（微电子学与固体电子学专业论文）xilinx+virtex4验证系统设计及实现.pdf

摘要 摘要 随着s o c 芯片设计规模的迅速扩大，其验证工作已经成为芯片设计中的重要 环节。采用f p g a 验证方法因其开发周期短且便于修改设计，不仅可以节省大量 的验证时间，还能提高验证工作的可靠性。如今大容量高速度的f p g a 的出现， 在流片前建立一个高性价比的f p g a 验证系统已经成为缩短s o c 验证时间的重要 方法。 本论文研究方向是利用x i l i n x 公司的v i r t e x 0 4f p g a 设计s o c 芯片的验 证平台，主要工作有如下三方面： 1 ：系统设计，确定采用的设计方案。根据验证平台的要求，对f p g a 型号进 行筛选后确定使用x i n l i n xx c 4 v l x l 0 0 芯片，同时选择外围存储芯片，高速插 座和电源等器件。 2 ：硬件设计，以x c 4 v l x l 0 0 为主芯片进行功能设计。f p g a 外围设计有电 源模块、下载电路模块、n a n d 蚴和s r a m 存储模块。验证平台还设计有j t a g 接口、拨码开关和l c d ，并把f p g a 富余管脚连接到高速插座。 3 ：验证平台调试与分析。对每个功能模块进行测试，同时使用v e r i l o g 语言 对 对 s r a m 存储模块编写测试程序，程序进行仿真后下载到f p g a 的功能进行测试。 个功能模块工作正常，同时交付进行芯片的f p g a 验证。在 芯片的验证中，f p g a 验证系统工作正常，很好的完成了芯片的验证工作。 关键词：f p g a ，f l a s h ，s r a m ，芯片验证 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h er a p i de x p a n s i o no fs o c c h i pd e s i g ns c a l e ，t h ev e r i f i c a t i o nw o r ki nt h ec h i p d e s i g nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tl i n k f p g av e r i f i c a t i o nm e t h o du s e di t sd e v e l o p m e n t c y c l es h o r ta n de a s yt om o d i 矽t h ed e s i g n , n o to n l yc a ns a v eal o to ft i m et ov e r i f y , b u t a l s oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fv e r i f i c a t i o nw o r k n o wl a r g e c a p a c i t yh i g h - s p e e dt h e e m e r g e n c eo ft h ef p g a ，i n - s t r e a mb e f o r et h ee s t a b l i s h m e n to fac o s t e f f e c t i v ef p g a v e r i f i c a t i o ns y s t e mt os h o r t e ns o ch a sb e c o m ea l li m p o r t a n tm e t h o dt ov e r i f yt h et i m e t h i st h e s i sr e s e a r c hd i r e c t i o ni st h eu s eo fx i l i n xv i r t e x - 4f p g as o cc h i p d e s i g nv e r i f i c a t i o np l a t f o r m ，t h em a i nw o r ko f t h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： 1 ：s y s t e md e s i g n , s e td e s i g na d o p t e dt h ep r o g r a m m e d a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n t s o fv e r i f i c a t i o n p l a t f o r m ，t h e f p g am o d e l s s c r e e n i n gx i n l i n x x c 4 v l x l0 0a f t e rd e t e r m i n i n gt h a tt h eu s eo fc h i p s ，c h o s e na tt h es a m et i m et h e e x t e r n a lm e m o r yc h i p s ，h i g h s p e e dd e v i c e ss u c ha ss o c k e t sa n dp o w e r 2 ：h a r d w a r ed e s i g n ，t ox c 4 v l x l 0 0 - b a s e dc h i pd e s i g nf e a t u r e s t h ed e s i g n i n c l u d e se x t e r n a lp o w e rm o d u l e s ，d o w n l o a dc i r c u i tm o d