2011电子设计竞赛培训-竞赛平台-XILINX芯片-XILINX开发24599544

1、 何宾 Tel： 版权所有，禁止未经授权的商业使用行为 北京中教仪装备技术 所有培训资料均可从网站 :/下载 培训内容EXCD-1/Nexys3竞赛平台介绍Xilinx公司介绍Xilinx公司产品概述Xilinx公司软件平台介绍Xilinx公司ISE13.1软件介绍基于ISE13.1的数字系统的设计基于ISE13.1的模数混合系统的设计和调试Xilinx片上可编程系统原理介绍基于EDK13.1和AXI4的嵌入式系统设计实现EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍-EXCD-1硬件平台介绍用于竞赛用于实验室培训 EXCD-1开发板+SOC实验箱EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍-EXC

2、D-1硬件平台介绍 德式简洁架构，双层结构，盒盖可放置在底部做为收纳盒。EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍-EXCD-1硬件平台介绍数字脉冲源电源:+5V/3A ,-5V/1A ,+3.3V/3A点阵LCM12864单通道并行ADC单通道并行DAC步进电机模块4*4矩阵键盘蜂鸣器MP3播放模块红外收发通讯UART通讯交通灯模块USB模块网络10M/100M温度传感器日历时钟模块资源丰富 EXCD-1开发板主要基于Xilinx Spartan 3E FPGA器件XC3S500E-PQ208 ，板上含有2Mbytes的Flash和1024K bytes的SRAM，以及各种输入输出设备。 基

3、于该板可以设计具有各种功能的数字系统，并可以完成含有8位PicoBlaze 微控制器和MicroBlaze7.0软核的嵌入式处理器系统。EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍-EXCD-1硬件平台介绍EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍-EXCD-1硬件平台介绍电源接口+5V高速扩展口7针JTAG接口PROM芯片Spartan-3EFPGA芯片VGA接口串口接口PS/2接口50MHz晶振SRAM芯片外部扩展接口，与竞赛外扩板连接市场售价：905元EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍-Nexys3硬件平台介绍Spartan-6FPGA芯片四个高速扩展接口外接7针JTAG接口电源接

4、口以太网接口VGA接口100MHz信号USB接口DigilentUSB-JTAGUART接口高速接口SRAMFlashSPI FlashDIP开关7段数码管按键开关市场售价：1780元现场预定：1180元Xilinx公司介绍 -公司起源 1984年在硅谷工作的2个聪明的工程师和1个营销主管作了一个梦。Bernie Vonderschmitt、Ross Freeman 和 Jim Barnett 梦想创立一家不同于一般的公司。 他们希望创立一家公司来为一个全新的领域开发和推出先进技术。他们还希望以下面这种方式来领导它：在这里工作的人们热爱他们的工作、享受工作带来的乐趣，并且对他们所从事的工作着迷

5、。 新型半导体现称为现场可编程门阵列由 Xilinx 共同创始人 Ross Freeman 创造，是一种全新的可编程逻辑。 Xilinx公司介绍-市场份额 Xilinx 是世界可编程平台领导厂商，根据市场分析公司 iSuppli 公司统计，Xilinx 在 2021 财政年度创造了18 亿美元的收益，并在半导体行业可编程逻辑器件 (PLD) 领域占有 50% 以上的市场份额。 Xilinx公司产品概述-应用领域 Xilinx 解决方案在大量终端市场上实现了世界上最具创新意义的应用：航空航天/军用产品 汽车 播送 消费类 数据处理/存储 工业/科技/医疗ISM 有线 无线 Xilinx公司产品概

6、述-应用领域Xilinx公司介绍-主要开展例程 1984年 Ross Freeman、Bernie Vonderschmitt 和 Jim Barnett 创立了 Xilinx。 1985 年 Xilinx 推出了它的第一款产品 - XC2064。 1991年 推出 XC4000 系列 FPGA。 1998年 推出 Virtex FPGA 系列。 2002年 推出 CoolRunner-II 系列产品。 2003年 推出 Spartan-3 系列产品。 2006年 Xilinx 推出Virtex-5 系列的 FPGA。 2021年 Xilinx 推出Spartan-6和Virtex-6新一代

