（电力电子与电力传动专业论文）基于usb和fpga技术的高性能数据采集模块的设计与实现.pdf

算机，典型机种如微控制器、微处理器、f p g a 和d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 等。嵌入式系统可靠性高、成本低、体积小、功耗少，适用于对 功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 本文提出了一种基于u s b 和f p g a 的高性能数据采集模块u s b 2 0 1 6 ( u s b 总线，a d 垂直分辨率为1 2 位，存储容量为1 6 兆) 的软硬件设计与实现方法。 该数据采集卡包括模拟输入、a d 转换、数据缓存、f p g a 控制电路和u s b 总线 接口等，在一张卡上实现了8 通道模拟信号调理、采集、处理，并可实现多卡 同步触发采集，具有高精度，低噪声，低失真和测试信号范围宽的特点。u s b l 2 0 6 配有系统驱动控制程序软件，在w i n d o w s 9 x 2 0 0 0 版本的操作平台下运行，控制 面板完全是虚拟仪器软面板，图形化界短十分友好。u s b i b o l 6 是璐b 接口技术、 f p g a 技术和嵌入式技术融为一体的结晶，已成功应用子军事测控领域。 关键词：u s bf p g a 嵌入式系统固件设备驱动 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c ed a t a a c q u i s i t i o nm o d u l eb a s e do nu s b a n df p g a m a j o r ：p o w e re l e c t r i ca n de l e c t r i ct r a n s m i s s i o n g r a d u a t e ：y i n gl i a n g a d v i s o r ：y u a n z h o n gn i n g d a t aa c q u i s i t i o np l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nm o d e mi n d u s t r ya n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，a c c o r d i n gt oi t ，t h er e q u i r e m e n t so fd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c eg e t h i 曲l yi m p r o v e d h i 曲一p e r f o r m a n c ed a t aa c q u i s i t i o ni sn e e d e di ns o m eh i g hs p e e d a n dh i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t sw h e ns i g n a lm e a s u r e m e n t s , i m a g em a n i p u l a t i o n a n da u d i of r e q u e n c ys i g n a lp r o c e s sa r et a k e n i nc u r r e n t ，h i g h s p e e da c q u i s i t i o n m o d u l e sa r em o s t l yb a s e do i lp c ib u so ri s ab u s b u tt h e yh a v eo b v i o u s d i s a d v a n t a g e ss u c ha sn o te a s yt of i x ，h i 曲c o s ta n de s p e c i a l l yt h e ya r er e s t r i c t e dt o t h es l o tn u m b e ga d d r e s sa n di n t e r r u p tr e s o u r c e s u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i sap l u g a n d - p l a yi n t e r f a c eb e t w e e nac o m p u t e r a n da d d o nd e v i c e s ( s u c ha sa u d i op l a y e r s ，j o y s t i c k s ，k e y b o a r d s ，t e l e p h o n e s ， s c a n n e r s ，a n dp r i n t e r s ) w i t hu s b ，an e wd e v i c ec a nb ea d d e dt oy o u rc o m p u t e r w i t h o u th a v i n gt oa d da na d a p t e rc a r do re v e nh a v i n gt ot u r nt h ec o m p u t e ro f f t h e u s bp e r i p h e r a lb u ss t a n d a r dw a sd e v e l o p e db yc o m p a q ，m m ，d e c ，i n t e l ， m i c r o s o f t ，n e c ，a n dn o r t h e r nt e l e c o m b e c a u s ei ti sa v a i l a b l eo na l m o s te v e r y c o m p u t e ro nt h em a r k e t ，t h eu s bi sa ne x c e l l e n tb u sc h o i c ef o rd a t aa c q u i s i t i o n a p p l i c a t i o n w ec a nd e v e l o po u