第 12 章 可编程逻辑器件应用

1. 第12章 可编程逻辑器件应用

2. 可编程逻辑系统系统设计如何入门 • FPGA是基于硬件可编程的器件，设计方法与CPU和DSP有本质的区别； • 设计者需要掌握硬件描述语言，还要具备硬件的概念和调试的经验，才能设计出高质量的FPGA系统 • FPGA系统涉及到： • FPGA的结构原理、电路硬件设计与调试、硬件描述语言（HDL）、开发工具EDA软件、仿真验证技术以及FPGA与其他处理器的互联接口技术等。 • FPGA最好的入门方法---实践。 • 初期阶段：看书+软件仿真； • 实践阶段：结合FPGA开发板，将自己的设计在FPGA硬件系统上运行。 • FPGA最小系统：含电源、下载接口，引出全部IO，用户自行设计外部电路。

3. 可编程逻辑系统设计技术背景 • 目前数字系统设计领域公认的基础性技术 • CPU、DSP、FPGA • FPGA技术发展迅速，正在逐渐融合CPU和DSP的功能； • FPGA已经广泛应用在如无线基站、千兆网络路由器、智能手机、便携式产品等领域。 • 在我们的全国竞赛中，FPGA的作用主要定位在时序信号产生、前端信号采集、高速控制、数据并行处理等方面，作为辅助控制器与MSP430或DSP协同运行，不做单独的处理器来使用。

4. FPGA与ASIC • ASIC：指固定的或定制的逻辑器件（专用集成电路）---如MP3专用解码芯片 • 优点：通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产，芯片成本大幅度降低，可靠性高； • 缺点：设计周期长，投资大，风险高，设计投产后不可更改。 • FPGA的诞生解决了ASIC存在的这些不足，满足了快速产品开发的需要。 • 第一片FPGA：Xilinx公司1984年推出，20多年的发展，FPGA的可用门从当初的1000余个可用门，发展到现在的1000万个以上的可用门。容量提升了1万倍。 • FPGA解决了电子系统小型化、低功耗、高可靠性的问题，开发周期短、投入少，芯片价格不断下降。

5. FPGA技术发展趋向 • 1、基于FPGA的嵌入式系统（SoPC）技术正在成熟； • 2、FPGA芯片向高性能、高密度、低压和低功耗方向发展； • 3、基于IP库的设计方法； • FPGA的设计者只需要寻找适合项目需要的IP库资源，然后将这些IP整合起来，完成顶层模块设计。 • 整个项目的仿真和验证工作主要就是验证IP库的接口逻辑设计正确性。 • 4、FPGA的动态可重构技术。 • 指对于特定结构的FPGA芯片，在一定的控制逻辑的驱动下，对芯片的全部或部分逻辑资源实现高速的功能变换，从而实现硬件的时分复用，节省逻辑资源。

6. 1、PLD器件概述(3/3)---主流CPLD与FPGA • CPLD：基于乘积项结构，基本结构为“与-或阵列”； • FPGA：基于查找表结构，由简单的查找表构成可编程门，再构成阵列形式（ FPGA数据掉电后丢失，CPLD掉电保持）

7. 2、CPLD的结构与可编程原理（1/2） • CPLD即复杂可编程逻辑器件，是早期GAL器件的改进。 • Altera的MAX7000系列具有典型性，以此为例，进行简介 • MAX7000系列包含32-256个宏单元，每16个宏单元组成一个逻辑阵列块（LAB） 每个宏单元含有一个可编程的“与”阵列和固定的“或”阵列，以及一个可配置寄存器。每个宏单元共享扩展乘积项和高速并联扩展乘积项，它们可向每个宏单元提供多达32个乘积项，以构成复杂的逻辑函数。

