（电力电子与电力传动专业论文）基于fgpa的基带扩频信号处理器的设计与实现.pdf

a b s t t a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo fak i n do fd s s s m as i g n a lp r o c e s s o r i sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ef p g at e c h n o l o g y w i t ht h i sp r o c e s s o r ，w ec a np r o c e s s t h eb a s e b a n ds i g n a l si nd s s s m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e r ei si m p o r t a n t t h e o r e t i e a la n dp r a e t i c a ls i g n i f i c a n c ei nd e v e l o p i n gi n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ( i p ) o ho a ro w nb a s i so f ；p r e a ds p e c t r u ms i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s t h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fe d aa n df p g aa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ， a n da r ed e s c r i b e da sw e l lt h ep r i n c i p l et h e o r ya n dc u r r e n td e v e l o p m e n ti ns p r e a d - s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h e n t h ed e s i g no fd s s s m ab a s e b a n ds i g n a l p r o e e s s o tb a s e do nf p g ai sd i s c u s s e d ，i ti sm a d eu do ft w om o a e l s 一一t h et r a n s m i t t e r a n dt h er e c e i v e r t h em o d e l so fi ta r ei m p l e m e n td e t a i l e d l yu s i n ga 1 t e r a sf l e x i o k f p g a a tl a s t ，t h es o f t w a r es i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tw i t hq u a t u si is o f t w a r ea n d s o m em o d e l sa r ep r o g r a m m e dt of p g a t h er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v e dt h ev a l i d i t y o fs c h e m ed e s i g n k e y w o r d s ：d i r e c t s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ，d q p s k ，f p g a ，q u a t u s l i ，v h d l b e h a v i o rs i m u l a t i o n u 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章绪论 1 1f p g a 技术在数据信号处理领域的应用 数字信号处理是从2 0 世纪6 0 年代发展起来的。当时，有关数字信号处理的算法如 f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ，f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 、i i r ( i n f i n i t ei m p u l s e r e s p o n s e ) 滤波器，各种谱估计、谱分析算法等，都是用软件的方法实现的。到了7 0 年 代，由于l s i ( l a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ) 技术得到了发展，才使得硬件实现数字滤波 器成为可能。经过了几十年的发展，数字信号处理技术已经在语音、图像、气象、天文、 生物医学、工业控制系统等诸多领域得到了广泛的应用。