包装版传片2016课件24学时第一章绪论

FPGA设计与应用大连理工大学软件学院王洁

2016年春季了解可编程逻辑器件的历史与发展。了解FPGA的功能与结构。了解FPGA开发相关技术要求。第一章绪论了解FPGA应用领域与设计资源。什么是FPGA？现场可编程门阵列FieldProgrammableGateArray一种可编程逻辑器件FPGA简介Xilinx创始人RossFreeman在20世纪80年代初发明XilinxVirtex-5芯片XilinxVirtex-5开发板斯坦福大学NetFPGA（第二代）4个万兆以太网接口PCI-ex8接口可编程逻辑器件发展历程70年代初期，PROM，RPROM，EEPROM70年代中期，PAL，GAL80年代中期，CPLD，FPGA90年代末期，SOPC，SOCPLDProgrammableLogicDevice20世纪70年代，专用集成电路（ASIC）发展而来软件编程配置，可擦写CPLD与FPGAFPGAFieldProgrammableGateArray采用分段式布线结构，适用于实现循序逻辑，寄存器资源丰富。CPLDComplexProgrammableLogicDevice采连续式布线结构，较适合用来实现各种运算和组合逻辑。FPGA（现场可编程门阵列）-半定制。FPGA可作为ASIC试样片。FPGA由片内RAM中的程序来设置工作状态，可反复使用。

FPGA与ASICASIC（专用集成电路）-定制。逻辑功能不可更改，一次性投片。FPGA与ASICFPGA结构简介CLB：ConfigurableLogicBlockInterconnectIOB：InputOutputBlock可配置逻辑块逻辑单元阵列输入输出模块内部连线Virtex-II的架构I/OBlocks(IOBs)ConfigurableLogicBlocks(CLBs)ClockManagement(DCMs,BUFGMUXes)BlockSelectRAM™resourceDedicatedmultipliersProgrammableInterconnect核心电压1.5V输入输出模块（IOB）输入通路两个DDR寄存器输出通路两个三态使能DDR寄存器两个DDR寄存器时钟时钟、时钟使能独立置位复位置位、复位共享RegOCK1RegOCK2DDRMUX3-stateRegOCK1RegOCK2DDRMUXOutputRegICK1RegICK2InputPAD可配置逻辑块（CLB）CLB资源每个CLB包含四个Slice开关矩阵能够访问通用布线资源开关矩阵SliceS1SliceS0SliceS3SliceS2CINCINCOUTCOUTTBUFTBUFFastConnectsSHIFTSliceLUTCarryPRECLRDQCEPRECLRDQCELUTCarrySlice0四个输出进位链两个寄存器输出两个非寄存器输出（LUT，查找表）独立进位链LUT（Look-UpTable）ABCDZ0000001111000011▪1111001100▪0011010101▪01010001110001ABCDZLUT原理组合逻辑存放在LUT中也称函数发生器（FG）4输入（高端芯片可6输入）输出时延固定数字时钟管理单元（DCM）DCM每个器件最多12个DCM位于芯片顶部和底部被时钟输入引脚驱动（CLK_IN）功能分频倍频维持输出时钟相位关系与其他资源配合增强驱动能力块状RAM（BlockSelectRAM）结构每块大小18Kb（Virtex-II）真正的双端口RAM支持同步读写、异步读写支持初始化可对输出锁存器同步复位支持奇偶校验：每8位数据位添加1位校验位灵活的配置模式：端口位宽、地址位数可变18-KbitBlockSelectRAM(Virtex-II为例)DIADIPAADDRAWEAENASSRACLKADIBDIPBADDRBWEBENBSSRBCLKBDOADOPADOBDOPB块状RAM（BlockSelectRAM）每个端口可能的配置可支持包括奇偶校验位在内的数据宽度转换配置深度数据位奇偶位16k×116kb108k×28kb204k×44kb402k×92kb811k×181kb162512×36512324其他资源软核：寄存器传输级（RTL）模型移位寄存器分布式RAM嵌入式IP核布线资源固核：带有平面规划信息的网表硬核：经验证的设计版图FPGA引脚主要厂商XilinxAlteraActelLattice军品级、宇航级AlteraAll

OthersXilinx市场份额XilinxFPGA发展历史65nm工艺的Virtex5产品，门数量已经达到千万级，晶体管个数超过10亿个。Xilinx当全球首款FPGA产品XC2064，2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个。45nm工艺的Virtex6系列，76万个逻辑单元，功耗降低50%。1985年2007年2009年最新最新的XilinxVirtex7系列，28nm工艺，200万个逻辑单元，功耗再降低50%。XilinxFPGA家族200220062008201070060020002004CoolRunner-IISpartan-3E100MHz,92DMIPSNextGeneration