7、FPGA。 2021年 Xilinx 推出第7代FPGA系列产品,统一架构。Xilinx公司介绍-芯片工艺的演进VirtexVirtex-EVirtex-IIVirtex-II ProVirtex-4Virtex-51st Generation2nd Generation3rd Generation4th Generation5th Generation6th Generation220-nm180-nm150-nm40-nm65-nm 90-nm130-nmVirtex-7Virtex-67th Generation28-nmXilinx公司介绍-两个最近令业界兴奋的消息1. 采用28nm的

8、第7代FPGA产品相继上市。Xilinx公司介绍-两个最近令业界兴奋的消息 Zynq-7000 系列是 Xilinx 推出的首款可扩展式处理平台 (EPP)。该新型产品将业界标准 ARM双核 Cortex-A9 MPCore 处理系统与 Xilinx 一体化 28nm 可编程逻辑架构完美整合在一起。 这种以处理器为核心的架构不但能够实现 FPGA 的高度灵活性和可扩展性，同时还能带来类似于 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将于下半年上市。Xilinx公司介绍-两个最近令业界兴奋的消息ARM双核硬核处理器先进的AXI4接口规

9、范可编程逻辑单元, DSP Slice, BRAM集成了ADC转换器PCI-E控制器提供外设控制器Xilinx公司介绍 -大学方案XUPXilinx大学方案部大中华区经理谢凯年E_mail: 大学计划入口Xilinx公司介绍 -大学方案XUPXilinx公司CPLD概述-CPLD原理 复杂可编程逻辑器件CPLD 由完全可编程的与/或阵列以及宏单元库构成。 与/或阵列是可重新编程的，可以实现多种逻辑功能。 宏单元那么是可实现组合或时序逻辑的功能模块，同时还提供了真值或补码输出和以不同的路径反响等额外的灵活性。 Xilinx公司CPLD概述-CPLD内部结构功能块1功能块2功能块3功能块NI/O块

10、快速开关阵列宏单元1-18宏单元1-18宏单元1-18宏单元1-18JTAG控制器系统内编程控制器图2.5 XC9500 CPLD内部结构Xilinx公司CPLD概述-CPLD内部结构-功能块可编程的与阵列乘积项分配器 来自快速连接 开关矩阵到快速连接开关矩阵到IO块全局置位/ 全局复位 时钟图2.6 FB块的内部结构Xilinx公司CPLD概述-CPLD内部结构-功能块图2.7 宏单元的内部结构Xilinx公司CPLD概述-CPLD内部结构-快速连接矩阵Xilinx公司CPLD概述-CPLD内部结构-IO块图2.9 IO块内部逻辑Xilinx公司CPLD概述 -CPLD类型 Xilinx C

11、PLD产品目前有两大类:CoolRunner系列XC9500系列CoolRunner-IICoolRunnerXPLA3XC9500XC9500XLXilinx公司FPGA概述-FPGA原理查找表技术 FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的根底上进一步开展起来的，它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的缺乏，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。 由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的根本结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构。 查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工

12、艺的查找表结构，也有一些军品和宇航级FPGA采用Flash或熔丝/反熔丝工艺查找表结构。Xilinx公司FPGA概述-FPGA原理查找表技术 查找表Look-Up-Table简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。 目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的 的RAM。 当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表即结果事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。 Xilinx公司产品概述-FPGA原理四输入查找表结