近年来，随着微电子技术的发展， 可编程逻辑器件在集成度、速度等方面的性能也获得了空前的发展，这就为d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) 的设计者们提供了全新的选择。利用f p g a c p l d ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 设计的d s p 系统既具有通用d s p 的灵 活性，又具有专用d s p 的实时性，它具有方便灵活、快度速、开发周期短、效费比高等优 点，基于f p g a 的信号处理器已广泛应用于各种信号处理领域，例如手机基站、卫星通信 系统、交换机、路由器、调制解调器以及多用途机顶盒、游戏、保安系统和流程控制器等。 f p g a 尤其适合于乘法和累加等重复性的d s p 任务。因此在复数乘法、数字滤波器设计和 f f t 等数字信号处理中表现出较大的优越性，特别是在高速数字信号处理系统中得到了较 多的应用。f p g a 提供了极强的灵活性，可让设计者开发出满足多种标准的产品。例如， 万能移动电话能够自动识别g s m 、c d m a 、t d m a 或a m p s 等不同的信号标准，并可自动重 配置以适应所识别的协议。f p g a 所固有的灵活性和性能也可让设计者紧跟新标准的变化， 并能提供可行的方法来满足不断变化的标准要求。 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 工具的出现使用户在对f p g a 设计的输入、综合、 仿真时非常方便。e d a 打破了软硬件之间最后的屏障，使软硬件工程师们有了真正的共同 语言，使目前一切仍处于计算机辅助设计( c a d ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 和规划的电子设 计活动产生了实在的设计实体。开发者使用f p g a 技术，结合相应的e d a 设计工具( 比如 q u a t u s i i 系列软件) 可使开发的产品部署到现场以后仍可进行改善或升级。这也是许多开 发者在设计中不采用a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 而选用c p l d 和 f p g a 的主要原因。由于f p g a 内部资源丰富及功能强大，以及相应的e d a 软件功能完善， 仿真能力便捷而实时，开发过程形象而直观，兼之硬件因8 8 索涉及甚少，一些e d a 专家 指出，未来的大系统f p g a 设计仅是各类再应用逻辑与i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核的 拼装。美国的t i 公司认为，一个a s i c 芯片8 0 9 6 的功能可用i pc o r e 等现成逻辑合成，可 以在很短的时间内完成十分复杂的系统设计。2 0 0 0 年下半年，x i l i n x 公司推出了千万门 级的f p g a 产品，a l t e r a 公司也推出了业界第一片基于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 技术的r o s 嵌入式处理芯片n i o s ，它特别为可编程逻辑进行了优化的设计， 其性能高达5 0 m i p s ，采用1 6 位指令集，1 6 3 2 位数据通道，5 级流水线技术，可以在平 均一个时钟周期内完成一条指令的处理。这样，新一代的f p g a 产品，已经不仅仅是完成 数字组合逻辑，更可以完成复杂的数据处理，功能大大提高，因而具有更广泛的生命力。 这些都使得基于e d a 的f p g a 开发技术将很快成为复杂数字系统设计的主流，已经逐步取 第1 章绪论 代a s i c 设计方法而成为进行现代电子系统设计的首选。 早期的f p g a 设计大都是使用f p g a 供应商提供的设计软件工具，进行门级设计。本文 首先采用v h d l 语言进行电路描述，然后使用高层次的e d a 综合工具进行综合，最后使用 f p g a 供应商提供的布局布线工具进行布局布线。要求在系统设计、综合技巧等方面就要 考虑f p g a 的特点。在代码设计时，遵从v h d l 描述系统仿真系统综合f p g a 实现这一高层次设计方法来完成系统的设计与实现。f p g a 实现数字信号处理最显著的特 点就是高速性能好。以软件方式控制操作和运算的系统速度显然无法与纯硬件系统相比， 因为软件是通过顺序执行指令的方式来完成控制和运算步骤的，而用h d l 语言描述的系统 是以并行方式工作的。 综上所述，与a s i c 和通用d s p 相比，f p g a 器件能够以高速、实时、低成本、高灵活 性的优点应用于数字信号处理领域，利用f p g a 实现数字信号处理成为数字信号处理领域 的一种新的趋势，它可以完全取代通用d s p 芯片或作为通用d s p 芯片的协处理器进行工作。 如果将通用处理器和f p g a 融合在一起，把需要多个时钟周期的运算任务交给f p g a 完成， d s p 芯片主要完成单时钟的运算和控制f p g a 的“可再配置计算”功能，这样会更好地将 两者的优势发挥出来。 1 2 扩展频谱技术研究的进展和现状 频谱是电信号的频域描述，在频域中观察、解释和分析扩展频谱信号，将带来一定 的方便。