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培训内容 EXCD-1/Nexys3竞赛平台介绍 Xilinx公司介绍 Xilinx公司产品概述 Xilinx公司软件平台介绍 Xilinx公司ISE13.1软件介绍 基于ISE13.1的数字系统的设计 基于ISE13.1的模数混合系统的设计和调试 Xilinx片上可编程系统原理介绍 基于EDK13.1和AXI4的嵌入式系统设计实现

EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍 --EXCD-1硬件平台介绍 用于竞赛 用于实验室培训 EXCD-1开发板+SOC实验箱

EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍 --EXCD-1硬件平台介绍 德式简洁架构，双层结构，盒盖可放置在底部做为收纳盒。

EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍 --EXCD-1硬件平台介绍 数字脉冲源 电源:+5V/3A ,-5V/1A ,+3.3V/3A 点阵LCM12864 单通道并行ADC 单通道并行DAC 步进电机模块 4*4矩阵键盘 蜂鸣器 MP3播放模块 红外收发通讯 UART通讯 交通灯模块 USB模块 网络10M/100M 温度传感器 日历时钟模块 资源丰富

EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍 --EXCD-1硬件平台介绍 EXCD-1开发板主要基于Xilinx Spartan 3E FPGA器件 XC3S500E-PQ208 ，板上含有2Mbytes的Flash和1024K bytes的SRAM，以及各种输入输出设备。 基于该板可以设计具有各种功能的数字系统，并可以 完成含有8位PicoBlaze 微控制器和MicroBlaze7.0软核的嵌 入式处理器系统。

EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍 --EXCD-1硬件平台介绍 外部扩展接口，与竞赛外扩板连接 电源接口+5V 7针JTAG接口 VGA 接口 高速扩展口 PROM芯片 Spartan-3E FPGA芯片 SRAM芯片 50MHz晶振 串口 接口 PS/2 接口 市场售价：905元

EXCD-1/Nexys3硬件开发平台介绍 --Nexys3硬件平台介绍 四个高速扩展接口 电源接口 外接7针 JTAG 接口 100MHz信号 SPI Flash Digilent USB-JTAG 高速 接口 以太网 接口 Spartan-6 FPGA芯片 7段数码管 VGA 接口 SRAM Flash 按键开关 USB 接口 UART 接口 DIP开关 市场售价：1780元 现场预定：1180元

Xilinx公司介绍 --公司起源 作了一个梦。Bernie Vonderschmitt、Ross Freeman 和 Jim 1984年在硅谷工作的2个聪明的工程师和1个营销主管 作了一个梦。Bernie Vonderschmitt、Ross Freeman 和 Jim Barnett 梦想创立一家不同于一般的公司。 他们希望创建一家公司来为一个全新的领域开发和推 出先进技术。他们还希望以下面这种方式来领导它：在这 里工作的人们热爱他们的工作、享受工作带来的乐趣，并 且对他们所从事的工作着迷。 新型半导体（现称为现场可编程门阵列）由 Xilinx 共 同创始人 Ross Freeman 发明，是一种全新的可编程逻辑。

Xilinx公司介绍 --市场份额 司 iSuppli 公司统计，Xilinx 在 2010 财政年度创造了18 亿 美元的收益，并在半导体行业可编程逻辑器件 (PLD) 领域 占有 50% 以上的市场份额。

Xilinx公司产品概述 --应用领域 创新意义的应用： 航空航天/军用产品 汽车 广播 消费类 数据处理/存储 工业/科技/医疗（ISM） 有线 无线

Xilinx公司产品概述 --应用领域

Xilinx公司介绍 --主要发展例程 1984年 Ross Freeman、Bernie Vonderschmitt 和 Jim Barnett 创立了 Xilinx。 1985 年 Xilinx 推出了它的第一款产品 - XC2064。 1991年 推出 XC4000™ 系列 FPGA。 1998年 推出 Virtex®™ FPGA 系列。 2002年 推出 CoolRunner-II 系列产品。 2003年 推出 Spartan®™-3 系列产品。 2006年 Xilinx 推出Virtex-5 系列的 FPGA。 2009年 Xilinx 推出Spartan-6和Virtex-6新一代 FPGA。 2011年 Xilinx 推出第7代FPGA系列产品,统一架构。

Xilinx公司介绍 --芯片工艺的演进 Virtex-7 Virtex-6 Virtex-5 Virtex-4 Virtex-II Pro Virtex-E Virtex-II Virtex-II Pro Virtex-4 Virtex-5 1st Generation 2nd Generation 3rd Generation 4th Generation 5th Generation 6th Generation 220-nm 180-nm 150-nm 40-nm 65-nm 90-nm 130-nm Virtex-7 Virtex-6 7th Generation 28-nm

