第4章Zynq-7000可编程逻辑资源

XilinxAllProgrammableZynq-7000SoC设计指南主讲：何宾Email：[e-mail]大学计划课程2012.122可编程逻辑资源内容包括可编程逻辑资源概述、可编程逻辑资源功能两个部分。在可编程逻辑资源功能部分，详细的介绍了CLB和LUT、时钟管理单元、块存储器、数字信号处理单元、输入和输出、低功耗串行收发器、PCI-E模块、XADC模块和配置等内容。3Zynq-7000系列的全可编程平台在单个器件内，集成了功能丰富的基于双核ARMCortex-A9处理器的处理器系统PS和Xiinx可编程逻辑PL。Zynq-7000EPP系列中的每个器件包含相同的PS，然而每个器件内的PL和I/O资源有所不同。两个较小EPP器件（Z-7010和Z-7020）的PL基于Artix-7FPGA逻辑。两个较大EPP器件（Z-7030和Z-7045）的PL基于Kintex-7FPGA逻辑。可编程逻辑资源4通过使用多个接口和超过3000个连接的其它信号，PS和PL可以紧密或者松散的耦合在一起。这使得设计者能高效地将PL内用户创建的硬件加速器和其它的功能进行集成。它们可以被处理器访问。它们也可以访问PS内的存储器资源。可编程逻辑资源5Zynq系统总是最先启动PS内的处理器，这样允许使用基于软件中心的方法对PL进行配置。对PL的配置作为系统启动的一部分，或者在将来的某个时间点上对其进行配置。PL可以全部地重新配置或者在使用的时候部分动态地重新配置（PartialReconfiguration,PR）。PR允许只配置PL的一部分。这使得可以选择对设计进行修改，比如：更新系数或者在必要的时候，替换算法来实现时分复用PL资源。后者类似于动态地加载和卸载软件模块。PL的配置数据称为比特流。可编程逻辑资源6PL有一个和PS分开的供电域这使能用户通过将PL断电来降低功耗。在这个模式下，PL无静态和动态功耗。这样，显著地降低了器件的功耗。当不使用这个模式时，必须重配置PL。用户需要考虑在特殊应用场合下，重新配置PL的时间，这个时间根据比特流的大小而有所不同。可编程逻辑资源7PL提供了用户可配置的丰富的结构能力。关键特性包括：可配置的逻辑块（CLB）6输入查找表。LUT内的存储器能力。寄存器和移位寄存器功能。级联的加法器。36Kb块RAM双端口。最大72位宽度。可配置为双18Kb。可编程的FIFO逻辑。内建的纠错电路。可编程逻辑资源8数字信号处理-DSP48E1Slice25×18二进制补码乘法器/加法器高分辨率（48位）信号处理器。节约功耗的25位预加法器，用于优化对称的滤波器应用。高级属性：可选的流水线、可选的ALU和用于级联的专用总线。时钟管理用于低抖动时钟分配的高速缓冲区和布线。频率合成和相位移动。低抖动时钟生成功能和抖动过滤。可编程逻辑资源9可配置的I/O高性能SelectIO技术。集成在封装内的高频去耦合电容，用于扩展的信号完整性。数控阻抗，能在三态下用于最低功耗，高速I/O操作。大范围（HR）I/O支持1.2V~3.3V。高性能（HP）I/O支持1.2V~1.8V。低功耗串行收发器高性能收发器最大能到达12.5Gb/s（GTX）。用于芯片-芯片接口的低功耗模式优化。高级的预发送、后加重，以及接收器线性CTLE，以及判决反馈均衡（DecisionFeedbackEqualization，DFE），包括用于额外余量的自适应均衡。可编程逻辑资源10XADC（模拟-数字转换器）双12比特1Msps模拟-数字转换器（ADC）。最大17个灵活和用户可配置模拟输入。片上或者外部参考选择。片上温度（±4℃最大误差）和供电（±1%最大误差）传感器。连续JTAG访问ADC测量。