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1、第一讲第一讲XILINX-FPGA数字系统数字系统设计介绍设计介绍 内容介内容介绍绍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2023/4/22西安电子科技大学-软件学院2一一 FPGA特性及功能介特性及功能介绍绍-FPGA发发展展历历史史n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：p一是只能进行一次编程p二是空白PROM价格低廉，高成本
2、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：p可进行多次编程p只读，EPROM芯片，命名时一般以27开头，前面添加生产厂商，如TMS27C512-602023/4/223西安电子科技大学-软件学院一一 FPGA特性及功能介特性及功能介绍绍-FPGA发发展展历历史史电可擦除只读存储器EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）；特点在于：p一是可多次编程p二是可在线编程，常用操作接口方式I2C,SPI接口
3、 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2023/4/22西安电子科技大学-软件学院420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AlteraXILINXLatti
4、ceActelCypress2023/4/225西安电子科技大学-软件学院一一 FPGA特性及功能介特性及功能介绍绍-FPGA发发展展历历史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）2023/4/22西安电子科技大学-软件学院6一一 FPGA特性及功能介特性及功能介绍绍-FPGA特性及特性及优势优势FP
5、GA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)2023/4/227西安电子科技大学-软件学院一一 FPGA特性及功能介特性及功能介绍绍-FPGA主要主要结结构构 e.g Spartan-II系列2023/4/228西安电子科技大学-软件学院一一 FPGA特性及功能介特性及功能介绍绍
6、-FPGA主要主要结结构构二二 XILINX公司及其公司及其FPGA产产品品nXilinx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。n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。n总部设于加利福利亚圣何塞市，为NASDAQ上市公司。2023/4/229西安电子科技大学-软件
7、学院二二 XILINX公司及其公司及其FPGA产品产品n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。n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。n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。2023/4/2210西安电子科
8、技大学-软件学院二二 XILINX公司及其公司及其FPGA产品产品-spartan系列系列n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。2023/4/2211西安电子科技大学-软件学院2023/4/22西安电子科技大学-软件学院12Spartan-3A延伸系列FPGA平台对比系统要求系统要求3A3AN3A 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
9、性是高性能DSP性能是增强型电源管理是是是二二 XILINX公司及其公司及其FPGA产品产品-spartan系列系列 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。2023/4/2213西安电子科技大学-软件学院二二 XILINX公司及
10、其公司及其FPGA产产品品-virtex系列系列e.g Virtex-II Pro的Block图2023/4/2214西安电子科技大学-软件学院二二 XILINX公司及其公司及其FPGA产产品品-virtex系列系列Virtex-5系列对比表2023/4/22西安电子科技大学-软件学院15系统要求系统要求LXLXTSXTFXTTXT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二二 XILINX公司及其公司及其FPGA产产品品-virtex5系列系列Virtex-5特性对比表2023/4/22西安电子科技大学
11、-软件学院16特性特性LXLXTSXTFXTTXTExpressFabric 架构；6输入LUT是是是是是550M时钟控制管理通道2-62-62-62-66550M block RAM(1000kb)1.2-10.40.94-11.73-18.62.4-16.48.2-11.71.25Gbps Select IO技术是是是是是3.75Gbps RocketIO GTP收发器4-248-246.5Gbps GTX收发器8-2440-48PCI Express端点模块111-4110/100/1000M 以太网2-444-84550M DSP48E Slice32-19224-192192-105
12、664-38480-96PowerPC处理器1-2二二 XILINX公司及其公司及其FPGA产产品品-virtex5系列系列Virtex-6系列对比表2023/4/22西安电子科技大学-软件学院17系统要求系统要求LXTSXTHXT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带宽强强增强二二 XILINX公司及其公司及其FPGA产产品品-virtex6系列系列Virtex-6特性对比表2023/4/22西安电子科技大学-软件学院18特性特性LXTSXTHXT40nm ExpressFabric架构，6输入LUT是是是6
13、00M时钟管理通道6-1812-1812-18600M Block RAM(1000kb)5.6-25.925.3-38.318.1-32.81.40Gbps SelectIO是是是6.6Gbps GTX收发器12-3612-3612-3611.18Gbps GTH收发器24PCIE1-222-4以太网控制器442-4600M DSP48E1 Slice288-8641344-2016576-864二二 XILINX公司及其公司及其FPGA产产品品-virtex6系列系列Virtex系列 Spartan系列对比2023/4/22西安电子科技大学-软件学院19特性特性Virtex-6Virtex