Xilinx公司介绍 --两个最近令业界兴奋的消息 1. 采用28nm的第7代FPGA产品相继上市。

Xilinx公司介绍 --两个最近令业界兴奋的消息 2. 嵌入ARM的Zynq™-7000 系列FPGA将于下半年上市。 Zynq™-7000 系列是 Xilinx 推出的首款可扩展式处理 平台 (EPP)。该新型产品将业界标准 ARM双核 Cortex-A9 MPCore™ 处理系统与 Xilinx 一体化 28nm 可编程逻辑架 构完美整合在一起。 这种以处理器为核心的架构不但能够实现 FPGA 的高 度灵活性和可扩展性，同时还能带来类似于 ASIC 的高性 能和低功耗，以及 ASSP 的易用性。

Xilinx公司介绍 --两个最近令业界兴奋的消息 ARM双核硬核处理器 提供外设 控制器 先进的AXI4接口规范 可编程逻辑 单元, DSP Slice, BRAM 集成了ADC转换器 PCI-E控制器

E_mail: kevin.xie@xilinx.com Xilinx公司介绍 --大学计划XUP Xilinx大学计划部大中华区经理 谢凯年 E_mail: kevin.xie@xilinx.com 大学计划入口

Xilinx公司介绍 --大学计划XUP

Xilinx公司CPLD概述 --CPLD原理 阵列以及宏单元库构成。 与/或阵列是可重新编程的，可以实现多种逻辑功 能。 宏单元则是可实现组合或时序逻辑的功能模块， 同时还提供了真值或补码输出和以不同的路径反馈等 额外的灵活性。

Xilinx公司CPLD概述 --CPLD内部结构 功能块1 功能块2 功能块3 功能块N I/O块 快 速 开 关 阵 列 宏单元1-18 JTAG控制器 系统内编程控制器 图2.5 XC9500 CPLD内部结构

Xilinx公司CPLD概述 --CPLD内部结构-功能块 可编程的 与阵列 乘积项 分配器 来自快速连接 开关矩阵 到快速连接开关矩阵 到IO块 全局置位/ 全局 复位 时钟 图2.6 FB块的内部结构

Xilinx公司CPLD概述 --CPLD内部结构-功能块 图2.7 宏单元的内部结构

Xilinx公司CPLD概述 --CPLD内部结构-快速连接矩阵

Xilinx公司CPLD概述 --CPLD内部结构-IO块

Xilinx公司CPLD概述 --CPLD类型 CoolRunner系列 XC9500系列 CoolRunner-II CoolRunnerXPLA3 XC9500 XC9500XL

Xilinx公司FPGA概述 --FPGA原理（查找表技术） FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件 的基础上进一步发展起来的，它是作为ASIC领域中的一 种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又 克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。 由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本 结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只 能采用一种易于反复配置的结构。 查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都 采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和 宇航级FPGA采用Flash或熔丝/反熔丝工艺查找表结构。

Xilinx公司FPGA概述 --FPGA原理（查找表技术） 查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上 就是一个RAM。 目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT 可以看成一个有4位地址线的 的RAM。 当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路 以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有 可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样 ，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进 行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。

Xilinx公司产品概述 --FPGA原理（四输入查找表结构） LUT也称为函数发生器(Function generator,FG) 其功能被输入的数目限制，而不是被复 杂性所限； 贯穿LUT的时延是固定的； A B C D Z 1 . Combinatorial Logic A B C D Z

Xilinx公司产品概述 --FPGA原理（六输入查找表结构） 多年以来，四输入 LUT 一直是业界标准。但是， 在65nm工艺条件下，相比较于其它电路（特别是互连 电路），LUT 的常规结构大大缩小。 一个具有四倍比特位的六输入LUT (6-LUT) 仅仅 将 CLB 面积提高了15% - 但是平均而言，每个 LUT 上可集成的逻辑数量却增加了40%。 更高的逻辑密度通常可以降低级联 LUT 的数目， 并且改进关键路径延迟性能。

