（通信与信息系统专业论文）fpga在gsmtdscdma双模通用开发平台中的应用研究及设计实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 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 性能获得了空前的发展 其中f p g a 的市场发展尤为引人注目 f p g a 器件以其 设计周期短 研发费用低 调试方便和可现场修改的特点已经广泛应用于通信 自动控制 信息处理等领域 特别是在移动通信领域的诸多产品中 f p g a 几乎无 处不在 目前 我国的移动通信系统以第二代的g s m 网络为主 它技术成熟 运行稳 定 虽然t d s c d m a 的商用己是大势所趋 但是从运营风险 运营成本 网络建 设等各方面考虑 不可能在短期内淘汰g s m 所以在今后很长的一段时间内g s m 网络会与t d s c d m a 网络共存 这样支持g s m 和t d s c d m a 的双模系列产品 将成为市场的首选 本文介绍了一种以d s p 为主处理器 f p g a 为协处理器 基于 软件无线电 技术的g s m f d s c d m a 双模通用开发平台 基于此平台可以开发网优测试仪 应用软件开发平台 直放站 移动终端 终端一致性测试仪 无线交换机等系列 产品 本文的重点是在介绍g s m 和t d s c d m a 的物理层相关协议的基础上描述 f p g a 在此开发平台中的功能 这些功能包括 f p g a 与其它器件的数据接口 g s m 部分的同步设计和收发控制 t d s c d m a 部分的t u r b o 译码 v i t e r b i 译码 f i r 滤波以及快速傅立叶变换和反变换 f f t i f f t 目前 f p g a 中的各个模块已经 设计完成 其中 g s m 部分的模块已经成功的应用于平台中 关键词 f p g a t d s c d m a g s m 软件无线电 通用开发平台 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w 池t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n i c st h e s ey e a r s p r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e p l d h a sm a d eg r e a tp r o g r e s si na l lc a p a b i l i t i e s a n df p g a i sah i g h l i g h t o fp l d f p g ah a ss o m ea d v a n t a g e s s u c ha sd e s i g nc y c l e l o wc o s t s m a l lr i s ka n d f l e x i b l ec o n f i g u r a t i o ne t c w h i c hc a l lr e a l i z em o r ec o m p l e xf u n c t i o n si ns h o r t e rt i m e f r o ma v i a t i o nt od i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a n dt oc o n s u m p t i o nf i e l ds u c ha sc a ra n d h o m ea p p l i a n c e s w ec a ns e ef p g ae v e r y w h e r e i nc h i n a t h es e c o n d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sp r i m a r i l y c o n s i s t e do fg s m w h i c hi st h el a r g e s ts c o p e t h el a r g e s tn u m b e ro fu s e r sa n da n dt h e b i g g e s ts i z eo fc o v e t i n gi nt h ew o r l d t ou p g r a d es u c hah u g es y s t e mt o3 gr e q u i r e sa c o n s i d e r a b l ep e d o do ft i m e a n df r o mt h et e c h n i c a lv i e w t h ec o r en e t w o r ko f t d s c d m ar e u s et h ef o u n d a t i o no fg s mn e t w o r k t h u st h e r ew i l ls u r e l yb eac e r t a i n s t a g ew h e r et h e2 gs y s t e mc o e x i a l i t l lt h e3 g s e e nf r o mt h i s d u a l m o d ep r o d u c t s w h i c hs u p p o r tt d s c d m aa n dg s ma tt h es a n l et i m ew i l lb e c o m et h ef i r s tc h o i c eo f t h em a r k e t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fag s m t d s c d m ad u a l m o d eu n i v e r s a l d