Xilinx可编程逻辑器件的高级应用与设计技巧.pdf

【实例简介】
Xilinx可编程逻辑器件的高级应用与设计技巧,fpga进阶的参考书。
EDA工具应用丛书 Xin可编程逻辑器件的 高级应用与设计技巧 孙航编著 電子工業出版社 Publishing House of Electronics Industry 北京· BEIJING 内容简介 木书以浅入深凵、图文并戊的方式,全面介纲了全球最大可编程器件生产商 Xilinx的 oolttunner. ll、 spaa3、tex1。和 rtex- PTo等系列最新器件的结构和特性;司时还较大篇幅介绍了最新设计开 发环坻IsE6炇其辋助设计丁具,可编程逻辑器件的岗级应用和设计技巧,基于 CPLDFPGA的8和32位 嵌入式处理器的原理与设计,高速串行数据通信接口设计和信号完整性设计等内容 木书既是从事消费淡电子产品设计、通信系统设计、联入式处理器系统设计及控制设备开发设训人员 不可或缺的、针对性非鷖强的技术书籍,又可作为逻辑和占用集成电路设计相关专业高年级本科及研究 教学、科研参考书 木经计可,六得以任何方式复制或抄老本书之部分或全部内容。 版权廝有,侵权必究 图书在版编目cP数据 Xilin可编栏逻辑器件的高级应用与设计技巧/孙航编著.一北尔:电子T业出版社,2002.3 EDA工具应用丛书) ISBN7121-0Ql004 1.X…Ⅱ孙…ⅢI.可编程逻辑器件一基本知识1.TP3321 中国版小图节馆CP数掉核了(2004)第06717号 责忏编弭:琰特约编辑:叶皓肟 印刷:求京人卫印圳 出版发行:电了⊥业出版社 北京市海淀区万寿路173信箱邮编1036 经销:各地新华书沾店 开;787X1092116E张:2675字数:686千字 印次:204年8月第1祝印 印数:500册定价:3900元 凡鹦头也了⊥业出版社的图书,如有缺损问题,请向灼买店调换。若书店售缺,请与本补发行部联 系。联系电话:(00)6827977。质量投诉诮发邮件至 Zits phe」omcn,盗版侵权报请发邮件至 dbqggphei. com.cn o 前言 镟荇3〔通信、消费和计算)融合功能越来越多地出现在各种咤子产品中,数罕 化、智能化设计已经变得愈来愈普及,产品的更新换代不断加快,个性化产品不断涌现 同时:随着系统向髙速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化方向的发展,其对 电路的要求越来越高,因此,传统的单一功能的集成电路设计技术已无法满足性能日益提 髙的整机系统的要求。而可编程遡铒器件( CPLDFPGA)由于其固有的特性,正好填补了 这方面的需求。叮编程逻辑器件可以方便地通过欢逻辑结构的修改和配置,完成对系统和 设备的升级:以便迅速适应市场的变化。可编程逻辑器件的另一个特点是,可以支持多种 通信协议和接口标准,并可以随着标准和协议的演变而改变功能。对系统设计师来说这是 大优势,因为他们可以在早期当标准还在变化时就开始硬件设计,以后再改变代码来反 映最终的标准。可编程逻辑在速度和等待时间方面优于纯软件解决方案。由于NRE(不可 冋收工程)成本较低,开发时间较短,同时比ASC(专用集成电路)实现具有更大的灵 活性,促使了可编程逻辑器件的高速发展。 另外,由于半导仁技术的飞迷发展,其工艺水平已经达到了深亚微米级,以9mmT 艺技术制迢的芯片已经问世:芯片的集成度成倍数地提高:时钟频率已发展到数吉然兹。 閃此,未来的集成电路技衤的发展趋势,是把整个系统集成到一个芯片上去,这种芯片被 称为片上系統。芯片内除了丰富的可编程逻辑资源以外、还包括了高速的处理器硬核、处 呷器软核、DsP模块、大量的冇储器资源、高速行收发器模块、系统时钟管理器、多标 溎的输入输岀接口模块等。片上系统比起当今的超大规模集成电路来说,无论是集成规模 还是运行频率都有长足的发展。而采用具有系统级性能的复杂可编程逻辑器件和现场可编 程门阵列实现可编程片上系统也成为今后的一个发展向。也许,在不久的将来,我们看 到的计算机中央处理器芯片不是传统的CPU,而是一个能够实现高速、多任务并行处埋、 随心所欲“换芯”(升级)的可编程逻辑器件。正是因为集成电路的迅盂发展,推动了电 子技术的发展,带来了电子系统设计的不断变革。 Xlin公司是全球最大的可编程逻辑器件制造商,也是FPGA器件的发明者,特别是在 通信技术领域,xix不仅是一个提供通信器件的供应商,还积极地参与通信标准的制定, 堤供系统集成和系统解决方案等。为了满足和适应市场的需要,该公司不断地推出高性能的 可编器件。