片上可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)_ppt_EXT

1、FPGA片上可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)片上可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容 一、一、FPGA概述概述(2) 二、二、FPGA硬件資源及工作原理硬件資源及工作原理(6) 三、硬件描述語言三、硬件描述語言-Verilog語言語言(8) 四、基于四、基于ISE軟件軟件FPGA設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)流程(2) 五、數(shù)字可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)五、數(shù)字可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)(4) 六、實(shí)驗(yàn)六、實(shí)驗(yàn)(6) 參考教材參考教材 Xilinx 可編程邏輯器件應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計(jì)可編程邏輯器件應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計(jì)孫航電孫航電子工業(yè)出版社子工業(yè)出版社 Verilog 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程夏宇聞夏宇聞 北京航空航北京航空航天大學(xué)出版社天大學(xué)出

2、版社 不同廠家、不同系列的產(chǎn)品在性能上和結(jié)構(gòu)上會(huì)有不同廠家、不同系列的產(chǎn)品在性能上和結(jié)構(gòu)上會(huì)有一定差異。在實(shí)際應(yīng)用中，要認(rèn)真查看相應(yīng)產(chǎn)品的一定差異。在實(shí)際應(yīng)用中，要認(rèn)真查看相應(yīng)產(chǎn)品的說明書。說明書。一、一、FPGA概述概述 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，F(xiàn)ieldProgrammable Gate Array ）：即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。 一、一、FPGA概述概述 FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Log

3、ic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表（161RAM）來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到

4、I/O模塊。一、一、FPGA概述概述 FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。 FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 一、一、FPGA概述概述 加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用能夠反復(fù)使用

5、。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。一、一、FPGA概述概述 FPGA的基本特點(diǎn) 1）采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。 3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。 4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以

6、與CMOS、TTL電平兼容。 可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一性的最佳選擇之一。 一、一、FPGA概述概述-市場(chǎng)份額 Xilinx Altera 是世界可編程平臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)廠商,價(jià)格一、一、FPGA概述概述-應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用：航空航天航空航天/軍用產(chǎn)品軍用產(chǎn)品 汽車 廣播 消費(fèi)類 數(shù)據(jù)處理/存儲(chǔ) 工業(yè)/科技/醫(yī)療（ISM） 有線 無線 一、一、FPGA概述概述-應(yīng)用領(lǐng)域一、一、FPGA概述概述-主要發(fā)展例程(Xilinx) 1984年 Ross Freeman、Bernie Vonderschmitt 和 Jim Barnett 創(chuàng)立了

7、 Xilinx。 1985 年 Xilinx 推出了它的第一款產(chǎn)品 - XC2064。 1991年 推出 XC4000 系列 FPGA。 1998年 推出 Virtex FPGA 系列。 2002年 推出 CoolRunner-II 系列產(chǎn)品。 2003年 推出 Spartan-3 系列產(chǎn)品。 2006年 Xilinx 推出Virtex-5 系列的 FPGA。 2009年 Xilinx 推出Spartan-6和Virtex-6新一代 FPGA。 2011年 Xilinx 推出第7代FPGA系列產(chǎn)品,統(tǒng)一架構(gòu)。一、一、FPGA概述概述-芯片工藝的演進(jìn)VirtexVirtex-EVirtex-II

8、Virtex-II ProVirtex-4Virtex-5220-nm180-nm150-nm40-nm65-nm 90-nm130-nm28-nm一、一、FPGA概述概述新產(chǎn)品1. 采用28nm的第7代FPGA產(chǎn)品相繼上市。一、一、FPGA概述概述新產(chǎn)品 Zynq-7000 系列是 Xilinx 推出的首款可擴(kuò)展式處理平臺(tái) (EPP)。該新型產(chǎn)品將業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) ARM雙核 Cortex-A9 MPCore 處理系統(tǒng)與 Xilinx 一體化 28nm 可編程邏輯架構(gòu)整合在一起。 這種以處理器為核心的架構(gòu)不但能夠?qū)崿F(xiàn) FPGA 的高度靈活性和可擴(kuò)展性，同時(shí)還能帶來類似于 ASIC 的高性能和低功耗，