扩展频谱通信系统( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 是指将传输信息的频谱用 某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号( 对应于调制阶段) ，送入信道中传输，再利用 相应的手段将其压缩( 对应于解调阶段) ，从而获取传输信息的通信系统。扩频通信在调制 和解调上与一般的通信不同。在一般的通信中，不同的通信用户分别使用不同的频段或不 同的时隙，彼此互不干扰的通信，而在扩频通信中，使用不同的伪随机码把基带信号的频 谱进行扩展，得到宽带的低功率谱密度信号，这样，不同的用户就可以在同一频带，同一 时间通信，相互间影响极小。 扩频技术是第二次世界大战的产物，但它的起源可以追溯到上世纪2 0 年代，当初的 想法是应用在鱼雷控制系统上，采用跳频( f r e q u e n c yh o p i n g ) 的概念，控制鱼雷的无线电 信号快速地在不同的频率中跳换以期降低敌人干扰的可能。不过当时是用机械的方式来处 理这些信号( 概念来自钢琴) ，而现在的跳频则是以数字的方式来处理的。当时由于战争的 需要，同盟国和协约国都花了相当大的力量来研究干扰和反干扰技术。大战结束后，扩频 通信以其抗干扰能力强、保密好、可靠性高等特点，受到美国等发达国家的极端重视，花 费了大量的人力物力来研究和发展这种技术。1 9 5 1 年末，美陆军通信协会要求麻省理工 学院的林肯实验室为易受敌方干扰的远距离高频无线电电传通信研制一个 n o m a c ”“”。( n o i s em o d u l a t i o na n dc o r r e l a t i o ns y s t e m ) 系统，并于1 9 5 5 年由纽约州的 s y l v a n i a 电子防御实验室为美国陆军通信兵生产了名为f 9 c - h 的样机。 自5 0 年代美国军方开始对扩频通信技术进行研究后，其研究成果广泛应用于军事通 信、电子对抗以及导航、商精度测量等各个领域。到8 0 年代末冷战结束后，美国解除了 对扩展频谱技术的管制并允许其商业化。美国f c c 规划出了i s m 频段即开放频段并且可 以由采用扩频通信机制的商用通信使用。m “。 由于扩展频谱通信技术具有很强的抗干扰性能、低功率密度隐蔽传输、信息保密传输、 任意选址等特点，在通信、测距、定位、控制等诸多领域使用时都具有其独特优点，因而 火庆石油学院硕士研究生学位论文 在国际上受到普遍关注而迅猛发展。目前，各个国家为了满足日益增长的民用通信容量的 需求和有效地利用频谱资源，都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个 人通信中采用扩频技术，因此扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无 线数据通信、遥测、监控、报警等各种系统中。“”“。1 9 8 5 年，美国的q u a l c o m m ( 高通) 在加州成立，以扩展频谱技术为基础，研发出c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系 统，并于1 9 9 3 年7 月被接纳为北美数字蜂窝标准，定名为i s 一9 5 ，其载波频带宽度为 1 2 5 m h z ，信道承载能力有限，因而被称为窄带码分多址( n - c d m a ) 蜂窝通信系统。与此相 应，s c sm o b i l c o m 公司( 后与i m m 公司合并成为i n t e r d i g i t a l 公司) 提出一种宽带码分多 址( b - c d m a ) 蜂窝通信系统，其载波宽度分为5 m h z 、i o m h z 、1 5 m h z 等三种方案，信息传输 速率为1 5 5 k b s ，在1 9 9 1 年进入试验阶段后，1 9 9 3 年i n t e r d i g i t a l 公司向j t c ( j t c ，j o i n t t e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 提交了b - c d m a 技术方案并于1 9 9 5 年通过审议，成为北美数字蜂窝 移动通信的空中接口，编号为i s 一6 6 5 。第三代移动通信i m t 一2 0 0 0 标准的制定已经初步完 成，2 0 0 0 年5 月，国际电联无线大会上正式将信息产业部电信技术研究院代表我国提出 的t d s c d m a 列入世界第三代移动通信无线传输标准之一，同时成为标准的还有欧洲提出 的w c d m a 和美国等提出的c d m a 2 0 0 0 。这样，在i m t 一2 0 0 0 的第三代移动通信无线传输标准 中，都是采用了基于c d m a 扩展频谱通信技术的方案。该项技术业已成为未来移动通信技 术的首选“1 。 1 3 扩频芯片国内外的研究现状 关于扩频芯片，国外不少的公司都推出了自己的产品“。由于我国半导体生产工艺 以及设计水平的相对落后，在这方面目前还没有检索到国内的产品。国外主要的扩频芯片 供货公司有：h a r r i s 、删i 、z l o g 、s t a n f o r dt e l e c o m 等。