14、-5Spartan-6Spartan-3A延伸系延伸系列列逻辑单元76000033000015000053000用户IO12001200576519支持的IO标准超过40种404020时钟管理PLLDCM+PLLDCM+PLLDCMBlockRAM高达38Mb18Mb4.8Mb1.8Mb乘法器25*18个MAC25*1818*1818*18千兆位高速串行6.5Gbps，大于11Gbps3.75Gbps，6.5Gbps3.125Gbps无PCIE支持x8支持x8支持x1无MicroBlaze软核支持支持支持支持二二 XILINX公司及其公司及其FPGA产产品品-系列系列对对比比三三 XILINX
15、-FPGA开开发环发环境介境介绍绍XILINX提供的工具特性2023/4/22西安电子科技大学-软件学院20特性特性Logic版本版本嵌入式版本嵌入式版本DSP版本版本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三三 XILINX-FPGA开开发环发环境介境介绍绍-ISEISE：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 E
16、ntry）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2023/4/22西安电子科技大学-软件学院21EDK：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
17、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2023/4/22西安电子科技大学-软件学院22三三 XILINX-FPGA开开发环发环境介境介绍绍-EDKDSP Tools：集成了AccelDSP Synthesis Tool和System Generator工具AccelDSP Synth
18、esis 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2023/4/22西安电子科技大学-软件学院23三三 XILINX-FPGA开开发环发环境介境介绍绍DSP Tool四四 基于基于XILINX-FPGA的硬件的硬件逻辑设计逻辑设计n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 Anal
19、yzer：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2023/4/2224西安电子科技大学-软件学院n设计语言VHDL语言；Verilog HDL语言；n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2023/4/2225西安电子科技大学-软件学院四四 基于基于XILINX-FPGA的硬件的硬件逻辑设计逻辑设计五五
20、基于基于XILINX-FPGA的嵌入式系的嵌入式系统设计统设计-开开发发及流程及流程n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2023/4/2226西安电子科
21、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。n开发语言嵌入式C或C+n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；2023/4/2227西安电子科技大学-软件学院五五 基于基于XILINX-FPGA的嵌入式系的嵌入式系统设计统设计-开开发发及流程及流程进行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FPGA2023/4/2228西安电子科技大学-软件学院五五 基于
22、基于XILINX-FPGA的嵌入式系的嵌入式系统设计统设计-开开发发及流程及流程nPicoblaze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。2023/4/2229西安电子科技大学-软件学院五五 基于基于XILINX-FPGA的嵌入式系的嵌入式系统设计统设计-软软核核nMicroblaze处理器 M
23、icroblaze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。2023/4/2230西安电子科技大学-软件学院五五 基于基于XILINX-FPGA的嵌入式系的嵌入式系统设计统设计-软软核核e.g Microblaze7
24、.10d版本2023/4/2231西安电子科技大学-软件学院五五 基于基于XILINX-FPGA的嵌入式系的嵌入式系统设计统设计-软软核核nPowerPC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
25、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。2023/4/2232西安电子科技大学-软件学院五五 基于基于XILINX-FPGA的嵌入式系的嵌入式系统设计统设计-硬核硬核主要嵌入式处理器及其性能对比2023/4/22西安电子科技大学-软件学院33五五 基于基于XILINX-FPGA的嵌入式系的嵌入式系统设计统设计-对对比比处理器处理器类型类型位宽位宽最高时钟最高时钟最高性能最高性能宿主宿主FPGA说明说明FPGA厂商厂商CoreMP7软核3229M21DMIPSFUSIONARM7A
26、ctelCortex M1软核32200M160DCycloneIIIARM7AlteraCortex M3硬核3272M90DFUSIONARM7ActelARM922硬核32200M210DExcaliburARM7AlteraNiosII软核32265M300DCycloneIII专用AlteraMico32软核32138M-Latice专用LatticeMicroBlaze软核32210M240DVirtex-5,Spartan3专用XILINXPPC405硬核32450M740DVirtex-4,Virtex-IIPowerPCXILINXPPC440硬核32550M1100DVir
27、tex-5FXTPowerPCXILINX六六 课课程安排程安排-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2023/4/22西安电子科技大学-软件学院342023/4/22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2023/4/22西安电子科技大学-软件学院35六六 课课程安排程安排-挑挑战战六六 课课程安
28、排程安排-建建议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）2023/4/22西安电子科技大学-软件学院36六六 课课程安排程安排-作作业业作业尝试安装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-6032023/4/22西安电子科技大学-软件学院37