FPGA硬件电路设计及FPGA平台介绍

1、FPGA硬件电路设计及FPGA平台简介,2,主要内容：,FPGA技术概述； 主流FPGA器件介绍； VIRTEX-5 FPGA电路设计； V4LX160 FPGA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

2、规模的复杂组合逻辑与设计逻辑。,6,FPGA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（Configurable Logic Block，CLB） 可编程输入输出模块（Input/Output Blocks，IOB） 可编程内部互连资源（Programmable Interconnection，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（Select I/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

3、,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

4、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。,9,FPGA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 Altera FPGA主流器件介绍 Xilinx FPGA主流器件

5、介绍,12,FPGA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FPGA,13,ALTERA公司FPGA系列 Cyclone低成本FPGA系列，针对成本敏感的应用 Cyclone 130nm工艺 Cyclone II90nm工艺 Cyclone III65nm工艺 Arria GX 带有收发器的中低成本FPGA系列，针对PCIE、千兆 以太网和Serial RapidIO Stratix 高端FPGA系列，针对高密度高性能应用 Stratix 130nm

6、工艺 Stratix II/GX90nm工艺 Stratix III L/E65nm工艺 Stratix IV E/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 Spartan IIE/II/XL 130nm工艺 Spartan 3/3E/3A/3AN/3A DSP90nm工艺 Spartan 6 LX/LXT45nm工艺 Virtex 高端FPGA系列，针对高密度高性能应用 Virtex II/IIPro130nm工艺 Virtex 4 LX/SX/FX90nm工艺 Virtex 5 LX/LXT/SXT/FXT/TXT65

7、nm工艺 Virtex 6 LXT/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 ProASIC3 nano 具有增强I/O功能的最低成本的FPGA ProASIC3L 6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Flash FPGA IGLOO/e 功耗超低的可编程FPGA IGLOO nano 业界功耗最低、尺寸最小的FPGA IGLOO PLUS 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 F

8、lash 、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Flash FPGA系列 LatticeXP 290nm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(Live Updates)、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

9、和价格,17,第2章主要内容,FPGA生产厂商介绍 Altera FPGA主流器件介绍 Xilinx FPGA主流器件介绍,18,主流低端器件Cyclone III65nm 低成本FPGA系列 特性总结,19,20,主流高端器件Stratix IV 40nm 高性能、高端FPGA Stratix IV E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、QDR II、QDR、

10、RLDRAM和RLDRAM等外部DRAM和SRAM接口，速度可到533M/Hz 4、DSP模块:具有1360个18位 x 18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LVDS IO性能在150M1.6G之间 6、时钟管理: 12个PLL，速度在5720MHz之间。还有16个全局时钟、88个象限时钟及132个外围时钟。,21,22,Stratix IV GX 优异的带宽性能和信号完整性 特性总结,23,Stratix IV GT 带有11.3-Gbps收发器 特性总结,24,主流高端器件Stratix III 65nm

11、高性能、高端FPGA Stratix III-L逻辑、存储器和DSP资源平衡 Stratix III-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 Altera FPGA主流器件介绍 Xilinx FPGA主流器件介绍,26,主流低端器件Spartan 3 90nm 低成本FPGA系列 Spartan 3密度优化的，适用于数据综合处理 Spartan 3E逻辑优化的，适用于逻辑集成和嵌入式控制 Spartan 3AIO优化的，适用于多IO应用，如桥接，存储器接口 Spartan 3AN非易失的，适用于空间受限的设计 Spartan 3A DSPDSP应用优化，适用于D

12、SP相关应用,27,Spartan 3 特性:1、DCM频率5M300M，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,Spartan 3E资源 增强特性逻辑密度高。支持多种配置方式（SPI,BPI等）,29,Spartan 3A: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,Spartan 3AN: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,Spartan 3A DSP:内嵌高性能D

13、SP模块 增强特性1内嵌基于Virtex 4的DSP48A模块，独立布线，250M处理能力 增强特性2增强了BLOCK RAM，工作频率250M,32,主流低端器件Spartan 6 45nm 低成本、低功耗FPGA系列 Spartan-6 LX具有逻辑优化的 Spartan-6 LXT具有高速串行数据连接,33,Spartan-6 LX的基本特性 1、基于双寄存器、6输入查找表的slice 2、IO支持1.2V3.3V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

