1、FPGA數字邏輯系統設計數字邏輯系統設計本課程的主要內容本課程的主要內容 一、概述一、概述 二、二、FPGA硬件資源及工作原理硬件資源及工作原理 2.1 時鐘資源和時鐘時鐘資源和時鐘 2.2 IO資源（資源（FPGA的封裝）的封裝） 2.3 邏輯資源邏輯資源 2.4 數字信號處理單元工作原理數字信號處理單元工作原理 2.5 存儲器資源存儲器資源 2.6 高速串行接口高速串行接口 三、硬件描述語言三、硬件描述語言-Verilog語言語言 四、基于四、基于ISE軟件軟件FPGA設計流程設計流程 五、基于五、基于FPGA的數字可編程系統設計的數字可編程系統設計 六、實驗六、實驗 參考教材參考教材 V

2、erilog 數字系統設計教程數字系統設計教程夏宇聞夏宇聞 北京航空航北京航空航天大學出版社天大學出版社 參考資料：參考資料： Verilog HDL 語言及數字系統設計語言及數字系統設計李景華，國李景華，國防工業出版社防工業出版社 Xilinx 可編程邏輯器件應用與系統設計可編程邏輯器件應用與系統設計孫航電孫航電子工業出版社子工業出版社 不同廠家、不同系列的產品在性能上和結構上會有不同廠家、不同系列的產品在性能上和結構上會有一定差異。在實際應用中，要認真查看相應產品的一定差異。在實際應用中，要認真查看相應產品的說明書。說明書。一、概述一、概述 FPGA（現場可編程門陣列，FieldProgr

3、ammable Gate Array ）：即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，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有限的缺點。 一、概述一、概述 FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）三個部分。 現場可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統

4、邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的結構。FPGA利用小型查找表（161RAM）來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發器的輸入端，觸發器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O，由此構成了既可實現組合邏輯功能又可實現時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I/O模塊。一、概述一、概述 FPGA的邏輯是通過向內部靜態存儲單元加載編程數據來實現的，存儲在存儲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間的聯接方式，并最終決定了FPGA所能實現的功能，FPGA允許無限次的編程。 FPGA是由存放在片內RAM中的程序來

5、設置其工作狀態的，因此，工作時需要對片內的RAM進行編程。用戶可以根據不同的配置模式，采用不同的編程方式。 一、概述一、概述 加電時，FPGA芯片將EPROM中數據讀入片內編程RAM中，配置完成后，FPGA進入工作狀態。掉電后，FPGA恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此，FPGA能夠反復使用能夠反復使用。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。當需要修改FPGA功能時，只需更換或重新燒寫EPROM即可。這樣，同一片FPGA，不同的編程數據，可以產生不同的電路功能。因此，FPGA的使用非常靈活。一、概述一、概述 FPGA的基本特點 1）采用FPGA設計

6、ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產，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內部有豐富的觸發器和I/O引腳。 4）FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發費用最低、風險最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。 可以說，FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一性的最佳選擇之一。 一、概述一、概述-FPGA市場份額 Xilinx Altera 是世界可編程平臺領導廠商一、概述一、概述-應用領域應用：航空航天航空航天/軍用產品

7、軍用產品 汽車 廣播 消費類 數據處理/存儲 工業/科技/醫療（ISM） 有線 無線 一、概述一、概述-應用領域一、概述一、概述-主要發展例程(Xilinx) 1984年 Ross Freeman、Bernie Vonderschmitt 和 Jim Barnett 創立了 Xilinx。 1985 年 Xilinx 推出了它的第一款產品 - XC2064。 1991年 推出 XC4000 系列 FPGA。 1998年 推出 Virtex FPGA 系列。 2002年 推出 CoolRunner-II 系列產品。 2003年 推出 Spartan-3 系列產品。 2006年 Xilinx 推出

8、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系列產品,統一架構。一、概述一、概述-芯片工藝的演進VirtexVirtex-EVirtex-IIVirtex-II ProVirtex-4Virtex-5第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第五代第五代第六代第六代220-nm180-nm150-nm40-nm65-nm 90-nm130-nmVirtex-7Virtex-6第七代第七代28-nm一、概述一、概述新產品1. 采用28nm的第7代FPGA產品已經上市。

9、一、概述一、概述新產品 Zynq-7000 系列是 Xilinx 推出的首款可擴展式處理平臺 (EPP)。該新型產品將業界標準 ARM雙核 Cortex-A9 MPCore 處理系統與 Xilinx 一體化 28nm 可編程邏輯架構整合在一起。 這種以處理器為核心的架構不但能夠實現 FPGA 的高度靈活性和可擴展性，同時還能帶來類似于 ASIC 的高性能和低功耗，以及 ASSP 的易用性。2. 嵌入ARM的Zynq-7000 系列FPGA一、概述一、概述新產品ARM雙核硬核處理器雙核硬核處理器先進的先進的AXI4接口規范接口規范可編程邏輯可編程邏輯單元單元, DSP Slice, BRAM集成

