（电路与系统专业论文）基于FPGA的小波包多载波调制解调的实现技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 这篇论文是在导师以前的科研基础上，进行小波包多载波调制解调技术的 f p g a 实现研究。众所周知，信号与信息处理是近二十年来发展最为迅速的学科 之一，而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 ) 正处于革命性数字信号处理的前 沿。全新的f p g a 系列正在越来越多地替代a s i c 和p d s p 用作前端数字信号处理 的运算。小波理论是近二十年来发展起来的新的数学理论与方法，它在很多领域 都得到了广泛深入地应用，与傅立叶变换、短时傅立叶变换相比，小波变换在分 析时变信号与非平稳随机信号方面具有显著的优势。基于小波小波包变换的多 载波调制( 简称小波包调制) 是小波小波包理论与多载波调制技术相结合而产 生的一种新的调制技术。它采用具有良好的正交性和时频局域性的小波包函数作 为载波，可通过快速小波d , 波包变换实现传输信号的多载波调制。大量理论分 析与仿真结果表明，基于小波包变换的多载波调制技术作为一种新的调制技术， 在提高通信系统的性能方面具有很大的优势和潜力，并且实现方案灵活多样，适 用通信环境。 本篇论文针对快速小波包m “l a t 算法，用f p g a 具体地实现了小波包综合 与小波包分解，还进行了信道编解码和网格编码调制技术的f p g a 实现研究。用 f p g a 设计电路，具有运行速度快，成本低，开发简易，可重复使用，支持的平 台多样化，芯片种类非常丰富，有很强的适应性等特点，还有很多i p c o r e 帮助 大家完成设计。通过实践证明，f p g a 在信道编解码方面有其独特的优势，在数 字信号处理方面值得更深入地研究和应用。 关键词：f p g a 小波d , 波包变换信道编码m a l l a t 算法多载波调制 a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h es c i e n t i f i cr e s e a r c ho fm yt u t o rb e f o r e ，t h i sp a p e ri n t e n d st o r e s e a r c ho nt h er e a l i z a t i o no fw a v e l e t p a c k e tm u l t i c a r r i e r s m o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o nb a s e do nf p g a i ti sw e l lk n o w nt h a ts i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s si s o n eo ft h ef a s t e s td e v e l o p i n gk n o w l e d g ei nt h en e a r2 0y e a r s a n df p g ai so nt h e e d g eo fr e v o l u t i o n a r yd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s t h ee n t i r e l yn e wf p g as e r i e sa r en o w m o r ea n dm o r eb e i n gu s e df o ro p e r a t i o no ff r o n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s si n s t e a do f a s i ca n dp d s p w a v e l e tt h e o r yh a sb e e nd e v e l o p e dj u s ti nt h ed e a l 2 0y e a r sa san e w m a t h e m a t i c st h e o r ya n dm e t h o d ，a n di th a sb e e na p p l i e dd e e p l yi nm a n yf i e l d s c o m p a r e dt of o u r i e rt r a n s f o r ma n ds h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ，w a v e l e tt r a n s f o r m h a so b v i o u sa d v a n t a g eo na n a l y z i n gt i m e v a r i a n ta n dn o n s t a b l er a n d o ms i g n a l t h e m u l t i - c a r r i e r sm o d u l a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nw a v e l e t w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o t i n ( w a v e l e tp a c k e t m o d u l a t i o n , f o rs h o r t ) i san e wt e c h n i q u eo fc o m b i n i n g w a v e l e t w a v e l e tp a c k e tt h e o r yw i t l lm u l t i c