9、以及 ASSP 的易用性。2. 嵌入ARM的Zynq-7000 系列FPGA將于下半年上市。一、一、FPGA概述概述新產(chǎn)品ARM雙核硬核處理器雙核硬核處理器先進(jìn)的先進(jìn)的AXI4接口規(guī)范接口規(guī)范可編程邏輯可編程邏輯單元單元, DSP Slice, BRAM集成了集成了ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器PCI-E控制器控制器提供外設(shè)提供外設(shè)控制器控制器FPGA概述概述-FPGA原理（查找表技術(shù)） FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來的，它是作為ASIC領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，即解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路有限的缺點(diǎn)。 由于FPGA需要被反復(fù)

10、燒寫，它實(shí)現(xiàn)組合邏輯的基本結(jié)構(gòu)不可能像ASIC那樣通過固定的與非門來完成，而只能采用一種易于反復(fù)配置的結(jié)構(gòu)。 查找表可以很好地滿足這一要求，目前主流目前主流FPGA都都采用了基于采用了基于SRAM工藝的查找表結(jié)構(gòu)，工藝的查找表結(jié)構(gòu)，也有一些軍品和宇航級(jí)FPGA采用Flash或熔絲/反熔絲工藝查找表結(jié)構(gòu)。FPGA概述概述-FPGA原理（查找表技術(shù)） 查找表（Look-Up-Table）簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)UT，LUT本質(zhì)上就是一個(gè)RAM。 目前FPGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個(gè)LUT可以看成一個(gè)有4位地址線的 的RAM。 當(dāng)用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個(gè)邏輯電路以后，PLD/FPGA開發(fā)軟件會(huì)

11、自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能結(jié)果，并把真值表（即結(jié)果）事先寫入RAM，這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。 FPGA概述概述-FPGA原理（四輸入查找表結(jié)構(gòu)）LUT也稱為函數(shù)發(fā)生器(Function generator,FG)n其功能被輸入的數(shù)目限制，而不是被復(fù)雜性所限；n貫穿LUT的時(shí)延是固定的；A B C DZ000000001000100001110100101011.11000110101110011111Combinatorial LogicABCDZFPGA概述概述-FPGA原理（六輸入查找表結(jié)構(gòu)） 多年以來，四輸入 LUT

12、一直是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。但是，在65nm工藝條件下，相比較于其它電路（特別是互連電路），LUT 的常規(guī)結(jié)構(gòu)大大縮小。 更高的邏輯密度通?？梢越档图?jí)聯(lián)更高的邏輯密度通?？梢越档图?jí)聯(lián) LUT 的數(shù)目，的數(shù)目，并且改進(jìn)關(guān)鍵路徑延遲性能。并且改進(jìn)關(guān)鍵路徑延遲性能。FPGA概述概述-FPGA原理（六輸入查找表結(jié)構(gòu)） 4/6輸入輸入LUT實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)8:1多路復(fù)用器的原理多路復(fù)用器的原理FPGA概述概述-FPGA原理（六輸入查找表結(jié)構(gòu)） 新一代的FPGA 提供了真正的 6-LUT，可以將它用作邏輯或者分布式存儲(chǔ)器，這時(shí) LUT是一個(gè)64 位的分布式 RAM （甚至雙端口或者四端口）或者一個(gè)32 位可編程移位寄存器。

13、每個(gè) LUT 具有兩個(gè)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了五個(gè)變量的兩個(gè)邏輯函數(shù)，存儲(chǔ)32 x 2 RAM 比特，或者作為16 x 2-bit 的移位寄存器進(jìn)行工作。Xilinx公司產(chǎn)品概述公司產(chǎn)品概述-FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)Spartan-6FPGA芯片芯片的版圖的版圖一、一、FPGA概述概述-FPGA產(chǎn)品分類 Xilinx公司目前有兩大類FPGA產(chǎn)品:Spartan系列: 面向低成本的中低端應(yīng)用，是目前業(yè)界成本最低的一類FPGA；Virtex系列: 面向高端應(yīng)用，屬于業(yè)界頂級(jí)產(chǎn)品 。 這兩個(gè)系列的差異僅限于芯片的規(guī)模和專用模塊上， Spartan系列是Virtex系列的簡(jiǎn)化版本。一、一、FPGA概述概述-先前的FP