u l e s ，n a n df l a ha n ds r a m m e m o r ym o d u l e s v e r i f i c a t i o np l a t f o r md e s i g nj t a gi n t e r f a c e ，f o rc o d es w i t c ha n d l c d ，a n dt h es u r p l u sf p g ac o n n e c t e dt ot h eh i g h s p e e dp i ns o c k e t 3 ：v e r i f i c a t i o np l a t f o r md e b u g g i n ga n da n a l y s i s o ne a c hm o d u l ef o rt e s t i n g ，w h i l e t h eu s eo fn a n df l a s h v e r i l o gl a n g u a g ea n ds r a mm e m o r ym o d u l e sp r e p a r e db y t h et e s t i n gp r o c e d u r e s ，p r o c e d u r e sf o rs i m u l a t i o na f t e rd o w n l o a d e dt ot h ef p g a f l s a ha n ds r a mf u n c t i o n st ob et e s t e d t h ed e s i g no ft h et e s tt h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e si sw o r k i n g , a n dd e l i v e r yt o t h ef p g ac h i pv e r i f i c a t i o n i nt h ec h i pv e r i f i c a t i o n ，f p g ad e v e l o p m e n tb o a r di s w o r k i n g ，g o o dc h i pt oc o m p l e t et h ev e r i f i c a t i o nw o r k k e y w o r d s ：f p g a ，f l a s h ，s r a m ，v e r i f i c a t i o np l a t f c i i t n i i 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 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得电子科技大学或其它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 说明并表示谢意。 签名：妒永面日期：2 哟年多月锣日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：塞巨盔签 导师签名： i 圣；丢 日期：2 0 a 。o 年岁月7 日 第一章引言 第一章引言 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，为了满足嵌入式系统市场对于成本、面积和功耗的要求，s o c ( s y s t e m o n - a - c h i p ) 已经成为一个必不可少的解决办法。由于s o c 芯片的规模越来越大，其 验证工作已成为芯片设计中的重要环节，采用f p g a 验证方法因其开发周期短且便 于修改设计，不仅可以节省大量的验证时间，还能够提高验证工作的可靠性。随着 大容量高速度的f p g a 的出现，在流片前建立一个高性价比的f p g a 验证系统已经成 为缩短s o c 验证时间的重要方法 1 1f p g a 介绍 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列，它 是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用 集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 典型的f p g a 通常包含三类基本资源：可编程逻辑功能块、可编程输入输出 块和可编程互连资源。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，多个逻辑 功能块通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片；可编程输入输出块完成 芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；可编程内部互 连资源包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑 块或输入输出块连接起来，构成特定功能的电路。用户可以通过编程决定每个单 元的功能以及它们的互连关系，从而实现所需的逻辑功能。不同厂家或不同型号 的f p g a ，在可编程逻辑块的内部结构、规模、内部互连的结构等方面经常存在较 大的差异。 f p g a 主要是采用查找表结构。查找表( l o o k u p t a b l e ) 简称为l u t ，u j 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u j t ，所以每一个u j t 可 以看成一个有4 位地址线的1 6 x l 的r a d v l 。