精品文檔-下載后可編輯基于Virtex-ⅡPro的嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，為滿(mǎn)足高速數(shù)字電路和數(shù)字信號(hào)處理等對(duì)時(shí)鐘管理、信號(hào)完整性、高速寬帶接口的要求，高速處理器與通信的融合日趨緊密，高速處理器、可編程邏輯器件和高速存儲(chǔ)器成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。Virtex-ⅡPro系列FPGA將可編程邏輯結(jié)構(gòu)和高速處理器集成在同一芯片內(nèi)部，直接的連接克服了利用總線(xiàn)在FPGA和附加外部處理器之間接口的瓶頸。

Virtex-IIPro簡(jiǎn)介Virtex-ⅡPro系列容量的FPGA目前能提供多達(dá)5萬(wàn)個(gè)邏輯單元具有超過(guò)10Mb的RAM;556個(gè)乘法單元12個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理單元以及24個(gè)集成3.125GbPs的RocketIOTM收發(fā)器可提供1200個(gè)IO引腳，支持CMOS、SSTL、HSTL、LVDS、GTL和3.3VPCI信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。Virtex-IIPro系列FPGA支持多達(dá)4個(gè)運(yùn)行頻率高達(dá)300MHz的PowerPC405處理器。PowerPC405采用嵌入式300MHz哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)的RISC核具有五級(jí)數(shù)據(jù)通道流水線(xiàn)、硬件乘除單元、32個(gè)32位通用寄存器、16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、1KB～16MB可變頁(yè)尺寸組成存儲(chǔ)器管理單元（MMU）和專(zhuān)用的片內(nèi)存儲(chǔ)器接口。

PowerPC405處理器由IBMCoreConnect技術(shù)支持，CoreConnect是運(yùn)行在100～133MHz的64位總線(xiàn)，為了使系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性達(dá)到，CoreConnect結(jié)構(gòu)是作為軟IP核在Virtex-ⅡPROFPGA中實(shí)現(xiàn)的。CoreConnect總線(xiàn)結(jié)構(gòu)有2個(gè)主要總線(xiàn)組成，處理器局部總線(xiàn)（PLB）和片內(nèi)外設(shè)總線(xiàn)（OPB）。這些總線(xiàn)可以用來(lái)分別連接高速和低速外設(shè)到PowerPC處理器。此外，設(shè)備控制寄存器總線(xiàn)對(duì)通用外設(shè)器件寄存器的進(jìn)行管理和控制。

EDK（EmbeddedDevelopmentKit）是Xilinx公司提供的嵌入開(kāi)發(fā)工具，用于在FPGA內(nèi)部集成多種不同的IP核，可方便地規(guī)劃、設(shè)計(jì)并生成整個(gè)片上系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。通過(guò)編寫(xiě)硬件描述文件（MHS）來(lái)設(shè)置FPGA內(nèi)部硬件系統(tǒng)，主要包括定制嵌入處理器PowerPC405、外圍設(shè)備IP核、設(shè)定外部存儲(chǔ)器和其他外設(shè)的地址空間、管理外圍設(shè)備的控制信號(hào)及中斷信號(hào)。EDK的硬件生成平臺(tái)根據(jù)用戶(hù)編輯的MHS文件生成相應(yīng)的VHD文件，原理圖文件等，同時(shí)支持系統(tǒng)仿真。EDK工具提供了大量可供使用的IP核，包括SDRAM,DDRRAM,UARTController,10/100M以太網(wǎng)MAC,總線(xiàn)仲裁器等，使FPGA可方便地與其他外圍器件連接。EDK實(shí)現(xiàn)FPGA片內(nèi)軟、硬件設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。

應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)糾錯(cuò)譯碼接入設(shè)備要求對(duì)同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行幀同步、解擾、糾錯(cuò)譯碼處理并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入。在以太網(wǎng)接入部分，要求對(duì)解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行IP協(xié)議封裝，然后使用數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議對(duì)協(xié)議包進(jìn)行以太網(wǎng)幀的封裝，終通過(guò)網(wǎng)口接入局域網(wǎng)。