e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do ns o f t w a r ed e f i n e d r a d i o t e c h n o l o g yi nd e t a i l i t e m p h a s i z e so nt h eh a r d w a r ed e s i g no ff p g a t h es l a v ep r o c e s s o r t h e s ed e s i g n s i n c l u d ea l li n t e r f a c e sb e t w e e nf p g aa n do t h e rd e v i c e s s o m em o d u l e si ng s mm o d e i n c l u d et h es y n c h r o n i z a t i o na n dt h ec o n t r o lo fr e c e i v ea n dt r a n s m i tp r o c e s s s o m e m o d u l e si nt d s c d m am o d ei n c l u d et h ev i t e r b id e c o d e r t h et u r b od e c o d e r f i r f i l t e ra n df f t i f f t a n dn o w a l ld e s i g n sa b o u tf p g aw e r ef m i s h e da n ds o m e t e s t sa r e a l m o s tc o m p l e t e do np l a t f o r m k e y w o r d s f p g a t d s c d m a g s m s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o u n i v e r s a ld e v e l o p m e n t p l a t f o r m 重庆邮电大学硕士论文 缩略语 缩略语 3 g 3 g p p a l 洲 a s i c a s s p b c c h b e r b s i c b t s c d m a c l b d c i d c m d s p d w p t s e d a e p l d f c c h f d d f d m a f p a c h f p g a g a l g s m h d l h l r i c i p 缩略语 英文名称 3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e e t a d v a n c e dr i s cm i c r o p r o c e s s o r 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 a p p l i c a t i o n s p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t b r o a d c a s tc o n 仃o lc h a n n e l b i te r r o rr a t e b a s es t a t i o ni d e n t i t yc o d e b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k s d i g i t a l l yc o n t r o l l e di m p e d a n c e d i g i t a lc l o c km a n a g e r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d o w n l i n kp i l o tt i m es i o t e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 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 c e f r e q u e n c yc o r r e c tc h a n n e l f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tp h y s i c a la c c e s sc h a n n e l f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g e n e r i ca r r a yl o g i c g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n h a r d w a r ed e s c d p t i o nl a n g u a g e h o m el o c a t i o nr e g i s t e r i n t e g r a t e dc i r c u i t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y h i 汉语名称 第三代移动通信 第三代合作项目 高级r i s c 处理器 专用集成电路 特殊应用标准产品 广播控制信道 比特误码率 基站识别码 收发信基站 码分多址接入 可配置逻辑块 数控阻抗匹配技术 数字时钟管理器 数字信号处理器 下行引导时隙 电子设计自动化 可擦除可编程逻辑器件 频率校正信道 频分双工 频分多址接入 快速物理接入信道 现场可编程门阵列 通用阵列逻辑 全球移动通信系统 硬件描述语言 归属位置寄存器 集成电路 知识产权 重庆邮电大学硕士论文 缩略语 l a i l u t m a c m s m s c m i p s o m a p p a l p c c