Xilinx2010电子设计竞赛培训(第一部分)

Xilinx2010电子设计竞赛培训(第一部分)第一页，共60页。

培训内容北京中教仪装备技术有限公司介绍Xilinx公司介绍Xilinx公司产品概述Xilinx公司软件平台介绍Xilinx公司ISE10.1软件介绍EXCD-1硬件开发平台介绍基于HDL、IP核和原理图的设计输入和实现PicoBlaze8位嵌入式微控制器原理和设计实现Xilinx片上可编程系统原理介绍基于EDK10.1和MicroBlaze32位软核处理器的设计实现第二页，共60页。3高等教育出版社实验课程研发中心

--北京中教仪装备技术有限公司介绍概述Aboutus部门定位Mission主营业务MainBusiness发展特色Features发展愿景Expectation第三页，共60页。4隶属于高等教育出版社

在教育部的部署下，高等教育出版社为了提供优质的教育装备集成资源，成立实验课程研发中心。中心下辖北京中教仪装备技术有限公司,与中国教学仪器总公司共同构成了高教社的教学仪器板块。

中心拥有一支以博、硕士为骨干的专业研发团队，秉承“教学设计引导教育装备”的发展理念，致力于开发和制造符合先进教学理念的教育装备和相关资源，注重实训与岗位接轨、理实一体化的教学理念，打造优秀教学设计成果的转化平台，为国内外高等院校提供优质的实验（实训）教学整体解决方案。高等教育出版社实验课程研发中心

--北京中教仪装备技术有限公司概述第四页，共60页。5实验（实训）教学仪器提供者实验（实训）教学咨询和服务提供者实验（实训）教学整体集成方案的提供者高等教育出版社实验课程研发中心

--北京中教仪装备技术有限公司定位第五页，共60页。6高等教育出版社课程研发中心

--主营业务Mainbusiness教材

Textbook多媒体课件

MultimediaCourseware弱电类实验装置实验室管理软件

LabmanagementSoftware培训/实训

Training强电类实训装置实验（实训）课程教学整体解决方案

IntegratedSolutionforexperimental&practicalteaching第六页，共60页。7高等教育出版社课程研发中心

--产品结构ProductionStructure模块化教学仪器设计Modulardidacticdesign模块化指导书和相关资源Modularteachingtextbookandassociatedmeterail网络平台构成再学习体系

Buildingarelearnsystemthroughnetworkplatform创新意识、探究性、自主性

Innovativeinquiringself-determinatingconsciousness独立成册，随意组合，即时印刷，与国家资源库接轨independentVolumecanbecombinedfreelyandcanbeprintedontime跟踪教学发展方向，符合学校多层面需求Tracingthetrendofteachingevolutiontofulfillthedemandofuniversityandcolledge第七页，共60页。提供培训和竞赛使用的硬件平台EXCD-1提供SOC实验室解决方案 ——EXCD-1开发板+SOC实验箱

高等教育出版社课程研发中心

--北京中教仪装备技术有限公司第八页，共60页。高等教育出版社课程研发中心

--基于XilinxPSOC实验室解决方案用于竞赛用于实验室培训EXCD-1开发板+SOC实验箱第九页，共60页。高等教育出版社课程研发中心

--基于XilinxPSOC实验室解决方案德式简洁架构，双层结构，盒盖可放置在底部做为收纳盒。第十页，共60页。高等教育出版社课程研发中心

--基于XilinxPSOC实验室解决方案数字脉冲源电源:+5V/3A,-5V/1A,+3.3V/3A点阵LCM12864单通道并行ADC单通道并行DAC步进电机模块4*4矩阵键盘蜂鸣器MP3播放模块红外收发通讯UART通讯交通灯模块USB模块网络10M/100M温度传感器日历时钟模块资源丰富第十一页，共60页。EXCD-1开发板主要基于XilinxSpartan3EFPGA器件XC3S500E-PQ208，板上含有2Mbytes的Flash和1024Kbytes的SRAM，以及各种输入输出设备。基于该板可以设计具有各种功能的数字系统，并可以完成含有8位PicoBlaze微控制器和MicroBlaze7.0软核的嵌入式处理器系统。高等教育出版社课程研发中心

