FPGA硬件电路设计及FPGA平台介绍.ppt

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 5FPGA电路设计 V4LX160FPGA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 ConfigurableLogicBlock CLB 可编程输入输出模块 Input OutputBlocks IOB 可编程内部互连资源 ProgrammableInterconnection 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 SelectI 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 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AlteraFPGA主流器件介绍XilinxFPGA主流器件介绍 12 FPGA厂商 ALTERA 基于RAM工艺的通用FPGAXILINX 基于RAM工艺的通用FPGAACTEL 基于反熔丝工艺和FLASH工艺非易失性的FPGALATTICE 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 Cyclone130nm工艺 CycloneII90nm工艺 CycloneIII65nm工艺ArriaGX 带有收发器的中低成本FPGA系列 针对PCIE 千兆以太网和SerialRapidIOStratix 高端FPGA系列 针对高密度高性能应用 Stratix130nm工艺 StratixII GX90nm工艺 StratixIIIL E65nm工艺 StratixIVE 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 SpartanIIE II XL130nm工艺 Spartan3 3E 3A 3AN 3ADSP90nm工艺 Spartan6LX LXT45nm工艺Virtex 高端FPGA系列 针对高密度高性能应用 VirtexII IIPro130nm工艺 Virtex4LX SX FX90nm工艺 Virtex5LX LXT SXT FXT TXT65nm工艺 Virtex6LXT 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 ProASIC3nano具有增强I O功能的最低成本的FPGA ProASIC3L6低功耗 高性能和低成本平衡的FPGAIGLOO 低功耗 小面积 低成本 可重编程FlashFPGA IGLOO e功耗超低的可编程FPGA IGLOOnano业界功耗最低 尺寸最小的FPGA IGLOOPLUS具有增强I O功能的低功耗FPGAFusion 将可配置模拟部件 大容量Flash 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FlashFPGA系列 LatticeXP290nm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 LiveUpdates 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 具有最低的功耗和价格 17 第2章主要内容 FPGA生产厂商介绍AlteraFPGA主流器件介绍XilinxFPGA主流器件介绍 18 主流低端器件CycloneIII 65nm低成本FPGA系列特性总结 19 20 主流高端器件StratixIV 40nm高性能 高端FPGAStratixIVE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 QDRII QDR RLDRAM和RLDRAM等外部DRAM和SRAM接口 速度可到533M Hz4 DSP模块 具有1360个18位x18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LVDSIO性能在150M 1 6G之间6 时钟管理 12个PLL 速度在5 720MHz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 StratixIVGX优异的带宽性能和信号完整性特性总结 23 StratixIVGT带有11 3 Gbps收发器特性总结 24 主流高端器件StratixIII 65nm高性能 高端FPGAStratixIII L逻辑 存储器和DSP资源平衡StratixIII 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AlteraFPGA主流器件介绍XilinxFPGA主流器件介绍 26 主流低端器件Spartan3 90nm低成本FPGA系列Spartan3密度优化的 适用于数据综合处理Spartan3E逻辑优化的 适用于逻辑集成和嵌入式控制Spartan3AIO优化的 适用于多IO应用 如桥接 存储器接口Spartan3AN非易失的 适用于空间受限的设计Spartan3ADSPDSP应用优化 适用于DSP相关应用 27 Spartan3特性 1 DCM频率5M 300M 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 Spartan3E资源增强特性 逻辑密度高 支持多种配置方式 SPI BPI等 29 Spartan3A 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 Spartan3AN 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 Spartan3ADSP 内嵌高性能DSP模块增强特性1 内嵌基于Virtex4的DSP48A模块 独立布线 250M处理能力增强特性2 增强了BLOCKRAM 工作频率250M 32 主流低端器件Spartan6 45nm低成本 低功耗FPGA系列Spartan 6LX具有逻辑优化的Spartan 6LXT具有高速串行数据连接 33 Spartan 6LX的基本特性1 基于双寄存器 6输入查找表的slice2 IO支持1 2V 3 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处理模块 DSP48A14 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NORFLASH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 6LXT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PCIExpress设计集成了Endpointblock 35 主流高端器件Virtex5 65nm高端高性能FPGA系列Virtex 5LX 高性能通用逻辑应用Virtex 5LXT 具有高级串行连接功能的高性能逻辑应用Virtex 5SXT 具有高级串行连接功能的高性能信号处理应用Virtex 5FXT 具有高级串行连接功能的高性能嵌入式系统Virtex 5TXT 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 频率综合和相位匹配时钟分频功能的PLL模块 3 真双端口RAM模块 36KbBlockRAM FIFO4 高级DSP48ESlice5 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 5LXT SXT TXT FXT的特性1 PCIExpress集成端点模块 