10、了集成了ADC轉換器轉換器PCI-E控制器控制器提供外設提供外設控制器控制器概述概述-FPGA原理（查找表技術） FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展起來的，它是作為ASIC領域中的一種半定制電路而出現的，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。 由于FPGA需要被反復燒寫，它實現組合邏輯的基本結構不可能像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配置的結構。 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工藝的查找表結構，工藝的查找表結構，也有一些軍品和宇航級FPGA采用F

11、lash或熔絲/反熔絲工藝查找表結構。概述概述-FPGA原理（查找表技術） 查找表（Look-Up-Table）簡稱為LUT，LUT本質上就是一個RAM。 目前FPGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的 的RAM。 當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以后，PLD/FPGA開發軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果，并把真值表（即結果）事先寫入RAM，這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容，然后輸出即可。 概述概述-FPGA原理（四輸入查找表結構）LUT也稱為函數發生器(Function generator,FG)

12、n其功能被輸入的數目限制，而不是被復雜性所限；n貫穿LUT的時延是固定的；A B C DZ000000001000100001110100101011.11000110101110011111Combinatorial LogicABCDZ概述概述-FPGA原理（六輸入查找表結構） 4/6輸入輸入LUT實現實現8:1多路復用器的原理多路復用器的原理一、概述一、概述-新一代Virtex-6和Spartan-6FPGA產品Virtex-6 FPGAsSpartan-6 FPGAs150K Logic Cell Device760K Logic Cell Device公共資源公共資源*Optimiz

13、ed for target application in each family3.3 V兼容的兼容的I/O硬核存儲器控制器硬核存儲器控制器LUT-6 CLB DSP Slices塊塊RAMHSS 收發器收發器*并行并行 I/O FIFO 邏輯邏輯系統監控器系統監控器三模式三模式EMACPCIe 接口接口高性能時鐘高性能時鐘Basic Architecture 21一、概述一、概述 - Xilinx配置配置FPGA的存儲的存儲器器-PROM產品 Xilinx公司的Platform Flash PROM能為所有型號的Xilinx FPGA提供非易失性存儲。 全系列PROM的容量范圍為1Mbit到

14、256Mbit，兼容任何一款Xilinx的FPGA芯片，具備完整的工業溫度特性，支持IEEE1149.1所定義的JTAG邊界掃描協議。 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、概述一、概述 - Xilinx公司公司-PROM產品串行配置串行配置并行配置并行配置一、概述一、概述 - Xilinx公司軟件平臺介紹公司軟件平臺介紹-開發工具 ISE Design Suite涉及了FPGA設計的各個應用方面，包括邏輯開發、數字信號處理系統以及嵌入式系統開發等FPGA開發的主要應用領域，主要包括： 1）ISE Design Tools：集成開發工具 2） EDK：嵌入

15、式開發套件 3）System Generator：數字信號處理開發工具 4）ChipScope Pro：在線邏輯分析儀工具 5）PlanAhead：用于布局和布線等設計分析工具一、概述一、概述 - Xilinx公司軟件平臺介紹公司軟件平臺介紹-ISE13.1軟件平臺數字信號處數字信號處理開發工具理開發工具片上系統開發片上系統開發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環境集成開發環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導仿真庫編譯向導時序分析器時序分析器功耗分析器功耗分析器一、概述一、概述 - Xilinx公

16、司軟件平臺介紹公司軟件平臺介紹-ISE Foundation軟件 ISE Foundation軟件是Xilinx公司推出的FPGA/CPLD集成開發環境，不僅包括邏輯設計所需的一切，還具有簡便易用的內置式工具和向導，使得I/O分配、功耗分析、時序驅動設計收斂、HDL仿真等關鍵步驟變得容易而直觀。一、概述一、概述 - Xilinx公司軟件平臺介紹公司軟件平臺介紹-EDK軟件 EDK是Xilinx公司推出的FPGA嵌入式開發工具，包括嵌入式硬件平臺開發工具（Platform Studio）、嵌入式軟件開發工具（ Platform Studio SDK）、嵌入式IBM PowerPC硬件處理器核、X

17、ilinx MicroBlaze軟處理器核、開發所需的技術文檔和IP，為設計嵌入式可編程系統提供了全面的解決方案。一、概述一、概述 - Xilinx公司軟件平臺介紹公司軟件平臺介紹-System Generator軟件 Xilinx公司推出了簡化FPGA數字處理系統的集成開發工具System Generator，快速、簡易地將DSP系統的抽象算法轉化成可綜合的、可靠的硬件系統，為DSP設計者掃清了編程的障礙。 System Genetator和Mathworks公司的Simulink實現無縫鏈接，在Simulink中實現信號的建模、仿真和處理的所有過程。一、概述一、概述 - Xilinx公司軟件平臺介紹公司軟件平臺介紹-ChipScope Pro軟件 Xilinx公司推出了在線邏輯分析儀，通過軟件方式為用戶提供穩定和方便的解決方案。該在線邏輯分析儀不僅具有邏輯分析儀的功能，而且成本低廉、操作簡單，因此具有極高的實用價值。 ChipScope Pro既可以獨立使用，也可以在ISE集成環境中使用，非常靈活，為用戶提供方便和穩定的邏輯分析解決方案，支持Spartan和Virtex全系列FPGA芯片。 ChipScope Pro