rm e a s u r e m e n ta p p l i c a t i o no nad e s k t o pu s i n go u r u s bd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e ，a n dt h e nd e p l o yi to nal a p t o pt ot a k em e a s u r e m e n t si n t h ef i e l d b e s i d e sb e i n gav e r yp o p u l a rb u s ，i ti sa l s ov e r ye a s yt ou s e f p g ai st h ea b b r e v i a t i o no ff i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f p g a sa r e c h i p s ， w h i c ha r ep r o g r a m m e db yt h ec u s t o m e rt op e r f o r mt h ed e s i r e df u n c t i o n s f p g a t e c h n o l o g y h a si t so w na d v a n t a g e ss u c ha su n l i m i t e dr e - p r o g r a m m i n g ，f a s t r e - c o n f i g u r a t i o n ，h i g hp o s s i b l ed e s i g nd e n s i t ya n dg e n e r a l - p u r p o s e d ，s oi ti sa b r o a d u s e di nt h ef i e l d so f c o m m u n i c a t i o n s ，c o m p u t e ra p p l i c a t i o n s a n d i m a g e m a n i p u l a t i o n i nr e c e n t y e a r s ，a l o n g 、i t l lt h ec o m i n go fp e r v a s i v ec o m p u t i n g ，e m b e d d e d s y s t e mh a sg o t t e nas w i f td e v e l o p m e n tb e c a u s ei ti sh i g h e f f i c i e n ta n dc o m p a c t e l c e m b e d d e dt e c h n o l o g yf a c i l i t a t e st h ei n t e g r a t i o no fm u l t i - - l e v e la n dm u l t i - - s a m p l i n g c o m p u t e rt e c h n o l o g yt o d a y ，e m b e d d e ds y s t e ms p e e d su pt h ed e s i g np r o c e s so f i n d u s t r y ，a n dr e d u c e se x p l o r a t i o nc o s ta n dr i s k i tf e a t u r e ss i m p l eo p e r a t i o n ，f l e x i b l e e x p a n s i b i l i t y ，h i g h - e f f i c i e n c ya n dc o n c i s i o n i tc a nb es i m p l yu s e di ni n d u s t r yf i e l d s ot h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nv a l u e db ym o r ea n dm o r e ，g i v e n f u l lp l a yt os e l fs t r o n g ，f l e x i b l ea n ds i m p l ec h a r a c t e r i s t i c t h er a p i dd e v e l o p m e n t b e c o m e ss t r o n gd r i v i n gf o r c ef o ri n f o r m a t i o ni n d u s t r y i nt h i sp a p e r ，ad e s i g ns c h e m eo fh i g h - p e r f o r m a n c ed a t aa c q u i s i t i o nb a s e do n u s ba n df p g aa n di t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o na r ei n t r o d u c e d t h e d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ei sc o m p o s e do fa n a l o gs i g n a l si n p u t s ，a dc o n v e r t e r ， m e m o r y ，u s bc o n t r o l l e rm a df p g a nt h i sp r o j e c t ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga r ei m p l e m e n t e do nas i n g l eb o a r da n dh i g hp r e c i s i o n s y n c h r o n i z a t i o n t r i g g e r i n ga c q u i s i t i o no fm u l t i m o d u l ei s ap l u s t h em o d u l