集系統(tǒng)級FPGA芯片XCV50E的結(jié)構(gòu)與開發(fā)
關(guān)鍵詞：FPGA 可配置邏輯塊 設(shè)計流程 配置
XCV50E是XILINX公司VirtexE系列系統(tǒng)級FPGA芯片中的一員。其主要資源有71693個系統(tǒng)門、65536位塊內(nèi)存和176個用戶I/O口（其中包括83對差分I/O口）。
主要特性有：1.8V超低核心電壓、支持20種高速總線標(biāo)準(zhǔn)、八個全數(shù)字延遲鎖定環(huán)、0.18微米6層金屬工藝、支持IEEE 1149.1邊界掃描。VirtexE系列FPGA芯片具有卓越的整體性能和高速特性，是實現(xiàn)高速系統(tǒng)級設(shè)計的優(yōu)選芯片。下面以XCV50E為例，介紹VirtexE系列FPGA的結(jié)構(gòu)特性和開發(fā)流程。
1 XCV50E芯片的結(jié)構(gòu)
XCV50E芯片主要由四部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，芯片中央是由16×24個可編程邏輯塊（CLB）構(gòu)成的CLB陣列，用以實現(xiàn)芯片的主要邏輯功能。芯片中16個4kB的塊內(nèi)存(Block RAM
或BRAM)組成4個塊內(nèi)存槽，位于CLK陣列的兩端及接近芯片中心的位置。塊內(nèi)存可用作高速RAM或FIFO。環(huán)繞CLB陣列的是叫做VersaRing的布線資源，它連接內(nèi)部的邏輯信號到輸入輸出單元。輸入輸出單元位于芯片周邊，用以實現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)信號（如LVDS、CMOS、GTL）間的和轉(zhuǎn)換。
1．1 可配置邏輯塊
可配置邏輯塊是FPGA的核心部分，主要用來實現(xiàn)各種邏輯功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2所示。每個可配置邏輯塊包括左右兩個功能片。每個功能片包括兩個邏輯單元。每個邏輯單元由一個四輸入查找表（LUT）、一個進位邏輯和一個寄存器組成。查找表可作為函數(shù)產(chǎn)生器來使用，也可用作高速16位移位寄存器或16×1的隨機存取內(nèi)存（RAM）。為擴展芯片的邏輯功能，在每個功能片中還設(shè)有一個F5復(fù)選器，在每個邏輯塊中設(shè)有一個F6復(fù)選器，可分別用以實現(xiàn)9輸入的函數(shù)和19輸入的函數(shù)。
1．2 通用布線資源
芯片內(nèi)部與可配置邏輯塊陣列相匹配的是通用布線矩陣陣列（GRM）。GRM是開關(guān)矩陣，它用足夠的連線將對應(yīng)的可配置邏輯連接到相鄰可配置邏輯塊和部分遠(yuǎn)端的可配置邏輯塊。芯片內(nèi)有許多雙向長線分別橫貫和縱貫整個芯片，利用它們可以快速高效地分配信號。通過通用布線資源，各個可配置邏輯塊和塊內(nèi)存構(gòu)成了一個高速動作的統(tǒng)一整體。
圖2
1．3 VersaRing布線資源
VersaRing環(huán)繞著芯片中央的CLB陣列，它將陣列信號與芯片I/O管腳相連。VersaRing以毫微秒級的速度將任一內(nèi)部邏輯信號連接到芯片的任一I/O管腳。正是由于XCV50E這種信號分配的任意性，使得XCV50E的設(shè)計工作可以與電路板制版并行進行，從而大大縮短了開發(fā)周期。
1．4 延遲鎖存環(huán)（DLL）
芯片內(nèi)有八個延遲鎖定環(huán)，借助它們可以實現(xiàn)高速零時延的時鐘信號，延遲鎖定環(huán)的輸入時鐘范圍是25MHz~350MHz，輸出時鐘的傳輸時延為零，邊沿抖動小于60ps。鎖定環(huán)可對時鐘進行二倍頻或2~16倍分頻，并可進行90o、180o、270o的移相操作。使用延遲鎖定環(huán)可有效解決高速應(yīng)用中信號的時滯和抖動問題。