从早期的XC95*、ⅹC40、 Spartan/ Spartanx、Ⅴ irtex/ Virtex-E、 Spartan-t Spartan-IE系列,发展刭现在的 CoolRunner-I、平台级和系统级的Ⅴ Virtex、Ⅴ irtex-I Pro/virtex ProX,以及90m工艺没术的 Spartan-3系列器件。在器件内,不仪有32位的 PowerPC405处理器硬核、32位的 Microblaze处理器软核、8位的 Picoblaze处理器软 核,还提供了能够支持3,125GHz0GHz高速肆行通信的 Rocketo模块,以及DSP模块 等。而且器件的价格不断地下降,如 Spartan3系列中的40万门器件价格在8美元以下。 这些器件已广泛地应用于医疗设备、通信设备和航天、消费等各个领域。在2004年, 当r xiux还将推出基于 ASMBL〔 Application Specific Modular Block,面向应用的组合模块架 构的可编稈逻辑器件),这又将带来场平台级和系统级逻辑器件的革命 作为一位从事多年可编程逻辑器件应用和技术服务的专业技术人员,有必要和义务不 断地将8iinx最新的器件和信总及其应用介绍给广大的科抆工作者,这也是作者編写此 的目的。本书将以Xn公可的产品为背景,系统介绍该公司最新CPLD和FPA产品的 结构原理、性能特点、设计方法,详细介绍IE6集成化设计L具的特忠和使用方法,重 点介绍 CPLDFPGA在数字系统设计、嵌入式处理器没计、高速串行数据通信等方面的应 用:同时,还将对高速电路设计及信号完整性问题进行深入的探讨。而对于 Xilinx摧出的 早期CPLD/FPGA器件,如XC95系列、xC40系列、第一代和第一代的 Spartan系列及 Ⅴ Irtex系列,已经有很多资料和书籍进行了详细介绍,许多读者设计者对这些器件的使 用也较为熟悉,因此,本书将不对这些器件进行重复讲解,以节省篇幅 本书共分13章。第1章介绍 Xilinx的新一代复杂可绽程逻辑器件 CooiRunner-Ⅱ的结 构、特性及每个功能模块的没计应用。第2章介绍ⅹiiκ的平台級现场可编程门阵列器件 irtex-和ⅵ firex-IPro的结构、特性及设讦应用;同时还将对用于可支持10Gbs串行 数据传输模块的ⅵ irtex- I proX系列器件进行简单描述。第3章介绍Xinκ提供的最新的 低成本、高性能 Spartan-IE和 Spartan3系列器件的结构、特性及设计应用。第4章介绍 Xilinx提供的集成化设计环境ISE6的初级应用,通过本章的学习和书中提供设计范 例,可以使读者熟练地掌握ISE6设计工具的设计流程、基本功能和使用,并能进行基本 的逻辑设计。第5章是第4章的提高篇,介绍xinx的各种辅助设计工具,通过本章的学 习,可以使读者掌握辅助没计工具的使用,以满足复杂逻辑设计的需要。在进行复杂逻辑 设计时,为了提高遐辑设计的性能,设计者希望对设计进行些设计方面的约定。第6章 介绍约束设计的原埋、使用,以及如何利用设计工具提供的报告进行时序方面的分析,并 对设计进行修改,从而满足设计的要求。第7章介绍针对 Xilinx可编程逻辑器件的一些高 级设计方法,这些设计方法对大型、复杂的逻辑设计非常有用。在本章中,针对不同的设 计群体,可以选择不同的设计方法,这些没计方法包括:①宏生成器,设计者采用该工具 可以设计一些IP模块:②增量设计,可以方便设计的调试,并加快设计的速度;③模块化 设计,该设计方法为基于团队的设计方式,将大型、复杂的设计分成数个模块,采用并行 设计,从而缩短设计周期,提高设计性能。第8章介绍一些在进行逻辑设计时经常出现的 问题及解决方法和设计技巧。第9章介绍 Xilinx在高速串行通信方面的应用,包括在 Virtex-lFro和Vtx-lPoX平台级系列器件中集成3125Gb/和10Gbs串行通信收发 器模块的原理、结构及使用。第10章介绍iinκ在FPGA中提供的两种32位嵌入式处理 器方案,一种是采用先进的IP植入技术嵌入在iex-11Pro系列器件中的IBM公可的 Powerpc405硬核处理器模块;另一种是采用了IBM总线技术的 Microblaze32位嵌入式 处琿器软核。本章将详细介绍这两种处理器的内部结构、原浬。此外,还介绍采用 Powerpc405处理器实现的 UltraControler控制器,处理器开发工具EDK61,以及如何使 用该工具进行嵌入式处理器的设计。 Picoblaze是xinx推出的8位嵌入式处埋器软核模 块,该模块可以集成到CPLD和PPGA可编程逻辑器件中,根据设计者的需要可以集成多 个该模坎。