a r r i e r sm o d u l a t i o nt e c h n i q u e i ta d o p t st h e w a v e l e t p a c k e t f u n c t i o nt h a th a st h e a d v a n t a g e o f g o o do r t h o g o n a l i t y a n d t i m e f r e q u e n c yl i m i t a t i o na sc a r r i e r , m u l t i - c a r r i e r sm o d u l a t i o no fs i g n a lt r a n s p o r t a t i o n c a nb er e a l i z e db yf a s tw a v e l e t w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m i tc a nb es e e nf r o mb o t h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds o f t w a r es i m u l a t i o n st h a tm u l t i c a r r i e r st e c h n i q u eb a s e do n w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r mh a su n i q u ea d v a n t a g ea n dg r e a tp o t e n t i a li ni m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e a l i z a t i o nm e t h o d sa r ef l e x i b l ea n dv a r i o u s ， a n df i tf o rc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t t h i sp a p e rh a sr e a l i z e dw a v e l e tp a c k e ts y n t h e s i sa n da n a l y s ea c c o r d i n gt om a l l a t a r i t h m e t i cb a s e do nf p g a ，a n da l s or e a l i z e dt h ec h a n n e le n c o d i n ga n dd e c o d i n ga n d t c m c i r c u i t sd e s i g n e du s i n gf p g ah a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so f n m n i n gf a s t 1 0 wc o s t , e a s yd e v e l o p m e n t ，r e p e a t e du s a g ea n ds t r o n ga d a p t a b i l i t y a n da l s ot h e r ea l em a n y s u p p o r t i n gs o f t w a r e ，p l e n t i f u lf p g ac h i p sa n dl o t so fi p c o r et oh e l pt od e s i g n p r a c t i c ep r o v e st h a tf p g ah a ss u p e r i o r i t yo nc h a n n e le n c o d i n ga n dd e c o d i n ga n d d e s e r v e st ob es t u d i e dm o r ed e e p l ya n da p p l i e dt od i g i t a ls i g n a lp r o c e s s k e yw o r d s ：f p g a ，w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m ，c h a n n e lc o d i n g ，m a l l a ta r i t h m e t i c ， m u l t i c a r r i e r sm o d u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：与如噜签字目期：上册罗年上月，善日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：与j t _ 噜 导师签名：寺掀 签字日期：2 彳年2 月，1 日 签字日期：州年2 月f p 目 前言 众所周知，信号与信息处理是信息科学中近十几年来发展最为迅速的学科之 一，而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 ) 正处于革命性数字信号处理的前 沿。全新的f p g a 系列正在越来越多地替代a s i c 和p d s p 用作前端数字信号处理 的运算。f p g a 比a s i c 具有更多的优点，比如：在规模、重量和功耗等方面f p g a 都有所降低；f p g a 吞吐量更高、能够更好的防止未授权复制、元器件和开发成 本进一步降低，并且开发时间也能够大大缩短；f p g a 还具有在线路中可重复编 程的特性，从而可以产生更为经济的设计。