Xilinx公司产品概述 --FPGA原理（六输入查找表结构） 4/6输入LUT实现8:1多路复用器的原理

Xilinx公司产品概述 --FPGA原理（六输入查找表结构） 新一代的FPGA 提供了真正的 6-LUT，可以将它用 作逻辑或者分布式存储器，这时 LUT是一个64 位的分 布式 RAM （甚至双端口或者四端口）或者一个32 位可 编程移位寄存器。 每个 LUT 具有两个输出，从而实现了五个变量的两 个逻辑函数，存储32 x 2 RAM 比特，或者作为16 x 2-bit 的移位寄存器进行工作。

Xilinx公司产品概述 ---FPGA内部结构 Spartan-6 FPGA芯片 的版图

Xilinx公司产品概述 ---Spartan-6 FPGA内部结构(可配置逻辑块-) 可配置的逻辑块（Configurable Logic Block, CLB）是主要的逻辑资源， 用于实现顺序和组合逻辑 电路。 Switch Matrix 每个CLB连接到一个开关矩阵 用于访问通用的布线资源 一个CLB包含一对切片Slice 两个Slice之间没有直接连接

Xilinx公司产品概述 ---Spartan-6 FPGA内部结构(可配置逻辑块) 每个CLB包含两个切片列。一列称为SLICEX列，另一列在SLICEL 和SLICEM交替。可用的切片中有50%的SLICEX，25%的SLCEL和25% 的SLCEM。

Xilinx公司产品概述 --- Spartan-6 FPGA内部结构(SliceM) 多路复用器 六输入 查找表 图2.14 SLICEM的内部结构 触发器资源 进位链 触发器资源

Xilinx公司产品概述 --- Spartan-6 FPGA内部结构(SliceL) 多路复用器 六输入 查找表 触发器资源 进位链 触发器资源

Xilinx公司产品概述 --- Spartan-6 FPGA内部结构(SliceX) 多路复用器 六输入 查找表 触发器资源 触发器资源

Xilinx公司产品概述 --- Spartan-6 FPGA内部结构（时钟资源） 全局时钟输入引脚(GCLK)； 全局时钟复用开关（BUFG,BUFGMUX） I/O时钟缓冲区（BUFIO2,BUFIO2_2CLK, BUFPLL） 水平的时钟布线缓冲区（BUFH）

Xilinx公司产品概述 --- Spartan-6 FPGA内部结构（时钟资源） 图2.17 DCM的符号 Spartan-6的FPGA包含两 种类型的时钟网络： 提供了16个高速，低抖动的全 局时钟资源来优化性能。这些 资源通过EDA软件工具自动 的使用。 提供了40个超高速、低抖动的 I/O区域时钟资源。用于服务 本地的I/O串行/解串行电路。

Xilinx公司产品概述 --- Spartan-6 FPGA内部结构（专用BRAM） 最大4.8Mb 同步的读/写 真正的双端口RAM 每个端口有同步读/写功能 每个端口有不同的时钟（可 配置） 支持初始化值 对输出锁存器的同步复位 支持奇偶校验 每8位一个奇偶校验位 与嵌入式的专用乘法器相邻 用于快速的乘-累加操作 DIA DIPA ADDRA WEA ENA SSRA CLKA DIB DIPB WEB ADDRB ENB SSRB DOA CLKB DOPA DOPB DOB 18-kb block SelectRAM memory

Xilinx公司产品概述 --- Spartan-6 FPGA内部结构（互连资源） 互联是FPGA内用于在功能元件，比如IOB，CLB， DSP和BRAM，的输入和输出信号通路的可编程网络。 互联也称为布线，被分段用于最优的连接。

Xilinx公司产品概述 --- Spartan-6 FPGA内部结构（存储器控制器） 器控制器减少了设计的时间，并且支持DDR,DDR2, DDR3 & LP DDR。 新特性 特点 具体体现 高性能 最大800Mbps 低成本 节约软件逻辑，较小的晶圆 低功耗 专用的逻辑 容易设计 时间收敛不再是一个问题 可配置的多端口用户接口 核生成器/MIG向导 & EDK支持

Xilinx公司产品概述 --- Spartan-6 FPGA内部结构（专用DSP模块） Spartan-6 FPGA内集成了专用的XtremeDSP DSP48A1 DSP模块。该DSP模块最高速度达到250MHz， 快速的乘法器和48位的加法器。并且集成了输入和输出寄 存器。

Xilinx公司产品概述 --- Spartan-6 FPGA内部结构（IO块） 输入通道： 两个DDR寄存器 输出通道： 两个三态使能 DDR复用器 独立的时钟和时钟使能， 用于I和O 共享置位和复位信号 Reg DDR MUX 3-state OCK1 OCK2 Output PAD Input ICK1 ICK2 IOB

