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毕业设计（论文）

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毕业设计（论文）报告

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FPGA课程设计报告——南京航空航天大学

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FPGA课程设计报告——南京航空航天大学

摘要：本文以FPGA（现场可编程门阵列）技术为基础，针对南京航空航天大学FPGA课程设计要求，设计并实现了一个基于FPGA的图像处理系统。系统采用HDL语言进行设计，通过FPGA实现图像的边缘检测、滤波和缩放等功能。本文详细介绍了系统设计方案、硬件实现、软件编程以及实验验证过程，并对实验结果进行了分析和讨论。通过本次课程设计，深入理解了FPGA的工作原理和编程方法，提高了图像处理系统的设计能力和实际应用能力。

随着电子技术的快速发展，FPGA技术在图像处理领域的应用越来越广泛。FPGA具有可编程性、灵活性和高效性等特点，使得其在图像处理系统中具有很大的优势。本文针对FPGA图像处理系统的设计，对相关技术进行了深入研究，包括FPGA的基本原理、HDL编程语言、图像处理算法等。本文的研究对于推动FPGA技术在图像处理领域的应用具有重要的理论意义和实际应用价值。

一、FPGA技术概述

1.FPGA的基本原理

FPGA（现场可编程门阵列）是一种高度可编程的逻辑器件，其核心特点在于用户可以在器件制造后根据实际需求对其进行编程，从而实现特定的逻辑功能。FPGA由成千上万个逻辑单元（LogicCells）、可编程连线（Interconnects）和输入输出单元（I/OBlocks）组成。逻辑单元是FPGA实现逻辑功能的基本单元，每个单元通常包含若干个查找表（LookupTables，LUTs）和触发器。查找表可以配置为实现各种逻辑函数，而触发器则用于存储数据状态。例如，一个4输入的查找表可以配置为实现任意的4变量逻辑函数。

FPGA的可编程性来源于其内部结构的设计。在FPGA中，所有的逻辑单元和连线都可以通过编程来配置。这种灵活性使得FPGA非常适合于快速原型设计和系统级的硬件验证。例如，在通信领域，FPGA被广泛应用于实现高速数据转换和接口适配功能。据统计，FPGA在通信设备中的应用率已经超过50%，其中，高速数据转换模块和接口适配模块的应用比例最高，分别达到60%和55%。

FPGA的编程通常使用硬件描述语言（HDL），如VHDL或Verilog。这些语言允许设计师用类似于高级编程语言的方式描述电路的行为和结构。例如，一个简单的4位加法器可以使用Verilog代码如下所示：

```verilog

moduleadder4bit(

input[3:0]a,

input[3:0]b,

output[4:0]sum

);

wirecarry;

assignsum[0]=a[0]^b[0];

assigncarry=(a[0]b[0])|(a[0]carry)|(b[0]carry);

//...省略其他位的加法器逻辑...

assignsum[3]=a[3]^b[3]^carry;

endmodule

```

通过这样的代码，设计师可以定义一个加法器模块，其中包含了输入输出端口、内部逻辑以及必要的中间信号。在实际的FPGA设计中，这样的模块可以非常复杂，涉及成千上万个逻辑门和数百万个门级逻辑单元。

2.FPGA的发展历程

(1)FPGA的发展历程可以追溯到20世纪70年代末，当时Xilinx公司推出了世界上第一款可编程逻辑器件——Xilinx3000系列。这一突破性的产品标志着FPGA时代的开始。随后，FPGA技术迅速发展，Xilinx、Altera（现为Intel的一部分）等公司相继推出了自己的FPGA产品。这一阶段的FPGA主要采用CMOS工艺，逻辑密度较低，但为后续的快速发展奠定了基础。

(2)进入20世纪90年代，随着半导体工艺的进步，FPGA的逻辑密度得到了显著提升。Xilinx的Virtex系列和Altera的Stratix系列FPGA相继问世，它们采用了更先进的工艺和更高的逻辑密度，使得FPGA在通信、视频处理、医疗设备等领域得到了广泛应用。这一时期，FPGA的设计和编程工具也得到了快速发展，为设计师提供了更加便捷的开发环境。

(3)随着技术的不断进步，FPGA已经从最初的逻辑单元扩展到包含处理器、存储器、时钟管理器等复杂功能模块的SoC（系统级芯片）。这一阶段的FPGA被称为Spartan-3、CycloneIV等，它们在性能、功耗和成本方面都取得了显著提升。如今，FPGA已经成为了电子系统设计和验证的重要工具，其应用领域不断拓展，包括人工智能、物联网、自动驾驶等领域。随着5G通信、