8. 3、FPGA的结构与工作原理---简介（1/3） • 多数FPGA采用基于SRAM的查找表逻辑形成结构，即利用SRAM（静态随机存储器）来构成逻辑函数发生器； • 一个N输入查找表（LUT）可以实现N个输入变量的任何逻辑功能； • Altera的Cyclone系列器件成本低、性价比高，结构和工作原理具有典型性； • Cyclone器件主要由逻辑阵列块（LAB）、嵌入式存储器块、IO单元和PLL等模块构成； • 每个LAB有多个LE（Logic Element，逻辑单元）构成； • LE是Cyclone FPGA 器件的最基本可编程单元； • LE主要由一个4输入的查找表LUT、进位链逻辑和一个可编程的寄存器构成。

9. 3、FPGA的结构与工作原理---结构（2/3）

10. 3、FPGA的结构与工作原理---结构（3/3） • 其它详细结构及工作原理请读者自行阅读教材P26-P32

11. 芯片与外接电路的接口部分 可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变其内部连接与配置，完成不同的逻辑功能 通用程度较高的嵌入式功能模块，如PLL、DSP、CPU等 用作数据存储，可配置为单端口RAM，双口RAM,FIFO等 连通FPGA内部所有单元，连线长度和工艺决定信号驱动能力和传输速度

12. PLL的作用：完成时钟的高精度、低抖动的倍频、分频、占空比调整、移相等功能(可达ps精度)；PLL的作用：完成时钟的高精度、低抖动的倍频、分频、占空比调整、移相等功能(可达ps精度)； • 内嵌专用硬核：与“底层嵌入单元”有区分，指的是通用性相对较弱，不是所有FPGA都包含硬核。如Altera的Stratix GX系列 内部专门集成了3.1875 Gbit/s的串并收发单元；

13. 4、硬件测试技术 • 内部逻辑测试（动态测试、分析内部寄存器的状态） • 器件厂商在在PLD中嵌入某种逻辑功能模块； • 与EDA工具配合提供一种嵌入式逻辑分析仪，通过测试发现内部逻辑问题； • 如Altera的SignalTapII。 • JTAG边界扫描测试（BST）

14. 5、FPGA/CPLD厂商 • ALtera：高性能、高集成度、高性价比，开发工具软件丰富，且提供免费使用版本； • Xilinx：追求高集成度、高速度、低价格、低功耗设计； • Lattice:CPLD的开拓者，首创PLD及ISP技术； • Actel：加密性好，产品广泛应用于航空航天、军事领域。

15. 6、编程与配置(1/3) • CPLD/FPGA都具有在系统编程（ISP）能力 • ISP功能的特点：使用CPLD/FPGA进行逻辑设计时可以把芯片焊接在印制电路板上，在设计时一次又一次随心所欲地改变整个电路的硬件逻辑关系，而不必改变电路板的结构。有3种ISP方式： • 基于电可擦除存储单元的EEPROM或Flash技术（CPLD） ---掉电数据不丢失，但编程次数有限，编程的速度慢 • 基于SRAM查找表的编程单元（FPGA） ---配置次数无限、加电时可随时更改逻辑，但掉电后数据即丢失，下次上电需要重新配置 • 基于反熔丝编程单元（Actel的FPGA） • JTAG方式的在系统编程接口

16. 7、编程与配置---PC机配置FPGA (2/3) • 使用PC并行口配置FPGA（传统方法，使用ByteBlasterMV或ByteBlasterII下载电缆） • 使用PC USB口配置FPGA （使用USB-Blaster下载电缆） • Altera的FPGA有如下几种常用编程配置方式： • 配置器件模式，如用EPC器件进行配置。 • PS(Passive Serial被动串行)模式。 • JTAG模式，用于配置SRAM的SOF文件，或JTAG间接 • AS（Active Serial），这个模式是针对EPCS器件而言。

17. 7、编程与配置 ---FPGA配置器件(3/3)