当用户通过原理图或h d l 语言描述 电子科技大学硕士学位论文 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。 下面图1 - 1 是一个4 输入与门的例子 宴际逻辑电路l u t 的实现方式 地址线 l 董j i - - - ) 一叫i - - a 输出 b 1 6 x lr 舾 c ：量 d _ i t ) a ，b ，c ，d 输入 逻辑输出地址弛砸中存储的内容 0 0 0 000 0 0 00 0 0 0 l00 0 0 l0 00 l1 l 1 l 1l 11l 图1 - 1f p g a 4 输入与门 下面用一个例子说明查找表结构的f p g a 逻辑实现原理。如图1 - 2 。 d 般 a b c d c l k 图l - 2 查找表结构f p g a 实现 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 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u j 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。这 样p l d 就完成了图3 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 无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，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， 2 第一章引言 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。 1 2f p g a 厂商 世界上目前有十几家生产c p l d f p g a 的公司，最主要公司有三家：a l t e r a ， x i l i n x ，l a t t i c e ，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，在欧 洲和美国用x i l i n x 的人多，在日本和亚太地区用a l t e r a 的人多。可以说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 ：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 l 0 k ，a p e x 2 0 k ，a c e x l k ，s t r a t i x ，c y c l o n e 等。开发软件为q u a r t u s i i 。 2 ：x i l i n x ：f p g a 的发明者，有这悠久发展历史的f p g a 公司，是最大可编 程逻辑器件供应商之一。x i l i n x 公司产品其全，主要有：x c 9 5 0 0 ，c o o l r u n n e r ，s p a r t a n ， v i r t e x 等。最近x i l i n x 公司推出了新一代的f p g av i r t e x 。5 系列芯片。该系列芯片 采用6 5 n m 工艺性能，在密度和成本上有着很大的优势。x i l i n x 开发软件为i s e 。 3 ：l a t t i c e ：l a t t i c e 是i s p 技术的发明者，i s p 技术极大的促进了p l d 产品的发 展，与a l t e r a 和x i l i n x 相比，其开发工具略逊一筹。中小规模p l d 比较有特 色，9 9 9 年推出可编程模拟器件。9 9 年收购v a n t i s ( 原a m d 子公司) ，成为第三大 可编程逻辑器件供应商。2 0 0 1 年1 2 月收购a g e r e 公司( 原l u c e n t 微电子部) 的 f p g a 部门。主要产品有i s p m a c h 4 0 0 0 ，e c e c p ，x o ，x p 以及可编程模拟器件等 4 ：a c t e l ：反熔丝( 一次性烧写) p l d 的领导者，由于反熔丝p l d 抗辐射， 耐高低温，功耗低，速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。a l t e r a 和 x i l i n x 则较少涉足军品和宇航级市场。 5 ：c y p r e s s ：p l d f p g a 不是c y p r e s s 的主要业务，但有一定的用户群 6 ：q u i c k l o g i c ：专业p l d f p g a 公司，以一次性反熔丝工艺为主，有一些集 成硬核的f p g a 比较有特色，但总体上在中国地区销售量不大。 7 ：a t m e l ：p l d f p g a 不是a t m e l 的主要业务，中小规模p l d 做的不错。 a t m e l 也做了一些与a l t e r a 和x i l i n x 兼容的片子，但在品质上与原厂家还是有一 些差距，在高可靠性产品中使用较少，多用在低端产品上。a t m e l 代理较多，有 3 电子科技大学硕士学位论文 五，六家。 8 ：w s i ：生产p s d ( 单片机可编程外围芯片) 产品。这是一种特殊的p l d ，如 p s d 8 x x ，p s d 9 x x ，集成了p l d ，e p r o m ，f l a s h ，并支持i s p ( 在线编程) ，价格偏贵一 点，但集成度高，主要用于配合单片机工作。2 0 0 0 年8 月w s i 被s t 收购。 4 第二章系统设计 2 1 项目来源与要求 第二章系统设计 弟一早糸z 冗阪1 1 r 公司一款大型的s o c 芯片代码需要进行f p g a 验证，代码大约有6 0 万f p g a l o g i cg a m e s 。