14、理模块- DSP48A1 4、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NOR FLASH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-6 LXT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PCI Express设计集成了Endpoint block。,35,主流高端

15、器件Virtex5 65nm 高端高性能FPGA系列 Virtex-5 LX： 高性能通用逻辑应用 Virtex-5 LXT：具有高级串行连接功能的高性能逻辑应用 Virtex-5 SXT：具有高级串行连接功能的高性能信号处理应用 Virtex-5 FXT：具有高级串行连接功能的高性能嵌入式系统 Virtex-5 TXT：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

16、相位匹配时钟分频功能的PLL模块。 3、真双端口 RAM 模块36 Kb Block RAM/FIFO 4、高级DSP48E Slice 5、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-5 LXT、SXT、TXT、FXT的特性 1、 PCI Express 集成端点模块、 符合 PCI Express 基本规范 1.1 。 2、三态 10/100/1000 Mb/s 以太网 MAC，可以

17、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-5 LXT、SXT的特有功能 100 Mb/s 到 3.75 Gb/s 的 RocketIO GTP 收发器 Virtex-5 TXT、FXT的特有功能 150 Mb/s 到 6.5 Gb/s 的 RocketIO GTX 收发器 Virtex-5 FXT的特有功能 包含了PowerPC 440 微处理器模块（ RISC 架构、七级流水线、包括 32 KB 的指令和数据缓存）,38,Virtex-5 LX、LXT系列器件,39,Virtex-5 SXT、TXT、FXT系列器件

18、 Virtex-5 Slice 的组织方式与前几代不同。每个 Virtex-5 Slice 包含四个 LUT 和四个触发器 2. 每个 DSP48E Slice 包含一个 25 x 18 乘法器、一个加法器和一个累加器。 3. Block RAM 的基本容量为 36 Kb。每个模块也可用作两个独立的 18 Kb 模块。 4. 每个时钟管理模块 (CMT) 包含两个 DCM 和一个 PLL。,40,主流高端器件Virtex-6 40nm 高端高性能FPGA系列 Virtex-6 系列FPGA是XILINX公司最新发布的产品，目前有两个系列： Virtex-6 LXT具有高级串行连接功能的高性能逻

19、辑应用 Virtex-6 SXT具有高级串行连接功能的高性能信号处理应用,第三章Virtex 5硬件设计,42,第3章主要内容,XILINX Virtex-5详细概述 Virtex-5 硬件特性 硬件电路设计要点,43,Virtex-5 FPGA 逻辑 逻辑速度更高，比V4高12个等级 可级联的 32 位变量移位寄存器或 64 位分布式存储器功能 优异的布线架构，增强了对角线方向的布线，连接模块与模块之间的中间连线极少 多达 330,000 个逻辑单元,44,550 MHz 时钟 多达六个时钟管理模块 (CMT) 每个 CMT 包含两个 DCM 和一个 PLL - 时钟发生器总数多达 18 个

20、 灵活的 DCM 到 PLL 或 PLL 到 DCM 级联 可实现优化低抖动时钟和精确占空比的差分时钟树结构 32 个全局时钟网络，还有局部时钟、I/O 时钟和本地时钟 550 MHz DSP48E Slice 25 x 18 补码乘法运算 用于乘法累加 (MACC) 运算的可选 48 位累加器，可选择将累加器级联为 96 位构 用于复数乘法运算或乘加运算的集成加法器。 可选按位逻辑运行模式 在一个 DSP 列中完全可级联，无需外部布线资源,45,550 MHz集成模块存储器 高达 16.4 Mb 的集成模块存储器 带有可选双 18 Kb 模式的 36 Kb 模块 真双端口 RAM 单元,每端

21、口宽度可达 36 位,独立的端口宽度选择 （1 位宽到 72 位宽） 对于简单双端口运行 (一个读端口和一个写端口)，每端口宽度可达 72 位 支持 9 、18 、36 位和 72 位宽度的存储器位数及奇偶校验 / 边带存储器 从 32K x 1 到 512 x 72 的配置（8K x 4 到 512 x 72 用于 FIFO 运行） 多速率 FIFO 支持逻辑,支持同步 FIFO 具有完全可编程近满标志和近空标志的满标志和空标志 字节写功能 专用级联布线，无需 FPGA 布线即可形成 64K x 1 存储器 满足高可靠性存储器要求的集成可选 ECC 针对 18 Kb （及以下）运行的特殊降功

