XILINX-FPGA数字系统设计01FPGA介绍.ppt

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1、第一讲 XILINX-FPGA数字系统 设计介绍 内容介绍 1、 FPGA特性及功能介绍 2、 XILINX公司简介及其 FPGA产品介绍 3、 XILINX-FPGA开发环境介绍 4、基于 XILINX-FPGA的硬件逻辑设计介绍 5、基于 XILINX-FPGA的嵌入式系统设计介 绍 6、课程安排介绍 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 2 一 FPGA特性及功能介绍 -FPGA发展历史 早期的可编程器件，包括： 可编程只读存储器 PROM（ Programmable Read Only Memory） ；特点在于： 一是只能进行一次编程 二是空白 PROM价格低廉 ， 高

2、成本 ROM制作之前的 数据原型测试的最佳选择 紫外线可擦除只读存储器 EPROM（ Erasable Programmable Read Only Memory） ；特点在于： 可进行多次编程 只读 ， EPROM芯片 ， 命名时一般以 27开头 ， 前面添 加生产厂商 ， 如 TMS27C512-60 2020/11/15 3 西安电子科技大学 -软件学院 一 FPGA特性及功能介绍 -FPGA发展历史 电可擦除只读存储器 EEPROM（ Electrically Erasable Programmable Read Only Memory） ； 特点在于： 一是可多次编程 二是可在线编程

3、 ， 常用操作接口方式 I2C,SPI接口 20世纪 70年代 ， 出现可编程阵列逻辑 (PAL, Programmable Array Logic)和可编程逻辑阵 列 (PLA, Programmable Logic Array) PAL， 命名规则 PAL16L8-2CJ， 包括输入数 ， 输出数 ， 输出方式 ， 速度 ， 功耗 ， 封装形式 ， 温度 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 4 20世纪 80年代 ， Altera与 Xilinx公司分别推 出 CPLD(Complex Programmable Logic Device)和 FPGA器件 (Field Pr

4、ogrammable Gate Array， 现场可编程门阵列 ) FPGA生产厂商 Altera XILINX Lattice Actel Cypress 2020/11/15 5 西安电子科技大学 -软件学院 一 FPGA特性及功能介绍 -FPGA发展历史 基于查找表技术 采用 FPGA设计 ASIC电路 ， 用户不需要投片生 产 ， 就能得到合适的芯片 FPGA可作为其他全定制或半定制 ASIC电路的 中试样片 FPGA内部拥有丰富的触发器和 I/O引脚 FPGA是 ASIC电路中设计周期最短 、 开发费用 最低 、 风险最小的器件之一 FPGA采用高速 CHMOS工艺 ， 功耗低 ，

5、可以与 CMOS、 TTL电平兼容 （ 高低电平标准不一 ） 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 6 一 FPGA特性及功能介绍 -FPGA特性及优势 FPGA主要结构 FPGA由可配置逻辑模块 CLB(Configutable Logic Blocks)、 输入输出模块 IOB(Input/Output Blocks) 和 互 连 资 源 ICR(Interconnect Capital Resource)以及一个用于存放编程数据的静态存储 器 SRAM组成 。 其中 CLB的基本组成单元为 Slice(由查找表和触发器构成的单元 ) 2020/11/15 7 西安电子科技大

6、学 -软件学院 一 FPGA特性及功能介绍 -FPGA主要结构 e.g Spartan-II系列 2020/11/15 8 西安电子科技大学 -软件学院 一 FPGA特性及功能介绍 -FPGA主要结构 二 XILINX公司及其 FPGA产品 Xilinx公司成立于 1984年 ， 首创了现场可编程逻辑 阵列 (FPGA)这一创新性的技术 ， 并于 1985年首次 推出商业化产品 。 目前 Xilinx满足了全世界对 FPGA产品一半以上的需求 。 传统的半导体公司仅有几百个客户 ， 而 Xilinx在全 世界有 7500多家客户以及 50000多个设计开端 ， 其 中包括 EMC、 IBM、