公司原有的f p g a 验证系统使用f p g a 型号是x i l i n xv i r t e x e 系列的x c v l 0 0 0 e 芯片，这个型号的f p g a 包含的3 3 1 7 7 6 个l o g i cg a m e s 。所以 原来的f p g a 验证平台已经不能满足芯片验证的要求，需要进行新的f p g a 验证 平台的设计。 f p g a 验证平台的设计要求： ( 1 ) 验证系统选用的f p g a 芯片l o g i cg a m e s 要8 0 万门以上，同时f p g a 供用户使用的管脚有5 0 0 个以上。 ( 2 ) f p g a 外围需要设计有n a n df l a s h 和s r a m 存储芯片。s r a m 存 储容量在2 m 以上，f l a s h 容量在1 6 m 以上。 ( 3 ) 为方便调试，验证平台上要设计有两个j t a g 接口，拨码开关和l e d 显示灯。 ( 5 ) 验证平台要有2 0 0 个以上f p g a 管脚连接到外部插座上，方便进行二 次开发。 2 2 市场调研 如今f p g a 生产最主要公司有三家：a l t e r a ，x i l i n x ，l a t t i c e ，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，可以说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。所以f p g a 芯片在a l t e r a 和x i l i n x 两家公司中选择。 a l t e r a 公司1 9 8 3 年成立，总部在美国加州，是专业设计、生产、销售高性能、 高密度可编程逻辑器件( p l d ) 及相应开发工具的一家公司。从公司成立至今，a l t e r a 公司一直在同行业中保持着领先地位，1 9 8 4 年a l t e r a 公司推出e p 3 0 0 系列世 界上第一个易抹除可编程逻辑器件，成为世界上第一个p l d 器件供应商，同时也 成功开发了第一个基于p c 机的开发系统。在a l t e r a 公司产品中l o g i cg a m e s 要8 0 万门以上的型号主要集中在s t r a t i xi i 系列。 5 电子科技大学硕士学位论文 s t r a t i xi if p g a 采用t s m c 的9 0 n m 低k 绝缘工艺技术生产，等价逻辑单元( l e ) 高达18 0 k ，嵌入式存储器达到9 m b i t s 。s t r a t i xi i 不但具有较高的性能和密度，还 针对器件总功耗进行了优化。表2 1 是s t r a t i xi i 产品基本数据。 表2 - 1s t r a t i xi i 产品基本数据 f e a t h e r e p 2 s 1 5e p 2 s 3 0e p 2 s 6 0e p 2 s 9 0e p 2 s 1 3 0e p 2 s 1 8 0 a l m 6 2 4 0 1 3 5 5 22 4 1 7 6 3 6 3 8 4 5 3 0 1 67 1 7 6 0 a l u t1 2 4 8 02 7 1 0 44 8 3 5 27 2 7 6 81 0 6 0 3 21 4 3 5 2 0 e q u i v a l e n t 1 5 6 0 03 3 8 8 06 0 4 4 09 0 9 6 0 1 3 2 5 4 0 1 7 9 4 0 0 l e s m 5 1 21 0 42 0 23 2 94 8 86 9 99 3 0 r a m b l o c k m 4 kr a m7 81 4 42 5 54 0 86 0 97 6 8 b l o c k m r ol2469 b l o c k s t o t a lr a m4 1 9 3 2 81 3 6 9 7 2 82 5 4 4 1 9 24 5 2 0 4 8 86 7 4 7 8 4 09 3 8 3 0 4 0 b i t s d s pb l o c k s1 21 63 64 86 39 6 1 8 b i tx1 84 86 41 4 41 9 22 5 23 8 4 b i t m u l t i p l i e r s e n h a n c e224444 p l l s f a s t 4 48888 p l l s m a x i m u m35791 11 u s e r i o6o1o2 61 p i n s 6o827 o 6 第二章系统设计 x i l i n x 公司是可编程逻辑产品的完全供应商，可以提供包括半导体i c 、软件 开发工具、定制系统和技术支持等一整套的产品和服务。公司成立于1 9 8 4 年，总 部设在美国加州圣约瑟市，是现场可编程门阵列( f p g a ) 的发明者，其产品占有 当今该类器件需求的半数以上，所生产的产品被应用于计算机、外围设备、电信、 网络、工业控制、仪器、高可靠性军用设备和消费电子设备等。在a l t e r a 公司产 品中l o g i cg a m e s 要8 0 万门以上的型号主要集中在v i r t e x 4 系列。 x i l i n x 的v h - t e x 4 系列将高级硅片组合模块( a s m b l ) 架构与种类繁多的 灵活功能相结合，大大提高了可编程逻辑设计能力，从而成为替代a s i c 技术的 强有力产品。v i r t e x 4f p g a 由l x 、f x 和s x 三个平台系列组成，为满足各种 复杂应用提供多种功能选择和组合。