22、耗设计,46,Select IO 每个banks提供VRN和VRP参考电压，根据不同的参考电压提供不同的IO标准。 可以与外部具有不同电压和阈值的信号直接连接 在速度/噪声性能方面达到优化平衡 无需在单板上放置接口转换器件 IOB 可编程 可编程单端或差分 (LVDS) 运行 具有可选单倍数据速率 (SDR) 或双倍数据速率 (DDR) 寄存器的输入模块 具有可选 SDR 或 DDR 寄存器的输出模块 双向模块 逐比特去歪斜电路 专用 I/O 和区域时钟资源 内置数据串行器 / 解串器,47,支持多种差分信号标准 LVDS 和扩展 LVDS （仅 2.5V） BLVDS （总线 LVDS） U

23、LVDS Hypertransport 差分 HSTL 1.5V 和 1.8V （I 和 II 级） 差分 SSTL 1.8V 和 2.5V （I 和 II 级） RSDS （2.5V 点对点） 支持多种单端输入/输出标准 LVTTL LVCMOS （3.3V、2.5V、1.8V、1.5V 和 1.2V） PCI （33 和 66 MHz） PCI-X GTL 和 GTLP HSTL 1.5V 和 1.8V （I、II、III 和 IV 级） HSTL 1.2V （一级） SSTL 1.8V 和 2.5V （I 和 II 级）,48,数字可控阻抗(DCI) DCI即通过特定的参考电压，在芯片内

24、部提供IO管脚的特定匹配电阻 DCI使得 输出驱动器可以与板上走线的阻抗相匹配 为接收器和发送器提供端接电阻 DCI优势 通过消除短线反射来提高信号的完整性 通过减少外部电阻的使用来降低布板的复杂度和减少元器件的数目 内部的反馈电路可以消除由于温度电压和工艺变化带来的影响,49,配置 支持 Platform Flash 配置、 SPI Flash 配置或标准并行 NOR Flash 配置 主串行模式 、从 SelectMAP 模式 、主 SelectMAP 模式 、 边界扫描模式 、SPI 模式 、BPI 模式 （字节宽度外设接口标准 x8 或 x16 NOR Flash） 专用的回读重新配置

25、逻辑，可支持比特流 256 位 AES 比特流解密，可保护知识产权并防止复制设计 改进的比特流检错 / 纠错功能 自动总线宽度检测功能从动串行模式 支持冷 / 热启动的多比特流管理 (MBM) 并行菊花链 配置 CRC 和 ECC 支持，可实现最强大、最灵活的器件完整性校验 通过 ICAP 端口进行部分重配置,50,RocketIO GTP 收发器 8 - 24 个通道 RocketIO GTP 收发器，速度:100 Mb/s 到 3.2 Gb/s (6.5Gb/s)。 完全时钟和数据恢复功能 8/16 位或 10/20 位数据通路支持 集成 FIFO/ 弹性缓冲器 通道绑定和时钟校正支持 嵌

26、入式 32 位 CRC 生成 / 检查 集成的间隔符检测或 A1/A2 检测功能 可编程预加重 （AKA 发射器均衡） 可编程发射器输出摆幅 ，可编程接收器均衡 ，可编程接收器终端 嵌入式支持：带外 (OOB) 信令：串行 ATA；信标、电气空闲和 PCI Express 接收器检测 针对接收器的片上可旁路 AC 耦合 内置式 PRBS 生成器 / 校验器,51,三态 (10/100/1000 Mb/s) 以太网 MAC 符合 IEEE 802.3 经过 UNH 一致性测试 使用 SelectIO 技术的 MII/GMII 接口，或者当与 RocketIO 收发器配合使用时的 SGMII 接口

