XILINX-FPGA数字系统设计01FPGA介绍.ppt

第一讲 XILINX-FPGA数字系统 设计介绍,liangzhang,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,2019/12/5,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TMS27C512-60,2019/12/5,3,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，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,2019/12/5,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 Programmable Gate Array，现场可编程门阵列) FPGA生产厂商 Altera XILINX Lattice Actel Cypress,2019/12/5,5,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，可以与CMOS、TTL电平兼容（高低电平标准不一）,2019/12/5,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),2019/12/5,7,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,e.g Spartan-II系列,2019/12/5,8,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、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。,2019/12/5,9,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。,2019/12/5,10,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，该系列家族中的六大成员其系统门级密度达到了从15000到200000不等。,2019/12/5,11,西安电子科技大学-软件学院,2019/12/5,西安电子科技大学-软件学院,12,Spartan-3A延伸系列FPGA平台对比,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。,2019/12/5,13,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,2019/12/5,14,西安电子科技大学-软件学院,二 XILINX公司及其FPGA产品-virtex系列,Virtex-5系列对比表,2019/12/5,西安电子科技大学-软件学院,15,二 XILINX公司及其FPGA产品-virtex5系列,Virtex-5特性对比表,2019/12/5,西安电子科技大学-软件学院,16,二 XILINX公司及其FPGA产品-virtex5系列,Virtex-6系列对比表,2019/12/5,西安电子科技大学-软件学院,17,二 XILINX公司及其FPGA产品-virtex6系列,Virtex-6特性对比表,2019/12/5,西安电子科技大学-软件学院,18,二 XILINX公司及其FPGA产品-virtex6系列,Virtex系列 Spartan系列对比,2019/12/5,西安电子科技大学-软件学院,19,二 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,2019/12/5,西安电子科技大学-软件学院,20,三 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用户约束文件设计,2019/12/5,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，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,2019/12/5,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实现无缝连接，快速建模并且自动生成代码,2019/12/5,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,2019/12/5,24,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,2019/12/5,25,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)：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,2019/12/5,26,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。 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；,2019/12/5,27,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,2019/12/5,28,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,Picoblaze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。,2019/12/5,29,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XILINX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。,2019/12/5,30,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,e.g Microblaze7.10d版本,2019/12/5,31,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 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。,2019/12/5,32,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,2019/12/5,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,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,2019/12/5,西安电子科技大学-软件学院,34,2019/12/5,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 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,2019/12/5,西安电子科技大学-软件学院,35,六 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PetaLinux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）,2019/12/5,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-603,2019/12/5,西安电子科技大学-软件学院,37,谢谢 Thanks！,2019/12/5,38,西安电子科技大学-软件学院,