v t r t e x 4 硬口核的庞大阵列包括p o w e r p c 处理器( 带有新型a p u 接口) 、三态以太网m a c 、6 2 2m b s 到6 5g b s 串行 收发器、专用d s ps l i c e 、高速时钟管理电路和源同步接口块。基本的v i r t e x 4 构 建模块是原来的构建模块( 可见于流行的v i r t e x 、v i r t e x e 、v i r t e x i i 、v i r t e x i ip r o 和v i r t e x i ip r ox 产品系列) 的增强版本，所以上一代设计可以向上兼容。v i r t e x 一4 器件采用最先进的9 0n l l l 铜工艺，使用3 0 0i n l n ( 1 2 英寸) 晶体技术生产。 v i r t e x 一4 系列特性提要： ( 1 ) 三个系列l x s x f x v i r t e x 4l x ：高性能逻辑应用解决方案 v i r t e x 4s x ：高性能数字信号处理( d s p ) 应用解决方案 v h t e x 4f x ：高性能全功能嵌入式平台应用解决方案 ( 2 ) x e s i u m 时钟技术 数字时钟管理器( d c m ) 块 附加的相位匹配时钟分频器( p m c d ) 一差分全局时钟 ( 3 ) s m a r tr a m 存储器层级 分布式r a m 双端口1 8k br a m 块 ( 4 ) s e l e c t i o 技术 7 电子科技大学硕士学位论文 1 5 v 到3 3 vi o7 - 作电压 - 内置c h i p s y n c 源同步技术 数控阻抗( d c i ) 有效终端细粒度i o 组布局( 在一个组中配置) ( 5 ) 灵活的逻辑资源 ( 6 ) 安全芯片a e s 比特流加密 ( 7 ) 1 2 v 核电压 表2 - 2 是s t r a t i xi i 和v i r t e x 4 系列性能比较 表2 - 2s t r a t i xi i 与v i r t e x 一4 性能比较 性能 v i r t e x - 4s t r a t i xi iv i r t e x - 4 优势 i ol v d s a 带宽4 8 0 g3 1 2 g1 6 倍 存储器接口：最宽 2 6 0 g b p s8 6 4 g b p s 3 倍 的数据总线 片上r a m 6 5 g b p s6 3 7 5 g b p s 1 0 2 倍 d s p 性能5 0 0 m h z3 4 8 m h z1 4 倍 嵌入式处理 7 0 2 d i p s2 2 5 d i p s 3 1 倍 结构性能1 o0 8 71 1 5 倍 综合上面的比较，可以看到v i r e x - 4 比s t r a t i xi i 有比较大的性能优势，同时验 证系统设计为了方便芯片设计人员的使用，同时尽量延续公司原有验证系统的设 计特点，所以f p g a 芯片选用x i l i n x 公司v i r t e x 4 系列产品。 在市场上提供x i l i n xf p g a 验证平台的公司有安富利，h a r d y ，h i t e c h g l o b a l 公司等。下面是两款比较有代表性的f p g a 开发板。 第一款是由安富利公司设计的v i r t e x - 4 的f p g a 开发板。安富利公司是 x i l i n xf p g a 主要的分销商之一，同时该公司设计的f p g a 开发板一直具有很高 的品质。该公司为v i r t e x - 4 设计的f p g a 开发板型号是x l xv 4l x l 6 0 2 0 0 ，开 发板的特点如下： 1 ：f p g a x i l i n xv i r t e x 一4x c 4 v l x l6 0 一f f l513f p g ao r x i l i n xv i r t e x - 4x c 4 v i x 2 0 0 f f1513f p g a 8 第二章系统设计 2 ：开发板接口 6 个共1 4 0 p i n 与f p g a 连接的普通插座，1 个1 2 0 p i n 与f p g a 连接的差分 信号插座。 3 3 v6 4 - b i t6 6 10 0m h zp c i p c i x 接口。 2 个2 6 p i n 插针插座。 3 ：外部存储 - m i c r o nd d rs d r a ms o d i m m ( 12 8 m b ) 一1 6 m b f l a s h 4 ：通信接口 - r s 2 3 2 接口 u s b 2 0 接口 一1 0 1 0 0 mm a c 接口 5 ：电源 一5 v 电压供电，提供3 3 ，v 2 5 v 和1 2 v 电压 6 ：下载方式 - 2 个x c f 3 2p r o m - j t a g 串行下载 一并行下载 第二款f p g a 开发板是由h a r d y 公司设计的，开发板型号为h a p s 3 1 ，开 发板的框图如图2 1 ： 9 5 ； 鞠 p w rp r 1 0 协d d e 晰d * b o tp c , 岫r t o i f r o m l b o t 帅s i d e o o n n 6 c t o r a d d 州崎h er o u g e o 2 姒18 vt 吖) 35 vf = e d 33 v a 5 4 n o l m o 埘t e d o n 6 蚰r 出w ml 州nl x o r 出 图2 - ih a p s 3 1 框图 该开发板的特点如下： 一x i l i n xv i n e x - 4 器件l x 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 6 0 一信号范围：1 g b p sl v d s 7 3 9o 、i o 一外部普通晶振输入 一外部差分晶振输入 一f p g a 时钟输出 0 第二章系统设计 一可编程时钟产生器 一i o 电压 ( 1 ) 电压可调节i o 。