--基于XilinxPSOC实验室解决方案第十二页，共60页。Xilinx公司介绍

--公司起源

1984年在硅谷工作的2个聪明的工程师和1个营销主管作了一个梦。BernieVonderschmitt、RossFreeman和JimBarnett梦想创立一家不同于一般的公司。他们希望创建一家公司来为一个全新的领域开发和推出先进技术。他们还希望以下面这种方式来领导它：在这里工作的人们热爱他们的工作、享受工作带来的乐趣，并且对他们所从事的工作着迷。新型半导体（现称为现场可编程门阵列）由Xilinx共同创始人RossFreeman发明，是一种全新的可编程逻辑。第十三页，共60页。Xilinx公司介绍

--主要发展例程1984年RossFreeman、BernieVonderschmitt和JimBarnett创立了Xilinx。1985年Xilinx推出了它的第一款产品-XC2064。1991年推出XC4000™系列FPGA。1998年推出Virtex®™FPGA系列。2002年推出CoolRunner-II系列产品。2003年推出Spartan®™-3系列产品。2006年Xilinx推出业内首款带有Virtex-5系列的65nmFPGA-业内性能最高的FPGA。2009年Xilinx推出2款新一代FPGA系列产品，用以实现新型目标设计平台。第十四页，共60页。Xilinx公司介绍

--市场份额

Xilinx是世界可编程平台领导厂商，在2009年实现了17亿美元的收入，占半导体行业可编程逻辑器件(PLD)部门50%以上的市场份额，超过其竞争对手占有率的总和。第十五页，共60页。Xilinx公司介绍

--大学计划XUPXilinx大学计划部大中华区经理谢凯年E_mail:kevin.第十六页，共60页。Xilinx公司介绍

--两个最近令业界兴奋的消息1.ARM公司2009年底宣布和Xilinx公司合作。

2.2010年初，Xilinx宣布将采用28nm的工艺。建立在台湾半导体制造有限公司(TSMC)和三星(Samsung)代工高性能低功耗高介电层/金属闸(high-kmetalgate)28纳米工艺技术之上的技术的初始器件将于2010年第四季度上市，并将于同年6月提供ISE设计套件初期工具支持。第十七页，共60页。Xilinx公司产品概述

--应用领域

Xilinx解决方案在大量终端市场上实现了世界上最具创新意义的应用：航空航天/军用产品

汽车广播消费类数据处理/存储工业/科技/医疗（ISM）有线无线第十八页，共60页。Xilinx公司产品概述

--CPLD产品CPLD产品目前有两大类:CoolRunner系列XC9500系列CoolRunner-IICoolRunnerXPLA3XC9500XC9500XL第十九页，共60页。Xilinx公司产品概述

--CPLD产品的内部结构第二十页，共60页。Xilinx公司产品概述

--FPGA产品Xilinx公司目前有两大类FPGA产品:Spartan系列:面向低成本的中低端应用，是目前业界成本最低的一类FPGA；Virtex系列:面向高端应用，属于业界顶级产品。这两个系列的差异仅限于芯片的规模和专用模块上，都采用了先进的0.13um、90nm、65nm、40nm制造工艺，具有相同的卓越品质。

Spartan系列是Virtex系列的简化版本。第二十一页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA产品-Spartan系列Spartan系列目前主流的芯片包括:Spartan-2，Spartan-2E，Spartan-3，Spartan-3A，Spartan-3E，Spartan-6等种类。

1）Spartan-2最高可达20万系统门；

2）Spartan-2E最高可达60万系统门；

3）Spartan-3最高可达500万门；

4）Spartan-3A和Spartan-3E不仅系统门数更大，还增强了大量的内嵌专用乘法器和专用块RAM资源，具备实现复杂数字信号处理和片上可编程系统的能力。

5）Spartan-6系列的FPGA是Xilinx公司于2009年推出的新一代的FPGA芯片，该系列的芯片功耗低，容量大。

第二十二页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA产品Virtex系列Virtex系列是Xilinx的高端产品，也是业界的顶级产品，Xilinx公司正是凭借Vitex系列产品赢得市场，从而获得FPGA供应商领头羊的地位。可以说Xilinx以其Virtex-6、Virtex-5、Virtex-4、Virtex-IIPro和Virtex-II系列FPGA产品引领现场可编程门阵列行业。目前的主流芯片包括：Vitrex-2、Virtex-2Pro、Virtex-4、Virtex-5、Virtex-6等种类。第二十三页，共60页。Xilinx公司产品概述