7、Nokia、 Motorola、 Siemens、 Sony、 Sun Microsystem、 Cisco Systems等等 。 总部设于加利福利亚圣何塞市 ， 为 NASDAQ上市 公司 。 2020/11/15 9 西安电子科技大学 -软件学院 二 XILINX公司及其 FPGA产品 作为全球领先的可编程逻辑完整解决方案供应商 ， 其研发 、 制造并销售范围广泛的高级集成电路 、 软件设计工具 (ISE12.3官方发布最高版本 )以及作 为预定义系统级功能的 IP(Intellectual Property)核 。 客户使用 Xilinx及其合作伙伴的自动化软件和 IP核 对器件进行编

8、程 ， 从而完成特定的逻辑操作 。 财富杂志 2003年 “ 100家最适合工作的企业 ” 排名 中 ， Xilinx名列第四位 ， 并被广泛认为是半导体行 业中管理最佳 、 财务状况良好的高科技企业 。 旧金山编年史也把 Xilinx选为硅谷最适合工作的五 十家企业之一 。 2020/11/15 10 西安电子科技大学 -软件学院 二 XILINX公司及其 FPGA产品 -spartan系列 产品分类 Spartan系列：侧重于低成本应用 ， 容量中等 ， 可以满足一 般的逻辑设计要求； e.g Spartan-II系列给用户提供了高性能 、 丰富的逻辑资源和 充足的特征集 ， 该系列家族中

9、的六大成员其系统门级密度 达到了从 15000到 200000不等 。 2020/11/15 11 西安电子科技大学 -软件学院 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 12 Spartan-3A延伸系列 FPGA平台对比 系统要求 3A 3AN 3A DSP 多功能嵌入式处 理 是 是 是 最佳存储架构 是 是 是 低成本安全性 是 是 是 集成 Flash存储 是 单芯片非易失性 是 高性能 DSP性能 是 增强型电源管理 是 是 是 二 XILINX公司及其 FPGA产品 -spartan系列 Virtex系列：侧重于高性能应用，容量较大，可 以满足各式各样的高端应用。当前

10、Virtex系列包括 了 Virtex-II， Virtex-4， Virtex-5,以及最新的 Virtex- 6。各个系列都有针对不同应用的版本，比如说 DSP算法的，嵌入式系统设计的。 e.g ： Virtex-II FPGA采用 0.15um、 1.5v工艺技术制 造而成，拥有 420M内部时钟， 840Mb/s可编程 I/O 块，具有强大的计算存储能力。 2020/11/15 13 西安电子科技大学 -软件学院 二 XILINX公司及其 FPGA产品 -virtex系列 e.g Virtex-II Pro的 Block图 2020/11/15 14 西安电子科技大学 -软件学院 二

11、XILINX公司及其 FPGA产品 -virtex系列 Virtex-5系列对比表 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 15 系统要求 LX LXT SXT FXT TXT 逻辑 是 高密度 ASIC原型开发逻辑 是 是 是 通用处理 是 是 是 是 高性能处理 是 数字信号处理 是 是 低功耗串行 IO 是 是 高性能串行 IO 是 是 片上系统设计 是 二 XILINX公司及其 FPGA产品 -virtex5系列 Virtex-5特性对比表 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 16 特性 LX LXT SXT FXT TXT ExpressFabric 架构

12、； 6输入 LUT 是 是 是 是 是 550M时钟控制管理通道 2-6 2-6 2-6 2-6 6 550M block RAM(1000kb) 1.2- 10.4 0.94- 11.7 3-18.6 2.4-16.4 8.2- 11.7 1.25Gbps Select IO技术 是 是 是 是 是 3.75Gbps RocketIO GTP收发器 4-24 8-24 6.5Gbps GTX收发器 8-24 40-48 PCI Express端点模块 1 1 1-4 1 10/100/1000M 以太网 2-4 4 4-8 4 550M DSP48E Slice 32- 192 24-192