p c h q p s k r a c h r r c r i s c r s c s c c p c h s c h s f s i m s i r t c h t d d t d m a t d s c d m a t f c i t p c r n v l r u p p t s w c d m a u e u p p c h l o c a t i o na r e ai d e n t i f i c a t i o n l o o k u pt a b l e m u l t i p l ya c c u m u l a t eu n i t s m o b i l es t a t i o n m o b i l e s e r v i c e ss w i t c h i n gc e n t e r m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d o p e nm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sp l a t f o r m p r o g r a m m a b l ea r r a y l o g i c p r i m a r yc o m m o nc o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e l q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g r a n d o ma c c e s sc h a n n e l r a d i or e s o u r c ec o n t r o l r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r r e c u r s i v es y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a lc o d e s e c o n d a r yc o m m o nc o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e l s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lc h a n n e l s p r e a d i n gf a c t o r s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e s i n g a l o t o i n t e r f e r e n c er a t i o t i 砸cc h a n n e l t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t h n ed i v i s i o n s y n c h r o n i z a t i o nc o d e t r a n s p o r tf o r m a tc o m b i n a t i o ni n d i c a t o r t r a n s p o r tp o w e r c o n t r o l t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r u p l i n kp i l o tt i m es l o t w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s u s e re q u i p m e n t u p l i n kp i l o tc h a n n e l i v 定位区鉴权 查找表 乘累加单元 移动台 移动业务交换中心 每秒百万条指令 开放式多媒体应用平台 可编程阵列逻辑 主公共控制物理信道 正交相移键控 随机接入信道 无线资源控制 精简指令集计算机 递归系统卷积码 辅公共控制物理信道 同步控制信道 扩频因子 用户身份模块 信干比 业务信道 时分双工 时分多址接入 时分 同步码分多址接入 传输格式组合指示 传输功率控制 传送时间间隔 访问位置寄存器 上行引导时隙 宽带码分多址 用户设备 上行引导信道 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1f p g a 的发展现状 1 第一章绪论 f p g a 即现场可编程门阵列 它是x i l i n x 公司1 9 8 5 年首家推出的 采用 c m o s s r a m 工艺制作 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 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f p g a 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 因此 f p g a 芯 片可以被称为可订制的特殊a s i c 芯片 它除了具有a s i c 的特点之外 还具有以 下几个优点 随着v l s i v e r yl a r g es c a l ei c 工艺的不断提高 这使得f p g a 芯片所能 实现的功能也越来越强 同时系统集成度也越来越高 f p g a 芯片在出厂之前的测试非常充分 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通过相关的软硬件环境来完成芯片 的最终功能设计 用户可以反复地编程 擦除 使用或者在不动外围电路的情况下用不同软 件即可实现不同的功能 f p g a 软件包中有各种设计工具 电路设计人员在很短的时间内就可完成 电路的输入 编译 优化和仿真 直至最后芯片的制作 电路设计人员使用f p g a 进行电路设计时 不需要具备专门的i c 深层次的 知识 f p g a 软件易学易用 