--FPGA原理（查找表技术）也称为函数发生器(Functiongenerator,FG)其功能被输入的数目限制，而不是被复杂性所限；贯穿LUT的时延是固定的；ABCDZ000000001000100001110100101011...11000110101110011111CombinatorialLogicABCDZ第二十四页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA内部结构

FPGA芯片主要由6部分完成，分别为：

1)可编程输入输出单元；2)基本可编程逻辑单元；3)完整的时钟管理；4)嵌入块式RAM；5)丰富的布线资源；6)内嵌的底层功能单元和专用硬件模块；第二十五页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA内部结构Virtex™-II结构核电压1.5V

块BRAM资源I/O块

(IOBs)可配置的逻辑块(CLBs)时钟管理

(DCM,BUFGMUX)专用乘法器可编程的互联线第二十六页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA内部结构CLB是FPGA内的基本逻辑单元。CLB的实际数量和特性会依器件的不同而不同，但是每个CLB都包含：一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路（多路复用器等）和触发器组成。开关矩阵是高度灵活的，可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中，CLB由多个（一般为4个或2个）相同的Slice和附加逻辑构成。第二十七页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA内部结构

每个CLB模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。本地布线CINSwitchMatrixBUFTBUFTCOUTCOUTSliceS0SliceS1本地布线SliceS2SliceS3CINSHIFTVirtex-IICLB包含4个slices第二十八页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA内部结构典型的4输入Slice结构示意图（Virtex-II）第二十九页，共60页。Xilinx公司产品概述

-FPGA内部结构第三十页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA内部结构（复用逻辑）专用的Mux提供了slices和LUTs之间的连接F5F8F5F6CLBSliceS3SliceS2SliceS0SliceS1F5F7F5F6MUXF8连接两个MUXF7输出(来自上面或下面的CLB)MUXF6连接SliceS2和S3MUXF7连接两个MUXF6输出MUXF6连接slicesS0和S1MUXF5连接Slice内的LUT第三十一页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA内部结构（IO块）输入通道：两个DDR寄存器输出通道：两个DDR寄存器两个三态使能

DDR复用器独立的时钟和时钟使能，用于I和O共享置位和复位信号RegRegDDRMUX3-stateOCK1OCK2RegRegDDRMUXOutputOCK1OCK2PADRegRegInputICK1ICK2IOB第三十二页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA内部结构（专用BRAM）最大3.5Mb

同步的读/写真正的双端口RAM每个端口有同步读/写功能每个端口有不同的时钟（可

配置）

支持初始化值对输出锁存器的同步复位支持奇偶校验每8位一个奇偶校验位与嵌入式的专用乘法器相邻用于快速的乘-累加操作DIADIPAADDRAWEAENASSRACLKADIBDIPBWEBADDRBENBSSRBDOACLKBDOPADOPBDOB18-kbblockSelectRAMmemory第三十三页，共60页。Xilinx公司产品概述

---FPGA新结构

Virtex-4系列的FPGA采用了高级硅模组(AdvancedSiliconModularBlock,ASMBL)架构。ASMBL通过使用独特的基于列的结构，实现了支持多专门领域应用平台的概念。每列代表一个具有专门功能的硅子系统，如逻辑资源、存储器、I/O、DSP、处理、硬IP和混合信号等。

Xilinx公司通过组合不同功能列，组装成面向特定应用类别的专门领域FPGA（与专用不同，专用是指一项单一应用）。第三十四页，共60页。Xilinx公司产品概述

--Virtex-4结构1GbpsSelectIO™

ChipSync™源同步技术,

XCITE活动的端接智能RAM新的BRAM/FIFOXesium时钟技术500MHz带APU接口的PowerPC™405

450MHz,680

DMIPS三模式以太网MAC

10/100/1000MbpsRocketIO多吉比特接收、发送器

622Mbps–10.3GbpsXtremeDSP™技术Slices

25618x18GMACs

高级CLBs

200K逻辑单元第三十五页，共60页。Xilinx公司产品概述

---Virtex-5结构550MHz时钟管理单元（带DCM和PLL)三模式10/100/1000Mbps以太网MACs新一代PowerPC®嵌入式处理器带ChipSync技术和XCITEDCI的SelectIORocketIO™接收/发送器选项低功耗GTP:最大到3.75Gbps高性能的GTX:最大到6.5GbpsPCIExpress®

