1、FPGA和SOPC应用 PLD介绍和CycloneIII介绍,华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心 王贞炎,内容,可编程逻辑器件介绍 Cyclone III系列FPGA介绍 ModelSim介绍 使用ModelSim仿真 Testbench编写 实验：编写格雷码计数器并仿真,可编程逻辑器件简介,数字逻辑器件 固定逻辑器件 通用小规模：74LS/74HC功能简单，要用它实现大规模的逻辑需要大量的芯片，线路复杂、体积大。 大规模：ASIC，各种专用数字芯片，包括各种MCU、CPU都属于大规模固定逻辑器件。非重发性工程成本很高固定逻辑器件最终从芯片制造厂制作出来以前需要投入的所有成本，一般为十几
2、万到数千万美元。 要做一个规模稍大的逻辑电路怎么办？ 可编程逻辑器件 复杂可编程逻辑器件，CPLD，Complex Programmable Logic Device 现场可编程逻辑门阵列，FPGA，Field Programmable Gate Array,可编程逻辑器件简介,可编程逻辑器件的优点 设计灵活 无漫长的前置时间来制造原型 方便现场升级 有越来越多的知识产权(IP)核心库的支持 小批量成本低廉 适宜于科研试验、快速原型开发、小批量产品开发,可编程逻辑器件简介,CPLD 大部分CPLD基于乘积项结构 CPLD一般由Flash工艺制造,可编程逻辑器件简介,FPGA FPGA的基本结构
3、单元一般由查找表和寄存器构成，称为逻辑单元Loglic Element (LE) 查找表一般就是一块小容量的静态RAM使用查找表可以构成任意功能的组合逻辑电路真值表！ 寄存器一般是D触发器D触发器是构成时序逻辑的基本元素 LE中往往还有数据选择器用于简明地实现条件选择逻辑 FPGA由大量的LE互联而成 现代的FPGA内往往还融合大量DSP功能模块、存储器模块甚至处理器模块（硬核、软核） 处理器：PowerPC、PicoBlaze、MicroBlaze、Nios、Cortex-M1、MSC-51等等 DSP单元：由快速乘加器构成,组合和时序都有了，一切数字电路都可以实现了。,组合和时序都有了，一
4、切数字电路都可以实现了。,可编程逻辑器件,FPGA内嵌硬核与可配置软核 内嵌硬核处理器是在FPGA芯片中，单独划出一块区域安置一个功能固定的处理器核，其总线可与FPGA内部LE互联。它在FPGA芯片出厂时，便已经固化在了FPGA内。 如Xilinx公司的PowerPC 软核处理器是在FPGA应用设计阶段，通过软件工具设计实现一个处理器的逻辑，并与其它FPGA逻辑同时下载至FPGA内，由LE组合而成的。它是在用户做应用设计期间配置而成的，可有用户自由增删其功能，配置其性能。 Xilinx公司的PicoBlaze、MicroBlaze Altera公司的Nios、Nios2,Cyclone III
5、系列FPGA,Altera公司的FPGA系列 高端：Stratix I, II, III, IV, V 顶尖的性能顶尖的价格大功耗 中端：Arria GX I, II 带有高速串行收发器的中低端系列功能性能与成本功耗的折中 低端：Cyclone I, II, III, IV 低端、低成本不算太低的性能 新的Cyclone IV系列中的GX子系列也开始带有3.125Gbps的串行收发器了,Cyclone III系列FPGA,整体 65nm工艺,Cyclone III系列FPGA,整体,Cyclone III系列FPGA,LE 特性： 4输入查找表，实现任意四输入组合逻辑 一个可编程寄存器（D触发
6、器） 一个进位链连接 一个寄存器链连接 能够驱动本块、行、列等互连 支持寄存器打包 支持寄存器反馈 两种工作模式： 普通工作模式：适用于一般的逻辑、组合逻辑 算术工作模式：适用于实现加法器、累加器、计数器和比较器,Cyclone III系列FPGA,LE,Cyclone III系列FPGA,LAB 特性 16个LE LAB控制信号：清除、时钟、时钟使能、复位等 LE进位链 寄存器进位链：把LAB内一个LE寄存器的输出与相邻LE寄存器的输入连在一起 LAB本地互连：用以连接LAB内各个LE 控制信号 两个时钟 两个时钟使能 两个异步清零 一个同步清零 一个同步置位,Cyclone III系列FP
7、GA,LAB,Cyclone III系列FPGA,MultiTrack互联 LE M9K RAM块 乘法器 IO单元,Cyclone III系列FPGA,全局时钟网络和锁相环,Cyclone III系列FPGA,时钟网络,Cyclone III系列FPGA,锁相环结构,Cyclone III系列FPGA,嵌入式存储器：M9K RAM块 9126bit 独立时钟和时钟使能的真双端口 可分离为两个4.5K单端口RAM块 每端口独立的读写时能 可变端口位宽 写字节使能,Cyclone III系列FPGA,嵌入式存储器：M9K RAM块 可配置的形式,Cyclone III系列FPGA,嵌入式DSP模块 可以用来实现FFT、DCT、FIR等数字信号处理，可以高效地用于音频/视频信号处理 可以配置成99或1818的两种模式,Cyclone III系列FPGA,IO口 4/8个IO Bank 每个Bank可独立 配置IO标准 九种封装，82531 个IO口 可编程电流 可控摆率 开漏输出 可编程上拉电阻 钳位二极管 LVDS匹配电阻、 预加重,Cyclone III系列FPGA,IO口,Cyclone III系列FPGA,IO口支持的外部高速存储器,