i o 电压可调节为3 3 ，v 2 5 或v 1 5 v ( 2 ) 电压固定为3 3 vi o ( 3 ) 电压固定为2 5 vi o p r o m ，g t a g 和c o m p a c t f l a s h 下载 一板上电压和温度监测 一内部自身检测 一后备电池加密装置 一5 v 电源供电 2 3f p g a 选型 f p g a 芯片选用x i l i n x 公司v i r t e x - 4 系列产品表2 3 是l x ，s x 和f x 三 种芯片的一些基本的数据。 表2 - 3v i r t e x - 4 产品数据 d e v i c e l o g i c s l i c e sm a xb l o c kr a mt o t a lm a x c e l ld i s t r i b u t ei ou s e r 1 8 km a x r a m ( k b ) b a n ki o b l o c kb l o c k r a m ( k b ) x c 4 v l x 4 04 1 4 7 21 8 4 3 22 8 89 61 7 2 81 36 4 0 x c 4 v l x 6 05 9 9 0 42 6 6 2 44 1 61 6 0 2 8 8 01 36 4 0 x c 4 v l x 8 08 0 6 4 03 5 8 4 05 6 02 0 03 6 0 01 57 6 8 x c 4 v l x l0 01 1 0 5 9 24 9 1 5 27 6 82 4 04 3 2 01 79 6 0 x c a v l x l 6 01 5 2 0 6 4 6 7 5 8 41 0 5 62 8 85 1 8 41 79 6 0 x c 4 v s x 2 52 3 0 4 21 0 2 4 01 6 01 2 82 3 0 49 3 2 0 电子科技大学硕士学位论文 x c 4 v s x 35 3 4 5 6 0 1 5 3 6 0 2 4 01 9 23 4 5 61 14 4 8 x c 4 v s x 5 55 5 2 9 62 4 5 7 68 43 2 05 7 6 01 36 4 0 x c 4 v f x 2 01 9 2 4 48 5 4 41 3 46 81 2 2 4 9 3 2 0 x c 4 v f x 4 04 1 9 0 41 8 6 2 42 9 1 1 4 4 2 5 9 2 1 14 4 8 x c 4 v f x 6 05 6 8 8 02 5 2 8 03 9 52 3 24 1 7 61 35 7 6 x c 4 v f x l0 01 4 2 1 2 86 3 1 6 89 8 75 5 29 9 3 6 1 78 9 6 从表2 3 可以看到，l x 系列的f p g a 芯片l o g i cg a m e s 相对来说比较多，并 且供用户使用的管脚比其他两个系列的芯片多。s x 系列的f p g a 芯片更多用于信 号处理( d s p ) 上，它所包含了更多的d s ps l i c e s ，而l o g i cg a m e s ，b l o c k 和供用 户使用的p i n 脚比较少。f x 系列的f p g a 嵌入了比较多m ，如p o w e r p c 和m a c 等，这些口在芯片的验证中使用的机会比较少。综合比较后，决定使用l x 系列 的芯片，在l x 系列中，l o g i cg a m e s 有一百万门左右的芯片，就是x c 4 v l x l 0 0 。 在x c 4 v l x l 0 0 芯片中有两种封装方式，一种是f f l l 4 8b g a 封装，一种是f f l l 5 2 封装。f f l l 5 2 封装供用户使用的p i n 达到9 6 0 个，但因为芯片是3 9 x 3 9 阵列实心 的b g a 封装，这样在p c b 制作时需要较多的层数，考虑到制板的成本，选用 x c 4 v l x l 0 0 一f f l l 4 8 芯片，芯片速度选择1 0 等级。 2 3 1x c 4 v l x l0 0 芯片技术参数 x c 4 v l x l 0 0 f f l l 4 8 芯片包含的l o g i cc e l l s 有1 1 0 5 9 2 个，内部的有2 4 0 个 1 8 k 的b l o c kr a m ，r a m 的总数有4 3 2 0 k 。芯片中供用户使用的p i n 有7 6 8 个。 芯片由1 4 个b a n k 组成，每个b a n k 单独供电。芯片内部逻辑电路使用1 2 v 的 供电。 2 3 2x c 4 v l x l o o 管脚功能 x c 4 v l x l 0 0 的管脚主要分为了配置管脚( c o n f i g u r a t i o np i n s ) ，用户管脚( u s e r i 0p i n s ) 和保留管脚( r e s e r v e dp i n s ) 。 配置管脚( c o n f i g u r a t i o np i n s ) 管脚是f p g a 下载时使用，主要是和f p g a 配 置芯片连接来组成下载链路。 保留管脚( r e s e r v e dp i n s ) 是f p g a 芯片中一些特殊功能的管脚，用户可以根 据f p g a 的使用说明中对这些管脚进行合适的连接，如有的管脚需要接地，有些 管脚需要接2 5 v 等。 1 2 第二章系统设计 用户管脚( u s e ri op i n s ) 是一些供用户使用的管脚，这些管脚是由三态门控 制，可以当作输入，输出口。在v t r t e x - 4 系列中这些管脚可以复用，也就是说一个 管脚可以实现多种功能。