软硬件协同设计：纳秒级响应系统实战

📚 共计 30 章节

课程导论：纳秒级响应与软硬件协同

什么是纳秒级响应？为什么需要软硬件协同？激光雷达信号处理拆解。

硬件基础回顾(一)：FPGA架构精讲

查找表(LUT)、触发器(FF)、块内存(BRAM)、DSP切片。

硬件基础回顾(二)：ASIC与FPGA抉择

成本、功耗、性能与开发周期的权衡。

软件基础回顾(一)：RTOS内核原理

任务调度、中断管理、时钟节拍。

软件基础回顾(二)：裸机 vs RTOS

何时用RTOS？何时用裸机？经验之谈。

协同设计方法论(一)：HW/SW划分

哪些功能上硬件？哪些留软件？贪心算法实例。

协同设计方法论(二)：AXI4-Stream总线

握手信号到数据包传输详解。

协同设计方法论(三)：同步与通信

共享内存、DMA、Mailbox，哪种最快？

开发环境搭建：Vivado + Vitis

安装配置，创建Hello World工程(PS+PL)。

第一个实战：LED闪烁

PS控制PL侧GPIO，体验最小协同系统。

中断系统设计(一)：GIC架构

从硬件中断触发到软件ISR响应。

中断系统设计(二)：按键中断实战

测量按下到ISR执行的纳秒级延迟。

高性能数据通路(一)：DMA原理

Scatter-Gather模式详解。

高性能数据通路(二)：AXI-DMA实战

PS与PL高速批量数据传输，带宽测试。

时序约束与静态时序分析(STA)

建立时间、保持时间、时钟抖动，Vivado时序报告。

流水线设计(Pipelining)

插入寄存器提高时钟频率，累加器实例。

流水线优化

并行处理与加速：卷积运算

FPGA实现卷积，对比ARM Cortex-A53软件实现。

精确计时与定时器

PS端TTC与PL端Timer IP，微秒/纳秒定时。

实战：PWM生成

PL计数器生成高精度PWM，PS动态调占空比。

传感器数据采集(一)：SPI/I2C

FPGA实现接口，与PS协同读取温度传感器。

传感器协议

传感器数据采集(二)：高速ADC

LVDS接入FPGA，PS实时处理显示。

闭环控制基础：PID控制器

PL做PID运算，PS参数整定与监控。

实战：电机控制(SVPWM)

FPGA生成SVPWM，PS串口接收转速指令。

调试与验证(一)：ILA与VIO

集成逻辑分析仪与虚拟输入输出抓取信号。

调试与验证(二)：SystemC/TLM

纯软件仿真软硬件交互，提前发现划分问题。

性能优化(一)：关键路径优化

重定时(Retiming)与寄存器平衡。

性能优化(二)：内存访问优化

DDR4 Burst传输与Cache一致性管理。

低功耗设计

时钟门控、电源域划分、PS睡眠与PL时钟使能。

低功耗设计

安全与可靠性

看门狗、ECC内存、三模冗余(TMR)实现。

综合项目：智能LiDAR信号处理

算法划分、硬件加速到系统联调，纳秒级测距。