13、 192- 1056 64-384 80-96 PowerPC处理器 1-2 二 XILINX公司及其 FPGA产品 -virtex5系列 Virtex-6系列对比表 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 17 系统要求 LXT SXT HXT 高性能逻辑 是 是 是 高密度 ASIC原型逻辑 是 是 通用处理 是 是 数字信号处理 是 是 超高性能数字信号处理 是 是 低功耗串行 IO 是 是 串行 IO带宽 强 强 增强 二 XILINX公司及其 FPGA产品 -virtex6系列 Virtex-6特性对比表 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 18 特性 L

14、XT SXT HXT 40nm ExpressFabric架构， 6输入 LUT 是 是 是 600M时钟管理通道 6-18 12-18 12-18 600M Block RAM(1000kb) 5.6-25.9 25.3-38.3 18.1-32.8 1.40Gbps SelectIO 是 是 是 6.6Gbps GTX收发器 12-36 12-36 12-36 11.18Gbps GTH收发器 24 PCIE 1-2 2 2-4 以太网控制器 4 4 2-4 600M DSP48E1 Slice 288-864 1344-2016 576-864 二 XILINX公司及其 FPGA产品 -

15、virtex6系列 Virtex系列 Spartan系列对比 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 19 特性 Virtex-6 Virtex-5 Spartan-6 Spartan- 3A延伸系 列 逻辑单元 760000 330000 150000 53000 用户 IO 1200 1200 576 519 支持的 IO标准 超过 40种 40 40 20 时钟管理 PLL DCM+PLL DCM+PLL DCM BlockRAM 高达 38Mb 18Mb 4.8Mb 1.8Mb 乘法器 25*18个 MAC 25*18 18*18 18*18 千兆位高速串行 6.5Gbps

16、，大于 11Gbps 3.75Gbps， 6.5Gbps 3.125Gbps 无 PCIE 支持 x8 支持 x8 支持 x1 无 MicroBlaze软核 支持 支持 支持 支持 二 XILINX公司及其 FPGA产品 -系列对比 三 XILINX-FPGA开发环境介绍 XILINX提供的工具特性 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 20 特性 Logic版本 嵌入式版本 DSP版本 System Generator for DSP 是 嵌入式开发套件 是 软件开发套件 是 MicroBlaze软核 是 Core Generator 是 是 是 PlanAhead设计分析工具

17、 是 是 是 ChipScope 是 是 是 部分重配置 是 是 是 ISE仿真器 是 是 是 综合 是 是 是 时序驱动布局布线 是 是 是 三 XILINX-FPGA开发环境介绍 -ISE ISE：侧重于硬件逻辑设计，集成了设计过 程中要使用的一系列软件工具，设计过程 为： 设计输入（ Design Entry） 设计综合（ Design Synthesis） 仿真（ Simulation） 集成的工具包括： Core Generator：用于 IP核的设计 IMAPCT：用于 FPGA配置 Timing Analyzer：时序分析器 Constraints Editor： UCF用户约束

18、文件设计 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 21 EDK：完整的嵌入式开发套件，集成了： XPS（ Xilinx Platform Studio）集成开发环境 利用 Base System Builder进行硬件平台生成 自定义 IP创建向导 ChipScope Pro调试支持 SDK（ Software Development Kit）软件项目开发环境 基于 Eclipse的开放源码标准、集成 C、 C+编译环境、版本控制， Makefile自 动生成、 CVS支持 LibGen，库文件生成器 根据用户创建的 MSS文件作为输入，在 MSS文件中定义了和外设相关的信息 ，

19、LibGen利用这些信息为系统创建配置文件和驱动程序 GUN Tools 集成了针对 PowerPC处理器和 MicroBlaze处理器的交叉编译环境 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 22 三 XILINX-FPGA开发环境介绍 -EDK DSP Tools：集成了 AccelDSP Synthesis Tool 和 System Generator工具 AccelDSP Synthesis Tool：用于将 MATLAB浮 点设计转换为可以在 FPGA上执行的硬件模块 System Generator：集成了 FPGA设计工具及 IP 核，可以和 Simulink实现无缝