2 XCV50E的開發(fā)
筆者使用Xilin Foundation F4.1來開發(fā)
XCV50E芯片。Xilin Foundation F4.1是Xilinx公司主要的FPGA芯片開發(fā)平臺之一?；谠撈脚_可實現(xiàn)XCV50E芯片從設(shè)備構(gòu)想到此特流下載的全部過程。圖3所示是基于該平臺開發(fā)XCV50E的設(shè)計流程。該平臺的由設(shè)計入口工具、設(shè)計實現(xiàn)工具、設(shè)計驗證工具三大部分構(gòu)成。設(shè)計入口工具接收各種圖形或文字的設(shè)計輸入，并最終生成網(wǎng)絡(luò)表文件。設(shè)計實現(xiàn)工具將網(wǎng)絡(luò)表轉(zhuǎn)化為配置比特流，并下載到器件。設(shè)計驗證工具用來對設(shè)計中的邏輯關(guān)系及輸出結(jié)果進行仿真和時序阻制分析。
對于系統(tǒng)級設(shè)計，一般可以使用基于原理圖的層次化設(shè)計，過程如下：先以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖作為頂層圖，自上而下的構(gòu)造基于模塊的結(jié)構(gòu)子圖，同時自下而上的將結(jié)構(gòu)子圖的結(jié)構(gòu)子圖，同時自下而上的將結(jié)構(gòu)子圖具體體（用VHDL評議或元件互連關(guān)系表示出來），
并對每個模塊和子圖進行功能性仿零點，以保證每層邏輯關(guān)系都是正確進行功能性仿真，以保證每層邏輯關(guān)系都是正確的。頂層原理圖具體化并完成功能仿真后，再添加必要的輸入輸出元件，即可合成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)表。之后，對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)表進行翻譯、映射、放置和布線，并利用流程引擎產(chǎn)生的時序信息進行時序仿真和時序分析。然后采用修改入口設(shè)計、設(shè)置各種屬性和限制、調(diào)整其片布局等方法完善設(shè)計，直到達到設(shè)計要求，最后將優(yōu)化后的配置比特流下載到FPGA芯片中。
3 XCV50E的應(yīng)用配置
XCV50E芯片是基于靜態(tài)RAM（SRAM）的FPGA，其配置信息必須固化到另外的可編程ROM（PROM）芯片中。系統(tǒng)加電后，XCV50E芯片首先從PROM中讀取配置信息并加載到配置內(nèi)存中。VirtexE系列芯片中支持四種配置模式，分別為主串行模式、從串行模式、并行模式和邊界掃描模式。
圖4是XCV50E在主串行模式的配置電路圖。圖中配置模式選擇位M2、M1、M0均連接到地；PROGRAM為FPGA配置控制信號；FPGA的配置數(shù)據(jù)輸入管腳DIN連接到PROM芯片XC18V01的數(shù)據(jù)輸出腳DATA；初始化指示信號INIT用作XC08V01的復(fù)位信號；配置完成信號DONE用作PROM的片選信號。配置過程如下：當(dāng)系統(tǒng)加電并且PROGRAM首腳升高后，配置過程開始，XCV50E首先進行內(nèi)部的初始經(jīng)，初始化完成后，VCV50E釋放INIT管腳，并從下一個配置時鐘的上升沿開始從PROM中讀入配置數(shù)據(jù)流；全部數(shù)據(jù)讀完后，F(xiàn)PGA發(fā)出配置結(jié)束信號DONE來關(guān)閉PROM，配置過程結(jié)束。下一個時鐘起，XCV50E運行啟動進程，之后就可以按設(shè)定的程序工作了。圖5給出了XCV50E的配置流程圖。
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