在對(duì)Virtex-II系列FPGA充分理解和研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用了VII-Pro系列的XC2VP7FG456芯片，在芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)嵌入了一個(gè)PowerPC405處理器IP核。應(yīng)用系統(tǒng)由XC2VP7FG456芯片及其上電復(fù)位電路，系統(tǒng)時(shí)鐘電路、內(nèi)存電路、程序存儲(chǔ)電路、PROM電路、以太網(wǎng)PHY接口電路和RS-232接口電路、JTAG接口、LVPECL電平接口電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

由于FPGA可允許PowerPC硬IP分布在Virtex結(jié)構(gòu)中的任何位置，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，合理地指定FPGA各個(gè)管腳的信號(hào)?？紤]到輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)的不同，F(xiàn)PGA芯片劃分了8個(gè)不同的Bank,每個(gè)Bank可支持不同的I/O特性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡量把同一特性的外圍芯片管腳連接到FPGA芯片的同一Bank的IO管腳。同時(shí)，為了方便進(jìn)行調(diào)試，可將FPGA芯片內(nèi)部不可測(cè)內(nèi)部狀態(tài)引到空余管腳。

應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1.系統(tǒng)時(shí)鐘參考時(shí)鐘由外部晶振產(chǎn)生，通過(guò)FPGA芯片全局時(shí)鐘管腳接入到FPGA內(nèi)部數(shù)字時(shí)鐘管理模塊（DCM）和時(shí)鐘分配樹(shù)。DCM支持超過(guò)400MHz的時(shí)鐘輸出，提供了一個(gè)可保證50/50占空比的零延遲時(shí)鐘緩沖。同時(shí)提供了控制90,180,270相移的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的綜合，支持24～420MHz間的頻率產(chǎn)生。在FPGA內(nèi)部，DCM統(tǒng)一分配時(shí)鐘信號(hào)，將DCM的時(shí)鐘輸出設(shè)置為PowerPC的系統(tǒng)時(shí)鐘，并提供給PLB,OPB總線(xiàn)仲裁器。

2.外部存儲(chǔ)器PPC405的PLB總線(xiàn)支持高性能的高速存儲(chǔ)器，如DDRRAM,SDRAM等。OPB總線(xiàn)支持通用的存儲(chǔ)電路，如EPROM,SRAM,FALSH和外部寄存器等低速的存儲(chǔ)器。在本設(shè)計(jì)中采用了2片MT48V8M16高速同步SDRAM,構(gòu)成PowerPC405處理器數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度32位，容量為32MB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。在編輯MHS文件時(shí)，選擇加入PLBSDRAM核，在其中配置存儲(chǔ)器地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度，指定存儲(chǔ)區(qū)的起始地址。程序存儲(chǔ)器除選用OPB總線(xiàn)外，其余設(shè)置與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器類(lèi)似。

3.以太網(wǎng)接口在FPGA內(nèi)部集成10/100MEthernetMAC核。外接BCM5221以太網(wǎng)物理層芯片，該芯片適用于IEEE802.3物理層的應(yīng)用，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器后接入以太網(wǎng)。在編輯MHS文件時(shí)，選擇加入以太網(wǎng)MAC層內(nèi)核。

4.RS232接口根據(jù)需要，在FPGA內(nèi)部集成UART控制器，外接RS232電平轉(zhuǎn)換器，連接到計(jì)算機(jī)的串口，用作應(yīng)用程序的調(diào)試信息輸出。在MHS文件中可配置串口的波特率，數(shù)據(jù)位寬度，奇偶校驗(yàn)等設(shè)置。