eh a s t h ec h a r a c t e r i s t i co f h i g hp r e c i s i o n ，l o wn o i s e ，l o wd i s t o r t i o na n dw i d er a n g eo f t e s t s i g n a l s t h i ss y s t e mh a ss u c c e e d e da c h i e v i n gs i g n a ls a m p l i n g ，a n a l y z i n ga n d p r o c e s s i n g t h eh i g h - s p e e dd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l eb a s e d 0 1 2u s ba n df p g ai s c o m p a t i b l ew i t hu s b2 0 b yh a v i n ga l lt h ea d v a n t a g e st h a tu s b a n df p g ah a v e ，i t w i l lb ea c c e p t e db ym o r ea n dm o r ep e o p l ei nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：u s b ，f p g a ，e m b e d d e ds y s t e m ，f i r m w a r e ，d e v i c ed r i v e r 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 1 绪论 1 1 选题背景和研究意义 随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制和 科学研究中己成为必= ；_ f i 可少的部分。在信号测量、图像处理、音频信号处理等 一些高速、高精度的测量中，都需要进行高性能数据采集。这就为数据采集 设备的设计提出了两个方面的要求：一方面，要求接口简单灵活且有较高的数 据传输率：另一方面，由于数据量通常都较大，要求主机能够对数据做出快速 响应，并及时进行分析和处理。将u s b 接口技术与f p g a 技术相结合，使 u s b l 2 0 1 6 数据采集模块具有先进型、实用性和可靠性。 传统的外设与主机的通信接口难以满足l 述第。个方面的要求。u s b 技术 正是顺应这一要求提出的，它具有较高的传输速度( u s b 协议1 1 支持最高传输 速度达1 2 m b p s ，u s b 协议2 0 支持最高传输速度可达到1 4 8 m b r l s ) ，实现了真 正意义上的“即插即用”( p l u g & p l a y ) ，同时u s b 上最多可以连接1 2 7 个外设。 因此，将u s b 技术应用于数据采集是非常适合的”1 。 目前，大规模和超大规模的可编程逻辑器件( p l d ) 得到了越来越广泛的实 际应用。可编程逻辑器件不仅使系统趋于小型化、集成化和高可靠性，而且器 件所具有的用户可编程特性，将大大地缩短系统设计周期，减小设计费用，降 低设计风险。不仅如此，部分器件除了具有用户可编程能力，还具有简单的在 线可编程( i s p ) 能力，这就为开发人员进行电子系统设计和开发提供了新手段。 采用系统内可再编程技术，使系统内硬件的功能可以像软件一样被编程配置， 从而可以实时地进行灵活的更改。这种“软硬件”的全新系统设计概念，不仅 使新一代电子系统具有极强的灵活性和适应性，还为实现许多复杂的信号处理 和信息处理提供新的思路和方法。可编程逻辑器件种类很多，其中现场可编程 门阵列( f p g a ) 编程灵活，一片f p g a 可替代1 0 0 2 0 0 片标准器件，其i o 引脚数 多达数百条。一片f p g a 就可以实现逻辑功能十分复杂的逻辑部件甚至个小型 数字系统。因此，将f p g a 技术引入到数据采集系统中，无疑会使其体积更a n d , 巧，性能更加优越。 该数据采集模块集u s b 接口与f p g a 的优点于一身，具有高精度，低噪声， 低失真和测试信号范围宽的特点。它提供8 路模拟信号输入并行采集测试通道， 1 删川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 各自进行独立的a d 转换，达1 2 位a d 转换分辨率和最高i m s p s 数据采样率。 具有高输入阻抗，每通道有独立的增益1 、2 、4 、1 0 、2 0 、4 0 、1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 、 1 0 0 0 ，可直接连接大多数传感器电压输出。每通道长达i m s a 的缓冲存储器，支 持数据采集和数据传输功能并行进行。u s b l 2 0 1 6 具有l o v 1 2 5 m v 多个量程档， 具有软件触发，信号触发，外触发多种触发方式，信号通过b n c 用同轴信号电 缆输入。u s b l 2 0 1 6 配有系统驱动控制程序软件，在w i n d o w s 9 x 2 0 0 0 版本的操 作i r 台f 运行，控制咖板先个址虚拟仪器软而板，恪i 形化界i 十分友好。 1 2 国内外发展动态 近年米，发达国家在研制和使用数据采集系统方面发展较为迅速，仪器的 性能先进，使用范围广，且耐用可靠，但价格较为昂贵，在测量功能、测量通 道和数据齐全等方面存在不同程度的缺陷。相比之下，国内测量仪器价格较低， 但是制造：i ：艺较差，可靠性和精度方面尚未严格考核过。因此，在我国现有的 基础上，融合更为先进的技术、工艺，制造出性价比更高的测量仪器不失为仪 器开发领域的一个热点。 在新世纪，以f p g a 为代表的数字系统现场集成技术发展的一些新动向，归 纳起来有以下几点： 1 ) 深亚微米技术的发展正在推动了片上系统( s o p c ) 的发展。 越来越多的复杂i c 需要利用s o p c 技术来制造。而s o p c 要利用深亚微米技 术才能实现。随着深亚微米技术的发展，使s o p c 的实现成为可能。与以往的芯 片设计不同，s o p c 需要对设计i c 和在产品中实现的方法进行根本的重新评价。 