13、构LUT也称为函数发生器(Function generator,FG)其功能被输入的数目限制，而不是被复杂性所限；贯穿LUT的时延是固定的；ABCDZ000000001000100001110100101011.11000110101110011111Combinatorial LogicABCDZXilinx公司产品概述-FPGA原理六输入查找表结构 多年以来，四输入 LUT 一直是业界标准。但是，在65nm工艺条件下，相比较于其它电路特别是互连电路，LUT 的常规结构大大缩小。 一个具有四倍比特位的六输入LUT (6-LUT) 仅仅将 CLB 面积提高了15% - 但是平均而言，每个 LU

14、T 上可集成的逻辑数量却增加了40%。 更高的逻辑密度通常可以降低级联 LUT 的数目，并且改进关键路径延迟性能。Xilinx公司产品概述-FPGA原理六输入查找表结构 4/6输入LUT实现8:1多路复用器的原理Xilinx公司产品概述-FPGA原理六输入查找表结构 新一代的FPGA 提供了真正的 6-LUT，可以将它用作逻辑或者分布式存储器，这时 LUT是一个64 位的分布式 RAM 甚至双端口或者四端口或者一个32 位可编程移位存放器。 每个 LUT 具有两个输出，从而实现了五个变量的两个逻辑函数，存储32 x 2 RAM 比特，或者作为16 x 2-bit 的移位存放器进行工作。Xili

15、nx公司产品概述-FPGA内部结构Spartan-6FPGA芯片的幅员Xilinx公司产品概述 -Spartan-6 FPGA内部结构(可配置逻辑块-) 可配置的逻辑块Configurable Logic Block, CLB是主要的逻辑资源，用于实现顺序和组合逻辑电路。 SwitchMatrix每个CLB连接到一个开关矩阵用于访问通用的布线资源 一个CLB包含一对切片Slice 两个Slice之间没有直接连接Xilinx公司产品概述 -Spartan-6 FPGA内部结构(可配置逻辑块) 每个CLB包含两个切片列。一列称为SLICEX列，另一列在SLICEL和SLICEM交替。可用的切片中有

16、50%的SLICEX，25%的SLCEL和25%的SLCEM。 Xilinx公司产品概述 - Spartan-6 FPGA内部结构(SliceM)图2.14 SLICEM的内部结构六输入查找表进位链触发器资源多路复用器触发器资源Xilinx公司产品概述 - Spartan-6 FPGA内部结构(SliceL)六输入查找表进位链触发器资源多路复用器触发器资源Xilinx公司产品概述 - Spartan-6 FPGA内部结构(SliceX)六输入查找表触发器资源多路复用器触发器资源Xilinx公司产品概述- Spartan-6 FPGA内部结构时钟资源Spartan-6的FPGA时钟资源包含下面四

17、种类型的连接： 全局时钟输入引脚(GCLK)； 全局时钟复用开关BUFG,BUFGMUX I/O时钟缓冲区BUFIO2,BUFIO2_2CLK, BUFPLL 水平的时钟布线缓冲区BUFHXilinx公司产品概述- Spartan-6 FPGA内部结构时钟资源 Spartan-6的FPGA包含两种类型的时钟网络：提供了16个高速，低抖动的全 局时钟资源来优化性能。这些 资源通过EDA软件工具自动 的使用。提供了40个超高速、低抖动的 I/O区域时钟资源。用于效劳 本地的I/O串行/解串行电路。图2.17 DCM的符号Xilinx公司产品概述- Spartan-6 FPGA内部结构专用BRAM最

18、大4.8Mb 同步的读/写真正的双端口RAM每个端口有同步读/写功能每个端口有不同的时钟可 配置 支持初始化值对输出锁存器的同步复位支持奇偶校验每8位一个奇偶校验位与嵌入式的专用乘法器相邻用于快速的乘-累加操作DIADIPAADDRAWEAENASSRACLKADIBDIPBWEBADDRBENBSSRBDOACLKBDOPADOPBDOB18-kb block SelectRAM memoryXilinx公司产品概述- Spartan-6 FPGA内部结构互连资源 互联是FPGA内用于在功能元件，比方IOB，CLB，DSP和BRAM，的输入和输出信号通路的可编程网络。 互联也称为布线，被分段