27、 半双工或全双工 支持巨型帧 1000 Base-X PCS/PMA：当与 RocketIO GTP 收发器配合使用时，可提供完全 1000 Base-X 片上实现 对微处理器的 DCR 总线连接,52,与 PCI Express 兼容的集成端点模块 与 RocketIO GTP 收发器配合使用，在尽量少用 FPGA逻辑的情况下提供全面的 PCI Express 端点功能。 符合 PCI Express 基础规范 1.1 PCI Express 端点模块或传统 PCI Express 端点模块 8 倍、4 倍、2 倍或 1 倍通道宽度 电源管理支持 用 Block RAM 作缓冲 完全缓冲式发

28、送与接收 访问 PCI Express 配置空间和内部配置的管理界面 全程支持最大有效载荷 （128 字节到 4096 字节） 最多两条虚拟通道 (VC) 循环、加权循环或严格优先级 VC 仲裁 最多 6 x 32 位或 3 x 64 位 BAR （或 32 位和 64 位组合）,53,第3章主要内容,XILINX Virtex-5模块详细概述 Virtex-5 硬件特性 硬件电路设计,54,Virtex-5速度等级,速度等级 Virtex-5速度等级分为3个等级，即-1(最慢)、-2和-3 (最快)。 不同的速度等级下，IO开关特性(LVTTL、LVCMOS、LVDS、HSTL、SSTL和G

29、TL等)、RAM、MEMORY接口(DDR、DDR2和QDDR等)、乘法器、加法器和网络接口(SFI、SPI)的速度不同。,55,Virtex-5电源特性,核心电源 VCCint = 1V10%，静态电流大小为0.3A4.2A(与型号相关)，动态电流与运行频率、使用资源等有关，可以使用Xilinx公司提供的仿真工具Xilinx Power Estimator进行评估。 辅助电源 VCCaux = 2.5V10%，静态电流大小为38mA350mA(与型号相关)，动态电流与运行频率、使用资源有关，可以使用Xilinx公司提供的工具Xilinx Power Estimator进行评估。 IO Ban

30、k电源 VCCO=1.2V3.3V10%，静态电流大小为1.5mA12mA(与型号相关),动态电流与使用的实际情况有关。 KEY保持电源 Vbat=1V3.6V,Imax=150nA。,56,差分信号标准 LVDS 和扩展 LVDS （仅 2.5V） BLVDS （总线 LVDS） ULVDS Hypertransport 差分 HSTL 1.5V 和 1.8V （I 和 II 级） 差分 SSTL 1.8V 和 2.5V （I 和 II 级） RSDS （2.5V 点对点） 单端输入/输出标准 LVTTL LVCMOS （3.3V、2.5V、1.8V、1.5V 和 1.2V） PCI （33

31、 和 66 MHz） PCI-X GTL 和 GTLP HSTL 1.5V 和 1.8V （I、II、III 和 IV 级） HSTL 1.2V （一级） SSTL 1.8V 和 2.5V （I 和 II 级）,Virtex-5 IO特性,57,IO驱动能力 LVTTL 输出电流224mA LVCMOS （3.3V 、2.5V ）输出电流224mA LVCMOS （1.8V、1.5V ）输出电流216mA LVCMOS （1.2V） 输出电流28mA IO SWITCH SPEED 不同的IO接口标准、IO电压和IO模式都会有不同的开关速度，详细数 据请参考相关器件的DATASHEET,Vir

32、tex-5 IO特性,58,第3章主要内容,XILINX Virtex-5模块详细概述 Virtex-5 硬件特性 硬件电路设计,59,FPGA型号选择,1、根据所需要的逻辑资源(LE) 和时钟资源(DCM个数)，选择具有合适大小的LE和合适数目DCM的FPGA 2、根据需要的IO数选择合适的FPGA的封装形式。 3、选择封装时考虑一下芯片的面积和布线情况。,60,选择FPGA 的配置EPROM,1、查看数据手册根据，根据FPGA的型号选择合适容量的EPROM。 2、根据需要选择相应的配置模式。 主/从 SelectMAP 模式：速度很快，连线多，不便于布线 主/从 串模式：连线少，布线方便，但速度慢 SPI模式：布线较方便，速度一般，成本低。 BPI模式：成本低，速度快，连线多，不便于布线。 3、 根据配置模式选择相应的EPROM的型号。 SelectMAP 模式和串行模式：使用XILINX公司的Platform Flash SPI模式：具有标准SPI接口的Flash 。 BPI模式：具有标准并行接口的NOR Flash 。,61,FPGA 的电