Xilinx公司产品概述 --FPGA产品分类 Spartan系列: 面向低成本的中低端应用，是目前业界成本最低的一类FPGA； Virtex系列: 面向高端应用，属于业界顶级产品 。 这两个系列的差异仅限于芯片的规模和专用模块上， Spartan系列是Virtex系列的简化版本。

Xilinx公司产品概述 ---先前的FPGA产品-Spartan系列 Spartan-2，Spartan-2E，Spartan-3， Spartan-3A， Spartan-3E等种类。 1）Spartan-2最高可达20万系统门； 2）Spartan-2E最高可达60万系统门； 3）Spartan-3最高可达500万门； 4）Spartan-3A和Spartan-3E不仅系统门数更大，还增强了大量的内嵌专用乘法器和专用块RAM资源，具备实现复杂数字信号处理和片上可编程系统的能力。

Xilinx公司产品概述 ---先前的FPGA产品Virtex系列 Virtex系列是Xilinx的高端产品，也是业界的顶级产 品，Xilinx公司正是凭借Vitex系列产品赢得市场，从而 获得FPGA供应商领头羊的地位。 可以说Xilinx以其Virtex-5、Virtex-4、Virtex-II Pro和 Virtex-II系列FPGA产品引领现场可编程门阵列行业。

Xilinx公司产品概述 ---FPGA新结构 Virtex-4系列的FPGA采用了高级硅模组 (Advanced Silicon Modular Block,ASMBL)架构。ASMBL通过使用独 特的基于列的结构，实现了支持多专门领域应用平台的概 念。 每列代表一个具有专门功能 的硅子系统，如逻辑资源、存储 器、I/O、DSP、处理、硬IP和混 合信号等。 Xilinx公司通过组合不同功 能列，组装成面向特定应用类 别的专门领域FPGA（与专用不 同，专用是指一项单一应用）。

Xilinx公司产品概述 --Virtex-4结构 RocketIO多吉比特 接收、发送器 622 Mbps–10.3 Gbps 智能RAM 新的BRAM/FIFO Xesium 时钟技术 500 MHz 高级CLBs 200K逻辑单元 三模式以太网 MAC 10/100/1000 Mbps XtremeDSP™ 技术Slices 256 18x18 GMACs 带APU接口的 PowerPC™ 405 450 MHz, 680 DMIPS 1 Gbps SelectIO™ ChipSync™ 源同步技术, XCITE活动的端接

Xilinx公司产品概述 ---Virtex-5结构 550 MHz 时钟管理 单元 （带DCM和PLL) 三模式10/100/1000 Mbps 以太网 MACs 新一代PowerPC®嵌入式处理器 带ChipSync技术和XCITE DCI的 SelectIO RocketIO™ 接收/发送器选项 低功耗 GTP: 最大到3.75 Gbps 高性能的GTX: 最大到 6.5 Gbps PCI Express® 端节点模块 最高级的高性能真正的6输入 LUT逻辑结构 高级配置选项 36Kbit 双口RAM / FIFO (带集成的ECC) 带有集成ALU的25x18 DSP Slice 新的 扩展的 带内建ADC的系统监控功能

Xilinx公司产品概述 ---新一代Virtex-6和Spartan-6FPGA产品 Virtex-6 FPGAs Spartan-6 FPGAs 760K Logic Cell Device 150K Logic Cell Device 公共资源 LUT-6 CLB 块RAM DSP Slices 高性能时钟 FIFO 逻辑 并行 I/O 硬核存储器控制器 三模式EMAC HSS 收发器* 3.3 V兼容的I/O 系统监控器 PCIe® 接口 *Optimized for target application in each family Basic Architecture 52

Xilinx公司产品概述 ---新一代Virtex-6和Spartan-6FPGA产品 Spartan-6 LX Spartan-6 LXT Virtex-6 LXT 最低成本逻辑 + DSP Virtex-6 HXT 最低的逻辑 + 高速串行链路 市场分额 Virtex-6 SXT 高逻辑密度 + 串行连接 超高速串行连接+逻辑 DSP + 逻辑 + 串行连接 Application Market Segments

