FPGA设计与应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,FPGA,设计与应用,2010.10,EDA,技术发展,EDA,技术应用对象,EDA,技术应用对象,专用集成电路设计流程,专用集成电路,ASIC,设计方法,一般设计的流程,Altera,产品概述,Altera,是最大的可编程逻辑器件供应商之一，总部位于美国硅谷圣侯赛。主要产品有：属于,EPLD,的,MAX3000/5000/7000/9000,和,Classic,系列；属于,FPGA,的,FLEX6K/8K/10K,、,APEX20K,、,ACEX1K,、,APEX,、,Mercury,、,Excalibur,、,Stratix,系列。,PLD,器件,：,CPLD,：,MAX3000/5000/7000/9000,和,Classic,系列,FPGA,：,FLEX6K/8K/10K,、,APEX20K,、,ACEX1K,、,APEX,、,Mercury,、,Excalibur,、,Stratix,开发软件,：,MAX+PLUS,：支持公司多款,PLD,器件，同时支持多种,HDL,语言，包括,VHDL,、,Verilog HDL,、,AHDL,。,Quartus,：主要支持公司几款高端产品，,APEX,、,APEX20K,、,Mercury,、,Excalibur,、,Stratix,，同时也支持多种,HDL,语言。,硬件描述语言,：,AHDL,，只有自己公司的开发软件支持该语言，没有被,IEEE,认证。,1.1 FPGA,1.2 FPGA,的基本原理,可编程输入,/,输出单元,基本可编程逻辑单元,嵌入式块,RAM,丰富的布线资源,底层嵌入功能单元,内嵌专用硬核,LAB,（逻辑阵列块）,LAB,有,8,个,LE,以及它们的进位链、级联链、,LAB,控制信号与,LAB,局部互连组成。,LE,（逻辑单元）,LE,是,FPGA,结构中的最小单元，每个,LE,含有一个,4,输入查找表（,LUT,）、一个带有同步使能的可编程触发器、一个进位链和一个级联链。,LE,有,4,种工作模式：,正常模式：简单逻辑功能、编译码应用；,运算模式：,+,、,-,、*法器件、,3,输入函数；,加,/,减计数模式；,清除计数模式,Fast Track,（快速通道）,Fast Track,提供,LE,与器件,I/O,引脚之间的互联。,Fast Track,是遍布整个器件厂、宽的一系列水平和垂直的连续式布线通道。,IOE,（,I/O,单元）,I/O,单元由一个双向缓冲器和一个寄存器组成，提供,6,个专用的输入引脚。,EPC,配置器件,Altera,的,FPGA,器件正常工作时，它的配置数据存储在,SRAM,中。由于,SRAM,的易失性，每次加电时，配置数据都必须重新构造。,Altera,的,FPGA,器件分两类配置方式：主动配置方式和被动配置方式。,主动配置方式由,FPGA,器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程；而被动配置方式则由外部计算机或控制其控制配置过程。,在实验室中，常用计算机或控制器进行调试，因此可以使用被动配置方式。而实际系统中，一般采用被动配置方式。,1.3 FPGA,的设计方法,FPGA,的常用设计方法包括,“,自顶向下,”,和,“,自下而上,”,目前大规模,FPGA,设计一般选择,“,自顶向下,”,的设计方法。,所谓“自顶向下”设计方法,简单地说,就是采用可完全独立于芯片厂商及其产品结构的描述语言,在功能级对设计产品进行定义,并结合功能仿真技术,以确保设计的正确性,在功能定义完成后,利用逻辑综合技术,把功能描述转换成某一具体结构芯片的网表文件,输出给厂商的布局布线器进行布局布线。布局布线结果还可反标回同一仿真器,进行包括功能和时序的后验证,以保证布局布线所带来的门延时和线延时不会影响设计的性能。,1.4 FPGA,的设计流程,第一步：按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。,第二步：输入,VHDL/Verilog HDL,代码,第三步：将以上的设计输入编译成标准的,VHDL/Verilog HDL,文件，然后将文件调入,HDL,仿真软件进行功能仿真,第四步：利用综合器对源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件,第五步：如果整个设计超出器件的宏单元或,I/O,单元资源，可以将设计划分到多片同系列的器件中。