下面在简单介绍其他几种芯片 的基础上，重点介绍s t a n f o r dt e l e c o m 的s t e l 一2 0 0 0 a 扩频处理芯片。 a m i ( a m e r i c a nm i c r o s y s t e m si n c ) 公司的扩频芯s x 0 4 3 “”“参数如下：在p n 码长 为3 1 b i t ，3 m c h i p s 每秒时，能达到l o o k b p s 的数据速率( d a t ar a t e ) ，能够实现d p s k 调 制解调功能。 z l o g 电信公司生产的z 8 7 2 0 0 0 3 直接序列脉冲调制解调芯片是全数字化芯片。该芯片 包括发送部分、接收部分和控制部分。z 8 7 2 0 0 将扩频通信收发主要电路的各个部分都集 成于一块芯片中。它具有智能化、可编程的功能，可在全双工和半双工下工作。包括差分 译码、调制器、p n 码发生器、数控振荡器、匹配滤波器、数字下变换器、功率监测器、 符号跟踪器、自动频率控制器及环形滤波器等模块。 s t a n f o r dt e l e c o m 公司生产的s t e l - 2 0 0 0 a 数字扩频脉冲调制解调芯片将扩频通信发 送和接收的主要电路的各个部分都集成在一块1 0 0 个引脚的芯片之中，是一种可编程、单 芯片、可在全双工和半双正系统工作的扩频收发芯片。s t e l - 2 0 0 0 a 扩频收、发芯片具有 如下主要特点m 1 ： ( 1 ) 2 个独立的长达6 4 位的p n 序列，分别用于同步头和数据的扩展处理，处理增益可达 1 8 d b ； ( 2 ) 可进行中频直接采样； ( 3 ) 当使用4 5 m h z 晶振时，伪码速率高达1 1 2 6 4 m c h i p s ： ( 4 ) 利用数字匹配滤波器，实现1 个符号码元内的快速捕获； 第1 章绪论 ( 5 ) 允许处理长达6 5 5 3 3 个符号的帧长； ( 6 ) 具有丰富的可编程功能使之支持各种工作模式( 如突发连续模式) ，具有功率管理的特 点便于实施发射功率控制并且具有电源管理功能，可大大降低功耗； s t e l 一2 0 0 0 a 的发送部分包括b p s k q p s k 编码器、p n 码调制器以及b p s k q p s k 调制器 等，经过这一系列处理后输出送给外部d a 转换器的数字中频信号。而将数字下变频器、 p n 匹配滤波器、差分解调器等集成在接收部分里，接收经a d 转换后的数字中频信号。 由于其实现扩频信号解扩的过程中采用了数字匹配滤波器，很好的解决了伪随机码同步过 程代价过大的问题。另外，采用了差分解调的方式，既避免了相干载波的提取和相位模糊 的问题又简化了系统的设计。 这些扩频芯片尤其是s t e l 一2 0 0 0 a 的功能相当强大：比如在使用时只需将控制信息写 入其控制寄存器中就可以对其功能实现控制，其外围电路也比较简单。但s t e l 一2 0 0 0 a 也 有很多a s i c 产品所固有的一些缺陷：比如它的大部分功能都己固化，缺少产品开发的灵 活性，因而不利于系统以后的升级。另外，随着通信技术和可编程器件的发展，以及越来 越多的公司投入到知识产权核( i pc o r e ：i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ) 的开发，使得这 类产品的市场在逐步减小，因此购买起来不仅有一定的困难，而且购后也得不到相应足 够的技术服务支持。 1 4 本文的主要工作、意义和本文的结构 本文所完成的主要设计工作即实现基于f p g a 技术的直序扩频通信系统，用以替代 s t e l 一2 0 0 0 a 等扩频芯片的应用。实现的主要功能包括：对基带信号的扩频处理、解扩处 理以及q p s k 调制与解调。本课题具有一定的实际意义，使用f p g a 技术的扩频通信系统可 以广泛地应用于油田数据通信领域中，如电力线上的扩频数据通信、油田电力系统调度的 通信、油田无线局域网络等。 本论文的主要工作内容如下： 1 ) 在广泛收集相关资料的基础上，熟悉和研究扩频通信理论及可编程逻辑设计技术，特别 是目前发展迅速的f p g a 开发技术。并对s t e l 一2 0 0 0 a 扩频芯片进行了详细的分析研究。 2 ) 对整个系统进行理论上的分析和考虑，并确定系统的主要参数。 3 ) 完成整个系统的总体设计分析和各个模块的功能划分。 4 ) 在q u a r t u si i 和m o d e l s i m 上完成各个模块的具体实现，并对它们进行功能仿真 ( s i m u l a t eb e h a v i o r a lv h d lm o d e l ) 和时序时延仿真( s i m u l a t ep o s t p l a c e & r o u t ev h d l m o d e l ) 。 本文的结构安排如下： 第二章介绍了e d a 设计技术的基础知识，并以a l t e r a 公司的e p f i o k 系列芯片为实例 介绍了f p g a 的结构和工作原理；概述了e d a 设计的工具软件q u a t u s1 1 和m o d e l s i m 的应 用以及典型的f p g a 设计的主要流程：介绍硬件描述语言v h d l 以及自顶向下的f p g a 设计 方法。 