14、GA產(chǎn)品-Spartan系列 Spartan-2，Spartan-2E，Spartan-3， Spartan-3A，Spartan-3E等種類。 1）Spartan-2最高可達(dá)20萬系統(tǒng)門； 2）Spartan-2E最高可達(dá)60萬系統(tǒng)門； 3）Spartan-3最高可達(dá)500萬門； 4）Spartan-3A和Spartan-3E不僅系統(tǒng)門數(shù)更大，還增強(qiáng)了大量的內(nèi)嵌專用乘法器和專用塊RAM資源，具備實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理和片上可編程系統(tǒng)的能力。一、一、FPGA概述概述 -先前的FPGA產(chǎn)品Virtex系列 Virtex系列是Xilinx的高端產(chǎn)品，也是業(yè)界的頂級(jí)產(chǎn)品，Xilinx公司正是憑借Vit

15、ex系列產(chǎn)品贏得市場(chǎng)，從而獲得FPGA供應(yīng)商領(lǐng)頭羊的地位。 可以說Xilinx以其Virtex-5、Virtex-4、Virtex-II Pro和Virtex-II系列FPGA產(chǎn)品引領(lǐng)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列行業(yè)。一、一、FPGA概述概述-FPGA新結(jié)構(gòu) Virtex-4系列的FPGA采用了高級(jí)硅模組 (Advanced Silicon Modular Block,ASMBL)架構(gòu)。ASMBL通過使用獨(dú)特的基于列的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了支持多專門領(lǐng)域應(yīng)用平臺(tái)的概念。 每列代表一個(gè)具有專門功能的硅子系統(tǒng)，如邏輯資源、存儲(chǔ)器、I/O、DSP、處理、硬IP和混合信號(hào)等。 Xilinx公司通過組合不同功能列，組裝成面向

16、特定應(yīng)用類別的專門領(lǐng)域FPGA（與專用不同，專用是指一項(xiàng)單一應(yīng)用）。 一、一、FPGA概述概述-Virtex-4結(jié)構(gòu)智能智能RAM 新的新的BRAM/FIFOXesium 時(shí)鐘技術(shù)時(shí)鐘技術(shù)500 MHzRocketIO多吉比特多吉比特 接收、發(fā)送器接收、發(fā)送器622 Mbps10.3 Gbps1 Gbps SelectIOChipSync 源同步技術(shù)源同步技術(shù), XCITE活動(dòng)的端接活動(dòng)的端接三模式以太網(wǎng)三模式以太網(wǎng) MAC10/100/1000 Mbps帶帶APU接口的接口的PowerPC 405450 MHz, 680 DMIPSXtremeDSP 技術(shù)技術(shù)Slices256 18x18

17、GMACs高級(jí)高級(jí)CLBs200K邏輯單元邏輯單元一、一、FPGA概述概述-Virtex-5結(jié)構(gòu)一、一、FPGA概述概述-新一代Virtex-6和Spartan-6FPGA產(chǎn)品Virtex-6 FPGAsSpartan-6 FPGAs150K Logic Cell Device760K Logic Cell Device公共資源公共資源*Optimized for target application in each family3.3 V兼容的兼容的I/O硬核存儲(chǔ)器控制器硬核存儲(chǔ)器控制器LUT-6 CLB DSP Slices塊塊RAMHSS 收發(fā)器收發(fā)器*并行并行 I/O FIFO 邏輯邏

18、輯系統(tǒng)監(jiān)控器系統(tǒng)監(jiān)控器三模式三模式EMACPCIe 接口接口高性能時(shí)鐘高性能時(shí)鐘Basic Architecture 30一、一、FPGA概述概述-新一代Virtex-6和Spartan-6FPGA產(chǎn)品市場(chǎng)分額市場(chǎng)分額Application Market SegmentsSpartan-6 LX最低成本邏輯最低成本邏輯 + DSP 最低的邏輯最低的邏輯 +高速串行鏈路高速串行鏈路Spartan-6 LXT 高邏輯密度高邏輯密度 +串行連接串行連接Virtex-6 LXTDSP + 邏輯邏輯 +串行連接串行連接Virtex-6 SXT超高速串行連接超高速串行連接+邏輯邏輯Virtex-6 HXT