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 性能获得了空前的发展 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 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 工具的飞速发展也使得f p g a 在d s p 系统中的大规模应用变得日益简 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 单 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 开发者使用f p g a 技术 结合相应的e d a 设计工具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 而选用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 兼之硬件因素涉及甚少 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 核的拼装 美国的 t i 公司认为 一个a s i c 芯片8 0 的功能可用i p 核等现成逻辑合成 可以在很短 的时间内完成十分复杂的系统设计 目前f p g a 的品种很多 有x i l i n x 公司的s p a n t a n 和v i r t e x 系列 a l t e r a 公司 的f l e x 系列 a c t e l 公司的p r o a s i c 系列以及t i 公司的t p c 系列等 2 0 0 0 年下 半年 x 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 技术的嵌入式处理芯片 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 x i l i n x 公司的v i r t e x t m 4 和v i r t e x 5 架构提供了多达5 1 2 个并行乘法器 它们能够以超过5 0 0 m h z 的速度运行 提供 2 5 6 gm a c 的d s p 峰值性能 通过在f p g a 上实现高速并行处理 而在d s p 上 实现高速串行处理 可以使整个d s p 系统的性能得到优化 同时降低系统的功率 需求 据g a r t n e rd a t a q u e s t 在去年美国d a c 设计自动化年会 期间公布的数据 每年 采用a s i c 开始进行设计的数量在逐年下降 取而代之的是a s s p 特殊应用标准 产品 如图1 1 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 o o 2 0 0 o 0 0 a s i c 口a s s p f1 l 11 图1 1 采用a s i c 开始设计的比例在下降 由于深亚微米制程以后 a s i c 的开发成本不断上升 因此标准产品中的f p g a 是理想的选择之一 f p g a 的应用领域不断扩大 通信领域仍然占有绝对优势 消 费电子 例如h d t v 无线路由器 和汽车电子是所有应用中成长最快的 如图 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 2 0 0 1 口通信 数字处理 囫工业 一航空航天 消费电子 汽车电子 4 2 0 0 7 图1 2f p g a 的应用领域 可见 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 1 2 移动通信系统的现状 2 全球移动通信发展虽然只有短短2 0 几年的时间 但它已经创造了人类历史上 伟大的奇迹 截止到2 0 0 7 年第四季度 全球移动用户已经接近3 4 亿 在2 0 0 5 年 6 月份全球移动用户只有1 9 亿 目前 在移动通信领域有一些趋势已经发生或 者是正在发生 总结起来有以下的几个趋势和特点 移动通信在通信市场中的主体地位进一步加强 移动话音业务超过固定话音业务 差距逐步拉大 异质竞争明显 主要体现 在两个方面 从用户数看 2 0 0 2 年底 全球移动用户数已经超过了固定用户数 截至2 0 0 4 年5 月 近1 0 0 个国家的移动用户数已经超过固定用户数 这一趋势仍在继续 在我国 2 0 0 3 年移动用户数就已经超过了固定用户数 而且移动用户的总数从2 0 0 5 年上半年的3 4 5 亿户上升到2 0 0 7 年底的5 4 7 亿户 手机普及率达到4 1 6 而固 定电话用户却开始逐年递减 2 0 0 7 年底达到3 6 5 亿户 其普及率仅为2 7 8 移 动超过固定 实质上反映了人类对移动性和个性化的需求在急剧上升 未来 移 动通信将成为人们最主要的通信方式 从收入看 2 0 0 4 年全球移动电话收入已经接近固定电话收入 移动电话的资 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 费与固定电话资费越来越接近 同时移动通信的 个人化 使得移动话音对固 定话音的分流作用更加凸现 g s m 体系依旧占据主导地位 近几年来 全球g s m 的主流地位愈加凸显出来 与c d m a 相比 市场优势 更加明显 截至2 0 0 4 年底 全球g s m w c d m a 体系占7 5 1 4 而c d m a 体系 在全球移动市场的份额为1 3 9 1 g s m w c d m a 用户是c d m a 用户的5 4 倍 2 0 0 3 年是5 3 倍 2 0 0 7 年底g s m w c d m a 网络用户已经达到2 8 8 亿 所占 比例提高到8 4 7 显然c d m a 与g s m 的市场差距在逐步拉大 而在我国 2 0 0 5 年上半年g s m 用户所占比例竟然高达为9 1 0 第三代移动通信系统转入健康快速的发展轨道 