2 ) 芯片朝着高密度、低压、低功耗的方向挺进。 采用深亚微米的半导体工艺后，器件在性能提高的同时，价格也在逐步降 低。由于便携式应用产品的发展，对现场可编程器件的低压、低功耗的要求日 益迫切。因此，无论那个厂家、哪种类型的产品，都在瞄准这个方向而努力。 3 ) i p 库的发展及其作用。 为了更好的满足设计人员的需要，扩大市场，各大现场可编程逻辑器件的 厂商都在不断的扩充其知识产权( i p ) 核心库。这些核心库都是预定义的、经 过测试和验证的、优化的、可保证正确的功能。设计人员可以利用这些现成的 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 1 p 库资源，高效准确的完成复杂片上的系统设计。典型的l p 核心库有x i l i f i x 公司提供的l o g i c o r e 和a 1 l i a n c e c o r e 。 4 ) f p g a 动态可重构技术意义深远”。 随着数字逻辑系统功能复杂化的需求，单片系统的芯片正朝着超大规模、 高密度的方向发展。与此司时，人们却发现个有趣的现象，即一个超大规模 的数字时序系统芯片，在其工作时，从时问轴上来看，并不是每一瞬间系统的 各个部分都在工作，而系统是各个局部模块功能在时间链上的总成。同时，人 们还发现，基于s r a m 编程的f p g a 可以在外部逻辑的控制卜，通过存储于存储 器中不同的目标系统数据的重新下载，来实现芯片逻辑功能的改变。正是基于 这个称之为静态系统重构的技术，有人设想，能不能利用芯片的这种分时复用 特性，用较小规模的f p g a 芯片来实现更大规模的数字时序系统。在研究过程中， 有人尝试了这种设想，发现常规的s r a m 的f p g a 只能实现静态系统重构。这是 凼为该芯片功能的重新配置大约需要数毫秒到数f 毫秒量级的时间；而在重新 配置数据的过程中，旧的逻辑功能失去，新的逻辑功能尚未建立，电路逻辑在 时间轴上断裂，系统功能无法动态连接。但是，要实现高速的动态重构，要求 芯片功能的重新配置时间缩短到纳秒量级，这就需要对f p g a 的结构进行革新。 可以预见，一旦实现了f p g a 的动态重构，则将引发数字系统的设计的思想的巨 大转变，从而推动整个国内测量仪器设备的全面发展。 1 3 本文所做的工作 本文首先概述了u s b l 2 0 1 6 数据采集模块在设计过程中引入的相关新技术， 然后针对该数据采集模块的特点与要求，详细论述了其组成与工作原理，以及 硬件和软件的具体实现。最后给出了该数据采集模块进行数据采集时的部分波 形和软件界面。 1 ) 根据数据采集系统高速、高精度、高性能的要求，将u s b 接口技术和f p g a 技术； 入u s b l 2 0 1 6 的硬件设计中，使该数据采集模块具有一定的先进性、实用 性和可靠性。 2 ) 提出了一种基于1 j s b 和f p g a 的高性能数据采集设计方案。在硬件设计部 分，首先论述了该数据采集模块的组成结构和工作原理，接着详细论述数据采 集模块的硬件设方法以及f p g a 控制电路的设计思路和具体实现过程。 p u 川大学侦十学位论9 5 ( 2 0 0 5 ) 3 ) 在软件设计部分，主要是介绍了u s b l 2 0 1 6 的软件组成，包括固件程序、 驱动程序和应用程序以及各种程序的基本功能和总体实现。 4 ) 在采集模块测试部分给出了采集模块的用户界面和采集数据的波形，从 中町以看出，按照“u s b + f p c , a ”的方法开发的数据采集模块经过实际的采集测 试，完全满足技术要求。 网川大学颂土学位论) e ( 2 0 0 5 ) 2 相关新技术 2 1u s b 总线测试平台 u s b 总线规范是为实现计算机和通信集成而提出的一种用于扩充p c 体系结 构的工业标准。基于u s b 接u 的高性能数据采集模块，充分利用了u s b 总线和 虚拟仪器技术的优点，必将被越来越多的用户所接受。 21 1t l s b 概述 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是计算机与外围设备之间的一 种新式标准接口总线。u s b 具有以下几方面的特点： 1 ) 易用性。u s b 支持热插拔和即插即用。 2 ) 可扩展性。用户可以通过连接u s b 集线器到一个已有的端口来增加1 j s b 端n 数量，集线器上还可以连更多的集线器。理论上可以连接1 2 7 个外设到u s b 总线上。 3 ) 快速性。u s b i 1 版规定了两种传输速率：低速传输和全速传输。低速传 输的速率是1 5 m b p s ，全速是1 2 m b p s 。这不但远远高于传统的串口传输速率， 也比并口传输快了好多倍。最近推出的u s b 2 0 允许的最高传输速率高4 8 0 m b p s 。 4 ) 可靠性。u s b 的可靠性来自硬件设计和u s b 数据传输协议两方面的保证。 u s b 驱动器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声； u s b 协议使用了差错校验和数据重传机制，可以最大程度保证数据传输的准确 性。 5 ) 内置电源。u s b 总线内置电源线，可以给外设提供5 v 和最多5 0 0 m a 的电 源供应，满足大部分低功耗外设的电源要求。 2 12u s b 总线技术简介“1 u s b 接口只有4 根线如图2 一i 所示。其中d + 和d - 是一对差模的信号线而v b u s 和g n d 贝i j 提供了5 v 的电源。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 1 图2 1u s b 接口 u s b 设备分成t t u b 设备和功能设备两种。h u b 殴备即集线器，是u s b 即插即 用技术中的核心部分，完成u s b 设备的添加、插拔检测和电源管理等功能。功 能设备能在总线上发送和接收数据和控制信息。 u s b 硬件部分包括u s b 主机、u s b 设备( h u b 和功能设备) 和连接电缆。u s b 主机是一个带有u s b 主控制器的p c 机。u s b 主控制器根h u b 分别完成对传输 的初始化和设备的接入。u s bh u b s 除了根h u b 外，为了接入更多的设备，需 要其他u s bh u b s 。