Xilinx公司产品概述 ---最新一代FPGA产品（采用统一的内部结构） 通用的元件使得很容易的实现IP重用技术，使得可以在 所有的7系列的FPGA上实现快速的设计 从低成本到高性能的设计灵活性 扩展的生态系统支持 最快速的 产品投放市场时间（TTM） Artix™-7 FPGA 逻辑结构 LUT-6 CLB 精确的，低抖动的时钟 MMCMs Kintex™-7 FPGA 片上存储器 36Kbit/18Kbit BRAM 扩展的连接 PCIe® 接口块 DSP引擎 DSP48E1 Slices 高性能并行 I/O连接 SelectIO™技术 高性能串行 I//O连接 接收发送器技术 Virtex®-7 FPGA Basic Architecture 54

Xilinx配置FPGA的存储器 ---PROM产品 Xilinx公司的Platform Flash PROM能为所有型号的 Xilinx FPGA提供非易失性存储。 全系列PROM的容量范围为1Mbit到32Mbit，兼容任 何一款Xilinx的FPGA芯片，具备完整的工业温度特性， 支持IEEE1149.1所定义的JTAG边界扫描协议。 PROM芯片可以分成3.3V核电压的 系列和1.8V核电 压的系列两大类。

Xilinx公司产品概述 ---PROM产品 串行配置 并行配置

Xilinx公司软件平台介绍 --开发工具 ISE Design Suite涉及了FPGA设计的各个应用方面， 包括逻辑开发、数字信号处理系统以及嵌入式系统开发等 FPGA开发的主要应用领域，主要包括： 1）ISE Design Tools：集成开发工具 2） EDK：嵌入式开发套件 3）System Generator：数字信号处理开发工具 4）ChipScope Pro：在线逻辑分析仪工具 5）PlanAhead：用于布局和布线等设计分析工具

Xilinx公司软件平台介绍 --ISE13.1软件平台 在线逻辑分析仪工具 集成开发环境 约束编辑器 核生成器 FPGA物理编辑器 下载工具 仿真库编译向导 时序分析器 功耗分析器 片上系统开发 布局布线工具 数字信号处理开发工具

Xilinx公司软件平台介绍 --ISE Foundation软件 ISE Foundation软件是Xilinx公司推出的FPGA/CPLD 集成开发环境，不仅包括逻辑设计所需的一切，还具有 简便易用的内置式工具和向导，使得I/O分配、功耗分 析、时序驱动设计收敛、HDL仿真等关键步骤变得容易 而直观。

Xilinx公司软件平台介绍 --EDK软件 EDK是Xilinx公司推出的FPGA嵌入式开发工具，包 括嵌入式硬件平台开发工具（Platform Studio）、嵌入式 软件开发工具（ Platform Studio SDK）、嵌入式IBM PowerPC硬件处理器核、Xilinx MicroBlaze软处理器核、 开发所需的技术文档和IP，为设计嵌入式可编程系统提供 了全面的解决方案。

Xilinx公司软件平台介绍 --System Generator软件 Xilinx公司推出了简化FPGA数字处理系统的集成开 发工具System Generator，快速、简易地将DSP系统的抽 象算法转化成可综合的、可靠的硬件系统，为DSP设计 者扫清了编程的障碍。 System Genetator和Mathworks公司的Simulink实现 无缝链接，在Simulink中实现信号的建模、仿真和处理 的所有过程。

Xilinx公司软件平台介绍 --ChipScope Pro软件 为用户提供稳定和方便的解决方案。该在线逻辑分析仪 不仅具有逻辑分析仪的功能，而且成本低廉、操作简 单，因此具有极高的实用价值。 ChipScope Pro既可以独立使用，也可以在ISE集成 环境中使用，非常灵活，为用户提供方便和稳定的逻辑 分析解决方案，支持Spartan和Virtex全系列FPGA芯片。 ChipScope Pro将逻辑分析器。总线分析器和虚拟I/O 小型软件核直接插入到用户的设计当中，可以直接查看 任何内部信号和节点，包括嵌入式硬或软处理器。

Xilinx公司软件平台介绍 --PlanAhead软件 步骤，能够将大型设计划分成较小的、更易于管理的模 块，并集中精力优化各个模块。 此外，还提供了一个直观的环境，为用户设计提供 原理图、平面布局规划或器件图，可快速确定和改进设 计的层次，以便获得更好的结果和更有效地使用资源， 从而获得最佳的性能和更高的利用率，极大地提升了整 个设计的性能和质量。

参考文献 EDA原理及VHDL实现，清华大学出版社（即将出版） EXCD-1开发板资料,高教出版社实验课研发中心。 Nexys3开发板资料,美国Digilentinc公司(上海)代表处。 Xilinx公司介绍资料，美国Xilinx公司(北京)办事处。 ISE培训资料，美国Xilinx公司大学计划部。