FPGA设计与应用 大连理工大学软件学院 王洁 2011年春季

Xilinx创始人Ross Freeman在20世纪80年代初发明 第一章 绪论 什么是FPGA？ 现场可编程门阵列 Field Programmable Gate Array 一种可编程逻辑器件 Xilinx创始人Ross Freeman在20世纪80年代初发明

斯坦福大学 NetFPGA

可编程逻辑器件 可编程逻辑器件 发展历程 Programmable Logic Device，PLD 20世纪70年代，专用集成电路（ASIC）发展而来 软件编程配置，可擦写 发展历程 70年代初期，PROM，RPROM，EEPROM 70年代中期，PAL，GAL 80年代中期，CPLD，FPGA 90年代末期，SOPC，SOC

CPLD与FPGA CPLD （Complex Programmable Logic Device） 采连续式布线结构，较适合用来实现各种运算和组合逻辑。 FPGA采用分段式布线结构，适用于实现循序逻辑，寄存器资源丰富。

FPGA与ASIC ASIC （专用集成电路）-定制 FPGA（现场可编程门阵列）-半定制 FPGA由存放在片内RAM中的程序来设置工作状态，可以反复使用

FPGA结构简介 逻辑单元阵列 可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block） 输出输入模块IOB（Input Output Block） 内部连线（Interconnect）

Virtex-II的架构 Virtex™-II architecture’s core voltage operates at 1.5V I/O Blocks (IOBs) Block SelectRAM™ resource Programmable interconnect Dedicated multipliers Configurable Logic Blocks (CLBs) Virtex™-II architecture’s core voltage operates at 1.5V Clock Management (DCMs, BUFGMUXes)

IOB IOB分成若干个组（Bank），每个Bank接口电压相同。

可配置逻辑块（CLB Tile）

SLICE

LUT 4或6输入

DCM 时钟资源管理器

BlockRAM 以Virtex-II为例

BlockRAM

其他资源 布线资源 移位寄存器 分布式RAM 嵌入式IP核 软核：寄存器传输级（RTL）模型 固核：带有平面规划信息的网表 硬核：经验证的设计版图

FPGA引脚

主要厂商 Xilinx 军品级、宇航级 Altera 　 Actel Lattice

市场比较 Xilinx Revenue Xilinx $481M $1.73B in 2005 in Q206 Altera Lattice Actel QuickLogic Revenue by calendar quarter Source: Company Reports (LSCC, ALTR, ACTL, XLNX, QUIK)

可编程器件市场份额（2007） Xilinx FPGA Segment All Others Altera Xilinx revenues are greater than all other pure-play PLD companies combined. Source: Company reports Latest information available; computed on a 4-quarter rolling basis

Xilinx FPGA发展历史 1985年，Xilinx当全球首款 FPGA 产品XC2064 ，2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个。 2007年，65nm工艺的 Virtex5 产品，门数量已经达到千万级，晶体管个数超过10亿个。 2009年， 45nm工艺的Virtex6系列， 76 万个逻辑单元，功耗降低50%。 最新面世Xilinx Virtex7系列， 28nm工艺，200 万个逻辑单元 ，功耗再降低50% 。

Virtex 系列 工艺/核心电压 时钟 特色 Virtex-2 150nm 1.5V 420MHz 40万-800万门 Virtex-2 Pro 130nm 2个400MHz的PowerPC 3.125Gbps RocketIO™ Virtex-4 90ns 1.2V 500MHz 20万个逻辑单元 LX、SX、FX Virtex-5 65ns 1V 550MHz 33万个逻辑单元 LX、LXT、SXT

Next Generation Spartan Xilinx FPGA家族 Mont Blanc 700 600 Virtex-5 500 Virtex-4, 450 MHz MHz 400 300 Virtex-II Pro Mont Blanc Virtex-5 200 Virtex-4 200 MHz, 160 DMIPS Next Generation Spartan Virtex-II Pro 150 MHz, 120 DMIPS Trilogy 100 Spartan-3 100 MHz, 92 DMIPS Spartan-3E 100 MHz, 92 DMIPS CoolRunner-II 2000 2002 2004 2006 2008 2010