连接电缆有两种，用于全速通信的包有防护物的双绞线和用 于低速通信的不带防护物的非双绞线。 u s b 数据流如图2 2 所示。 i。 ( r b h e ui f h o t ti c t p h 卅r c d v l e * j j 目m * $ “一 h 1 f u n c l j 。n m * i ：二纛il ； ：ij 型 p i d b u n 缸7 - l l + 一 一l 舾一鬻j j 勰 忆。 u s 8l o 口i 曲l d e b u hp i l ：m f i 州，爨踹l l篙譬： ! 兰：蹈 一f 习 匹互! 窭圈p i m pm 胛bc 州- 帅no 口h 哪舯 n 洲舯 呲w _ 叫岫 $ d _ 。p h * * _ - w lu l e m mr w h p m m u 图2 2u s b 数据流图 6 、li，i 四川1 人学硕十学位论文( 2 0 0 5 ) 实际的数据传输过程如下： 设备驱动程序通过对u s b d 接口( u s bd r i v e ri n t e r f a c e ) 的调用发出输入输 出请求( i r p ，i 0r e q u e slp a c k e t ) ；u s b 驱动程序接到请求后调用t t c d 接口( h o s t c o n t r 0 1 e rd r i v e ri n t e r f a c e ) ，将i r p 转化为u s b 的传输( t r a n s f e r ) ，一个 t r p 可以包含一个或多个u s b 传输；然后h c d 将u s b 传输分解为总线操作 ( tr a n s a c t i o n ) ，由主控制器以包( p a c k e t ) 的形式发出。需要注意的是，所有的 数据传输都是由主机开始的，任何外设都无权丌始一个传输。 u s b 提供了四种传输方式：控制传输、同步传输、中断传输、批传输。它 们在数据格式、传输方向、数据包容量限制、总线访问限制等方面有着各自不 矧的特征。控制传输是双向的，主要用于没备配置，也可作设备的其他特殊用 途。批( b u l k ) 传输可以是单向或双向。用于传送大批数据。其典型应用是扫 描仪的静态图片输入。中断传输是单向的，且仪输入到主机，它用于不固定的 少量的数据传送。u s b 的中断是查询类型的。等时( i s o c h r o n o u s ) ( 同步) 传 输可以是单向或双向，用于传送连续性、实时的数据。 u s b 的所有总线操作都可以归结为三种包的传输。任何操作都是从主机开 始的，主机以预先排好的时序，发出一个描述操作类型、方向、外设地址以及 端点号的包，我们称之为令牌包( t o k e np a c k e t ) 。然后在令牌中指定的数据发 送者发出一个数据包或者指出它没有数据可以传输。而数据的目的地一般要以 一个确认包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 做出响应以表明传输是否成功。包是组成u s b 交换的基本单位，u s b 总线上的每一次交换至少需要3 个包才能完成。 2 2 嵌入式技术 近几年来，由于嵌入式技术具有简洁、高效等特点，得到飞速的发展，它 已将各种计算机技术多层次、多方面的交叉融合在一起。嵌入式技术是计算机 技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传 感器等先进技术和具体应用对象相结合的产物。嵌入式系统通常指埋藏在宿主 设备中的微处理机系统，此类计算机一般不被设备使用者注意，亦称埋藏式计 算机，典型机种如微控制器、微处理器、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 s ) 和d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 等。嵌入式系统可靠性高、成本低、体 四川 学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 积小、功耗少，且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体 积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式计算机系统相比于通用型计算机系统具有以下特点： 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，能够把通用c p u 中许多由板卡完成 的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统趋于小型化，移动能力大大增 强。 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术于各行业的 具体应用相结合的产物。这点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知i l 求成系统。 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁农、去除冗余， 力争在同样地硅片面积上实现更高地性能，这样才能在具体应用中对处理器地 选择更具竞争力。 4 ) 嵌入式系统具有较长的生命周期。 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是 不能对其中的程序功能进行修改的，必须由一套开发工具和环境才能进行开发。 7 ) 嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。 8 ) 为了支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本，要求嵌入式产品 设计者相应降低处理器性能，限制内存容量和复用接口芯片。 在本文中，f p g a 是核心处理器，用于产生所有的控制时序：采样通道控制， a d 转换控制，数据读写、存储控制，整个系统的地址分配控制等。 2 3f p g a 技术 2 3 1 可编程逻辑器件的发展历程 数字集成电路本身在不断地进行更新换代。