第1章介绍 Pico Blaze模块的原理、结构、设计流程和应用。第12章为髙速 电路设计篇,介绍在进行复杂和高速的逻辑及板级设计时,如何保证信号的传输质呈,如 何在设计之前进行设计评估。第13章介绍与 Xilinx逻器件设计和ISE有关的第方的 Modelsim仿真工具和 Synplify pro综合工具的使用。 由于篇幅所限,本书不对ⅤHDL和 Verilog语言的语法结构及设计使用进行专门介 绍。有关这方面的知识,请參考VHDL程序设计》、《硬件描述语言 epilog》等有关书籍 和资料。在阅读和使用这本书时,需掌猩一些基本的VHDL和 verily话法结构和知识。书 中所涉及到的参考设计,可登录网站hp:/ww.insight-ap,omcn和httpwww.insight FAE.org获取,或发送 E-mail专作者联系,地址为; hunter sun@ vista- asiapacific.cm 在本书编写过程中,得到Xinx公司深圳办事处髙级工程师李进华和胡锓问志的大力 帮助,并提供了宗贵的意见,在此表示衷心的感谢! 孙航 目录 第1章 Coolrurner-]]系列器件结构及描述 _■ t概述 2 CooIRunTer-I器件的逻辑结构 1.2.]功能模块……… 即甲pbB即卜B即Bb“即目4b E2.2高级内部互连矩阵……… 即■萨甲甲即 1.2.3输入匏出模块…… ■■■■严■■日日甲『■■ 幽血·中甲甲『甲自血中早P目■血鲁PPPP中自昏P甲目P■司甲P唱4日P宁 24时钟分频器模块…r…r,…;…………… 甲早甲平冒唱血鲁甲■ 13 CoolRunner-]器件的时序模……… 會P■ 4P個4甲日日4: 1.3.1时序模型描述………… 1.3.2时序模皇设计范刺 ■■b■↓■罾郾L■↓郾■■■日■■■甲■■■↓■■唱↓L着4』晷唱q■看着4■■■4↓■■4■暑着■d山·着4■■■晶■■■山■ 4 Coolrunner. 1器件的设计和使用 ad■ 12 14.]双沿触发奇存器的使用 【4,2时钟分频器的使用……… 唱冒■■。■ 14.3频率合成的使用……… 平早■ 13 144门空功能的应用… r…r"t"::14 4.5施密特触发器的应用……………………"………………………………………14 L46输入输出标准的应用…………-……-…-… 4.7翰入輸出引脚你为参考电源输入的设置 ■■着■ 血看善■唱唱县■■昌■噌■■■昌』一■■■L=■L 17 5木章小结 幽·L血日甲甲日自甲1P晋自·甲唱冒幽甲早 ■d山■■■■ hb■■晋晶■山b画b_画ma 第2章 Tirtex-I/ Virtex-ⅡIPro系列器件结构及描述 2概述 中『晋1自會 2.2Ⅴ irtex-Ⅱ系列器件结构和特性 平日··■曾幽中冒■q■■甲P■冒■目■血口■b自日1画自咖。日咖。◆ 2 221itex-I系列器件性…………………"r………"s…"t" 2 222 Virtex-的逻辑结构 ■■q■■日日自■日自■P顰『自b■『■『■中晋『晋h警■·』督■日■■“自山4晶。可即●中。■ ……∵·22 23Ⅵ irtex- lI Pro系列器件结构和特性 中中■■曾 r!·35 231 virtex I Pro系列器仵简介…………… 中會 冒T■■ 232 virtex- IL Pro系列器件的组织结构… ■P中1冒 24 irtex- II Pro X系列器件简介 晶T冒冒■画冒画山 5本章小结 4T+:■■1■日1血 第3单 Spartan-E和 Spartan3系列器件结构及描述 3!杨述 ■■■孟司 4·◆·曾】·自中省吾■■面■晶如 45 32 Spartan-1E系列FPGA…………………………………………………45 32. I Spart組n-LE器件简介 322 Spartan-:!E器件结构描述 ⅤI 33 Spartan-3系列FPGA… 2 3.31 Spartan-器件荷介 ■會即■督■ 画44日日日『日『日 ………·52 332 Spartan-3器件结构描述 bhr中h晶甲中山dI 3.4本章小结 ■十■■冒■1■■日1鲁督■十l番鲁■昏昏卜bb番■■■d■b晶山d晶口 第4章ISE6x设计工具简介和使用…………1646 41概述……… 42 Xilinx设计流程………… ………………………………………69 4.3ISE6I软件的使用 画■即■毛画■口司即 43.