Spartan系列 工艺/架构 时钟 特色 Spartan-2 2E 180nm/ 150nm 200MHz 20万门 Spartan-3 Virtex-II 340MHz 5万-500万 低端代表 Spartan-3A 90ns 500MHz 5万-340万 DNA ID技术 Spartan-3E 10万-160万

Spartan-3系列 Spartan-3A DSP FPGA DSP 应用 Spartan-3AN FPGA 非易失性应用 Spartan-3A FPGA I/O 优化应用 Spartan-3E FPGA 逻辑优化应用 Spartan-3 FPGA 最高密度和引脚数的应用

Xilinx和Altera产品比较 Xilinx Spartan3E 50万门 Virtex II Pro: XC2VP30 300万门，2个PowerPC Virtex-4: XC4VSX25FF668 800万门 Altera Cyclone: EP1C6Q240 约12万门 Cyclone II: EP2C35F672 等效150万门，没有硬核 Stratix II

开发技术基础 电路设计：电路板设计、焊接、调试（电路、模电、数电、集成电路） 硬件设计：芯片设计、结构设计、总线接口设计、存储器控制（计算机组成原理、接口技术） 系统开发：编程技术、调试技术、嵌入式开发（硬件描述语言基础、嵌入式系统） 应用开发：通信网络、图像处理、音视频处理、并行计算（通信原理、Matlab建模等）

人才需求 硬件工程师缺口巨大，08年统计缺口1.2万。 从业要求 熟悉电路设计、PCB布板、电路调试，能熟练使用PROTEL等电路设计软件； 熟练应用常用电子元器件，熟练检索各种元器件材料； 掌握常用的硬件设计工具，调试仪器仪表的使用方法； 2年以上硬件产品的开发工作经验，熟悉嵌入式系统的硬件及软件开发； 工作态度积极，责任心强，良好的沟通与团队配合； 独立设计过完整的电子产品，能读懂英文产品规格书。

人才需求 硬件工程师必备知识 基本设计规范 CPU基本知识、架构、性能及选型指导 MOTOROLA公司的PowerPC系列基本知识、性能详解及选型指导 网络处理器(INTEL、MOTOROLA、IBM)的基本知识、架构、性能及选型 常用总线的基本知识、性能详解 各种存储器的详细性能介绍、设计要点及选型

人才需求 Datacom、Telecom领域常用物理层接口芯片基本知识，性能、设计要点及选型 常用器件选型要点与精华 FPGA、CPLD、EPLD的详细性能介绍、设计要点及选型指导 VHDL和Verilog 网络基础 国内大型通信设备公司硬件研究开发流程

人才需求 熟练掌握并使用业界最新、最流行的专业设计工具 Innoveda公司的ViewDraw，PowerPCB，Cam350 CADENCE公司的OrCad；Allegro，Spectra Altera公司的MAX+PLUS XILINX公司的FOUNDATION、ISE

应用领域 China.xilinx.com IC设计与验证 通信领域 数据采集与信息处理 CPU、嵌入式系统 网络通信设备 安全设备 生物信息 金融领域

应用领域

应用领域

应用领域

应用领域

应用领域

应用领域

应用领域

应用领域

应用领域

参考书目

参考书目

开放资源

开放资源

Xilinx官方网站

SEED-XDTK Mboard实验箱 主板支持XUPV2Pro或者FEM025 并行高速A/D和D/A，8位，1M LCD显示模块（122*32） 数码管显示模块（8段） LED点阵显示模块（16*16） USB2.0模块 RTC+EEPROM模块 蜂鸣器 键盘模块 7寸640x480 VGA液晶显示器 CCD摄像头

用一套硬件实现包括“逻辑与计算机设计基础”、“计算机组成”、“汇编与接口”、“嵌入式系统”等课程 核心板 用一套硬件实现包括“逻辑与计算机设计基础”、“计算机组成”、“汇编与接口”、“嵌入式系统”等课程

作业1 《FPGA技术调研报告__XXX》 第11周之前提交，纸质版报告，结构合理，排版规范，不少于5000字。 FPGA开发技术框架 基于FPGA的EDA开发案例研究 FPGA应用技术调研：XX领域 FPGA嵌入式系统设计与应用 （不局限于以上方面） 第11周之前提交，纸质版报告，结构合理，排版规范，不少于5000字。