早期的可编程逻辑器件只有可 编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存贮器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮 器( e e p r o m ) 三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ， 它能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和个“或”门阵 r 旧川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 列组成，而任意个组合逻辑都可以用“与或”表达式来描述，所以， p i _ d 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。 p a l 由一个町编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出 可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。p a l 器件是现场可编程的，它的实 现工艺有反熔丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术。还有一类结构更为灵活的逻 辑器件是可编程逻辑阵列( p l a ) ，它也由一个“与”平面和一个“或平面构 成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。p l a 器件既有现场可编程的，也 有掩膜可编程的。在p a l 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i c a r r a yl o g i c ) ，如g a l l b v 8 ，g a l 2 2 v i o 等。它采用了e e p r o d 工艺，实现了电可 按除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强 的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可以 实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较 小的电路。 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期a 1 t e r a 和x i l i n x 分别推出了类 似于p a l 结构的c p i 。d ( 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 ) 和与标准门阵列 类似的f p g a ( f ie l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，它们都具有体系结构和逻辑 单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门 阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) 相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造 成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等 优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产( 一般在l o ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应 用f p g a 和c p l d 器件”。 23 2 可编程逻辑器件概述 现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s 简称f p g a ) 是2 0 世纪8 0 年代中期出现的一种新型可编程逻辑器件。f p g a 既继承了门阵列逻辑 器件密度高和通用性强的优点，又具备可编程逻辑器件的可编程特性。f p g a 推 出后就倍受现代数字系统设计者的青睐，并由此得到迅速发展，现己广泛应用 9 - 四川大学硕士学位沦文( 2 0 0 5 1 于通信、计算机、图像处理等诸多领域，而且还在不断扩展。正是看到f p g a 强大的生命力，各生产：厂家纷纷加入此行列，使得f p g a 性能不断优化，价格不 断降低。优异的性能价格比更加促进了f p g a 的市场销售，使f p g a 成为2 0 世 纪末半导体集成电路工业中销售增长最快的产品。 尽管f p g a ，c p l d 和其它类型p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起来， 它们是由三大部分组成的，如图2 3 所示： o i _ b0 自l l _ l ：t e f bl 0 i i i 矗 f “ l b l a b f瓦i 石蔷， l a i b l l b 。1 l a b ：逻辑蚺) i p i a ：选线资源 i o b ：输入输出块 图2 3 典型p l d 框图 可编程逻辑模块( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k s ) 。 一个二维的逻辑块阵列，构成了p l d 器件的逻辑组成核心。c l b 是排列规 则的实现基本逻辑功能的单元。又叫宏单元。它遍布整个芯片。由于实现的逻 辑功能难易不同，所以c l b 的规模大小差异很大。通常按c l b 的大小划分为细 粒度( f i n e g r a i n ) 和粗粒度( c o a r s e g r a i n ) 两种。细粒度和粗粒度各具优缺 点。当然，粒度的划分形式并不拘泥一种，也可按功能块实现的布尔函数的数 目多少、等效两输入与非门的数目、晶体管的总数和总的规划面积、输入输出 数目等方法进行划分。 可编程输入输出模块( i n p u t o u t p u tb l o c k s ) i o b 完成的功能是连接芯片与外部封装，通常分布于可编程逻辑模块四周。 可编程内部互连( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t ) 。 