设计开始→……… 了I 43.2设计入(HL)……-…… 4.3.3仿真行为模型〔功能仿真 4.34使用Msm进行仿真… 43.5改计输入……………………:……………… BI 4.3.6设计实现 43.7对顶层设计进行仿真(时序仿真)…………… ■电↓电·一■ 着LLLL画L 4.38ED设计方法 口山 ↓↓番 9 44引脚与区城约束编辑器(PACE 441利用PACE指定輸入输出的引脚和特性 ■L命LL■■·■s晶Lp甲甲p+最e 442.利用PACF工具完成对逻辑区城酷控制-…… 4.4.3PACE的SSO分析和DRC功能…………… ".TT.+.1++F1+Hn+:96 4.44PACE时序分析功能r,…,………,…,……"………………………………97 5 XiEnx综合技术ⅹST∵…… ·号中命早P唱P备吾唱看吾普 4.6Xinx器件的设计实现 15 4.7 Xilinx器件的编程和配置上具 IMPACT………………………………11 4.71编程参数的说明和选择 4.72编程T具 iMPACT的甄置模式概述 116 4.7.3编理工具 IMPACT的使用…-… 4.74用 iMPACT病程工具执行和下载配置文件…………………………""113 48本章小结 ◆·--4Tr·平v■m:FTm ""r!12l 第5章ISE6的辅助设计工具 ■d■■ 5.1概述 …"!u…122 52IP核生成工具 骨·冒■鲁■■"面■ ↓中中印自电 "……"………122 521 Core Generator在ISE6工具中的使用 23 522用 Core generator建立个新的T程………1125 523 Corer中的存储器编辑器……… 129 5.3布局规划器… 昏!冒『冒■冒■日d1 531布局规划器概述………… 129 532布局规划器的功能和应用…… 533布局规划器的使用 ·q导聊●唱丬■·导◆◆■日4■■罾中中◆■喟目冒唱甲晶■冒晋冒唱■■■中▲d血b● 131 54FrGA底层编辑器 ■■■■◆中中■■■■■甲門鲁中肀■■■■h■■b■■山矗当h画 饣 VIN 54. 1 FPGA底层编辑器概述…………… 136 542FrGA底层编辑器的使用 ■唱■■■■■p口d■口p中目中加上PPP“p●PP■■pDP 137 5.5集成化逻辑分析工具 5.5.}集成化逻辑分具简介 ""…4……""”44 552集成化逻辑分析工具的组成和没计流程… 145 553 Chip scope Pro6l的操炸和使用 56 XPower功耗分析工具 159 56.1 XPower概述…… 160 5.62 XPower的使用 161 57本章小结 H【斷■『自 曾■『平中中中·口P『甲甲P·自·自『曾冒『平血幽 167 第6章约束设计与时序分析…… ]69 61概述… 甲甲4。·‘B甲4·白日日甲● 血血自自■督■■b由自■■■■● 62时序约束 昏■■■■■b血▲山·h■〓■b▲bd晶■甲甲命 ↓↓▲唧ψ■▲山■■■■hψψ■■■■■■ψ山h如【■血■■■hh如山昏■hp山d 621周期约束……… 71 622偏移约束 ■■■■■ ■■■■ 623特定约束…… 175 6,24分纽约束……………………………,… 63约柬编辑器 +a日“ 180 63.[约束编辑器的使月… 6.32约束没的范例………… 1器B 64吋序分析器 ………………;…"…"s………………!189 641时字分析器的用户界面… ■咖·咖■■■■■即■即■咖■■昌■■↓■即■p■■L■■即晷昌4↓昌昌↓■即 18g 6.42时序分析器的使用… 咖·■■·■■ψ咖中血血幽■■■■嗒甲噌■申ψ血血■■■■司聊申■p口■噌『罪■『·■■↓看■■卩寻即↓L晶44P 190 643时序分析报告的分析和阅读 +如4如-甲。吾+ 65本章小结… 第7章可编程逻辑器件的高级设计 pa日B品日↓↓4品—B.L444B+日吾聊4+日 *2 71概述…… ,208 7,2法生成器 …209 721宏生成器简介… 722RPM设汁流程和设计步骤…… 72.3用于RPM设计的约束命令 甲■咖申申●呻·如■晷噌晷晷噌自◆斗吾■■■■■嚼即■自L』』昌■■■■口■■↓p+↓4k画pm· 2]0 724使用RPM(宏生成〉的设计范例 212 73增量设计 215 731增量设计筍介和设计流程 L晶LL■ 732增量设计的运用 2]g 7.33使用增量设计的范例 r:,,;r",221 74模块化设计 ……225 741模块化设计流程…………"…”……*卜 自■■血白血幽血血 t血個■迅■■二■J■■■dL 225 742模块化设训的运用………… 743模块化设计的应用技巧… -rrrr X 【实例截图】
【核心代码】