FPGA 设计与应用

FPGA设计与应用 大连理工大学软件学院王洁 2011年春季

第一章绪论 • 什么是FPGA？ • 现场可编程门阵列 Field Programmable Gate Array • 一种可编程逻辑器件 Xilinx创始人Ross Freeman在20世纪80年代初发明

斯坦福大学 NetFPGA

可编程逻辑器件 • 可编程逻辑器件 • Programmable Logic Device，PLD • 20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 • 发展历程 • 70年代初期，PROM，RPROM，EEPROM • 70年代中期，PAL，GAL • 80年代中期，CPLD，FPGA • 90年代末期，SOPC，SOC

CPLD与FPGA • CPLD （Complex Programmable Logic Device）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。

FPGA与ASIC • ASIC （专用集成电路）-定制 FPGA（现场可编程门阵列）-半定制 • 采用 FPGA ，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片 • FPGA可作为其他全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片 • FPGA由存放在片内RAM中的程序来设置工作状态，可以反复使用

FPGA结构简介 • 逻辑单元阵列 • 可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block） • 输出输入模块IOB（Input Output Block） • 内部连线（Interconnect）

Virtex-II的架构 I/O Blocks (IOBs) Block SelectRAM™ resource Programmable interconnect Dedicated multipliers Configurable Logic Blocks (CLBs) • Virtex™-II architecture’s core voltage operates at 1.5V Clock Management (DCMs, BUFGMUXes)

IOB • IOB分成若干个组（Bank），每个Bank接口电压相同。

可配置逻辑块（CLB Tile）

SLICE

LUT • 4或6输入

DCM • 时钟资源管理器

BlockRAM • 以Virtex-II为例

BlockRAM

其他资源 • 布线资源 • 移位寄存器 • 分布式RAM • 嵌入式IP核 • 软核：寄存器传输级（RTL）模型 • 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 • Xilinx 军品级、宇航级 • Altera • Actel • Lattice

Xilinx Revenue $1.73B in 2005 Xilinx $481M in Q206 市场比较 Xilinx Altera Lattice Actel QuickLogic Revenue by calendar quarter Source: Company Reports (LSCC, ALTR, ACTL, XLNX, QUIK)

可编程器件市场份额（2007） FPGA Segment Xilinx All Others Altera Xilinx revenues are greater than all other pure-play PLD companies combined. Source: Company reports Latest information available; computed on a 4-quarter rolling basis

Xilinx FPGA发展历史 • 1985年，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。 • 2007年，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。 • 2009年， 45nm工艺的Virtex6系列， 76 万个逻辑单元，功耗降低50%。 • 最新面世Xilinx Virtex7系列， 28nm工艺，200 万个逻辑单元，功耗再降低50% 。

Virtex 系列

Xilinx FPGA家族 Mont Blanc 700 600 Virtex-5 500 Virtex-4, 450 MHz MHz 400 300 Virtex-II Pro Mont Blanc Virtex-5 200 Virtex-4 200 MHz, 160 DMIPS Next GenerationSpartan Trilogy Virtex-II Pro 150 MHz, 120 DMIPS 100 Spartan-3E 100 MHz, 92 DMIPS Spartan-3 100 MHz, 92 DMIPS CoolRunner-II 2000 2002 2004 2006 2008 2010

Spartan系列

Spartan-3系列 • Spartan-3A DSP FPGA • DSP 应用 • Spartan-3AN FPGA • 非易失性应用 • Spartan-3A FPGA • I/O 优化应用 • Spartan-3E FPGA • 逻辑优化应用 • Spartan-3 FPGA • 最高密度和引脚数的应用

Xilinx Spartan3E 50万门 Virtex II Pro: XC2VP30 300万门，2个PowerPC Virtex-4: XC4VSX25FF668 800万门 Xilinx和Altera产品比较 • Altera Cyclone: EP1C6Q240 约12万门 Cyclone II: EP2C35F672 等效150万门，没有硬核 Stratix II

开发技术基础 • 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）

人才需求 • 硬件工程师缺口巨大，08年统计缺口1.2万。 • 从业要求 • 熟悉电路设计、PCB布板、电路调试，能熟练使用PROTEL等电路设计软件； • 熟练应用常用电子元器件，熟练检索各种元器件材料； • 掌握常用的硬件设计工具，调试仪器仪表的使用方法； • 2年以上硬件产品的开发工作经验，熟悉嵌入式系统的硬件及软件开发； • 工作态度积极，责任心强，良好的沟通与团队配合； • 独立设计过完整的电子产品，能读懂英文产品规格书。

人才需求 • 硬件工程师必备知识 • 基本设计规范 • CPU基本知识、架构、性能及选型指导 • MOTOROLA公司的PowerPC系列基本知识、性能详解及选型指导 • 网络处理器(INTEL、MOTOROLA、IBM)的基本知识、架构、性能及选型 • 常用总线的基本知识、性能详解 • 各种存储器的详细性能介绍、设计要点及选型

人才需求 • Datacom、Telecom领域常用物理层接口芯片基本知识，性能、设计要点及选型 • 常用器件选型要点与精华 • FPGA、CPLD、EPLD的详细性能介绍、设计要点及选型指导 • VHDL和Verilog • 网络基础 • 国内大型通信设备公司硬件研究开发流程

人才需求 • 熟练掌握并使用业界最新、最流行的专业设计工具 • Innoveda公司的ViewDraw，PowerPCB，Cam350 • CADENCE公司的OrCad；Allegro，Spectra • Altera公司的MAX+PLUS • XILINX公司的FOUNDATION、ISE

应用领域 China.xilinx.com • IC设计与验证 • CPU、嵌入式系统 • 通信领域 • 网络通信设备 • 安全设备 • 数据采集与信息处理 • 生物信息 • 金融领域

应用领域

参考书目

开放资源

Xilinx官方网站

SEED-XDTK Mboard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，30M • LCD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640x480 VGA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

FPGA 设计与应用