19、用于最优的连接。Xilinx公司产品概述- Spartan-6 FPGA内部结构存储器控制器 Spartan-6 FPGA内集成了硬的存储器控制器，下表给出了该硬存储器控制器的特点。FPGA内集成的硬存储器控制器减少了设计的时间，并且支持DDR,DDR2,DDR3 & LP DDR。特点具体体现高性能最大800Mbps低成本节约软件逻辑，较小的晶圆低功耗专用的逻辑容易设计时间收敛不再是一个问题可配置的多端口用户接口核生成器/MIG向导 & EDK支持新特性Xilinx公司产品概述- Spartan-6 FPGA内部结构专用DSP模块 Spartan-6 FPGA内集成了专用的XtremeDSP

20、 DSP48A1 DSP模块。该DSP模块最高速度到达250MHz，快速的乘法器和48位的加法器。并且集成了输入和输出寄存器。Xilinx公司产品概述- Spartan-6 FPGA内部结构IO块输入通道： 两个DDR存放器输出通道：两个DDR存放器两个三态使能 DDR复用器独立的时钟和时钟使能，用于I和O共享置位和复位信号RegRegDDR MUX3-stateOCK1OCK2RegRegDDR MUXOutputOCK1OCK2PADRegRegInputICK1ICK2IOBXilinx公司产品概述-FPGA产品分类 Xilinx公司目前有两大类FPGA产品:Spartan系列: 面向低

21、本钱的中低端应用，是目前业界本钱最低的一类FPGA；Virtex系列: 面向高端应用，属于业界顶级产品 。 这两个系列的差异仅限于芯片的规模和专用模块上， Spartan系列是Virtex系列的简化版本。Xilinx公司产品概述 -先前的FPGA产品-Spartan系列 Spartan-2，Spartan-2E，Spartan-3， Spartan-3A，Spartan-3E等种类。 1Spartan-2最高可达20万系统门； 2Spartan-2E最高可达60万系统门； 3Spartan-3最高可达500万门； 4Spartan-3A和Spartan-3E不仅系统门数更大，还增强了大量的内嵌

22、专用乘法器和专用块RAM资源，具备实现复杂数字信号处理和片上可编程系统的能力。Xilinx公司产品概述 -先前的FPGA产品Virtex系列 Virtex系列是Xilinx的高端产品，也是业界的顶级产品，Xilinx公司正是凭借Vitex系列产品赢得市场，从而获得FPGA供给商领头羊的地位。 可以说Xilinx以其Virtex-5、Virtex-4、Virtex-II Pro和Virtex-II系列FPGA产品引领现场可编程门阵列行业。Xilinx公司产品概述-FPGA新结构 Virtex-4系列的FPGA采用了高级硅模组 (Advanced Silicon Modular Block,ASM

23、BL)架构。ASMBL通过使用独特的基于列的结构，实现了支持多专门领域应用平台的概念。 每列代表一个具有专门功能的硅子系统，如逻辑资源、存储器、I/O、DSP、处理、硬IP和混合信号等。 Xilinx公司通过组合不同功能列，组装成面向特定应用类别的专门领域FPGA与专用不同，专用是指一项单一应用。 Xilinx公司产品概述-Virtex-4结构智能RAM 新的BRAM/FIFOXesium 时钟技术500 MHzRocketIO多吉比特 接收、发送器622 Mbps10.3 Gbps1 Gbps SelectIOChipSync 源同步技术, XCITE活动的端接三模式以太网 MAC10/10

24、0/1000 Mbps带APU接口的PowerPC 405450 MHz, 680 DMIPSXtremeDSP 技术Slices256 18x18 GMACs高级CLBs200K逻辑单元Xilinx公司产品概述-Virtex-5结构550 MHz 时钟管理 单元 （带DCM和PLL)三模式10/100/1000 Mbps 以太网 MACs新一代PowerPC嵌入式处理器带ChipSync技术和XCITE DCI的 SelectIORocketIO 接收/发送器选项低功耗 GTP: 最大到3.75 Gbps高性能的GTX: 最大到 6.5 GbpsPCI Express 端节点模块最高级的高性

