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筹竭
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1 The success's road 红色飓风 FPGA 普及行动第一讲 FPGA FPGA 系统设计流程

2 内容安排 EDA 技术简介以及 CPLD/FPGA 基础知识 (1)CPLD/FPGA 技术的发展历史阶段和代表技术 (2)CPLD/FPGA 最新进展和最高的性能简介 (3)CPLD/FPGA 典型应用领域和代表产品 (4)FPGA 的工作原理特点以及当前流行的 FPGA 产品介绍 (6)CPLD/FPGA 的下载及内部测试的配置与方法 (7)FPGA 的设计流程和设计方法简介, 包括原理图波形图状态转换图及各种硬件描述语言简介 (8) 介绍 QuartusII 软件环境和使用方法 (9) 上机实践

3 参考资料基于 FPGA 的嵌入式系统设计, 任爱锋等, 西安电子科技大学出版社

4 数字集成电路的发展电子管晶体管中小规模集成电路超大规模集成电路 (VLSIC) 专用集成电路 (ASIC) 1. 降低了成本提高了可靠性缩小了物理尺寸 2. 设计周期长改版投资大灵活性差 3. 在实验室能够设计更改研制并马上投入使用硬件集成性设计个性化可修改性快速性低开发成本

6 FPGA 技术概念 CPLD (Complex Programmable Logic Device) FPGA (Field Programmable Gate Array) EDA 技术高密度逻辑器件 EDA 工具 HDL 利用计算机, 在 EDA 工具软件平台上, 对以 HDL/ 原理图等为系统逻辑描述手段完成的设计文件, 自动完成自然语言综合行为综合逻辑综合结构综合 ( 布局布线 ), 以及优化仿真测试直至实现既定的数字电路或系统嵌入式系统 : 内嵌到对象体系中的微型专用计算机 (RISC) 核心是嵌入式处理器硬核 :ARM MIPS POWERPC INTELX86 MOTOROLA 68000, 嵌入式操作系统 Windows CE Embedded Linux 软核 :Nios/NiosII SOC: 片上系统 SOPC: 可编程片上系统 IP 核 : 知识产权

7 可编程逻辑器件的优点集成度高缩短研制时间体积小性能高可靠性高保密性好设计灵活 ( 可编程可再编程系统内可再编程 ) 通用性好 JTAG 板级和芯片级的测试

8 可编程逻辑器件的种类 PROM(Programmable ROM) 可编程只读存储器, 单次写入, 不能修改 EPROM (Erasable Programmable ROM) 可擦除可编程只读存储器, 早期的 CPLD, 红外线擦除 E2PROM (Electronic Erasable Programmable ROM) 电擦除可编程只读存储器, 普遍应用的 CPLD 产品反融丝结构 FPGA,Actel,Quicklogic Flash 结构 FPGA,Actel 公司

9 可编程逻辑器件的种类 PAL(Programmable Array Logic) 可编程阵列逻辑可编程的与阵列和不可编程的或阵列 GAL(GenericArray Logic) 通用阵列逻辑可编程的与阵列和固定的或阵列输出有输出宏逻辑单元 CPLD(ComplexProgrammable Logic Devices) 复杂可编程逻辑器件结构以逻辑宏单元为基础, 宏单元内部有 AND OR 积项阵列 FPGA (Field Programmable Gate Array) 现场可编程门阵列掩膜编程门阵列通用结构 : 由逻辑功能块排成阵列组成, 并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能来实现不同设计超大规模高速低功耗的新型 FPGA/CPLD 集成了中央处理器数字处理器内核, 可以进行软硬件协同设计

10 FPGA 的发展现状

11 两大 FPGA 厂商的代表产品

12 FPGA 与 ASIC 的对比

13 FPGA 发展潜力巨大

14 FPGA 的典型应用 ( 一 ) 接口逻辑控制器 -- 提供前所未有的灵活性 ISA,PCI,PCI Express,PS/2,USB 等接口控制器 SDRAM,DDR SDRAM, QDR SRAM, NAND Flash, NOR Flash 等接口控制器电平转换,LVDS,TTL,COMS,SSTL 等