截至2 0 0 5 年7 月 全球共有2 0 7 个3 g 网络商用 e v d o 和1 x 分别计算 其中7 4 个w c d m a 网络 2 1 个c d m a 2 0 0 01 xe v d o 网络 1 1 2 个c d m a l x 网络 截至2 0 0 5 年7 月底 全球共有的7 4 个w c d m a 网络提供商用业务 注 同 一家公司在不同国家推出的商用网络分别计算 截至2 0 0 5 年6 月底 全球 w c d m a 用户数为2 8 3 0 万人 与2 0 0 4 年9 月公布达到的1 0 0 0 万用户数相比 w c d m a 阵营用户数在半年内突破2 0 0 0 万大关 其中大部分是日本n t td o c o m o 公司的f o m a 用户 超过1 3 0 0 万 日本另外一家提供w c d m a 网络的运营商 v o d a f o n e 的用户超过了1 3 0 万 和记黄埔公司的3 g 业务全球用户突破8 0 0 万 而 截至2 0 0 7 年第四季度 全球w c d m a 用户数量已经达到了1 8 0 亿 根据市场研究公司a b i r e s e a r c h 最新发表的研究报告称 2 0 1 3 年全球w c d m a 用户 包括h s p a 的总数将达到7 2 0 亿 许多c d m a 运营商在2 0 0 7 年已经把 自己的部分网络升级到了e v d o r e v a 而新的c d m a 运营商一开始就使用 e v d o r e v a 2 0 1 3 年底 c d m a 2 0 0 0 用户总数预计将达到8 亿 由我国提出的t d s c d m a 现在已经在即将举办奥运会的几个城市正式进入 试运营阶段 相信在这个全球最大的通信市场中 t d s c d m a 必将会有更大的发 展空间 1 3t d s c d m a 系统发展现状 3 1 1 4 t d s c d m a 的中文含义为时分同步码分多址接入 2 0 0 0 年5 月 国际电联无 线大会上正式将t d s c d m a 与w c d m a c d m a 2 0 0 0 一起列入世界第三代移动 通信无线传输标准 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 分别基于g s m 核心网和a n s i 4 1 核 心网 这两个3 g 网络都可以较为容易地在原有的2 g 网络上升级而来 由于国外 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 厂商在2 g 时代就已经积累起来的技术优势 使他们在建立这两种3 g 网络时占尽 先机 我国要想在3 g 时代拥有话语权 必须有自己的标准 因此 t d s c d m a 的成功结束了我国在电信标准领域零的历史 为扭转我国移动通信制造业长期以 来的被动局面提供了十分难得的机遇 具有重大的历史意义 由于我国的t d s c d m a 标准的提出比欧洲的w c d m a 标准和美国的 c d m a 2 0 0 0 标准较晚 这给其产品成熟性带来一定的挑战 但正由于晚 t d s c d m a 吸纳了九十年代以来移动通信领域最先进的技术 在一定程度上代表 了技术的发展方向 具有前瞻性和强大的后发优势 而且t d s c d m a 是我国电信 多年来第一个完整的通信技术标准 承担着抢占全球信息产业 制高点 的重任 以及突破欧美通信标准垄断的机会 政策层给予了强有力的支持 我国迟迟不发 出3 g 牌照 一定程度上被视为在等待t d 的信号 在我国 g s m 网络规模巨大 技术成熟 运行稳定 用户众多 又由于 t d s c d m a 是基于g s m 核心网的 因而在t d 建网初期 业界普遍认为 可以 利用g s m 核心网络 在业务需求量大的地方先行以 孤岛 方式部署t d s c d m a 基站 与现有的g s m 网络完全兼容 从而实现从2 g 到3 g 的平滑过渡 最大限 度地利用我国现有的非常庞大的第二代移动通信网络资源 最大限度地保护现有 资本 节省演进成本 提高建网速度 降低投资风险 由于t d s c d m a 是基于g s m 核心网的 所以主要需开发接入设备和终端设 备 接入设备的开发难度较小 而在终端设备方面 国内手机和国外名牌之间的 巨大差距曾一度让运营商对t d 颇为冷淡 在t d s c d m a 艰难的发展征程中 2 0 0 2 年1 0 月3 0 日成立的以大唐电信为首的t d s c d m a 产业联盟功不可没 到目前为 止 t d s c d m a 产业联盟的成员企业由最初的7 家 发展到目前成员企业4 8 家 覆盖了t d s c d m a 产业链从系统 芯片 终端到测试仪表的各个环节 在它们的 集体努力下 t d 系统设备 芯片 终端等整个产业链获得了整体突破 大唐 上 海贝尔阿尔卡特 鼎桥 华为 中兴 普天 北电等厂商已形成4 套较完整的系 统设备解决方案 芯片有7 家厂商介入 其中4 家已提供了商用的芯片以供开发 手机 手机更是全面开花 2 0 家厂商提供的t d s c d m a 终端已达百余款 已经 达到了预商用水平 其中大部分是国产手机 目前的国产t d s c d m a 手机已经具 备多媒体功能 能满足3 g 业务初期用户的需求 t d s c d m a 产业联盟中 重邮信科是唯一具有高校背景的企业 作为t d 标 准的制定参与者 t d 产业联盟最早成员之一 一直致力于t d 商用化的建设 并 且在t d 协议栈软件 手机芯片和终端的研发方面获得重大成果 本论文即隶属于 重邮信科3 g 研究院g s m t d s c d m a 双模通用开发平台项目的子项目 主要介绍 平台的协处理器f p g a 的功能及设计 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4 本论文研究的目的和内容 本论文主要研究一种以d s p 为主处理器 f p g a 为协处理器 