可编程逻辑资源11可编程逻辑资源功能主要包括：CLB时钟管理BRAMDSPSlice输入/输出串行收发器PCI-E模块XADC配置可编程逻辑资源--可编程逻辑资源功能12可编程逻辑资源--可编程逻辑资源功能CLB，Slice和LUTZynq-7000内的LUT可以配置为一个带有1个输出的6输入LUT（64位ROM）或者带有独立输出和公共地址/逻辑输入的两个5输入LUT（32位ROM）。每个LUT的输出能选择使用触发器进行寄存。一个Slice由4个这样的LUT、8个触发器、多路复用器和算术进位逻辑构成。两个Slice构成一个CLB。每个LUT的一个触发器可以选择配置为锁存器。13所有Slice中间25-50%也使用LUT作为分布式的64位RAM或者32位移位寄存器（SRL32）或者两个SRL16。现代综合工具利用了这些高性能逻辑、算术和存储器特性。Zynq-7000内的LUT可以配置为一个带有1个输出的6输入LUT（64位ROM）或者带有独立输出和公共地址/逻辑输入的两个5输入LUT（32位ROM）。每个LUT的输出能使用触发器进行寄存。一个Slice由4个这样的LUT、8个触发器、多路复用器和算术进位逻辑构成。两个Slice构成一个CLB。每个LUT的一个触发器可以选择配置为锁存器。可编程逻辑资源--可编程逻辑资源功能14混合模式时钟管理器和相位锁相环混合模式时钟管理器（Mixed-modeclockmanager，MMCM）和相位锁相环（PhaseLockLoop，PLL）共享很多特性。可编程逻辑资源功能--时钟管理它们都能作为一个频率合成器，用于宽范围的频率和输入时钟的抖动过滤器。这些元件的中心是一个压控振荡器（VoltageControlledOscillator，VCO），来自相位检测器（PFD）的电压送到VCO，根据计算，升高或者降低VCO输出频率。15MMCM有三组可编程的频率分频器：D，M和O。预分频器D（通过配置或者之后通过动态配置端口（DynamicConfigurationPort，DRP）编程），降低了输入频率。然后，将其送到传统PLL相位/频率比较器的一个输入。反馈分频器M（通过配置或者之后通过DRP编程），作为一个乘法器。这是由于在送到相位比较器的其它输入之前，将VCO的输出频率进行分频。必须合理地选择D和M的值，以确保VCO工作在它指定的频率范围内。可编程逻辑资源功能--时钟管理16VCO有8个等间距的输出相位（0º，45º，90º，135º，180º，225º，270º和315º）。每个都可以被选择驱动一个输出分频器（6个用于PLL，O0-O5；7个用于MMCM，O0-O6）。通过配置，可以对每一个进行编程实现1-128内的分频。MMCM和PLL有三个输入抖动过滤选项：低带宽模式有最好的抖动衰减。高带宽模式有最好的相位偏移。优化模式允许工具找到最好的设置。可编程逻辑资源功能--时钟管理17MMCM额外的可编程特性MMCM在反馈路径（作为乘法器）或者输出路径上有一个小数计数器。小数计数器允许非整数的1/8递增。因此，增加了合成频率的能力。根据VCO的频率，MMCM也能提供较小增量的固定相位移动或者动态相位移动。比如：在1600MHz频率下，相位移动的时序递增是11.2ps。可编程逻辑资源功能--时钟管理18时钟分配每个Zynq-7000EPP器件提供了6个不同类型的时钟线（BUFG，BUFR，BUFIO，BUFH，BUFMR和高性能时钟），用来解决不同的时钟要求。包括：高扇出、短传播延迟和极低的抖动。可编程逻辑资源功能--时钟管理19全局时钟线在Zynq-7000EPP器件中，32个全局时钟线提供了最高的扇出。它能到达每个触发器的时钟、时钟使能和置位/复位，以及数量众多的逻辑输入。在任何时钟域内，有12个全局时钟线，可以通过水平时钟缓冲区（BUFH）驱动。可以单独使能/禁止每个BUFH，这样允许关闭时钟域内的时钟。因此，为时钟域的功耗提供了更好的颗粒度控制。