18. 8、CPLD与FPGA的区别及应用选型（1/2） • FPGA采用SRAM进行功能配置，可重复编程，但系统掉电后，SRAM中的数据丢失。因此，需在FPGA外加EPROM，将配置数据写入其中，系统每次上电自动将数据引入SRAM中。 • CPLD器件一般采用EEPROM存储技术，可重复编程，并且系统掉电后，EEPROM中的数据不会丢失，适于数据的保密。 • FPGA器件含有丰富的触发器资源，易于实现时序逻辑，如果要求实现较复杂的组合电路则需要几个CLB结合起来实现。 • CPLD的与或阵列结构，使其适于实现大规模的组合功能，但触发器资源相对较少。 • FPGA内部有丰富连线资源，CLB分块较小，芯片的利用率较高。 • CPLD的宏单元的与或阵列较大，通常不能完全被应用，且宏单元之间主要通过高速数据通道连接，其容量有限，限制了器件的灵活布线。内部资源利用率较FPGA器件低

19. 8、CPLD与FPGA的区别及应用选型（2/2） • 器件的资源 • Altera、Xilinx：数千门~数百万门； • Lattice：数万门以下 • 资源占用以仿真的结果为准，并应留有适当的余量（20%） • 芯片速度：芯片速度越高，其对微小毛刺信号的反应越灵敏，系统的稳定性越差 • 器件功耗：工作电压越高功耗越大（5V,3.3V,2.5V,1.8V等）

20. 9.FPGA设计流程 • 电路设计与输入---采用HDL语言或原理图设计输入； • 大型设计中，原理图设计方法的可维护性较差，不利于模块构造与重用。 • 主流的HDL语言：VHDL与VerilogHDL • 功能仿真 • QuartusII自带仿真； • 使用第三方仿真软件ModelSim

21. 综合优化 • 将HDL语言、原理图等设计输入翻译成与、或、非门，RAM，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接（网表），并根据目标与要求（约束条件）优化所生成的逻辑连接，输出网表文件； • QuartusII可进行综合， • 第三方综合工具：Synplify • 综合后仿真 • 综合后检查综合结果是否与原设计一致。 • 实现与布局布线： • 综合的结果本质是基本逻辑单元所组成的网表，与芯片实际的配置情况还有较大差距； • 使用相应软件，根据所选芯片的型号，将综合输出的逻辑网表适配到具体FPGA/CPLD上的过程就是实现。

22. 10、Altera典型器件简介 • ACEX系列FPGA：专为通信（如xDSL调制解调器、路由器）、音频处理等应用而推出的芯片系列。如ACEX1K100 • MAX系列CPLD：以乘积项最为基本结构单元，具有ISP编程功能，支持JTAG。如MAX7128 • MAXII系列CPLD：低成本、低功耗，功耗是MAX系列的十分之一，支持内部时钟频率高达300MHz，内置用户非易失性Flash存储器块，使用LUT结构。如EPM240 • Cyclone/II 系列FPGA（低成本FPGA）：平衡了逻辑、存储器、锁相环（PLL）和高级IO接口。支持NIOSII系列嵌入式处理器，支持串行、总线和网络接口及各种通信协议……如EP1C3、EP1C6…… • Stratix/II 系列FPGA：带有专用算法功能模块，可高效地实现加法树等大计算量的功能，提供了高速I/O信号和接口。我院的多普勒天气雷达即采用它做核心运算芯片

23. 11、主流低成本FPGA-Cyclone • Cyclone器件采用0.13um工艺制造，其内部有锁相环、RAM块，逻辑容量从2910-20060个LE，特性如下表： • Cyclone FPGA中的PLL只能由全局时钟管脚CLK0-3驱动； • 一个PLL的输出可以驱动两个内部全局时钟网络和一个（或一对）I/O管脚；

24. Cyclone中的时钟资源

25. Cyclone FPGA的锁相环结构

26. Cyclone FPGA的配置与IO新特性 • Altera公司的FPGA由于基于SRAM工艺，掉电后数据会丢失，可使用EPCS1或EPCS4加载配置数据； • 这种加载方式即为：主动串行模式（Active Serial），Cyclone器件在加载是主动发出发在时钟和其他控制信号，数据从串行加载芯片中读出，送入FPGA的片内SRAM，运行。 • Cyclone可支持DDR存储器接口； • Cyclone器件支持高速LVDS接口，性能可以达到311Mbit/s，在这种接口下必须注意外部匹配电阻网络的接法。