基于 软件无 线电 技术的g s m t d s c d m a 双模通用开发平台 并且重点描述在f p g a 中实 现f p g a 与d s p 和射频器件的数据接口 g s m 部分同步设计和数据的前期处理及 收发控制 t d s c d m a 部分的t u r b o 译码 v i t c r b i 译码 f i r 滤波以及快速傅立 叶变换和反变换 f f t i f f t 等相关功能 综上所述 本文内容安排如下 第一章 简要介绍了f p g a 的发展现状 全球及我国的移动通信系统的现状 和t d s c d m a 产业链上产品的进展情况 分析了g s m t d s c d m a 双模通用开发 平台的研究背景 提出本论文的研究目的和内容 第二章 介绍x i l i n x 公司的v i r t c x 系列f p g a 的结构 并详述f p g a 的设 计流程 第三章 介绍g s m t d s c d m a 双模通用开发平台出台背景和整体架构 并 详细介绍了在f p g a 端模拟的f p g a 与d s p 和射频器件的数据接口 第四章 详细介绍平台中g s m 部分的功能及设计实现 第五章 详细介绍平台中t d s c d m a 部分的功能及设计实现 第六章 论文总结和未来的工作 6 重庆邮电大学硕士论文第二章f p g a 结构及设计应用 第二章f p g a 结构和设计应用 目前 f p g a 的主流结构主要有两种 5 一种是基于乘积项 p r o d u c t t e r r n 技术 e e p r o m 或f l a s h i 艺的f p g a 如a l t e r a 的m a x 9 0 0 0 系列 另一种是基于查 找表 l u t 技术 s r a m 工艺的f p g a 如a l t e r a 的所有a p e x 2 0 k x i l i n x 的所有 f p g a l a t t i c e 的e c e c p 系列等 虽然这两种f p g a 的结构不一样 但是基本 构造类似 本章将以x i l i n x v i n e x i i 系列f p g a 为例 深入分析f p g a 结构特点 2 1f p g a 内部结构 6 7 8 v i r t e x i i 系列f p g a 的内部结构主要由6 部分组成 可配置逻辑块 c l b 可 编程输入输出单元 i 0 b 嵌入式块r a m b l o c k r a m 数字时钟管理模块 d c m 可编程的布线资源 p i 和硬件乘法器 如图2 1 所示 b l o c ks e l e c t r a r e s o u r c e d e d ic a t e d m u l t i p l i e r s ob l o c k s 1 0 b s r o g r a m m a b l e t e r c or ln e c t c l o c km a n a g e m e n t d c m s b u f g m u x e s 图2 1v i r t e x i i 系列f p g a 内部结构示意图 2 1 1 可配置逻辑块 c l b r a b l e b l o c k s 在v m e x i i 系列f p g a 中 c l b 模块由4 个相同的s l i c e 和附加逻辑电路构成 用于实现组合逻辑和复杂时序逻辑 s l i c e 的结构如图2 2 所示 重庆邮电大学硕士论文第二章f p g a 结构及设计应用 a 4 a 2 a 吖 洲 以 f 4 f 3 忍 f i 勰 c u c e c 劓 图2 2v i r t e x i i 系列f p g a 中的s l i c e 结构示意图 每个s l i c e 由两个4 输入函数发生器 进位逻辑 算数逻辑 存储逻辑和函数 复用选择器组成 算数逻辑包括1 个异或门 x o r g 1 个专用与f m u l t a n d 异或门可以实现两个s f i c e 的2 b r 全加操作 专用与门可用于提高乘法器的效率 进位逻辑由专用进位信号和函数复用发生器 m i c 组成 共同实现快速的算 数加减法操作 在c l b 模块中 4 输入函数发生器可以用于实现4 输入l u t 分布式r a m 分布式r o m 或1 6 b r 移位寄存器 存储逻辑可配置为d 触发器或锁存器 进位逻 辑包括两条快速进位链 用于提高c l b 模块的处理速度 算数逻辑包括一个异或 门和一个用于加速乘法运算的专用与门 每个c l b 模块包括多种类型的复用器 4 个m u x f s 2 个m u x f 6 1 个m u x f 7 和1 个m 耿8 通过使用这些复用器 每个c l b 不仅可以实现5 输入l u t 6 输入l u t 7 输入l u t 8 输入l u t 和 9 输入l u t 还可以实现1 2 8 位移位寄存器 从而提高了v i l r t e x 系列f p g a 内 部的资源利用率 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章f p g a 结构及设计应用 2 1 2 可编程输入输出单元 i o b f o b 用于提供f p g a 内部逻辑与外部封装管脚之间的接口 如下图 图2 3i o b 模块不恿图 v i r t e x i i 系列f p g a 的i o b 含有6 个触发器 它们不仅可以单独配置为d 触 发器或锁存器 还可以成对实现d d r d o u b l e d a t e r a t e 输入和输出 外部信号既可以经过f o b 模块的存储单元进入f p g a 内部 也可以引用 i o b u f 直接输入到f p g a 内部 当外部信号经过i o b 模块的存储单元进入f p g a 内部时 其保持时间的要求可以降低 通常 外部输入信号经过f o b 模块的存储 单元进入f p g a 内部 其保持时间默认为0 在v i r t e x i i 系列f p g a 