表2 - 1 是v i r t e x 4 管脚的说明。 表2 _ 4v i r t e x - 4 管脚的说明 p i n n a m ed i r e c t i o n d e s c r i p t i o n u s e ri op i n s i oi x x y 撑 i n p u t o u t p u t a l lu s e ri op i n sa r ec a p a b l eo fd i f f e r e n t i a l s i g n a l i n g a n dc a n i m p l e m e n t l v d s ， l v d s e x t , u l v d s ，l v p e c lo rl d tp a i r s e a c hu s e ri oi sl a b e l e d “i o _ l x x y m u l t if u n c t i o np i n s i ol x 3 ( yz z z 撑 m u l t i f u n c t i o np i n s a r el a b e l e d “i o l x x y 一# w h e r e ： i oi n d i c a t i o n sau s e ri op i n l x x yi n d i c a t e sad i f f e r e n t i a lp a i rw i t hx x a u n i q u ep a i ri nt h eb a n ka n dy = p n 】f o rt h e p o s i t i o n n e g a t i v e s i d e so ft h ed i f f e r e n t i a l p a i r 从表2 4 中我们可以看到，每个管脚能实现的功能可以从每个管脚描述中的 “z z z 中可以看到。表2 5 是v i r t e x4 管脚能实现的功能。 表2 5v i r t e x4 管脚功能说明 a d c n i n p u t o u t p u t a d c1t h r o u g ha d c 7i n p u tp i n sa r er e s e r v e df o rf u t h e r u s eb u tc a nb eu s e df o ri oo ro t h e rd e s i g n a t e d f u n c t i o n s d n i n p u t o u t p u t i ns e l e c t m a pm o d e ，d ot h r o u g hd 31a r ec o n f i g u r a t i o n d a t a p i n s t h e s ep i n s b e c o m eu s e ri o sa f t e r c o n f i g u r a t i o n u n l e s st h es e l e c t m a pp o r ti sr e t a i n e d c c i n p u t o u t p u t t h e s el o w e rc a p a c i t a n c ec l o c kp i n sc o n n e c tt oc l o c k c a p a b l ey o s t h e s ep i n sd on o ts u p p o r tl v d so u t p u t s ， a n dt h e yb e c o m er e g u l a ru s e ri o sw h e nn o tn e e d e df o r c l o c k s 1 3 电子科技大学硕士学位论文 g c i n p u t o u t p u t t h e s el o w e rc a p a c i t a n c ec l o c kp i n sc o n n e c tt og l o b a l c l o c kb u f f e r s t h e s ep i n sd on o ts u p p o r tl v d so u t p u t s ， a n dt h e yb e c o m er e g u l a ru s e ri o sw h e nn o tn e e d e df o r e l o c k s l c i n p u t o u t p u t t h e s el o w e rc a p a c i t a n c ep i n sd on o ts u p p o r tl v d s o u t p u t s s m n i n p u t o u t p u t s m1 t h r o u g hs m 7i n p u tp i n sa r er e s e r v e df o rf u t u r e u s eb u tc a l lb eu s e df o ri oo ro t h e rd e s i g n a t e d f u n c t i o n s v r e f i n p u t o u t p u t t h e s ea r ei n p u tt h r e s h o l dv o l t a g ep i n s t h e yb e c o m e u s e rf o sw h e na ne x t e r n a lt h r e s h o l dv o l t a g ei sn o t n e e d e d ( p e rb a n k ) v r n i n p u t o u t p u t t h i sp i ni sf o rd c iv o l t a g er e f e r e n c er e s i s t o ro fn t