20、连接，快速建模 并且自动生成代码 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 23 三 XILINX-FPGA开发环境介绍 DSP Tool 四 基于 XILINX-FPGA的硬件逻辑设计 开发环境及工具 ISE10.1硬件逻辑设计套件，其中包括： Core Generator：用于 IP核的设计与封装； iMAPACT：用于 FPGA的配置； PACE：用于用户约束文件 (UCF)设计； Timing Analyzer：时序分析器； Constraints Editor： UCF的文本输入形式。 Chipscope片内逻辑分析工具 ModelSim第三方仿真工具 2020/11/15

21、 24 西安电子科技大学 -软件学院 设计语言 VHDL语言； Verilog HDL语言； 开发流程 设计输入 逻辑综合：利用 XST(Xilinx Synthesis Tool)工具 仿真验证：利用 Xilinx集成的仿真工具足矣 布局布线：利用 Xilinx的 Implementation Tool工 具 FPGA配置：利用 iMPACT工具 2020/11/15 25 西安电子科技大学 -软件学院 四 基于 XILINX-FPGA的硬件逻辑设计 五 基于 XILINX-FPGA的嵌入式系统设计 -开发 及流程 开发环境及工具 Embedded Development Kit(EDK)：

22、嵌入式开发套件，其 中包括： 利用 Base System Builder(BSB)向导进行硬件平台的生成； 自定义 IP核的创建向导，结合 ISE环境使用； ChipScope调试支持； 多软件工程项目支持以及面向独立系统的特性； Software Development Kit(SDK)：对 IDE集成开发环境的 补充，提供了软件工程项目的开发环境，包括： 基于 Eclipse开放源代码标准； 集成的 C/C+代码编辑器和编译环境 2020/11/15 26 西安电子科技大学 -软件学院 项目管理和源码版本控制； 程序创建配置和自动化的 Makefile生成； 插件支持 ， 如 CVS。

23、开发语言 嵌入式 C或 C+ 一般开发流程 利用 BSB建立硬件处理器系统； 创建自定义外设的模板； 设计并实现自定义 IP的功能模块； 2020/11/15 27 西安电子科技大学 -软件学院 五 基于 XILINX-FPGA的嵌入式系统设计 -开发 及流程 进行 BFM仿真 (利用 ISE自嵌仿真工具往往就足 够了 ) 导入 IP核到 EDK工程中； 添加自定义外设到硬件系统中； 实现其软件驱动； 完成用户应用程序的开发； 下载比特流至开发板 ， 配置 FPGA 2020/11/15 28 西安电子科技大学 -软件学院 五 基于 XILINX-FPGA的嵌入式系统设计 -开发 及流程 Pi

24、coblaze处理器 8bit集成式微处理器； PicoBlaze提供 49个不同的指令 ， 16个寄存器 ， 256 个直接或间接的可设定地址的端口 ， 1个可屏蔽的 、 速率为 35MIPS的中断； PicoBlaze模块由 VHDL语言设计 ， 不需要预编译 ， 可直接由布局布线工具嵌入到容量大一点的器件 中 ； PicoBlaze几乎不占资源 ， 而且一个设计中可以包 括多个 PicoBlaze。 2020/11/15 29 西安电子科技大学 -软件学院 五 基于 XILINX-FPGA的嵌入式系统设计 -软核 Microblaze处理器 Microblaze嵌入式软核是一个经 XIL

25、INX公司优 化过的 、 可直接嵌入在 FPGA中的 RISC处理器软 核 ， 具有运行速度快 、 占用资源少 、 可配置性强 等优点 ， 广泛应用于通信 、 军事 、 高端消费市场 等领域 。 XILINX公司的 Microblaze32位软处理器核也支 持 CoreConnect总线的标准外设集合 .Microblaze处 理器运行在 150MHz时钟下 ， 可提供 125D-MIPS的 性能 ， 非常适合设计针对网络 、 电信 、 数据通信 和消费市场的复杂嵌入式系统 。 2020/11/15 30 西安电子科技大学 -软件学院 五 基于 XILINX-FPGA的嵌入式系统设计 -软核