SpartanSpartan-3100MHz,92DMIPSVirtex-IIPro150MHz,120DMIPS100200Virtex-4200MHz,160DMIPSVirtex-5MontBlancMHzVirtex-4,450MHz400500300Virtex-IIProVirtex-5MontBlancTrilogyVirtex系列工艺/核心电压时钟特色Virtex-2150nm1.5V420MHz40万-800万门Virtex-2Pro130nm1.5V420MHz2个400MHz的PowerPC3.125GbpsRocketIO™Virtex-490nsm1.2V500MHz20万个逻辑单元LX、SX、FXVirtex-565nm1.0V550MHz33万个逻辑单元LX、LXT、SXTVirtex-645nm1.0V600MHz76万个逻辑单元LXT、SXT、HXTVirtex-728nm500MHz76万个逻辑单元Zynq(CortexA9)、Kintex、ArtixSpartan系列工艺/架构时钟特色Spartan-22E180nm/150nm200MHz20万门Spartan-390nmVirtex-II340MHz5万-500万门低端代表Spartan-3A90nm500MHz5万-340万门DNAID技术Spartan-3E90nm500MHz10万-160万门Spartan-645nmVritex-6500MHz15万个逻辑单元Spartan-3系列Spartan-3ADSPFPGASpartan-3ANFPGASpartan-3AFPGASpartan-3EFPGA非易失性应用DSP应用逻辑优化应用I/O优化应用Spartan-3FPGA最高密度和引脚数的应用I/OsGatesOptimizedforLowestCostPerLogic(CPL)OptimizedforLowestCostPerI/O(CPI)Gate-ContrleDesignsI/OContrleDesignsSpartan-3ESpartan-3Over10Million90nmSpartan-3FPGAsShippedFPGA系统开发电路设计：电路板设计、焊接、调试（电路、模电、数电、集成电路）硬件设计：芯片设计、结构设计、总线接口设计、存储器控制（计算机组成原理、接口技术）系统开发：编程技术、调试技术、嵌入式开发（硬件描述语言基础、嵌入式系统）应用开发：通信网络、图像处理、音视频处理、并行计算（通信原理、Matlab建模等）复杂系统工程FPGA硬件工程师必备知识必备知识FPGA基本设计规范

嵌入式处理器原理与应用常用总线的原理、性能指标各种存储器的性能、设计要点及选型物理层接口芯片性能、设计要点及选型FPGA芯片结构、设计要点及选型指导VHDL语言和VerilogHDL语言网络基础企业硬件研究开发流程

熟练掌握并使用业界最新、最流行专业设计工具Innoveda公司的ViewDraw，PowerPCB，Cam350CADENCE公司的OrCad；Allegro，SpectraAltera公司的MAX+PLUSXILINX公司的ISE、VivadoFPGA应用领域IC设计与验证通信领域数据采集与信息处理

CPU、嵌入式系统网络通信设备安全设备生物信息金融领域航天和军用汽车数字广播消费类数据存储和处理工业应用、科学和医疗有线通信无线通信FPGA应用领域举例粘合逻辑电子创可贴标准接口可编程基于IP的协议简单状态控制数据处理任务大规模控制奥运会LED卷轴控制系统更强的粘合功能FPGA应用领域举例PCSRAMFPGAμPcoreExpansionBoardADC/DACTX/RXRadioModuleADC/DACTX/RXRadioModuleADC/DACTX/RXRadioModuleADC/DACTX/RXRadioModuleEthernetUSB2.0FPGA应用领域举例ASIC验证基于FPGA的原型验证与结构化ASIC堆叠式FPGA应用领域举例ASIC验证平铺式BeeCube平台FPGA应用领域举例机器人单个MCU无法有效完成控制算法硬件加速FPGA应用领域举例汽车电子汽车信息娱乐远程信息处理PARIS平台FPGA应用领域举例可重构计算演化硬件（EvolutionHardware，EHW）NASA的勇气号和机遇号火星车澳大利亚科学卫星FedSat号FPGA应用领域举例异构计算协处理器FPGA应用领域举例异构计算协处理器FPGA应用领域举例综合实验平台用一套硬件实现包括“逻辑与计算机设计基础”“计算机组成”“汇编与接口”“嵌入式系统”等课程。参考书目参考书目开放资源国内开源硬件社区——OpenHW国外FPGA开源IP网站开放资源Xilinx官方网站SEED-XDTKMboard实验箱主板支持XUPV2Pro或者FEM025并行高速A/D和D/A，8位，1M串行高速A/D和D/A，12位，30MLCD显示模块（122*32）数码管显示模块（8段）LED点阵显示模块（16*16）USB2.0模块RTC+EEPROM模块蜂鸣器键盘模块7寸640x480VGA液晶显示器CCD摄像头核心板用一套硬件实现包括“逻辑与计算机设计基础”、“计算机组成”、“汇编与接口”、“嵌入式系统”等课程学习资料教材及参考书徐文波，田耘.XilinxFPGA开发使用教程（第2版）.清华大学出版社SamirPalnitkar.VerilogHDL数字设计与综合（第2版）,电子工业出版社.……资料下载链接：密码：4u5g考核方式平时成绩占40%技术调研报告15分，纸质，1人1份；实验25分，每次5分（最后一次实验大作业调试验收）；要求：每个实验的预习报告1人1份，纸质；每个实验的实验报告1组1份，纸质。大作业占60%综合设计大作业60分，纸质，1组1份。两个报告装订在一起。电子版报告以及工程文件打包发至信箱技术调研报告《FPGA技术调研报告__XXX》FPGA开发技术框架FPGA系统解决方案基于FPGA的EDA开发案例研究FPGA应用技术调研：XX领域FPGA嵌入式系统设计与应用（不局限于以上方面）纸质版报告，结