第三章主要阐述了扩展频谱通信技术概述，主要介绍扩频原理、扩频技术的分类、直 接序列扩频技术的原理、扩频信号的产生和调制与解调、扩频信号的接收处理等。 第四章讨论了基于f p g a 技术的扩频通信信号处理器的设计，包括系统模型划分以及 扩频发送、接收端的详细设计及仿真实验结果。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第2 章电子设计自动化( e d a ) 技术基础 本世纪人类将全面进入信息化社会，对微电子信息技术和微电子v l s i 基础技术将不 断提出更高的发展要求，微电子技术仍将继续是2 1 世纪若干年代中最为重要的和最有活 力的高科技领域之一。而集成电路( i c ，i n t e g r a t ec i r c u i t ) 技术在微电子领域占有重要 的地位。伴随着i c 技术的发展，电子设计自动化( e d a ，e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 也已经逐渐成为重要设计手段，其广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。e d a 是指 以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的 电子c a d 通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即i c 设计、电子电路设计和 p c b 设计。e d a 工具也已从数字系统设计的单一领域，发展到今天，应用范围已涉及模拟、 微波、等多个技术领域，可以实现各个领域电子系统设计的测试、设计仿真和布局布线等。 只要完成对电子系统的功能描述。就可以借助计算机和e d a 工具完成设计。 2 1 电子设计自动化( e d a ) 技术发展概述 e d a 技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了计算机辅助设计 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 、计算机辅助工程设计c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g d e s i g n ) 和电予设计自动化e d a ( e 1 e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 三个发展阶段”“。 一、2 0 世纪7 0 年代的c a d 阶段 早期的电子系统硬件设计采用的是分立元件。硬件设计由于集成电路的出现和应用而 进入到发展的初期阶段。这一时期的硬件设计大量采用中小规模的标准集成电路，对电子 系统的调试是在组装好的p c b 板上进行的。由于设计师对图形符号的使用数量的限制以及 手工绘图的方法无法满足产品复杂性和工作效率的要求，人们将涉及过程中高重复性劳 动，如布图布线等工作用c a d 工具替代，如美国a c c e l 公司开发的t a n g o 布线软件。e d a 技术发展的初期，p c b 布线布图工具受到计算机工作平台的制约，能支持的设计工作有限 且性能较差。 二、2 0 世纪8 0 年代的c a e 阶段 2 0 世纪8 0 年代初的e d a 工具则以逻辑模拟、定时分析、故障诊断、自动布局和布线 为核心，重点解决电路设计完成前的功能检验等问题。这样，设计师在产品制作前可以预 知功能与性能，可以生成产品制造文件，在设计阶段对产品性能的分析前进了一大步。另 外，2 0 世纪8 0 年代出现的第一个个人工作站( a p o l i o ) 计算机平台，推动了e d a 工具的迅 速发展。工作站平台不单只是计算机计算能力的增强，更主要的是人机图形界面标准的发 展。三维图形造型、窗口技术、u n i x 操作系统、网络数据交换、数据库与访问管理等一 系列的计算机科学成果的运用使得以科学计算为主要目的的计算机步入了辅助工程设计 的工作站阶段。到了2 0 世纪8 0 年代的后期，e d a 工具已经可以进行设计描述、综合与优 化、设计结果验证等工作。但是，大部分从原理图出发的e d a 工具仍然不能适应复杂电子 系统设计的要求，而且具体化的元件图形也制约着设计的优化。 三、2 0 世纪9 0 年代的e d a 阶段 这一阶段发展的e d a 工具其目的是：在设计前期将设计师从事的高层次设计工作由工 具来做，如可以将用户要求转换为设计技术规范；有效的处理可用的设计资源和理想的设 第2 章电了世计目动化( e d a ) 投术祭础 计目标之间的矛盾：按照具体的硬件、软件和算法来分解设计等。2 0 世纪g o 年代后期， 设计师逐步从使用硬件转向设计硬件，从电路级电子产品设计丌发转向系统级芯片丌发。 即片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 的集成。后来发展的电子系统设计自动化 e s d a ( e l e c t r o n i cs y s t e md e s i g na u t o m a t i o n ) 工具则以系统级设计为核心，包括系统行 为级描述与结构级综合、系统仿真与测试验证、系统划分与指标分配、系统决策与文件生 成等一整套的电子设计自动化工具。