而正如我们目前已经看到的，随着在 数字信号处理中的大规模应用，f p g a 正在日渐深入的影响着我们的生产和生活， 而且也将在信号与信号处理领域引起深刻的变革。 正如可编程数字信号处理器( p r o g r a m m a b l ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r p d s p ) 在近2 0 年前出现时的情形一样，如今，现场可编程门阵列 ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 正处于革命性的数字信号处理技术 的前摇。过去，前端的可编程数字信号始理( d i g i t a is i g n a ip r o c e s s i n g 。o s p ) 算法，例如f f t 、f i r 和i i r 滤波器，都是利用a s i c 或者p d s p 构建，但现在 大多为f p g a 所替代。现代的f p g a 系列都提供了支持以低系统开销、低成本实现 高速乘一累加( m u l t i p l y a c c u m u l a t e ，m a c ) 超前进位链( x i l i n xx c 4 0 0 0 ，a l t e r a f l e x ) 的d s p 算法。以前的f p g a 系列大多面向t t l “胶合逻辑”，没有d s p 函数 需要的大量的门数量。 在过去1 0 年中，f p g a 一直保持以2 0 以上的速度稳步增长，超过a s i c 和 p d s p i o 以上。这源于f p g a 具有许多与a s i c 相同的特点，比如：在规模、重量 和功耗等方面都降低了，同时还具有更高的吞吐量、更好的防止非授权复制的安 全性、降低了元器件和开发的成本，并且还降低了电路板测试成本。此外，还声 称具有优于a s i c 的优势，例如：开发实践的缩短( 快速的原型设计) 、在线路中 可重复编程的性质、更低的n r e 成本，对于需求少于1 0 0 0 个单元的解决方案而 言，还可以产生更为经济的设计。与p d s p 相比，典型的f p g a 设计采用的都是并 行操作，例如：实现多重乘一累加调用效率、消除零乘积项以及流水线操作，也 就是每个l e 都有一个寄存器，这样流水线操作就不需要额外的资源了。 在d s p 硬件设计领域中的另一个趋势就是从图形化设计入口转向硬件描述 语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，h d l ) 。尽管很多d s p 算法可以用“信 号流程图”来描述，但是现在已经发现采用基于h d l 的设计入口，其“代码复用” 大大高于图形化设计入口的“代码复用”。这就对h d l 设计工程师提出了更高的 要求。遗憾的是现在有两种流行的h d l 语言：美国西海岸和亚洲倾向于采用 v e r i o g ，而美国东海岸和欧洲则常使用v h d l 。对于用f p g a 实现d s p 而言，两 种语言似乎都非常实用，尽管一些v h d l 实例更容易阅读一些，这主要是因为在 i e e ev h d l1 0 7 6 1 9 8 7 和1 0 7 6 1 9 9 3 标准中支持有符号算法和乘除运算。这一 差距有望在新的v e r i l o gi e e e1 3 6 4 1 9 9 9 标准获得批准之后消失，而这一标准 也包括有符号算法。其他的约束条件可能包括个人的偏爱、e d a 库和工具包的可 用性、数据类型、可读性、性能和采用p l i 进行语言扩展，以及商业、企业和市 场因素等，而工具的提供商目前都支持这两种设计语占。 本论文主要研究了f p g a 在小波包多载波调制及信道编码中的应用技术。多 载波调制技术是采用多个载波进行信号调制，其实现方法是对一路高速串行信号 进行串并变换得到多路并行低速信号，再分别调制不同载波。与单载波调制相比， 多载波调制技术具有减少码间串扰( i s i ) 与脉冲干扰、提高频谱效率等优良特 性。这在现令的高速无线通信同显得尤其重要。作为一种具有高频谱效率的多载 波调制技术，o f d m ( 正交频分复用) 目前已在高速数字环路h d s l 与非对称数字环 路a d s l 、数字音频视频广播d a b d v b 、无线局域网w l a n 及c d m a 2 0 0 0 等通信领 域得到广泛应用，充分体现出了多载波调制技术的性能优势和良好的应用前景。 基于小波d , 波包变换的多载波调制技术( 简称小波包调制) 是小波1 , 波包 理论与多载波调制技术相结合而产生的一种新的调制技术。它采用不同的小波包 函数作为多载波调制中的子载波，利用小波包函数良好的正交性与时频局域特 性，可以取得较高的频谱效率和良好的抗衰落与抗干扰性能。与o f d m 相比，小 波包调制的主要优点在于可以更加灵活的配置子信道，从而更有效地抑制i s i 、 脉冲干扰、窄带干扰等的影响，更方便地实现满足不同业务质量要求的多速率信 号的传输，进一步提高无线移动通信系统的容量与性能。大量理论分析与仿真结 果表明，基于小波包变换的多载波调制技术作为一种新的调制技术，在提高通信 系统的性能方面具有很大的优势和潜力，并且实现方案灵活多样，适用通信环境， 因而具有广阔的发展前景。 本文在导师前面的科研成果基础上，对于基于小波包变换的多载波调制技术 的f p g a 实现进行了探索研究。本文第一章主要介绍了f p g a 的基础知识、应用领 域、仿真环境、发展前景和在数字信号处理方面的应用情况。第二章介绍了小波 包多载波调制技术。第三章介绍了信道编码和网格编码的f p g a 实现技术研究。 第四章介绍了小波包多载波调制的f p g a 实现技术研究。论文中给出了大量重要 模块的仿真图和波形图，其硬件描述语言程序已省略。部分源程序在具有 x c 2 s 1 0 0 芯片的d p f p g a 开发板上下载调试过，运行情况良好。 