中 根据当前使用的i o 接口标准不同 需要设置不同 的接口电压v c c o 和参考电压v r e f 在v i r t e x i i 系列f p g a 中 高速差分信号 得到了广泛的支持 每个b a n k 的v c c o 必须保持一致 不同的v c c o 允许有不 同的v c c o 电压 在v i r t e x i i 系列f p g a 中 同一b a n k 中的i o 接口标准应保持兼容 但不同 b a n k 之间的i o 接口标准不要求兼容 由于同一b a n k 中的v c c o 必须保持一致 因此v c c o 电压相同是输出接口标准兼容的必要条件 2 1 3 嵌入式块r a m b l o c k 删 在v i r t e x i i 系列f p g a 中 b l o c k r a m 的单位容量是18 k b i t 每一个b l o c k r a m 均可配置为单端口或双端口r a m 利用c o r eg e n e r a t o r 还可将b l o c k r a m 资源 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章f p g a 结构及设计应用 配置为双端口f i f o 值得注意的是 当b l o c kr a m 配置为双端口存储器时 其每一个端口的深度 和数据宽度可以是不同的 2 1 4 数字时钟管理模块 d c m 为了适应大规模f p g a 设计中多时钟 高速度 低延时的要求 v i r t e x n 系列 f p g a 提供1 6 个全局时钟缓冲器 支持1 6 个全局时钟网络 每个象限最多可支持 8 个全局时钟网络 根据具体器件型号不同 v i r t e x i i 系列f p g a 中包含4 1 2 个 d c m 随着f p g a 设计速度的不断提高 信号完整性问题越来越突出 为了保证高 速信号的信号完整性 通常需要在p c b 上进行阻抗匹配 以减小信号的反射和振 荡 尽管大量的匹配电阻保证了信号的完整性 但也增加了p c b 板的布线复杂度 和成本 通过使用d c i 数控阻抗匹配技术 可以在v i r t e x i i 系列f p g a 内部实现 阻抗匹配 从而大幅度减少匹配电阻的数量 提高板级系统的稳定性 并降低设 计复杂度和减少设计成本 在v i r t e x i i 系列f p g a 中 可以使用d c i 进行阻抗匹配的接口标准包括 l 厂t t l l v c o m s s s t l 3 i s s t l 3 i i s s t l 2 i s s t l 2 i i h s t l i i i i i i g t l 和g t l p 值得注意的是 在v i r t e x i i 系列f p g a 中 每个f ob a n k 的d c i 设置必须保 持一致 但不同b a n k 的d c i 设置可以不同 通过设置v r n 和v r p 管脚的外接电 阻 可以实现不同阻值的阻抗匹配 2 1 5 可编程的布线资源 p i 布线资源连通f p g a 内部所有单元 连线的长度和工艺决定着信号在连线上 的驱动能力和传输速度 这些布线资源根据工艺 长度 宽度和分布位置的不同而划分为不同的等级 有一些是全局性的专用布线资源 用以完成器件内部的全局时钟和全局复位 置位 的布线 一些叫做长线资源 用以完成b a n k 之间的一些高速信号和一些第二全局 时钟信号的布线 还有 些叫做短线资源 用以完成基本逻辑单元之间的逻辑互 连与布线 另外在基本逻辑单元内部还有着各式各样的布线资源和专用时钟 复 位等控制信号线 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章f p g a 结构及设计应用 2 1 6 硬件乘法器 在v i r t e x i i 系列f p g a 中 乘法器模块支持1 8 1 8 b i t 的有符号乘法 乘法器 模块不仅可以通过交换矩阵 s w i t c hm a t r i x 与18 k b i t 的b l o c k r a m 配合使用 也可 以单独使用 在v i r t e x i i 系列f p g a 中 乘法器模块的物理分布与b l o c k r a m 的 物理分布一致 利用这样的结构 读取 相乘 累加操作以及d s p 滤波器结构设 计都将变得异常快速和高效 v i r t e x i i 系列f p g a 的资源分配入下表所示 表2 1v i r t e x i i 系列f p g a 的资源分配表 c l 8 1 1 c l 8 4 a i l o e s t 尉细x 1 勰b i t s s 硝i c l r 枷b l o c k s m a x i m u m 铆i s t 枷a n a y d i s t r i b u t e d 嘲i 印黼r 1 8 k 城 m a x 触龋 x v 0 d 剞日o eg a t e sf l o w xc o l s l i c e sr a 磷i 谗醅b l o e 蛔嗣o c k s g b i t s q c 觚孽p a d 护 x e 芝v 柏钓l 8 x 82 s 68447 248 8 x e 2 v kl e x 8 5 1 2俘 8 81 4 44 1 璺渤2 k2 4 x 1 61 锇耜a2 44 3 28 o x c 2 1 i s o o o k匏x 2 43 0 7 29 e麓3 2s 7 68粼 c c 2 v 1 0 1 m x 3 2s 1 约l 舶 4 0 7 8钓晓 嬲1 跚1 蒯4 8 x 4 0 7 1 6 8 0 2 加 4 8 4 88 8 毒85 箱 x c 2 讥强褂缃 x 4 8 1 0 7 l 5 2 3 3 6铀s 6 1 0 0 8 8铭4 x c 2 v 3 0 缃 x 5 81 4 3 3 6 8钓鹪1 7 罐1 27 约 x c 涩v 姗岛a8 0 x 7 22 30 4 07 蕊l 翘1 2 02 1 1 1 29