e s d a 工具不仅具有电子系统设计的能力，而且能提 供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高度抽象的设计构思的手段。例如，提供方 框图、状态图和流程图的编辑能力，具有适合层次描述和混合信号描述的硬件描述语占( 如 v h d l 、a h d l 或v e r i l o g h d l ) ，同时含有各种工艺的标准元件库。只有具备上述功能的e d a 工具，才。可能使电子系统工程师在不熟悉各种半导体厂家和各种半导体工艺的情况下完成 电子系统的设计。本课题中就使用了a 1 t e r a 公司的e d a 工具软件q u a t u s l l 4 ，0 进行了系 统的行为级描述、分析验证和综合仿真。 2 2 基于e d a 的f p g a c p l d 开发设计 2 2 1f p g a c p l d 简介 电子设计自动化系统包含专用集成电路( a s i c ，a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t s ) 、数字信号处理( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和单片机等方向，其中数字 专用集成电路的一个重要的分支就是可编程逻辑器件。可编程逻辑器件是厂家作为一种通 用性器件生产的半定制电路，用户可以通过对器件编程来实现所需要的功能。采用可编程 a s i c ，对干半导体制造厂家来说可按照一定的规格以通用器件大量生产，对于用户来说可 按通用器件从市场上选购，再由用户通过自己编程实现a s i c 的要求。由于这种方式给厂 家和用户都带来了好处，其设计成本低、使用灵活方便、开发周期短、可靠性较高等优点， 受到了越来越多的系统设计师的青睐。 可编程逻辑器件按照结构的复杂程度可以分为简单可编程逻辑器件和高密度可编程 逻辑器件。高密度可编程逻辑器件又可分为复杂可编程逻辑器件( c p l d ，c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i ed e v i e e ) 与现场可编程门阵列( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和可擦除可编程逻辑器件e p l d ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i e e ) 。c p l d 和f p g a 器件构成了可编程专用集成电路两大主要分支器件，获得了广泛的应用。 2 2 2 f p g a 与c p l d 的比较 现代的可编程器件( f p g a 和c p l d ) 都是由逻辑单元、i 0 单元和互连三部分组成的。 i 0 单元的功能基本一致，逻辑单元、互联以及编程工艺则各不相同。它们的区别又决定 了它们应用范围的差别。 除了a c t e l 公司的f p g a ，其他任何一种f p g a 和c p l d 的逻辑单元本身的结构都由与 阵列、或阵列和可配置的输出宏单元组成。f p g a 逻辑单元使用的是小单元，每个单元只 有1 到2 个触发器，其输入变量数目通常只有几个，因而采用查找表结构。这样的工艺结 构占用芯片面积小，速度高( 通常只有1 2 n s ) ，每块集成规模相同的芯片上所能集成的 单元数多，但是逻辑单元的功能弱。如果实现一个较复杂的功能。需要几个这样的单元组 合才能完成，其总延时亦是各个单元延时和互联延时的和，并且互联关系复杂。 6 大庆石油学院_ _ j ji ：研究生学位论文 c p l d 中的逻辑单元是大单元，通常其变量数大约为2 0 个到2 8 个之间。因为变量多， 所以只能采用p a l 的结构。由于其单元功能的强大，一般的逻辑在单元内部均可实现，这 样起互联关系就会相应的变得简单，般采用集总总线即可实现。电路的延时通常就是单 元本身和集总总线的延时，但同样集成规模的芯片中的触发器数量要少得多。 从上面的分析可知，小单元的f p g a 较适合数据型系统，这种系统所需的触发器数量 多，逻辑相对简单；大单元的c p l d 较适合逻辑型系统如控制器等，这种系统逻辑复杂， 输入变量多，对触发器的需求相对较少。 另外，在互连方式和延时方面c p l d 和f p g a 的差异也是明显的。c p l d 因为其单元大、 功能强，使用的是集总总线，所以其特点是总线上任意一对输入端与输出端之间的延时相 等，且是可预测的。f p g a 因为其单元小互联关系复杂，所以使用的互联方式较多，有分 段总线、长线和直接互联等方式。p i 互联方式是一种分段总线，这些总线像铁路一样分 布在各单元之间，每个p i 单元就相当于车站，可以通过配置将不同位置的单元连接起来。 显然一对单元之间的互联路径可以有多种，其传输延迟也是各不相同的。长线可以在芯片 两端的单元之间实现信号的传送，这与p i 总线相比可以看怍是直通火车。由于芯片的规 模越来越大，使用的频率越来越高，这些长线的延时相对于c p l d 就显得长了许多。直接 互联是种较快速的互连方式，但只限于单元与四周的4 个单元之间互联时使用。可见， 对于f p g a 而言，其延时是不确定的。实现同一个功能可能有不同的方案，其延时是不等 的。而且一般情况下比c p l d 大。