5.在線(xiàn)可編程PROMFPGA是基于門(mén)陣列方式為用戶(hù)提供可編程資源的，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)的形成是由配置數(shù)據(jù)決定的。這些配置數(shù)據(jù)通過(guò)外部控制電路或微處理器加載到FPGA內(nèi)部的SRAM中，由于SRAM的易失性，每次上電時(shí)，都必須對(duì)FPGA進(jìn)行重新配置。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，采用2片XC18V04PROM,用以存放FPGA的配置數(shù)據(jù)流。通過(guò)硬件跳線(xiàn)將FPGA設(shè)置為串行主模式配置方式，在FPGA每次上電后，自動(dòng)將配置數(shù)據(jù)從PROM讀入到SRAM中，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)映射。

6.JTAG端口JTAG端口用于進(jìn)行FPGA配置信息的，編程PROM。在VII-Pro中嵌入PowerPC內(nèi)核時(shí)，還可進(jìn)行應(yīng)用程序代碼的和調(diào)試。為方便軟件代碼的調(diào)試，除FPGA專(zhuān)用配置管腳TCK,TMS,TDO,TDI外，還可在FPGA芯片上指定4個(gè)普通I/O管腳，內(nèi)部配置連接PowerPC內(nèi)核的JTAG接口，用于PowerPC內(nèi)核的調(diào)試，軟件代碼跟蹤調(diào)試。在這種模式下，軟件代碼可單獨(dú)到PowerPC內(nèi)核進(jìn)行軟件的調(diào)試。在利用JTAG引腳配置FPGA時(shí)，需要注意：JTAG配置引腳接上拉電阻，在配置期間INIT引腳要接地。

FPGA簡(jiǎn)介目前以硬件描述語(yǔ)言（Verilog或VHDL）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局，快速的燒錄至FPGA上進(jìn)行測(cè)試，是現(xiàn)代IC設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些基本的邏輯門(mén)電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要通過(guò)可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來(lái)，就好像一個(gè)電路試驗(yàn)板被放在了一個(gè)芯片里。一個(gè)出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計(jì)者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。

FPGA一般來(lái)說(shuō)比ASIC（專(zhuān)用集成芯片）的速度要慢，無(wú)法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點(diǎn)比如可以快速成品，可以被修改來(lái)改正程序中的錯(cuò)誤和更便宜的造價(jià)。廠商也可能會(huì)提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因?yàn)檫@些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到一個(gè)類(lèi)似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件備）。

FPGA芯片結(jié)構(gòu)目前主流的FPGA仍是基于查找表技術(shù)的，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能（如RAM、時(shí)鐘管理和DSP）的硬核（ASIC型）模塊。如圖3所示（注：圖3只是一個(gè)示意圖，實(shí)際上每一個(gè)系列的FPGA都有其相應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)），F(xiàn)PGA芯片主要由6部分完成，分別為：可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、完整的時(shí)鐘管理、嵌入塊式RAM、豐富的布線(xiàn)資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌專(zhuān)用硬件模塊。

圖3FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

總結(jié)使用XC2VP7FG456型FPGA及其內(nèi)部的PowerPC405嵌入處理器開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)接入板，經(jīng)電路測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)傳輸速率為100Mb/s的同步數(shù)據(jù)接收和處理，滿(mǎn)足系統(tǒng)需要。Virtex-IIPro系列FPGAVirtex-ⅡPro系列FPGA將可編程邏輯結(jié)構(gòu)和高速處理器集成在同一芯片內(nèi)部，直接的連接克服了利用總線(xiàn)在FPGA和附加外部處理器之間接口的重點(diǎn)，支持內(nèi)部嵌入運(yùn)行頻率高達(dá)300MHz的PowerPC405處理器IP核，設(shè)計(jì)人員可以并行進(jìn)行快速的硬件和軟件開(kāi)發(fā)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)利用可編程性能所提供的優(yōu)點(diǎn)，從而使設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)所需要的時(shí)間更短。

參考文獻(xiàn):

[1].CPL