25、能真正的6输入 LUT逻辑结构高级配置选项36Kbit 双口RAM / FIFO(带集成的ECC) 带有集成ALU的25x18 DSP Slice新的扩展的带内建ADC的系统监控功能Xilinx公司产品概述 -新一代Virtex-6和Spartan-6FPGA产品Virtex-6 FPGAsSpartan-6 FPGAs150K Logic Cell Device760K Logic Cell Device公共资源*Optimized for target application in each family3.3 V兼容的I/O硬核存储器控制器LUT-6 CLB DSP Slices块RAM

26、HSS 收发器*并行 I/O FIFO 逻辑系统监控器三模式EMACPCIe 接口高性能时钟Basic Architecture 52Xilinx公司产品概述 -新一代Virtex-6和Spartan-6FPGA产品市场分额Application Market SegmentsSpartan-6 LX最低本钱逻辑 + DSP 最低的逻辑 +高速串行链路Spartan-6 LXT 高逻辑密度 +串行连接Virtex-6 LXTDSP + 逻辑 +串行连接Virtex-6 SXT超高速串行连接+逻辑Virtex-6 HXTXilinx公司产品概述 -最新一代FPGA产品采用统一的内部结构 通用的元

27、件使得很容易的实现IP重用技术，使得可以在 所有的7系列的FPGA上实现快速的设计 从低本钱到高性能的设计灵活性 扩展的生态系统支持 最快速的 产品投放市场时间TTM精确的，低抖动的时钟MMCMs 逻辑结构LUT-6 CLB DSP引擎DSP48E1 Slices片上存储器36Kbit/18Kbit BRAM扩展的连接PCIe 接口块高性能并行 I/O连接SelectIO技术Artix-7 FPGAKintex-7 FPGAVirtex-7 FPGA高性能串行 I/O连接接收发送器技术Basic Architecture 54Xilinx配置FPGA的存储器-PROM产品 Xilinx公司的P

28、latform Flash PROM能为所有型号的Xilinx FPGA提供非易失性存储。 全系列PROM的容量范围为1Mbit到32Mbit，兼容任何一款Xilinx的FPGA芯片，具备完整的工业温度特性，支持IEEE1149.1所定义的JTAG边界扫描协议。 PROM芯片可以分成3.3V核电压的 系列和1.8V核电压的系列两大类。Xilinx公司产品概述-PROM产品串行配置并行配置Xilinx公司软件平台介绍-开发工具 ISE Design Suite涉及了FPGA设计的各个应用方面，包括逻辑开发、数字信号处理系统以及嵌入式系统开发等FPGA开发的主要应用领域，主要包括： 1ISE De

29、sign Tools：集成开发工具 2 EDK：嵌入式开发套件 3System Generator：数字信号处理开发工具 4ChipScope Pro：在线逻辑分析仪工具 5PlanAhead：用于布局和布线等设计分析工具Xilinx公司软件平台介绍-ISE13.1软件平台数字信号处理开发工具片上系统开发在线逻辑分析仪工具 布局布线工具集成开发环境约束编辑器核生成器FPGA物理编辑器下载工具仿真库编译向导时序分析器功耗分析器Xilinx公司软件平台介绍-ISE Foundation软件 ISE Foundation软件是Xilinx公司推出的FPGA/CPLD集成开发环境，不仅包括逻辑设计所需的一切，还具有简便易用的内置式工具和向导，使得I/O分配、功耗分析、时序驱动设计收敛、HDL仿真等关键步骤变得容易而直观。Xilinx公司软件平台介绍-EDK软件 EDK是Xilinx公司推出的