所以在使用f p g a 开发此扩频信号处理器时，除了逻辑设 计外还要进行延时设计。 f p g a 和c p l d 都是可编程逻辑器件，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展 起来的。同以往的p a l ，g a l 等相比较，f p g a 和c p l d 的规模比较大，可以替代几十甚至 上千块通用的i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到了 世界范围内的电子系统设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司 都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的是x i l i n x 公司的f p g a 器件和系列和a l t e r a 公司的c p l d 器件系列，它们开发较早，占据了较大的p l d 市场份额。全球c p l d f p g a 产 品6 0 以上是由a l t e r a 和x i l i n x 提供的。可以说a 1 t e r a 和x i l i n x 公司共同决定了p l d 技术的发展方向。当然还有许多其他类型的器件，如：l a t t i c e 、v a n t i s 、a c t e l 、l u c e n t 等。 2 2 3p l d 的发展趋势 目前，可编程逻辑器件产业方兴未艾，继续以惊人的速度扩张。可编程逻辑器件在整 个逻辑器件市场的份额正在增长，逐步抢占固定逻辑专用集成电路( a s i c ) 市场份额。高密 度的f p g a 和c p l d 作为可编程逻辑器件的主流产品，继续全力向着高密度、高速度、低电 压、低功耗方向发展，当p l d 密度达到几十乃至上百万门时。p l d 厂商开始专注子在p l d 上集成尽可能多的系统级功能，使p l d 真正成为系统级芯片( s o c ) ，用于解决更广泛的系 统设计问题。因此，p l d 发展趋势大致可以归纳为以下几点“”“”“”。 l 、密度更高、速度更快 p l d 同a s i c 相比，具有上市时间短、设计灵活性高、投资风险小的优势。随着半导 体集成技术的不断进步，亚微米、深亚微米先进技术的应用，使得p l d 在保持竞争优势的 前提下接近a s i c 的性能称为可能。据估计再过两三年，p l d 的集成密度可高达5 千万门， 第2 章电子殴计自动化( e d a ) 技术慕础 速度可以达到6 0 0 m h z “。 2 、电压更低、功耗更小 为满足低功耗的消费类产品的需求，便携式应用产品的不断要求，p l d 厂商加快了深 亚微米先进技术的应用，使得集成电路线宽越来越细，内核电压也就相应降低。 3 、片上集成处理器 随着p l d 的集成密度达到百万门，系统级芯片设计成为可能。作为一个系统，一般要 求它应该包含至少一个c p u 、配套的存储器、标准i 0 外设以及专用数据通路。现在，已 经将“软”或“硬”形式的处理器集成到p l d 中。一个“软”处理器是一个预定义的功能 块，它可编程到p l d 中，实现处理器或为控制器的功能，通常非常灵活，并可以根据用户 的规范以多种方式配置。而“硬”处理器则是专用的功能块，直接在p l d 中实现。它的配 置是固定的，运行速度也比“软”处理器高得多。例如：a 1 t e r a 公司在e x c a l i b u r 系列 产品中嵌入一个快速c p o 内核a r m 9 ；x i l i n x 公司则在v i r t e x i ip r o 系列中集成4 个嵌入 式p o w e rp c 处理器，每个处理器的工作频率高达4 0 0 m h z ，可以用于实现高层通信协议以 及那些与接口相关的控制功能。 4 、片上集成i p 知识产权核( i pc o r e ) 在百万门级p l d 设计中应用将会越来越广泛，现在已有越来越 多的i p 核心库。用户可以利用这些预定义和预测试的软件模块在p l d 内迅速实现系统功 能。硬i p 或软i p 模块提供了从嵌入式处理器、存储器控制器、各种总线接口到复杂数字 信号处理算法在内的一切功能“”“”“”。 2 2 4 典型的f p g a 器件a l t e mf l e x l o k 系列的特点及内部结构 一、f l e x i o k 系列器件的特点 ( 1 ) f l e x i o k 系列是第一种嵌入式的可编程逻辑器件。它采用了可重构的c m o ss r a m 工艺，把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时结合了众多可编程逻 辑器件的优点，并以此来完成普通门阵列的宏功能，可提供可编程单芯片系统( s o p c ) 的集 成。 ( 2 ) f l e x i o k 系列具有高密度、低成本、低功率等特点，其集成度己达到2 5 万门，可 以开发出存储器、数字信号处理器及特殊逻辑包括3 2 位多总线系统。 ( 3 ) 系统级的特点；f l e x i o k 支持多电压接口：遵守p c i 总线规定；内带j t a g 边界扫 描测试电路；可在2 5 v 、3 3 v 、5 o v 电源电压下工作。 ( 4 ) i 0 引脚功能强大：f l e x i o k 的每个引脚都有一个独立的三态输出使能控制及漏极 开路配簧选项( o p e n d r a i no p t i o n ) ；可编程输出电压的摆率控制，可以减小开关噪声； 支持热插拔。 ( 5 ) 内部连接灵活：f l e x i o k 具有快速、可预测连线延时的快速通道( f a s tt a c k ) 连续 式布线结构；可以实现高速、多输入逻辑函数的专用级连接；实现快速加法器、计数器和 比较器的专用进位链；实现内部三总线的三态模拟：多达六个全局时钟信号和四个全局清 除信号。 ( 6 ) 封装方式多种多样：用户可以任意选择8 4 6 0 0 引脚的各种封装。封装形式有p l c c 、 t q f p 、p q f p 、p g a 、b g a 等。并且对于同一种封装，各种f l e x i o k 系列器件的引脚互相兼 容。 大庆油学院硕卅究生学位论立 二、f l e x i o k 系列器件的内部结构 f l e x i o k 系列器件主要由嵌入式阵列块、逻辑阵列块、快速通道互联和i o 单元四部 分组成( 如图2 一1 ) 。从f l e x i o k 器件的结构上看，一组逻辑单元l e ( l o g i ce 1 e m e n t ) 构成 一个逻辑阵列块，逻辑阵列块是排列成行和列的，每一行也包含了一个嵌入式的阵列块。 它们是由快速通道连接的，i 0 单元位于快速通道连线的行和列的两端。每个l e 由一个 四输入查找表( l u t ) 、一个可编程触发器、进位链和级联链组成。8 个l e 构成一个中规模 的逻辑块，如8 位计数器、地址译码器和状态机。多个l a b 组合起来可以构成更大的逻辑 块。每个l a b 代表大约9 6 个可用逻辑门。 嵌入时阵列 图2 一lf l e x i o k 系列器件的内部结构 f i g i2 - 1t h ei n n e rs t r u c t u f eo ff l e x i o ks e r i e s 器件内部信号的互连和器件引脚之间的信号互连是由快速通道( f a s t t r a c k ) 连线提供的。 f a s t t r a c k 互连是系列贯通器件长、宽的快速连续通道。 f l e x i o k 系列器件的i o 引脚由一些i o 单元( 1 0 e ) 驱动。i o e 位于快速通道行和列的 末端，每个i o e 有一个双向i o 缓冲器和一个既可作输入寄存器也可作输出寄存器的触发 器。当i o 引脚作为专用时钟引脚时。这些寄存器可以提供特殊的性能。当作为输入时， 这些寄存器可以提供少于1 6 n s 的建立时间；作为输出时，它们又可以提供少于5 3 n s 的时钟到输出延时。i o e 还具有许多其他的特性，比如j t a g 编程支持、摆率控制、三态 缓冲和漏极开路输出等。 f l e x i o k 器件还提供了6 个专用的输入引脚，用来驱动触发器的控制端，以确保控制 信号高速度、低偏移( 少于1 5 n s ) 、有效地分配。控制信号使用了专用的布线支路，具有 比快速通道更短的延迟和更小的偏移。在专用输入中，4 个输入引脚可用来驱动全局信号， 这4 个全局信号也能由内部逻辑驱动，用来进行时钟分配或产生清除器件内部多个寄存器 的异步清除信号。下面对这几部分结构作一下详细的介绍。 1 、逻辑单元l e 逻辑单元是f l e x i o k 系列器件内部结构组成的最小单元，t 可以有效地实现基本逻辑功 能，每个l e 由一个四输入查找表( l u t ) 、一个可编程触发器、进位链和级联链组成。并且 第2 章f 乜于设计自动化f e d a ) 技术基础 每个l e 有两个输出分别可以驱动局部互连和快速通道f a s t t r a c k 互连。l e 中的l u t 是一 种函数发生器，它能实现4 输入1 输出的任意逻辑函数。 l e 中的可编程触发器可以配置成d 触发器、t 触发器、 触发器和r s 触发器。触发 器的时钟( c l o c k ) 、清除( c l e a r ) 、预置( p r e s e t ) 等控制信号都可以由全局信号、通用i o 引脚或任何内部逻辑驱动。对于组合逻辑，可以将浚触发器旁路，由l u t 的输出直接驱动 l e 的输出。 l e 中的进位链用来支持高速计数器和加法器，级联链可以实现多输入逻辑函数，而 且延时很小。级联链和进位链可以连接同一个l a b 中的所有l e 和同一行中的所有l a b ， 但是进位链和级联链的大量使用会限制逻辑布线的灵活性，导致资源的浪费，因此，一般 只有在设计中要求速度的部分才使用它们。 2 、嵌入式阵列块e a b ( e m b e d d e da r r a yb l o c k ) e a b 是在输入输出口上带有寄存器的灵活r a m 块，是由一系列的嵌入式r a m 单元构成。 当要实现有关存储器功能时，每个e a b 提供2 0 4 8 个位，每一个l a b 是一个独立的结构， 它具有共同的输入、互连与控制信号它可以用来实现一般阵列宏( m e g a ) 功能，因为e a b 大而灵活，所以，它也适用于实现如乘法器、矢量定标器和错误校正电路等功能。只要这 些功能结合在一起，就可实现数字滤波器和微控制器等比较复杂的电路。 e a b 可以用来实现同步r a m ，相比较来说，同步r a m 比异步r a m 更容易使用。因为， 使用异步