FPGA硬件电路设计及FPGA平台介绍

FPGA硬件电路设计及FPGA平台简介2主要内容：1.FPGA技术概述；2.主流FPGA器件介绍；3.VIRTEX-5FPGA电路设计；4.V4LX160FPGA平台介绍；第一章FPGA技术概述4第1章主要内容可编程逻辑器件发展历程FPGA的结构FPGA的主要特点FPGA的发展趋势5可编程逻辑器件发展历程PROM可编程只读存储器，只能存储少量数据，完成简单逻辑功能。EPROM/EEPROM紫外线可擦除只读存储器和电可擦除只读存储器。PAL/GAL可编程阵列逻辑和通用阵列逻辑，能完成中大规模的数字逻辑功能。FPGA/CPLD现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件，完成超大规模的复杂组合逻辑与设计逻辑。6FPGA的结构FPGA一般由以下几个基本部分构成：可编程逻辑功能模块（ConfigurableLogicBlock，CLB）可编程输入输出模块（Input/OutputBlocks，IOB）可编程内部互连资源（ProgrammableInterconnection，PI）现代平台级FPGA还会包括以下可选资源：存储器资源（BlockRAM）数字时钟管理单元（分频、倍频、数字延迟）I/O多电平标准兼容（SelectI/O）算术运算单元（乘法器、加法器）特殊功能模块微处理器模块（PowerPC、ARM）7现代FPGA的主要特点规模越来越大，达到上千万门级的规模，更适于实现片上系统（SoC）。开发过程投资小。FPGA设计灵活，发现错误时可直接更改设计，减少了投片风险，节省了许多潜在的花费。FPGA除能完成复杂系统功能外，也可以实现ASIC设计的功能样机。FPGA一般可以反复地编程、擦除。在不改变外围电路的情况下，设计不同片内逻辑就能实现不同的电路功能。保密性好。在某些场合下，根据要求选用防止反向技术的FPGA，能很好的保护系统的安全性和设计者的知识产权。8以ARM、PowerPC、Nios和MicroBlaze为代表的RISC处理器软硬IP核、各种软硬IP核极大的加强了系统功能，可以实现真正的可编程片上系统。FPGA开发工具智能化程度高，功能强大。应用各种工具可以完成从输入、综合、实现到配置芯片等一系列功能。还有许多工具可以完成对设计的仿真、优化、约束、在线调试等功能。这些工具易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计。9FPGA的发展趋势向更高密度、更大容量的系统级方向发展。向低成本、低电压、低功耗、微封装和环保型发展。IP资源复用理念得到普遍认同并成为主要设计方式。MCU、DSP和MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心。第二章主流FPGA器件介绍11第2章主要内容各厂商FPGA系列介绍AlteraFPGA主流器件介绍XilinxFPGA主流器件介绍12FPGA厂商ALTERA——基于RAM工艺的通用FPGAXILINX——基于RAM工艺的通用FPGAACTEL——基于反熔丝工艺和FLASH工艺非易失性的FPGALATTICE——具有混合工艺的特色FPGA13ALTERA公司FPGA系列Cyclone——低成本FPGA系列，针对成本敏感的应用－Cyclone130nm工艺－CycloneII90nm工艺－CycloneIII65nm工艺ArriaGX——带有收发器的中低成本FPGA系列，针对PCIE、千兆以太网和SerialRapidIOStratix——高端FPGA系列，针对高密度高性能应用－Stratix130nm工艺－StratixII/GX90nm工艺－StratixIIIL/E65nm工艺－StratixIVE/GT/GX40nm工艺14Xilinx公司FPGA系列Spartan——低成本FPGA系列，针对成本敏感的应用－SpartanIIE/II/XL130nm工艺－Spartan3/3E/3A/3AN/3ADSP90nm工艺－Spartan6LX/LXT45nm工艺Virtex——高端FPGA系列，针对高密度高性能应用－VirtexII/IIPro130nm工艺－Virtex4LX/SX/FX90nm工艺－Virtex5LX/LXT/SXT/FXT/TXT65nm工艺－Virtex6LXT/SXT/HXT40nm工艺15ACTEL公司FPGA系列ProASIC3——最低成本、低功耗、可重编程非易失FPGA系列－ProASIC3/E低功耗、低成本FPGA－ProASIC3nano具有增强I/O功能的最低成本的FPGA－ProASIC3L6低功耗、高性能和低成本平衡的FPGAIGLOO——低功耗、小面积、低成本、可重编程FlashFPGA－IGLOO/e功耗超低的可编程FPGA－IGLOOnano业界功耗最低、尺寸最小的FPGA－IGLOOPLUS具有增强I/O功能的低功耗FPGAFusion——将可配置模拟部件、大容量Flash、时钟电路，以及基于Flash的高性能可编程逻辑集成在单片器件中16Lattice公司FPGA系列LatticeSC——高性能FPGA系列－LatticeSC业界最快的FPGA结构，采纳了系统级特性。LatticeXP——非易失的FlashFPGA系列－LatticeXP290nm闪存片上存储器，瞬时上电、小的芯片面积、串行TAG存储器、设计安全性等。支持现场升级(LiveUpdates)、128位的AES加密以及双引导技术。LatticeECP——低成本结构和一些先进特性的FPGA系列－LatticeECP3业界拥有SERDES功能的FPGA器件中，具有最低的功耗和价格17第2章主要内容FPGA生产厂商介绍AlteraFPGA主流器件介绍XilinxFPGA主流器件介绍18主流低端器件CycloneIII——65nm低成本FPGA系列特性总结1920主流高端器件StratixIV——40nm高性能、高端FPGAStratixIVE非收发器应用的通用FPGA特性总结1、ALM:GT和GX型号有530K等价LE，E型号有680K等价LE;分段式的8输入LUT。