26、e.g Microblaze7.10d版本 2020/11/15 31 西安电子科技大学 -软件学院 五 基于 XILINX-FPGA的嵌入式系统设计 -软核 PowerPC硬核处理器 PowerPC是一种精简指令集 (RISC)架构的中央处理器 ， 其 基本的设计源自 IBM(国际商用机器公司 )的 POWER架构 。 二 十世纪九十年代 ， IBM、 Apple和 Motorola公司开发 PowerPC 芯片成功 ， 并制造出基于 PowerPC的多处理器计算机 。 PowerPC架构的特点是可伸缩性好 、 方便灵活 。 PowerPC405是 IBM公司推出的一款硬核处理器 。 这一嵌

27、 入式硬核为 32位 RISC指令集架构 ， 并且集成 PowerPC405 CPU， 独立的指令和数据 cache， 一个 JTAG端口 ， 跟踪 FIFO 多个定时器以及一个内存管理单元 (MMU)。 PowerPC405核 还可以执行 PowerPC用户指令集 。 2020/11/15 32 西安电子科技大学 -软件学院 五 基于 XILINX-FPGA的嵌入式系统设计 -硬核 主要嵌入式处理器及其性能对比 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 33 五 基于 XILINX-FPGA的嵌入式系统设计 -对比 处理器 类型 位宽 最高时钟 最高性能 宿主 FPGA 说明 FP

28、GA厂商 CoreMP7 软核 32 29M 21DMIPS FUSION ARM7 Actel Cortex M1 软核 32 200M 160D CycloneIII ARM7 Altera Cortex M3 硬核 32 72M 90D FUSION ARM7 Actel ARM922 硬核 32 200M 210D Excalibur ARM7 Altera NiosII 软核 32 265M 300D CycloneIII 专用 Altera Mico32 软核 32 138M - Latice 专用 Lattice MicroBla ze 软核 32 210M 240D Virte

29、x-5,Spartan3 专用 XILINX PPC405 硬核 32 450M 740D Virtex-4,Virtex-II PowerPC XILINX PPC440 硬核 32 550M 1100D Virtex-5FXT PowerPC XILINX 六 课程安排 -安排 授课（ 20学时） VHDL硬件描述语言 VHDL逻辑设计 嵌入式系统设计 上机（ 20学时） 逻辑设计 嵌入式系统设计 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 34 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 35 逻辑设计 不可替代，其他嵌入式处理器、嵌入式 DSP无法比拟 嵌入式系统设计

30、性能强大（多核、高带宽、大吞吐量、自定义接口、 半成品 ASIC设计） 算法设计 并行性、灵活可重构、高性能 入门要求较高 数字电路、操作系统、软件、硬件、系统组成、算法 理解 西安电子科技大学 软件学院 六 课程安排 -挑战 六 课程安排 -建议 建议 硬件逻辑设计方向 熟练掌握 ISE下逻辑设计流程 仿真、综合调试方法 设计出一个完整、较为复杂的 IP核（基于 Spartan3E平台、 Virtex-II平 台或者 xupv5-1x110t平台） 嵌入式系统设计方向 熟练掌握 EDK下嵌入式系统设计流程 各种外设、总线连接使用方法 进行 uClinux、 Linux、或者 PetaLinu

31、x当中任何一个移植到 MicroBlaze 软核（基于上述三个平台） DSP算法实现设计方向 熟练掌握 System Generator和 Simulink之间的连接过程 进行简单数字信号处理算法的模块生成（ DCT变换） 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 36 六 课程安排 -作业 作业 尝试安装 XILINX 的 ISE10.1开发平台 每位任选上述三个当中的一个方向，写一个关 于此方向的综述（可以是方法，也可以是发展 现状，或者开发流程） 9号下午课暂放在 B-603 2020/11/15 西安电子科技大学 -软件学院 37 谢谢 Thanks！ 2020/11/15 38 西安电子科技大学 -软件学院