可编程逻辑资源功能--时钟管理20全局时钟线可以通过全局时钟缓冲区驱动，该缓冲区能执行无毛刺的时钟复用和时钟使能功能。通常由CMT驱动全局时钟，它能彻底的消除基本时钟分配延迟。可编程逻辑资源功能--时钟管理21区域时钟区域时钟能驱动它所在区域内的所有时钟。注：一个区域定义为任何一个区域，这个区域有50个I/O，以及50个CLB高及一半的器件宽度。Zynq-7000EPP器件有8~24个区域。在每个区域有4个区域时钟跟踪。每个区域时钟缓冲区可以由4个时钟功能输入引脚中的一个驱动，可选择从1-8中的任何一个整数对该时钟分频。可编程逻辑资源功能--时钟管理22I/O时钟I/O时钟特别的快，用于一些I/O逻辑和串行化器/解串行化器（SerDes）电路。Zynq-7000全可编程平台提供了来自MMCM到I/O的直接连接。这些连接主要用于低抖动，高性能的接口。可编程逻辑资源功能--时钟管理23每个Zynq-7000有60~465个双端口BRAM，每个容量为36Kb。每个BRAM有两个独立的端口。可编程逻辑资源功能--块存储器24同步操作每个存储器的读或者写访问由时钟控制。将所有的输入、数据、地址、时钟使能和写使能进行寄存。总是由时钟驱动输入地址。并且，一直保持数据，直到下一个操作。一个可选的输出数据流水线寄存器，该寄存器通过一个额外时钟周期的延迟，以允许较高速的时钟。在写操作期间，数据的输出为前面所保存的数据，或者是新写入的数据，或者保持不变。可编程逻辑资源功能--块存储器25可编程数据宽度每个端口可以配置为32K×1、16K×2、8K×4、4K×9（或者8）、2K×18（或者16）、1K×36（或者32）、或者512×72（或者64）。两个端口可以有不同的宽度，并且没有任何限制。每个BRAM能分割为两个完全独立的18KbBRAM。每个BRAM能配置成任何长宽比，范围从16K×1到512×36。前面描述的用于36Kb的BRAM的所有内容也可以应用到每个较小的18KbBRAM。可编程逻辑资源功能--块存储器26只有在简单双端口（SimpleDual-Port，SDP）模式下，数据宽度大于18比特（18KbRAM）或者36比特（36KbRAM）才能访问。在这种模式下，一个端口专门用于读操作，另一个端口用于写操作。在SDP模式下，一侧（读或者写）是可以变化的，而另一侧被固定为32/36位或者64/72位。可编程逻辑资源功能--块存储器27双端口36KbRAM的所有两侧，其宽度都是可变的。可以将两个相邻的36KbBRAM配置为一个64Kx1双端口RAM。并且，不需要任何额外的逻辑。可编程逻辑资源功能--块存储器28错误检测和纠错每个64位宽度的BRAM都能产生、保存和利用8个额外的海明码比特。并且，在读操作过程中执行单个比特为错误的纠错和两个比特位的检错（ECC）。当写到外部64-72位宽度的存储器或者从64-72位外部存储器读时，也能使用ECC逻辑。可编程逻辑资源功能--块存储器29FIFO控制器内建的FIFO控制器用于单时钟（同步）或者双时钟（异步或者多率）操作，递增内部的地址和提供4个握手信号。这些握手信号线包括：满标志、空标志、几乎满标志和几乎空标志。可以自由地编程几乎满和几乎空标志。类似于BRAM，也可以对FIFO宽度和深度编程。但是，写端口和读端口的宽度总是相同。可编程逻辑资源功能--块存储器30首字跌落（FirstWordFall-Through，FWFT）模式即第一个写入的数据出现在数据输出端（甚至在读操作前）。当读取第一个字后，这个模式和标准的模式就没有差别了。可编程逻辑资源功能--块存储器31DSP应用使用大量的二进制乘法器和累加器，可以在专用的DSP切片内最好地实现。所有Zynq-7000器件都有很多专用的、全定制的、低功耗的DSP切片，将小尺寸和高速结合在一起，同时保持了系统设计的灵活性。每个DSP切片由一个专用的25×16比特的二进制补码乘法器和一个48比特的累加器组