符合PCIExpress基本规范1 1 2 三态10 100 1000Mb s以太网MAC 可以将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PHYVirtex 5LXT SXT的特有功能100Mb s到3 75Gb s的RocketIO GTP收发器Virtex 5TXT FXT的特有功能150Mb s到6 5Gb s的RocketIOGTX收发器Virtex 5FXT的特有功能包含了PowerPC440微处理器模块 RISC架构 七级流水线 包括32KB的指令和数据缓存 38 Virtex 5LX LXT系列器件 39 Virtex 5SXT TXT FXT系列器件Virtex 5Slice的组织方式与前几代不同 每个Virtex 5Slice包含四个LUT和四个触发器2 每个DSP48ESlice包含一个25x18乘法器 一个加法器和一个累加器 3 BlockRAM的基本容量为36Kb 每个模块也可用作两个独立的18Kb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 6LXT具有高级串行连接功能的高性能逻辑应用Virtex 6SXT具有高级串行连接功能的高性能信号处理应用 第三章Virtex5硬件设计 42 第3章主要内容 XILINXVirtex 5详细概述Virtex 5硬件特性硬件电路设计要点 43 Virtex 5FPGA逻辑逻辑速度更高 比V4高1 2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 550MHz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 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550MHzDSP48ESlice25x18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 550MHz集成模块存储器 高达16 4Mb的集成模块存储器 带有可选双18Kb模式的36Kb模块 真双端口RAM单元 每端口宽度可达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32Kx1到512x72的配置 8Kx4到512x72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64Kx1存储器 满足高可靠性存储器要求的集成可选ECC 针对18Kb 及以下 运行的特殊降功耗设计 46 SelectIO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 ULVDSHypertransport 差分HSTL1 5V和1 8V I和II级 差分SSTL1 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LVTTLLVCMOS 3 3V 2 5V 1 8V 1 5V和1 2V PCI 33和66MHz PCI XGTL和GTLPHSTL1 5V和1 8V I II III和IV级 HSTL1 2V 一级 SSTL1 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PlatformFlash配置 SPIFlash配置或标准并行NORFlash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x16NORFlash 专用的回读重新配置逻辑 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 RocketIOGTP收发器8 24个通道RocketIOGTP收发器 速度 100Mb s到3 2Gb 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PCIExpress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 1000Mb s 以太网MAC符合IEEE802 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接口半双工或全双工支持巨型帧1000Base XPCS PMA 当与RocketIOGTP收发器配合使用时 可提供完全1000Base X片上实现对微处理器的DCR总线连接 52 与PCIExpress兼容的集成端点模块与RocketIOGTP收发器配合使用 在尽量少用FPGA逻辑的情况下提供全面的PCIExpress端点功能 符合PCIExpress基础规范1 1PCIExpress端点模块或传统PCIExpress端点模块8倍 4倍 2倍或1倍通道宽度电源管理支持用BlockRAM作缓冲完全缓冲式发送与接收访问PCIExpress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6x32位或3x64位BAR 或32位和64位组合 53 第3章主要内容 XILINXVirtex 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GTL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 1V 10 静态电流大小为0 3A 4 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XilinxPowerEstimator进行评估 辅助电源VCCaux 2 5V 10 静态电流大小为38mA 350mA 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XilinxPowerEstimator进行评估 IOBank电源VCCO 1 2V 3 3V 10 静态电流大小为1 5mA 12mA 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 1V 3 6V Imax 150nA 56 差分信号标准LVDS和扩展LVDS 仅2 5V BLVDS 总线LVDS ULVDSHypertransport 差分HSTL1 5V和1 8V I和II级 差分SSTL1 8V和2 5V I和II级 RSDS 2 5V点对点 单端输入 输出标准LVTTLLVCMOS 3 3V 2 5V 1 8V 1 5V和1 2V PCI 33和66MHz PCI XGTL和GTLPHSTL1 5V和1 8V I II III和IV级 HSTL1 2V 一级 SSTL1 8V和2 5V I和II级 Virtex 5IO特性 57 IO驱动能力LVTTL输出电流2 24mALVCMOS 3 3V 2 5V 输出电流2 24mALVCMOS 1 8V 1 5V 输出电流2 16mALVCMOS 1 2V 输出电流2 8mAIOSWITCHSPEED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 Virtex 5IO特性 58 第3章主要内容 XILINXVirtex 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FPGA2 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PlatformFlashSPI模式 具有标准SPI接口的Flash BPI模式 具有标准并行接口的NORFlash 61 FPGA的电源系统 1 根据FPGA的型号利用Xilinx提供的工具XPE对我们所试用的情况做评估后 得出下图