19、一、一、FPGA概述概述-最新一代FPGA產(chǎn)品（采用統(tǒng)一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）l 通用的元件使得很容易的實(shí)現(xiàn)通用的元件使得很容易的實(shí)現(xiàn)IP重用技術(shù)，使得可以在重用技術(shù)，使得可以在 所有的所有的7系列的系列的FPGA上實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)計(jì)l 從低成本到高性能的設(shè)計(jì)靈活性從低成本到高性能的設(shè)計(jì)靈活性l 擴(kuò)展的生態(tài)系統(tǒng)支持?jǐn)U展的生態(tài)系統(tǒng)支持l 最快速的最快速的 產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間（產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間（TTM）精確的，低抖動(dòng)的時(shí)鐘精確的，低抖動(dòng)的時(shí)鐘MMCMs 邏輯結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)LUT-6 CLB DSP引擎引擎DSP48E1 Slices片上存儲(chǔ)器片上存儲(chǔ)器36Kbit/18Kbit BRAM擴(kuò)展的連接擴(kuò)

20、展的連接PCIe 接口塊接口塊高性能并行高性能并行 I/O連接連接SelectIO技術(shù)技術(shù)Artix-7 FPGAKintex-7 FPGAVirtex-7 FPGA高性能串行高性能串行 I/O連接連接接收發(fā)送器技術(shù)接收發(fā)送器技術(shù)Basic Architecture 32一、一、FPGA概述概述 - Xilinx配置配置FPGA的的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器-PROM產(chǎn)品 Xilinx公司的Platform Flash PROM能為所有型號(hào)的Xilinx FPGA提供非易失性存儲(chǔ)。 全系列PROM的容量范圍為1Mbit到32Mbit，兼容任何一款Xilinx的FPGA芯片，具備完整的工業(yè)溫度特性，支持IEE

21、E1149.1所定義的JTAG邊界掃描協(xié)議。 PROM芯片可以分成3.3V核電壓的 系列和1.8V核電壓的系列兩大類。一、一、FPGA概述概述 - Xilinx公司公司-PROM產(chǎn)品串行配置串行配置并行配置并行配置一、一、FPGA概述概述 - Xilinx公司軟件平公司軟件平臺(tái)介紹臺(tái)介紹-開發(fā)工具 ISE Design Suite涉及了FPGA設(shè)計(jì)的各個(gè)應(yīng)用方面，包括邏輯開發(fā)、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等FPGA開發(fā)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括： 1）ISE Design Tools：集成開發(fā)工具 2） EDK：嵌入式開發(fā)套件 3）System Generator：數(shù)字信號(hào)處理開發(fā)工具 4

22、）ChipScope Pro：在線邏輯分析儀工具 5）PlanAhead：用于布局和布線等設(shè)計(jì)分析工具一、一、FPGA概述概述 - Xilinx公司軟件平臺(tái)公司軟件平臺(tái)介紹介紹-ISE13.1軟件平臺(tái)數(shù)字信號(hào)處數(shù)字信號(hào)處理開發(fā)工具理開發(fā)工具片上系統(tǒng)開發(fā)片上系統(tǒng)開發(fā)在線邏輯分析在線邏輯分析儀工具儀工具 布局布線布局布線工具工具集成開發(fā)環(huán)境集成開發(fā)環(huán)境約束編輯器約束編輯器核生成器核生成器FPGA物理編輯器物理編輯器下載工具下載工具仿真庫編譯向?qū)Х抡鎺炀幾g向?qū)r(shí)序分析器時(shí)序分析器功耗分析器功耗分析器一、一、FPGA概述概述 - Xilinx公司軟件平臺(tái)公司軟件平臺(tái)介紹介紹-ISE Foundatio

23、n軟件 ISE Foundation軟件是Xilinx公司推出的FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境，不僅包括邏輯設(shè)計(jì)所需的一切，還具有簡(jiǎn)便易用的內(nèi)置式工具和向?qū)?，使得I/O分配、功耗分析、時(shí)序驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)收斂、HDL仿真等關(guān)鍵步驟變得容易而直觀。一、一、FPGA概述概述 - Xilinx公司軟件平公司軟件平臺(tái)介紹臺(tái)介紹-EDK軟件 EDK是Xilinx公司推出的FPGA嵌入式開發(fā)工具，包括嵌入式硬件平臺(tái)開發(fā)工具（Platform Studio）、嵌入式軟件開發(fā)工具（ Platform Studio SDK）、嵌入式IBM PowerPC硬件處理器核、Xilinx MicroBlaze軟處理器核、開發(fā)所需的技術(shù)文檔和IP，為設(shè)計(jì)嵌入式