,第六步：将试配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片,FPGA,中,设计输入,1.5 FPGA,常用开发工具,根据设计流程与功能划分，上述,EDA,工具主要分为：设计输入工具、综合工具、仿真工具、实现与优化工具、后端辅助工具、验证与调试工具和系统级设计环境。,QuartusII,中集成的,EDA,开发工具可以分为两类：,Altera,自己提供的软件工具,其它,EDA,厂商提供的软件工具，统称为第三方工具,Quartus II,设计流程,1.,设计输入工具,常用的设计输入方法有,HDL,语言输入、原理图输入、,IP Core,输入和其它方法。,2.,综合工具,主流的综合工具有,Synplicity,公司的,Synplify,、,Synopsys,公司的,FPGA cComplilerII,等,3.,仿真工具,业界最流行的仿真工具是,Modelsim,。另外，,Aldec,公司的,ActiveHDL,也有相当广泛的用户群,4.,实现与优化工具,实现与优化工具包含的面比较广。如果能较好的掌握这些工具，将大幅度提高设计者的水平，使设计工作更加游刃有余。,QuartusII,集成的实现工具主要有,Assignment Editor,、,Logiclock,、,Powerfitter,、,Timing Analyzer,、,Floorplan Editor,、,Chip Editor,等。,5.,后端辅助工具,QuartusII,内嵌的后端辅助工具主要有,Assembler,、,Programmer,和,PowerGauge,6.,验证调试工具,QuartusII,内嵌的调试工具有,SignalTapII,和,SignalProbe,。,1.6,简单电路的,HDL,设计,1,基本组合逻辑运算,2,基本时序器件,寄存器,3,基本简单数学运算,1,基本组合逻辑运算,与运算,或运算,异或运算,与非运算,2,选,1,多路选择器,两位比较器,2,基本时序器件,寄存器,D,触发器,T,触发器,J-K,触发器,时序器件,移位寄存器,3.,基本简单数学运算,4,位加法器,逐位进位加法器,超前进位加法器,进位选择加法器,输入数据同比特位进行运算时，都要等待前一比特的进位信号状态完成（建议：用在位数不超过,16,位的加法器）。对于多位逐位进位加法器来说，也可采用流水方式改善性能。,输入数据同比特位进行运算时，不需要等待前一比特的进位信号。实现速度比较快，但资源占用也比较大。建议使用在,16,位加法器上比较合适。对于位数较多的也可采用流水方式。,由三个加法器组成，一个计算低字节；两个计算高字节。计算高字节的加法器一个令进位为,1,，另一个令进位为,0,。三部分同时计算，最后，低字节的进位选择是哪一个高字节器的输出。对于位数较多的加法器，性能的提高比较明显，但资源相对占用较多。,4,位计数器,逐位进位计数器,格雷码逐位计数器,流水式超前进位计数器,逐位进位计数器的特点是：每一位都要等前一位的进位输出有效后才开始变化，每一位模块之间用进位信号连接起来（推荐使用长度不超过,16,位）。,应用逐位进位计数器的原理，并在其基础上加以改进，因为采用格雷码进行计数，每个状态变化时，只有,1,位信号发生改变，减少了毛刺现象的发生。,应用超前进位计数器的基本原理加以改进，使用流水技术，减少了进位信号的传输延时，大大提高了系统效率。,4,位乘法器,组合逻辑实现的乘法器,移位相加乘法器,查找表乘法器,移位相加乘法器实现简单，它的基本设计思想就是采用一种称之为迭代的方式，根据乘数的每一位是否为,1,进行计算，若为,1,则将被乘数移位相加，这种实现方式使得在乘法计算中，每算出一乘积项就加到乘积中，此时的积称作部分积。通过对部分积的逐步移位完成乘积项与乘数的位对齐相加，直至得出结果。这种方法硬件资源耗用较少，但一个,4,位乘法需要,4,个周期才能得到结果，速度比较慢，也可采用这种思想，用全逻辑实现，但延时较大。因此，在高速的应用系统中，一般不采用该方法。,查找表乘法器的基本设计思路就是将乘积直接存放在存储器中，将操作数（乘数和被乘数）作为地址访问存储器，得到的输出数据就是乘法运算的结果。,加法器树乘法器,加法器树结合了移位相加乘法器和查找表乘法器的优点。事实上，从下面的示意图可看出，它采用了并行处理的架构，所以其速度快，由于主要采用与门逻辑实现逻辑功能，所以其资源耗费也较少。,总结与结论,综上所述，我们可以看到在新世纪，以,FPGA,为代表的数字系统现场集成技术正朝着以下几个方向发展。,1,、随着便携式设备需求的增长，对现场可编程器件的低压、低功耗的要求日益迫切。,2,、芯片向大规模系统芯片挺进，力求在大规模应用中取代,ASIC,。,3,、为增强市场竞争力，各大厂商都在积极推广其知识产权（,IP,）核心库。,4,、动态可重构技术的发展，将带来系统设计方法的转变。,