基于FPGA的数字系统设计方法

1、*第39卷专辑2008年5月太原理工大学学报JO U RN A L O F T A IYU A N U N IV ER SIT Y OF T ECH N OL O GYV ol.39Spec.IssueM ay2008文章编号:1007-9432(2008S1-0183-03基于FPGA的数字系统设计方法李伟,张刚(太原理工大学信息工程学院,山西太原030024摘要:对基于F PGA的数字系统设计思想和方法作了简要的介绍和一定的探讨,并提出了基于F PGA的数字系统设计的一般流程。然后结合一个DDR SDRAM控制器的设计,详细地介绍了基于F PGA的数字系统设计的各个环节的关键问题和方法。关

2、键词:F PGA;DDR SDRAM;数字系统设计中图分类号:T N47文献标识码:AFPGA(Filed Pro gramm able Gate Arr ay是20世纪80年代中期出现的一种新概念用户现场可编程门阵列集成电路。由于将现代VLSI逻辑集成的优点和可编程器件设计灵活、制作及上市快捷的长处相结合,FPGA从一出现就受到业界的广泛关注。设计者在FPGA开发系统软件的支持下,现场直接定义和修改其逻辑功能,使一个包含数千个逻辑门的数字系统可以在很短的时间内即可实现,大大缩短了数字系统的设计周期,可以立即提供样片及生产用的片子。所以基于FPGA的数字系统设计方法已成为一种非常流行的集成电路

3、设计方法。当前对FPGA介绍的文章比较多,然而针对基于FPGA的数字系统的设计方法的讨论相对较少。本文根据个人在FPGA上做数字系统设计总结的经验,对基于FPGA的数字系统设计思想和方法作简要的介绍和探讨,结合一个DDR SDRAM控制器设计的实例对设计中的各个环节的关键问题和方法作详细的讨论。1数字系统的设计思想及方法数字系统一般可以从三个方面进行描述:物理、结构和行为。行为描述系统是如何工作的,结构描述系统的组成,物理描述系统在硅上如何实现。从行为到结构再到物理,是传统的数字系统设计方法,是一种耗时费力的庞大工程。基于FPGA上的数字系统设计可以使人们不必过多地关注系统的物理实现。由于FP

4、GA的现场可编程性,以及其集成开发环境软件(如Xilinx 公司的ISE可以完成代码描述的翻译映射布局布线直到生成可下载到FPGA内部的bit文件等操作,所以基于FPGA的数字系统设计使设计者从繁重的底层工作中解放出来,而把注意力投入到系统的上层设计中。一般把基于FPGA的数字系统设计分为系统级设计、代码级设计和实现与调试三个阶段,如图1所示。图1基于FPGA的数字系统设计流程图系统级设计关注的是要做什么,主要包括环境定义、功能定义和模块设计。环境定义对目标数字系统所处的环境进行一系列约束。这里的环境主要指与所设计的数字系统相连的其他数字系统以及该系统的工作环境(如温度、湿度等。功能定义则将*

5、收稿日期:2008-03-27基金项目:国家自然科学基金(60372058,60772101;山西省自然科学基金(20051009作者简介:李伟(1981-,男,河北怀来人,在读硕士,主要从事集成电路设计研究,(T el138*通讯联系人:张刚,教授,(T el0351-*,(E-mailtyzhgang 所设计的数字系统的功能详细的描述出来。模块设计则是将该数字系统按照自顶向下的方法进行模块划分,对于每个模块要有详细的模块功能描述以及时序描述。代码级设计关注的是如何描述,主要包括行为描述与综合、功能仿真。行为描述主要是指用H DL 代码描述系统的功能,属于程序设计,很多软件程序设计的方法是可

6、以借鉴的。但是需要注意的是软件程序是顺序执行的,而硬件程序具有并发性,各个进程是同时进行的,这符合硬件的各个器件同时工作的特性。另外,无论是VH DL还是Verilog语言,都是硬件描述语言,而不是设计语言。综合器可能不能完全成功地综合某个复杂的行为描述,这需要在描述时采用RTL级描述。时序数字电路系统的行为描述方式主要是状态机和时序图。状态机描述系统各种可能的工作状态。时序图则反映了系统中各个信号随时间的变化情况,是一种对数字系统的客观具体的描述。如果把整个程序作为一篇文章,那么状态机就是中心思想,而时序图则是文章的叙述线索。所以进行准确详细的设计状态机和时序图设计时必不可少的环节。行为综合