15 FPGA 的典型应用 ( 二 ) 高速数字信号处理 (DSP) -- 提供前所未有的计算能力无线通信领域, 如软件无线电 (SDR) 视频图像处理领域, 如高清数字电视 (HDTV) 军事和航空航天领域, 如雷达声纳

16 FPGA 的其他应用其他应用领域汽车, 如网关控制器 / 车用 PC, 远程信息处理系统军事, 如安全通信, 雷达和声纳, 电子战测试和测量, 如通信测试和监测, 半导体自动测试设备, 通用仪表消费产品, 如显示器 / 投影仪, 数字电视和机顶盒, 家庭网络医疗, 如软件无线电, 电疗, 生命科学通信设备, 如蜂窝基础设施, 宽带无线通信, 软件无线电 (SDR)

17 基于 FPGA 的嵌入式系统主要的嵌入式解决方案 Altera 公司 NIOSII / ARM9 方案 Xilinx 公司 MicroBlaze/Power PC 方案 Actel 公司 ARM7 方案

18 Altera 公司的 NIOSII 解决方案 Nios II CPU Debug Cache On-Chip ROM On-Chip RAM Avalon Switch Fabric UART GPIO Timer SPI SDRAM Controller FPGA

19 一个典型的复杂应用系统 I/O I/O CPU Flash SDRAM I/O I/O I/O I/O FPGA DSP CPU DSP

20 采用了嵌入式解决方案的系统 FPGA Flash SDRAM

21 FPGA 的数字系统设计流程 ( 上 )

22 FPGA 的数字系统设计流程 ( 下 )

23 1. 设计输入

24 2.HDL 代码综合作用 : 将软件描述与给定的硬件结构用某种网表文件或方程的方式对应起来, 成为相互对应的映射关系目的 : 获得门级电路描述的网表文件或程序

25 3. 适配到 FPGA 作用 : 将逻辑综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中目的 : 产生最终的下载文件 ( 如 :FPGA 的 sof 格式的文件,CPLD 的 pof 格式的文件等 ) 产生的仿真文件精确的时序仿真网表文件某一目标器件的逻辑映射 ( 底层器件配置逻辑分割逻辑优化逻辑布局布线 ) 注意 : 适配所选定的目标器件 (FPGA/CPLD 芯片 ) 必须属于原综合器指定的目标器件系列

26 4. 功能仿真与时序仿真

27 5. 编程下载编程 (Program): 对 CPLD OTP FPGA FPGA 专用配置 ROM 的下载称为编程配置 (Configure) : 对 FPGA 中的 SRAM 直接下载的方式称为配置

28 6. 硬件测试

29 CPLD 和 FPGA 互连结构区别

30 CPLD 和 FPGA 对比

31 FPGA 测试技术及编程与配置测试技术验证逻辑设计的正确性 ; 测试 PCB 板级引脚连接内部逻辑测试验证逻辑设计的正确性 ; 在设计时加入用于测试的部分逻辑, 在设计完成后用来测试关键逻辑可测性设计 DFT(Design For Test) 测试扫描寄存器 ; 嵌入式逻辑分析仪 (SignalTapII) JTAG 边界扫瞄测试测试 PCB 板级引脚连接 JTAG(Joint Test Action Group): 联合测试行动组 BST(Board Scan Test): 边界扫描测试 IEEE 边界扫描测试技术规范

32 编程与配置

33 FPGA 的 ICR 配置方式

34 Altera 公司的产品

36 Xilinx 公司的产品

38 其他 PLD 公司 ACTEL 公司 :ACT1/2/3 40MX ATMEL 公司 :ATF1500AS CYPRESS 公司 QUIKLOGIC 公司

39 FPGA 设计的输入方法原理图输入 HDL 语言输入 : VHDL 或者 Verilog HDL IP Core 方式波形图状态转换图真值表

40 几种硬件描述语言 HDL

41 上机实验 QuartusII 开发软件的安装与使用实验内容 : 通过蜂鸣器播放歌曲梁祝实验目的 : 熟悉 QuartusII 软件开发环境与流程

42 让我们一起讨论!

43 成功之路谢谢!

1.ppt

1.ppt The success's road 基于 FPGA 的嵌入式信号处理系统设计 www.farsight.com.cn 联系方式姚远 Email: yaoyuan@farsight.com.cn 讲座内容 1 FPGA 的最新发展现状和设计流程 ; 2 基于 FPGA 的嵌入式系统技术 3 基于 FPGA 构建数字视频图像处理系统的优势 ; 4 设计实例: 基于 FPGA 的 MPEG4 AVC/H.264