2、可编程功耗技术:每一个可编程LAB、DSP模块和存储器模块都可工作在高速模式和低功耗模式3、外部存储器接口:支持DDR3、DDR2、QDRII、QDR、RLDRAM和RLDRAM等外部DRAM和SRAM接口，速度可到533M/Hz4、DSP模块:具有1360个18位x18位乘法器，可灵活配置为多种模式。5、高速IO支持:支持可编程摆率、驱动能力、输出延时和OCT等功能，经过优化后的LVDSIO性能在150M~1.6G之间6、时钟管理:12个PLL，速度在5~720MHz之间。还有16个全局时钟、88个象限时钟及132个外围时钟。2122StratixIVGX优异的带宽性能和信号完整性特性总结23StratixIVGT带有11.3-Gbps收发器特性总结24主流高端器件StratixIII——65nm高性能、高端FPGAStratixIII-L逻辑、存储器和DSP资源平衡StratixIII-E增强了存储器和DSP资源25第2章主要内容FPGA生产厂商介绍AlteraFPGA主流器件介绍XilinxFPGA主流器件介绍26主流低端器件Spartan3——90nm低成本FPGA系列Spartan3密度优化的，适用于数据综合处理Spartan3E逻辑优化的，适用于逻辑集成和嵌入式控制Spartan3AIO优化的，适用于多IO应用，如桥接，存储器接口Spartan3AN非易失的，适用于空间受限的设计Spartan3ADSPDSP应用优化，适用于DSP相关应用27Spartan3特性:1、DCM频率5M~300M，DDR/DDR2最高到400M,IO最大24mA驱动电流2、支持19种IO标准和多种电平标准28Spartan3E资源增强特性—逻辑密度高。支持多种配置方式（SPI,BPI等）29Spartan3A:适用于多IO的低成本应用增强特性1—有suspend模式，可降低系统功耗增强特性2—增强的DDR支持，IO密度高30Spartan3AN:整合了非易失MEMORY增强特性1—内嵌11M的非易失MEMORY，节省外部空间，易用，简化设计增强特性2—代码更安全31Spartan3ADSP:内嵌高性能DSP模块增强特性1—内嵌基于Virtex4的DSP48A模块，独立布线，250M处理能力增强特性2—增强了BLOCKRAM，工作频率250M32主流低端器件Spartan6——45nm低成本、低功耗FPGA系列Spartan-6LX具有逻辑优化的Spartan-6LXT具有高速串行数据连接33Spartan-6LX的基本特性1、基于双寄存器、6输入查找表的slice2、IO支持1.2V~3.3V的多种电平和多种接口标准；每对差分IO传输速度1Gb/s；支持DDR、DDR2、DDR3和RLDDR，最高支持速率800Mb/s；支持PCI-33MHz。3、增强的DSP处理模块-DSP48A14、增强的时钟管理模块(CMT)，一个CMT由2个DCM和1个PLL组成。5、支持多种配置模式，包括低成本的SPI模式和NORFLASH模式。6、增强的设计安全保护，使用了DNA身份验证方式和AES流加密方式7、低成本的增强型的软处理器MicroBlaze。34Spartan-6LXT的附加特性1、集成了高速GTP串行收发器，最高速率为3.125Gb/s,接口类型包括SATA，PCI-E，1G以太网，DisplayPort，OBSAI,CPRI,EPON等。2、为PCIExpress设计集成了Endpointblock。35主流高端器件Virtex5——65nm高端高性能FPGA系列Virtex-5LX：高性能通用逻辑应用Virtex-5LXT：具有高级串行连接功能的高性能逻辑应用Virtex-5SXT：具有高级串行连接功能的高性能信号处理应用Virtex-5FXT：具有高级串行连接功能的高性能嵌入式系统Virtex-5TXT：具有双密度高级串行连接功能的高性能系统36Virtex-5系列的基本特性1、真6输入查找表(LUT)技术，双5-LUT选项。2、时钟管理模块(CMT)——具有零延迟缓冲、频率综合和时钟相移功能的数字时钟管理器模块；具有输入抖动滤波、零延迟缓冲、频率综合和相位匹配时钟分频功能的PLL模块。3、真双端口RAM模块——36KbBlockRAM/FIFO4、高级DSP48ESlice5、支持多种配置模式，包括低成本的SPI模式和并行FLASH模式。6、所有器件都有系统监视功能（片上/片外热特性监视、片上/片外电源监视、通过JTAG端口访问所有监视量）7、LXT、SXT和FXT器件同样封装中引脚兼容37Virtex-5LXT、SXT、TXT、FXT的特性1、PCIExpress集成端点模块、符合PCIExpress基本规范1.1。2、三态10/100/1000Mb/s以太网MAC，可以将RocketIO收发器用作PHY，也可以用多种软MII（媒体独立接口）方案将其连接到外部PHYVirtex-5LXT、SXT的特有功能100Mb/s到3.75Gb/s的RocketIO™GTP收发器Virtex-5TXT、FXT的特有功能150Mb/s到6.5Gb/s的RocketIOGTX收发器Virtex-5FXT的特有功能包含了PowerPC440微处理器模块（RISC架构、七级流水线、包括32KB的指令和数据缓存）38Virtex-5LX、LXT系列器件39Virtex-5SXT、TXT、FXT系列器件1.Virtex-5Slice的组织方式与前几代不同。每个Virtex-5Slice包含四个LUT和四个触发器2.每个DSP48ESlice包含一个25x18乘法器、一个加法器和一个累加器。3.BlockRAM的基本容量为36Kb。每个模块也可用作两个独