端节点模块最高级的高性能真正的6输入LUT逻辑结构高级配置选项36Kbit双口RAM/FIFO(带集成的ECC)带有集成ALU的25x18DSPSlice新的扩展的带内建ADC的系统监控功能第三十六页，共60页。Xilinx公司产品概述

---PROM产品Xilinx公司的PlatformFlashPROM能为所有型号的XilinxFPGA提供非易失性存储。全系列PROM的容量范围为1Mbit到32Mbit，兼容任何一款Xilinx的FPGA芯片，具备完整的工业温度特性，支持IEEE1149.1所定义的JTAG边界扫描协议。

PROM芯片可以分成3.3V核电压的系列和1.8V核电压的系列两大类。第三十七页，共60页。Xilinx公司产品概述

---PROM产品串行配置并行配置第三十八页，共60页。Xilinx公司软件平台介绍

--开发工具ISEDesignSuite涉及了FPGA设计的各个应用方面，包括逻辑开发、数字信号处理系统以及嵌入式系统开发等FPGA开发的主要应用领域，主要包括

1）ISEFoundation：集成开发工具

2）EDK：嵌入式开发套件

3）DSP_TOOLs：数字信号处理开发工具

4）ChipScopePro：在线逻辑分析仪工具

5）PlanAhead：用于布局和布线等设计分析工具第三十九页，共60页。Xilinx公司软件平台介绍

--软件组成集成开发环境数字信号处理开发工具在线逻辑分析仪工具片上系统开发

布局布线工具第四十页，共60页。Xilinx公司软件平台介绍

--ISEFoundation软件

ISEFoundation软件是Xilinx公司推出的FPGA/CPLD集成开发环境，不仅包括逻辑设计所需的一切，还具有简便易用的内置式工具和向导，使得I/O分配、功耗分析、时序驱动设计收敛、HDL仿真等关键步骤变得容易而直观。第四十一页，共60页。Xilinx公司软件平台介绍

--EDK软件EDK是Xilinx公司推出的FPGA嵌入式开发工具，包括嵌入式硬件平台开发工具（PlatformStudio）、嵌入式软件开发工具（PlatformStudioSDK）、嵌入式IBMPowerPC硬件处理器核、XilinxMicroBlaze软处理器核、开发所需的技术文档和IP，为设计嵌入式可编程系统提供了全面的解决方案。

EDK10.1版还包括了最新的IP内核以优化系统设计。同时还包括了SPI、DDR2/DMA/PS2和支持SGMII的三模式以太网MAC等外设，FlexrayTM外设选项，以及用于DMA的PCIExpress驱动支持。第四十二页，共60页。Xilinx公司软件平台介绍

--DSP_Tools软件Xilinx公司推出了简化FPGA数字处理系统的集成开发工具DSPTools，快速、简易地将DSP系统的抽象算法转化成可综合的、可靠的硬件系统，为DSP设计者扫清了编程的障碍。DSPTools主要包括SystemGenetator和AccelDSP两部分，前者和Mathworks公司的Simulink实现无缝链接，后者主要针对c/.m语言。第四十三页，共60页。Xilinx公司软件平台介绍

--ChipScopePro软件Xilinx公司推出了在线逻辑分析仪，通过软件方式为用户提供稳定和方便的解决方案。该在线逻辑分析仪不仅具有逻辑分析仪的功能，而且成本低廉、操作简单，因此具有极高的实用价值。

ChipScopePro既可以独立使用，也可以在ISE集成环境中使用，非常灵活，为用户提供方便和稳定的逻辑分析解决方案，支持Spartan和Virtex全系列FPGA芯片。

ChipScopePro将逻辑分析器。总线分析器和虚拟I/O小型软件核直接插入到用户的设计当中，可以直接查看任何内部信号和节点，包括嵌入式硬或软处理器。第四十四页，共60页。Xilinx公司软件平台介绍

--PlanAhead软件

PlanAhead工具简化了综合与布局布线之间的设计步骤，能够将大型设计划分成较小的、更易于管理的模块，并集中精力优化各个模块。此外，还提供了一个直观的环境，为用户设计提供原理图、平面布局规划或器件图，可快速确定和改进设计的层次，以便获得更好的结果和更有效地使用资源，从而获得最佳的性能和更高的利用率，极大地提升了整个设计的性能和质量。第四十五页，共60页。Xilinx公司ISE10.1软件介绍