p i 是一些各种长度的连线和可编程的连线开关，通过p i 的配置，将内部 各个c l b 、i o b 连接起来，实现系统的逻辑功能，构成用户电路。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 对用户而言，c p i d 与f p g a 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数 情况下，不加以区分。f p g a c p l d 芯片都是特殊的a s l c 芯片，它们除了具有 a s i c 的特点之外，还具有以下几个优点： 1 ) 随着v l s ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提高 ，哥一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a c p i d 芯片的规模也越来越大， 其单片逻辑门数己达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以 实现系统集成。 2 ) f p g a c p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承 担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件 环境来完成芯片的最终功能设计。所以， f p g a c p l d 的资金投入小，节省了许 多潜在的花费。 3 ) 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同 软件就可实现不同的功能。所以，用f p g a p l d 试制样片，能以最快的速度占 领市场。f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和 编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、 优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出 f p g a c p l d 的优势。电路设计人员使用f p g a c p l d 进行电路设计时，不需要具 备专门的i c ( 集成电路) 深层次的知识，f p g a c p i 。d 软件易学易用，可以使设计 人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 2 3 3f p g a 结构与原理 f p g a 的结构大致分为两种，一种是基于乘积项( p r o d u c tt e r m ) 的p l d 结 构，这种p l d 基本都是由e e p r o m 和f l a s h 工艺制造的，_ | ：电就可以工作，无 需其他芯片配合。另一种是基于查找表( l o o k u p t a b l e ) 的结构。由于本文中 所用到的f p g a 属于后者，所以只对基于查找表( l o o k u p t a b l e ) 的结构的f p g a 进行介绍。 2 3 3 1 查找表( l o o k - u p - t a b l e ) 的原理与结构 查找表( l o o k u pt a b l e ) 简称为l u t ，l u t 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成一一个有4 位地址线的1 6 x l 的 一1 l - 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) r a m 。当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电路以后，p l d f p g a 开发 软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入r a m ，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。 下面是一个4 输入与门的例子，如表2 一l 所示。 表2 14 输入与门例子 吱融、垲矧i i 蹄l 丁的。实现，j 式 i 墓当一晰 ：黜 1 笛r a i ) ，e ，i i 输八逻j 1 1 i 输) g i l l ：队m 中行f 晰的内弈 o 0 0 1 ) oo o o oo 0 0 0 l n 0 0 0 10 00 1 1 l 】l1 1 1 1l 2 3 3 2 基于查找表( l u t ) 的f p g a 的结构 a 1 t e r a 的f l e x a c e x 等芯片的结构如图2 4 所示。a 1 t e r af l e x a c e x 芯 片的内部结构如图2 5 所示。f l e x a c e x 的结构主要包括l a b ，i o 块，r a m 块( 未表示出) 和可编程行n 连线。在f l e x a c e x 中，一个l a b 包括8 个逻辑 单元( l e ) ，每个l e 包括一个l u t ，一个触发器和相关的相关逻辑。l e 是 f l e x a c e x 芯片实现逻辑的最基本结构。 l 】 川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 图2 - - 4f l e x a c e x 芯片的内部结构 一坪i c 4 图2 5 逻辑单元( l e ) 内部结构 2 3 3 3 查找表结构的f p g a 逻辑实现原理 我们还是以这个电路的为例，如图2 - 6 所示。 吕二邛云司“o p = ) _ o 图2 - - 64 输入与f - l g l j 子 a ，b ，c ，d 由f p g a 芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到 到l u t ，l u t 中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数 量l 砉j 量l 四川大学硕士学位论文( z o o s ) 据然后输出，这样组合逻辑就实现了。该电路中d 触发器是直接利用l u t 后面 d 触发器来实现。时钟信号c l k 由o 脚