第一章p f g a 理论与设计技术 第一章f p g a 理论与设计技术 1 1f p c 射l _ 概述 1 1 1f p 卧发展历程 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路 本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、 发展到超大规模集成电路( v l s i c ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的专用集 成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由 半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路( a s l c ) 芯 片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件 ( f p l d ) ，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 。下图是a s i c 的分类“。： 图i la s i c 的分类 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。 第一章p f g a 理论与设计技术 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”门和一个“或”门阵列 组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，p l 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) 。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 l t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似 于p a l 结构的扩展型c p l 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 i e 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 ( h p p l i e 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1 0 ，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。( 注：不同厂家的叫法不尽相同，x i l i n x 把基于查找表技术，s r a m 工艺，要外挂配置用的e e p r o m 的p l d 叫f p g a ；把基于乘积项技术，f l a s h ( 类 似e e p r o m 工艺) 工艺的p l d 叫c p l d ；a 1 t e r a 把自己的p l d 产品：m a x 系列( 乘 积项技术，e e p r o m 工艺) ，f l e x 系列( 查找表技术，s r a m 工艺) 都叫作c p l d ， 即复杂p l d ( c o m p l e xp l d ) ，由于f l e x 系列也是s r a m 工艺，基于查找表技术，要 外挂配置用的e p r o m ，用法和x i l i n x 的f p g a 一样，所以很多人把a 1 t e r a 的f l e x 系列产品也叫做f p g a 。) 1 1 2f p p - 执提供厂商 f p g a ( 现场可编程门阵列) 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 的规模比较大，它 可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。这样的f p g a 实际上就是一个子系统部件。 这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。随着可编 程逻辑器件应用的日益广泛，许多i c 制造厂家涉足f p g a 领域。 目前世界上有十几家生产f p g a 的公司，最大的三家是：a l t e r a ， x il i n x ，l a t t ice ，其中a l t e r a 和x i l i n x 占有了6 0 以上的市 场份额。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 较典型的就是x i l i n x 公司和a 1 t e r a 公司的f p g a 器件，它们占有了较大的f p g a 第一章p f g a 理论与设计技术 市场。全球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。可以讲a l t e r a 和 x i l i n x 共同决定了f p g a 技术的发展方向。当然还有许多其它类型器件，如： l a t t i c e ，v a n t i s ，a c t e l ，q u i c k l o g i c ，l u c e n t 等。 a l t e r a ：九十年代以后发展很快，是最大可编程逻辑器件供应商之一。主要 产品有：m a x 3 0 0 0 7 0 0 0 ，f l e x i o k ，a p e x 2 0 k ，a c e x i k ，s t r a t i x ，c y c l o n e 等。开 发软件为m a x p l u s i i 和q u a r t u s l i 。普遍认为其开发工具- - - m a x p l u s i i 是最成功 的f p g a 开发平台之一，配合使用 1 t e r a 公司提供的免费o e m h d l 综合工具可以 达到较高的效率。 