27. 12、新一代低成本FPGA---CycloneII • CycloneII FPGA采用90nm工艺，器件规模是Cyclone的3倍； • 增加了硬的DSP块；

31. 13、FPGA基本应用系统的设计 • FPGA最小系统： • FPGA是可以使FPGA正常工作的最简单的系统，它的外围电路只包括FPGA必要的控制电路； • 最小系统主要包括：FPGA芯片、下载/配置电路、外部时钟、复位电路和电源。如果需要使用NIOS II软核嵌入式处理器还要包括Flash和SDRAM； • FPGA的功能管脚包括： • 用户I/O,可用做输入或输出，或者双向口，或LVDS； • 配置管脚： • 电源管脚： • 时钟管脚： • 特殊管脚：

32. 下载配置与调试接口电路 • FPGA是SRAM型结构，本身不能固化程序，因此需要一片Flash结构的配置芯片来存储逻辑配置信息，用于上电时配置； • 在把程序固化到配置芯片之前，一般先使用JTAG模式去调试程序，也就是把程序下载到FPGA上运行，这种方式擦写次数无限。

33. FPGA硬件系统的设计技巧 • FPGA的硬件设计不同于DSP和ARM系统，比较灵活和自由，只要设计好专用管脚的电路，通用I/O的连接可以自己定义 • 根据电路布局来分配管脚功能。在电路设计流程中，根据PCB的布局来对应的调整原理图中FPGA的管脚定义，可以降低后期布线的难度； • 预留测试点。FPGA的I/O数量非常多，除了能够满足设计需要的I/O外，还有一些剩余I/O没有定义，用作预留的测试点使用； • 考虑到如果需要高速I/O的应用，则应设计相关的LVDS差分I/O接口； • 充分的滤波，建议相关电源I/O处加一个104滤波电容，提高稳定性； • FPGA具有内核电压和I/O电压两个电压，要注意区分。

34. FPGA硬件系统的调试方法 • 如果硬件系统设计为插入式的背板结构，由于FPGA管脚多，密度大，焊接时具有很大难度，一般焊接需要相当熟练的水准，极易出现芯片与焊盘对不齐导致管脚大量粘连。 • 背板式的设计中，用户只需要设计外部I/O的接口电路就可以了，如LED,数据IO等。 • 调试的过程中，可以借助用户自行设计的LED来指示系统的工作状态，对于较为复杂的设计，建议使用示波器或SignalTapII嵌入式逻辑分析仪辅助进行调试； • 一般情况下：FPGA的硬件系统中，只要在QuartusII环境下能够检测到器件或者正常下载，即可正常运行。 • 在MSP430+FPGA或DSP+FPGA协同处理的硬件系统设计中，用户需要自行设计稳定可靠、操作使用方便的接口板。

35. 14、QuartusII软件功能导论 • QuartusII是Altera的综合开发工具，它集成了Altera的FPGA/CPLD开发流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口；

36. QuartusII高级应用 • 完成常规的逻辑设计输入、编译、综合、下载； • 使用QuartusII软件，结合Altera公司Cyclone或Stratix系列器件，可成功使用Altera提供的SignalTapII嵌入式逻辑分析仪，观测芯片内部信号的工作状态； • 应用LPM_ROM宏模块； • 定制LPM_RAM/FIFO; • 调用LPM嵌入式锁相环（需芯片支持）； • 使用IP核，实现如FIR数字滤波器、FFT离散信号快速傅里叶变换、FSK等； • 进行流水线乘法器设计； • Matlab/DSP Builder设计。

37. 使用FPGA从事数字系统设计的三阶段： • 1、常规逻辑功能描述的实现； • 指常规数字逻辑器件，如3-8线译码器74LS138，二进制计数器74LS161，移位寄存器74LS194等； • 2、时序产生及控制、小型数字系统的实现； • 如用状态机完成AD信号的采集，产生PWM时序控制步进电机 • 简易数字频率计、交通灯、数字种系统的实现等； • 3、算法功能/综合系统的实现 • FFT算法实现、频谱分析等。