7、是利用综合工具将系统的行为描述综合成具体的硬件器件。功能仿真则是利用仿真软件对设计进行仿真,这里不考虑硬件器件的任何延迟特性,是一种理想状态的仿真。通过仿真结果可以看到模块设计以及行为描述中不合理的地方,从而进行修改。实现与调试包括系统的实现设计、时序仿真和生成bit文件并下载调试。实现设计是利用FPGA 的集成开发环境软件将程序综合后所生成的逻辑网表适配到具体的FPGA/CPLD器件上。Xilinx的实现过程分为翻译(Tr anslate、映射(M ap和布局布线(Place&Route等3个步骤。时序仿真是将布局布线的时延文件反标到设计中并反映了硬件器件的门延迟和线延迟的仿真,与程

8、序在FPGA芯片内运行的情况最为接近。最后生成bit文件并下载到FPGA芯片内部进行调试,可以利用逻辑分析仪对数字系统的实际信号进行观测。如果在时序仿真和下板调试时发现问题则需要返回修改模块设计和行为描述。当系统可以正常工作时,基于FPGA的数字系统设计就完成了。下面将结合一个DDR SDRAM控制器的设计实例对基于FPGA的数字系统设计方法进行进一步的讨论。2DDR SDRA M控制器的设计2.1系统级设计所设计的DDR SDRAM控制器处于DDR SDRAM器件和系统读写接口(其他IP核之间,具体的接口连线如图2所示。系统读写接口的访问时序按异步存储器的时序访问。DDR SDRAM是按命令

9、访问的,有其自己的时序,并且需要刷新。由于篇幅所限,这里不作详述。该系统的功能是一方面响应系统读写接口模块发来的读写命令,实现数据的读写;另一方面实现对DDR SDRAM的读写控制 和刷新控制等操作。图2DDR SDRAM控制器的环境框图根据以上环境定义和功能定义,本系统的内部模块框图如图3所示。主要分为状态机模块、时钟模块、初始化和刷新模块、系统命令接口模块、命令生成模块、数据通路模块。其中状态机模块控制本系统的各个运行状态;系统命令接口模块解析系统接口模块发来的读写命令;时钟模块则生成系统内部各个模块需要的时钟信号;初始化和刷新模块则是专门针对DDR SDRAM需要的初始化和刷新操作而设计

10、的;命令生成模块则由状态机控制生成对DDR SDRAM操作的各种命令;数据通路模块同样由状态机模块控制完成DDR SDRAM和系统接口模块之间的读写数据的交换。2.2代码级设计行为描述主要是状态机和时序图的设计。图4是本控制系统根据DDR SDRAM操作时序而制定的状态转移图,并根据此状态机进行代码的描述。由于本系统控制比较简单,这里不再给出时序图的设计。然后利用ISE自带的综合工具XST进行行为综合,并用工具M odelSim进行了功能仿真,通过仿真验证实现了本控制系统的功能。184太原理工大学学报第39卷 图3 系统内部模块图图4 系统的状态转移图2.3 实现与调试这一步同样是利用ISE

11、的集成工具进行了翻译映射布局布线,然后利用ModelSim 进行了时序仿真,图5是仿真结果。最后将bit 文件下载到FPGA 芯片内进行调试,该DDR SDRAM 控制器就完成了。图5 时序仿真结果图基于FPGA 的数字系统设计流程图3 结束语加快集成电路设计行业的发展是我国的当务之急,基于FPGA 的数字系统设计无疑是当今集成电路设计行业的重中之重。介绍了基于FPGA 的数字系统的设计方法,希望能起到抛砖引玉的作用。参考文献:1 曾祥萍.ISE 集成开发环境下基于FPGA 的数字设计J.北京:电脑知识与应用,2006(12:156-158.2 吴健军.基于FPGA 的DDR S DRAM 控

12、制器的实现J .微计算机信息,2006,22(1-2:156-157.3 Katz R H.现代逻辑设计(第二版M .罗嵘等译.北京:电子工业出版社,2006.4 杨之廉.超大规模集成电路设计方法学导论(第二版M .北京:清华大学出版社,1999.Design Method of Digital S ystem Based on FPGALI Wei,ZHANG Gang(College o f I nf or mation Eng ineer ing of T UT ,T aiy uan 030024,ChinaAbstract:Presents briefly and talks about the design metho d of dig ital sy stem based on FP -GA,and sum marizes the steps about the desig n of dig ital sy stem based on FPGA.Then it g iv