x i l i n x ：f p g a 的发明者，老牌f p g a 公司，是最大可编程逻辑器件供应商之 一。产品种类较全，主要有：x c 9 5 0 0 4 0 0 0 ，c o o l r u n n e r ( x p l a 3 ) ，s p a r t a n ，v i r t e x 等。开发软件为f o u n d i t i o n 和i s e 。通常来说，在欧洲用x i l ir l x 的人多，在日 本和亚太地区用a l t e r a 的人多，在美国则是平分秋色。全球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。可以讲a l t e r a 和x i l i n x 共同决定了f p g a 技术 的发展方向。 1 2p l d f p g a 结构与原理初步。1 1 2 1p l d f p g a 结构与原理初步一 这部分介绍一下基于乘积项( p r o d u c t t e r m ) 的p l d 结构。采用这种结构的 p l d 芯片有：a l t e r a 的m a x 7 0 0 0 ，m a x 3 0 0 0 系列( e e p r o m 工艺) ，x i l i n x 的 x c 9 5 0 0 系列( f l a s h 工艺) 和l a t t i c e ，c y p r e s s 的大部分产品( e e p r o m 工艺) 。 我们先看一下这种p l d 的总体结构( 以m a x 7 0 0 0 为例，其他型号的结构 与此都非常相似) ：这种p l d 可分为三块结构：宏单元( m a c r oc e l l ) ，可编程连 线( p i a ) 和i 0 控制块。宏单元是p l d 的基本结构，由它来实现基本的逻辑 功能。图1 2 中l a b 部分是多个宏单元的集合( 因为宏单元较多，没有一一画 出) 。可编程连线负责信号传递，连接所有的宏单元。i o 控制块负责输入输出的 电气特性控制，比如可以设定集电极开路输出，摆率控制，三态输出等。图1 2 左 上的i n p u t g c l k l ，i n p u t g c l r n ，i n p u t o e l ，i n p u t o e 2 是全局时钟， 清零和输出使能信号，这几个信号有专用连线与p l d 中每个宏单元相连，信号 到每个宏单元的延时相同并且延时最短。宏单元的具体结构见图1 3 ：左侧是乘 积项阵列，实际就是一个与或阵列，每一个交叉点都是一个可编程熔丝，如果导 通就是实现“与”逻辑。后面的乘积项选择矩阵是一个“或”阵列。两者一起完成组 合逻辑。图右侧是一个可编程d 触发器，它的时钟，清零输入都可以编程选择， 可以使用专用的全局清零和全局时钟，也可以使用内部逻辑( 乘积项阵列) 产生 第一章p f g a 理论与设计技术 的时钟和清零。如果不需要触发器，也可以将此触发器旁路，信号直接输给p i a 图1 2 基于乘积项的p l d 内部结构 黼瀚燃 翮黼 觏0 m m h 曲b 舟商虹自r 湖蒸戮囊 r 州s i n n 卜 b 怀i 嘲 l 一厂 过。 n 再0 d 。| 二掣 u c i 甜f - - - 土。 n秽 拍“0 l s i 蛔嚆峰u 矩阵 呷l 百f端 n 拔器 l j 峄l 一c t e o r 面。 霞瀚蓊蕊 鞠 一) d 一 f 丛”j ， 霞鬻 聪 s 啪 阐茹 蝴 确 t 。耕a 一 - 十a -”_ 船l y o e m o 翻咄 骆辨1 0 & p h q ” e 口mp l 轴棚嶙1 0 嘲s 图1 3 宏单元结构 或输出到f o 脚。 简单的电路可能需要一个宏单元就可以完成。但对于一个复杂的电路，一个 宏单元是不能实现的，这时就需要通过并联扩展项和共享扩展项将多个宏单元相 6 第一章p f g a 理论与设计技术 连，宏单元的输出也可以连接到可编程连线阵列，再做为另一个宏单元的输入。 这样p l d 就可以实现更复杂逻辑。 这种基于乘积项的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，一上电 就可以工作，无需其他芯片配合。 1 2 2 f p g a 结构与原理初步二 一查找表( l o o k - u p - t a bie ) 的原理与结构 目前大多数f p g a 芯片都采用这种结构：如a 1 t e r a 的f l e x ，a c e x ，a p e x ， s t r a t i x 系列，x 儿i n x 的s p a r t a n ，v i r t e x 系列等。 查找表( l o o k u p t 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 可以看成一个有4 位地址线的1 6 x l 的 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，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。 实际逻辑电路l u t 的实现方式 a 3 ：地址线ll 输出 ! i 1 b x l 圳l c 3l 一叫 ； f ) d = ) j ii 也b c ，d 输入逻辑输出地址r a m 中存储的内容 0 0 0 ( ) ( 1 ( 1 0 0 )0 0 0 ) l0( ) 0 0 l【) ( )0 】l lll1 ljj1 图卜44 输入与门 s p a r t a n i i 主要包括c l b s ，i o 块，r a m 块和可编程连线( 未表示出) 。在 s p a r t a n i i 中，一个c l b 包括2 个s 1 i c e s ，每个s l i c e s 包括两个l u t ，两个触 发器和相关逻辑。