存在或仅存在有限的合作，要么存在紧密的合作，它是分散式的。 当一个分散式系统不存在或仅存在有限的合作时，它就被称作网络的；否则它就被称作分布式的，表示在不同地方的部件之间存在紧密的合作。 在给出分布式系统具体定义的模型中，分布式系统可以用硬件、控制、数据这三个维度加以检验。 有人用一个公式来形容分布式系统，分布式系统 =分布式硬 件 +分布式控制 +分布式数据，这是最恰当的概括。 从狭义上分析，分布式计算就是在两个或多个软件互相共享信息，这些软件既可以在同一台计算机上运行，也可以在通过网络连接起来的多台计算机上运行。 从广义上讲，它研究 如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果。 分布式计算项目已经被用于使用世界各地成千上万位志愿者的计算机的闲置计算能力，这些项目都很庞大，需要惊人的计算量，仅仅由单个的电脑或是个人在一个能让人接受的时间内 计算完成是决不可能的。 因此分布式计算比起其它算法具有以下几个优点： 稀有资源可以共享。 通过分布式计算可以在多台计算机上平衡计算负载。 可以把程序放在最适合运行它的计算机上。 其中，共享稀有资源和平衡负载是计算机分布式计算的核心思想之一。 三、分布式系统特性 分布式系统有以下几个主要特性：有多个对等进程进行合作，明确了具体的工作目标，有个性化的控制方式（这是分布式系统设计的核心问题），具有数据共享 /消息传递的功能，系统设计考虑了网络通信的延迟，具有故障化解的能力。 概括地讲师具有分布式的、网络 的、并行的、并发的和分散的五个特点。 “并行的”意味着从一个单一控制线程对数据集的锁步 (10ckstep)动作。 在并行计算机级别上，单指令流多数据流 (SIMD)计算机就是一个使用多个数据处理单元在许多数据项上同时进行相同或相似操作的例子。 “并发的”意味着某些动作可以以任意次序执行。 例如，在更高级别上和在多指令流多数据流 (MIMD)并行计算机上进行部分独立的操作。 “分布式的”意味着计算的成本或性能取决于数据和控制的通信。 分布式系统一般具有以下 4个关键目标，即分布式系统能够让用户方便地与资源连接 ；必须隐藏资源在一个网络上分布这样一个事实；必须是开放的；必沈阳理工大学学士学位论文 12 须是可扩展的。 同时也要注意解决的以下几个基本问题：进程通信、命名、同步、一致性与复制、容错、安全等。 只有解决好上述几个关键目标和基本问题，这个分布式系统才会稳定、高效，真正的物有所值。 四、分布式系统与网络的区别 我们都知道，分布式系统的实现离不开计算机网络，然而分布式系统与计算机网络虽然关系密切，但在结构、工作方式和功能上有着巨大的不同。 在工作方式上，计算机网络为显式的方式，即对网络功能的调用是显式地进行的，需指出对象的标识（名 /地址） ；分布式系统为隐式的方式，它以功能调用形式向用户提供服务，各分布功能的使用过程和部分之间关系的维护是由系统完成的，对用户透明。 在结构上的，两者在硬件和拓扑上无本质区别，在通信功能上也基本相同，然而在用户服务上存在本质差异：分布式系统涉及与应用有关的语义，而网络只涉及通信的语义。 （如 FTP：网络服务； NFS：分布式系统服务） 在适应范围上，网络具有通用性，。