--ISE主界面第四十六页，共60页。Xilinx公司ISE10.1软件介绍

--主要功能ISE的主要功能包括设计输入、综合、仿真、实现和下载，涵盖了可编程逻辑器件开发的全过程，从功能上讲，完成CPLD/FPGA的设计流程无需借助任何第三方EDA软件。下面简要说明各功能的作用：

1、设计输入：ISE提供的设计输入工具包括用于HDL代码输入和查看报告的ISE文本编辑器（TheISETextEditor），用于原理图编辑的工具ECS（TheEngineeringCaptureSystem），用于生成IPCore的CoreGenerator，用于状态机设计的StateCAD以及用于约束文件编辑的ConstraintEditor等。

第四十七页，共60页。Xilinx公司ISE10.1软件介绍

--主要功能2、综合：ISE的综合工具不但包含了Xilinx自身提供的综合工具XST，同时还可以内嵌MentorGraphics公司的LeonardoSpectrum和Synplicity公司的Synplify，实现无缝链接。

3、仿真：ISE本身自带了一个具有图形化波形编辑功能的仿真工具HDLBencher，同时又提供了使用ModelTech公司的Modelsim进行仿真的接口。第四十八页，共60页。Xilinx公司ISE10.1软件介绍

--主要功能4、实现：此功能包括了翻译、映射、布局布线等，还具备时序分析、管脚指定以及增量设计等高级功能。

5、下载：下载功能包括了BitGen，用于将布局布线后的设计文件转换为位流文件，还包括了IMPACT，功能是进行芯片配置和通信，控制将程序烧写到FPGA芯片中去。第四十九页，共60页。Xilinx公司ISE10.1软件介绍

--ISE主界面窗口功能概述1）左上角的窗口是源文件窗口，设计工程所包括的文件以分层的形式列出。

2）在该子窗口的下面是处理窗口，该窗口描述的是对于选定的设计文件可以使用的处理流程。

3）在ISE主界面最下面是脚本窗口，在该窗口中显示了消息、错误和警告的状态。同时还有Tcl脚本的交互和文件中查找的功能。

4）在ISE的右上角是多文档的窗口，在该窗口可以查看html的报告，ASCII码文件、原理图和仿真波形。通过选择View->RestoreDefaultLayout可以恢复界面的原始设置。第五十页，共60页。Xilinx公司ISE10.1软件介绍

--源文件(source）子窗口

这个窗口有三个标签：源（Source）、Snapshots（快照）、Library（库）。源标签内显示工程名、指定的芯片和设计相关文档。在设计视图的每一个文件都有一个相关的图标，这个图标显示的是文件的类型（HDL文件、原理图、IP核和文本文件）。‘+’表示该设计文件包含了更低层次的设计模块。标签内显示的是目前所打开文件快照。一个快照是在该工程里所有文件的一个拷贝。通过该标签可以察看报告、用户文档和源文件。该标签下所有的信息只读。库标签内显示与当前工程相关的库。第五十一页，共60页。Xilinx公司ISE10.1软件介绍

--处理(process）子窗口在该窗口只有一个处理标签。该标签有下列功能：添加已有文件；创建新文件；察看设计总结（访问符号产生工具，例化模板，察看命令行历史和仿真库编辑）；用户约束文件（访问和编辑位置和时序约束）；综合（检查语法、综合、察看RTL和综合报告）；设计实现（访问实现工具，设计流程报告和其它一些工具）；产生可编程文件（访问配置工具和产生比特流文件）。第五十二页，共60页。Xilinx公司ISE10.1软件介绍

--脚本（transcript）子窗口

脚本子窗口有5个默认标签:Console，error，warnings，Tclshell，findinfile。

Console标签显示错误、警告和信息。X表示错误，！表示警告。

Warning标签只显示警告消息。

Error标签只显示错误消息。

Tclshell标签是与设计人员的交互控制台。除了显示错误、警告和信息外，还允许输入ISE特定命令。

Findinfile标签显示的是选择Edit>FindinFile操作后的查询结果。第五十三页，共60页。Xilinx公司ISE10.1软件介绍

--工作区（Workspace）子窗口

工作区子窗口提供了设计总结、文本编辑器、ISE仿真器/波形编辑器、原理图编辑器功能。设计总结提供了关于该