s 1 i c e s 可以看成是s p a r t a n l i 实现逻辑的最基本结构 ( x 儿i n x 其他系列，如s p a r t a n x l ，v i r t e x 的结构与此稍有不同，具体请参阅数 据手册) 。a 1 t e r a 的f l e x a c e x 等芯片的结构如图卜7 。f l e x a c e x 的结构主要 第一章p f g a 理论与设计技术 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，如图卜8 ，( a l t e r a 其 他系列，如a p e x 的结构与此基本相同，具体请参阅数据手册) 。 隅照蕊圊髑髑团 x i l i n xs p a r t a n i i 芯片内部结构s l i c e s 结构 图1 - 5x i l i n xs p a r t a n i i 的内部结构 二查找表结构的f p 6 a 逻辑实现原理 我们以这个电路的为例： o r 2 a 日 c d c l k 图1 6 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 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i o 脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直 接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与i o 脚相连，把结果输出到芯片管脚。 第一章p f g a 理论与设计技术 这样f p g a 就完成了图卜6 所示电路的功能。以上这些步骤都是由软件自动完成 的，不需要人为干预。这个电路是一个很简单的例子，只需要一个l u t 加上一个 触发器就可以完成。对于一个l u t 无法完成的电路，就需要通过进位逻辑将多个 图卜7a l t e r af l e x a c e x 芯片的内部结构 图卜8 逻辑单元( l e ) 内部结构 第一章p f g a 理论与设计技术 单元相连，这样f p g a 就可以实现复杂的逻辑。 由于l u t 主要适合s r a m 工艺生产，所以目前大部分f p g a 都是基于s r a m 工 艺的，而s r a m 工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置 芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到f p g a 中，然后f p g a 就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。也有少数f p g a 采用反熔丝或f l a s h 工艺，对这种f p g a ，就不需要外加专用的配置芯片。 f p g a 的一个l u t 只能处理4 输入的组合逻辑，但f p g a 的制造工艺确定了 f p g a 芯片中包含的l u t 和触发器的数量非常多，往往都是几千上万，p l d 一般只 能做到5 1 2 个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，f p g a 的平均 逻辑单元成本大大低于p l d 。所以如果设计中使用到大量触发器，例如设计一 个复杂的时序逻辑，那么使用f p g a 就是一个很好选择。 1 3f p 卧的开发环境 目前流行的集成f p g a 开发环境有很多，主要有a l t e r a 公司的m a x p l u s 系列，q u a r t u s 系列；x i l l n x 公司的i s e 系列和m o d e l t e c h 公司的波 形仿真工具m o d e l s i m ；还有第三方开发的软件如s y n o f s y s 公司的软件等 等。如果要精通f p g a 设计的话，必须能适应多种开发环境，根据他们各自的特 点，选择适合自己和设计要求的软件。 a l t e r a 可编程逻辑器件开发软件主要是m a x + p l u si i 和q u a r t u si i ， 其简单易学、易用、可视化、集成化设计环境等优点为业界所公认。a l t e r a 公司在推出各种可编程逻辑器件的同时也在不断升级其相应的开发工具软件。其 开发工具软件已从早期的a + p l u s 、m a x + p l u s 发展到目前的m a x + p l u si i 、 q u a r t u s 、q u a r t u s1 i 。m a x + p l u si i 和q u a r t u si i 具有完全集成化易学易用的可视 化设计环境。还具有工业标准e d a 工具接口，并可运行在多种操作平台上。 m a x + p l u si i 和q u a r t u si i 提供了一种与结构无关的设计环境，设计人员无 须精通器件的内部结构，只须运用自己熟悉的输入工具( 如原理图输入或高级行 为描述语言) 进行设计，就可通过m a x + p l u si i 和q u a r t u si i 把这些设计转 换为最终结构所需要的格式。 m a x + p l u si i 是m u l t i p l ea r r a ym a t r i xa n dp r o g r a m m a b l el o g i cu s e rs y s t e m 的缩写，它提供了与结构无关的设计环境，支持a c e x 、f l e x 、m a x 及c l a s s i c 系列器件目前已升级到1 0 2 3 版本。m a x + p l u s i i 具有开放的界面，可与其它工 业标准的e d a 设计输入、综合及校验工具相连接。提供与结构无关的设计环境， 支持多平台工作，既可以在w i n d o w s 下运行，也可在s u ns p a cs t a t i o n s 、h p 9 0 0 0 s e r i e s7 0 0 8 0 0 然后和i b mr i s cs y s t e m 6 0 0 0 工作站上运行。m a x + p l u si i 提 第一章p f g a 理论与设计技术 供丰富的逻辑功能库供设计人员调用，其中包括7 4 系列全部器件的等效功能库 和多种特殊的宏功能( m a c r of u n c t i o n ) 模块以及参数化的宏功能( m e g a f u n c t i o n ) 模块。m a x + p l u si i 还具有开放核的特点，允许设计人员添加自己的宏功能模 块。设计人员充分利用这些逻辑功能模块，可以大大减轻设计的工作量，成倍缩 短开发周期。m a x + p l u si i 软件支持各种h d l 语言设计输入，包括v h d l 、 v e f i l o gh d l 和a l t e r a 自己的硬件描述语言a h d l 。 设计流程： 使用m a x + p l u si i 的设计过程包括以下几步，若任一步出错或未达到设计 要求则应修改设计，重复以后各步，如下图所示： 夏孬磊天 _ f 磊莓研仿真与定时分析h + 、磊到完成 u 萧j l 图1 9m a x + p l u si i 的设计流程 a l t e r a 的新一代开发软件q u a r t u s1 1 支持a p e x 2 0 k 、a p e xi i 、e x c a l i b u r 、 m e r c u r y 以及s t r a t i x 等新器件系列。为了缩短设计周期和降低设计复杂度， o u a r t u si i 含有工作组计算、集成逻辑分析功能、e d a 工具集成、多过程支持、 增强重编译和i p 集成等特性。 a l t e r a 致力于提供电路设计人员都非常熟悉的逻辑开发环境。通过e d i f 网表文件、s r a m 目标文件( s o f ) 、参数化的模块库( l p m ) 、v e r i l o gh d l 、v h d l 及d e si g nw a r e 组件来共享信息，m a x + p l u si i 和q u a r t u si i 软件可与c a d e n c e 、 m e n t o rg r a p h i c s 、0 r c a d 、s y n o p s y s 、s y n p l i c i t y 、e x e m p l a rl o g i c 及v i e w l o g l e 等许多公司提供的多种e d a 工具接口。m a x + p l u s i i 编译器可以工作于p c 机及在 各种工作站平台上运行，使其成为业界唯一具有与平台和结构无关的可编程逻辑 设计环境。a l t e r a 与业界处于领先地位的e d a 工具厂商组成a c c e s s 联盟，确 保了a l t e r ae d a 工具与这些支持a l t e r a 器件的e d a 工具之间的顺畅接口。 o u a r t u si i 软件与其他设计工具之间的联系更加紧密，其他工具能够直接调 用q u a r t u s1 i 工具进行设计编辑，q u a r t u si i 也能调用其他工具进行综合仿真。 x 订i n x 的开发环境i s e 也是优秀的丌发软件，发展同样很快，6 3 版早已面 世。目前x i l i n x 公司生产的f p g a 产品价格上有优势，所阻很多设计者都选择它。 如中等规模的x c 2 s 1 0 0 芯片，它包含十万个系统门，2 7 0 0 个逻辑单元，拥有着 个芯片的d p f p g a 开发板市场价格在一千元以内。 幸运的是，不管是a l t e r a 还是x i l i n x 的f p g a 开发软件，在网上都能够免 费获取试用版，这确实给我们提供了很大的方便。 第一章p f ( ；a 理论与设计技术 图1 1 0x i l i n x 的i s e 开发环境 图1 - 1 1a l t e r a 的q u a r t u s i i 开发环境 1 2 第一章p f g a 理论与设计技术 1 4 f p g 设计方法 自计算机诞生以来，数字系统设计历来存在两个分支，即系统硬件设计和系 统软件设计。同样，设计人员也因工作性质不同，被分成两群：硬件设计人员和 软件设计人员。随着计算机技术的发展和硬件描述语占h d l ( h a r d w a r e d e s c r i p t i o r ll a n g u a g e ) 的出现，这种界限被打破。数字系统的硬件构成及其行 为完全可以用h d l 语言来描述和仿真。利用h d l 语言来设计系统硬件与利用传统 方法设计系统硬件相比，还有很多突出的优点。 传统的硬件设计方法采用自下而上( b o t t o mu p ) 的设计方法，根据系统对 硬件的要求，详细编制技术规格书，并画出系统控制流图；然后根据技术规格书 和系统控制流图，对系统的功能进行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的 功能框图；接着就是进行各功能模块的细化和电路设计；各功能模块电路设计、 调试完成后，将各功能模块的硬件电路连接起来再进行系统的调试，最后完成整 锋焉筠黼淞、卉。校窃凫拇暖忤设计力法亡p ，、设肯着总是根据系统的具体需要， 选择市场上能买到的逻辑元器件来构成所要求的逻辑电路，从而完成系统的设 计。在传统的硬件设计方法中，仿真和调试通常只能在后期完成系统硬件设计以 后才能进行“。 利用h d l 语言设计系统硬件，是采用白上而下的设计方法，就是从系统总体 要求出发，自上而下的逐步建设及内容细化，最后完成系统硬