基于FPGA的数字系统设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基于,FPGA,的数字系统设计,内容,1 可编程逻辑器件（,PLD）,2,VHDL,语言基础,3 数字系统设计流程,4,FPGA,系统设计中的几个问题,5,FPGA,数字系统设计练习,1 可编程逻辑器件（,PLD）,1.1 概述,1.2,CPLD,1.1,FPGA,PLD（,Programable,Logic Device）,可编程逻辑器件,FPGA（Field,Programable,Gate Array）,现场可编程门阵列,什么是可编程逻辑器件？,优点,通用性,超大规模集成,高速并行处理,可擦写,缩短系统设计周期,降低开发成本,分类,CPLD：,基于乘积项（,Product-Term）,技术，,EEPROM(,或,Flash),工艺,FPGA：,基于查找表技术（,Look-Up table）,技术，,SRAM,工艺,分类（续）,CPLD,产品系列：,Altera,公司,MAX,系列；,Xilinx,公司,XC9500,系列；,FPGA,产品系列：,Altera,公司,FLEX,系列；,Xilinx,公司,Sparten,Vertex,系列；,基于乘积项的,CPLD,结构（,MAX700）,宏单元结构,基于查找表的,FPGA,结构（,Sparten、Vertex,）,CLB/SLICE,结构,查找表（,LUT）,逻辑实现原理,查找表（,LUT）,逻辑实现原理（续）,组合逻辑由查找表实现；,查找表可以实现的逻辑与复杂度无关，而取决于输入信号的个数；,信号经过一个,LUT,表的时延是相同的；,分布式（,Distributed）RAM,一个,LUT,表可以实现一个16,X1,的单口,RAM：,同步写入；异步读出；,结合一个触发器可以实现同步读写的单口,RAM；,分布式（,Distributed）RAM,两个,LUT,可以生成一个32,x1,的单口,RAM，,或一个16,x1,的“双口”,RAM；,“双口”,RAM,有一个读写口和一个只读口；,块（,Block）RAM,每块,BlockRAM,具有4,k,比特存储能力；,真正独立的双口,RAM；,深度和数据宽度可以为256,x16、512x8、1024x4、2048x2、4096x1；,2,VHDL,语言基础,2.1,VHDL,语言特点,2.2,VHDL,设计单元,2.3,VHDL,语句,VHDL,语言特点,硬件描述语言（,Hardware Description Language）；,并行语句和并行结构；,结构清晰，适合作系统级设计；,VHDL,的基本设计单元,实体（,Entity）,结构体（,Architecture）,配置（,Configuration）,包集合（,Package）,库（,Library）,实体（,Entity）,实体是电子系统的抽象，实体说明用于描述系统的外部接口,；,格式：,Entity,实体名,is,generic,（,类属表）；,port,（,端口表）；,end,实体名；,例：,entity,mux,is,generic,(,width:integer,range,0,to,7:=2,);,port,(,reset:,in,std_logic;,clk,:,in,std,_logic;,sel :,in,std_logic_vector(1,downto,0);,din0 ：,in,std,_logic_vector(width,downto,0,);,din1,:,in,std,_logic_vector(width,downto,0);,din2 :,in,std,_logic_vector(width,downto,0);,din3 :,in,std,_logic_vector(width,downto,0);,dout :,out,std,_logic_vector(width,downto,0),);,end,mux;,结构体（,Architecture）,结构体是对实体功能的具体描述。,格式：,architecture,结构体名,of,实体名,is,内部信号定义；,begin,并行处理语句；,end,结构体名；,例：,architecture,behave,of,mux,is,begin,process,(reset,clk),begin,if,reset=1,then,dout 0);,elsif,rising_edge(clk),then,case,sel,is,when,00=dout dout dout dout null;,end,case,;,end,if,;,end,process,;,end,behave;,配置（,Configuration）,configuration,mux_cfg,of,mux,is,for,behave,end,for,;,end,mux_cfg;,配置描述实体与结构体之间的连接关系,格式：,Configuration,配置名,of,实体名,is,for,结构体名,end for,;,end,配置名；,例：,配置（,Configuration）（,续）,配置也可以描述层与层之间的连接关系；,格式,Configuration,配置名,of,实体名,is,for,结构体名,for all,:,元件实体名,use configuration,元件配置名；,end for,;,end for,;,end,配置名；,例：,Configuration,highlevel_cfg,of,highlevel,is,for,constuct,for all,:,mux,use configuration,mux_cfg；,end for,;,end for,;,end,highlevel_cfg,；,包集合（,Package）,包集合中包括一些通用的信号定义、常数定义、数据类型定义、元件定义、函数定义和过程定义等。,格式：,例：,IEEE,的,std_logic_1164,包,package,包集合名,is,信号定义,；,常数定义,；,数据类型定义,；,元件定义,；,函数定义,；,过程定义,；,end,包集合名；,package body,包集合名,is,元件体,；,函数体,；,过程体,；,end,包集合名,;,包集合（,Package）（,续）,包集合的声明：,use,库名,.,包集合名,.,all,;例,：,library,ieee;,use,ieee.std_logic_unsigned.,all,;,use,ieee.std_logic_1164.std_logic;,库（,Library）,库是经过编译的设计单元（实体、结构体、配置、包）的集合。库中的资源可以被其他设计重用；,在库中的资源可以被调用以前需要对库进行声明；,VHDL,中的常用库：,VHDL,标准库（,STD,库）；,资源库（,IEEE,库、,XilinxCoreLib,库）；,当前工作库（,work,库）；,用户自定义库；,VHDL,基本设计单元,VHDL,语句,串行语句：,WAIT,语句；,变量赋值语句；,IF,语句；,CASE,语句；,LOOP,语句；,NEXT,语句；,EXIT,语句；,并行语句：,WHEN,ELSE,语句；,WITH,SELECT,语句；,块（,BLOCK,）,语句；,进程（,PROCESS,）,语句；,可并行亦可串行的语句：,断言（,ASSERT,）,语句；,信号赋值语句；,VHDL,中的并行语句,结构体（,Architecture,）,中只能使用并行语句；,architecture,behave1,of,sample,is,begin,process,(reset,clk),begin,。,end,process,;,a=b,and,c;,d=a,when,en=1,else,0,end,behave;,architecture,behave2,of,sample,is,Begin,d=a,when,en=1,else,0;,a=b,and,c;,process,(reset,clk),begin,。,end,process,;,end,behave;,VHDL,中的串行语句,在进程（,Process),中只能使用串行语句；,串行语句是串行处理，并行执行的；,process,(reset,clk),begin,if,reset=1,then,a=0;,b=1;,elsif,rising_edge(clk),then,a=b;,b=a;,end,if,;,end,process,;,process,(reset,clk),begin,if,reset=1,then,a=0;,b=1;,elsif,rising_edge(clk),then,b=a;,a=b;,end,if,;,end,process,;,VHDL,中的串行语句（续）,process,(reset,clk),begin,if,reset=1,then,a=0;,b=1;,elsif,rising_edge(clk),then,a=1;,a=b;,b=a;,end,if,;,end,process,;,process,(reset,clk),begin,if,reset=1,then,a=0;b=1;,elsif,rising_edge(clk),then,a=b;,b=a;,a=1;,end,if,;,end,process,;,？,常用的,VHDL,语句,信号赋值语句(,添加新文件-编辑,VHDL,代码-编译,生成,Xilinx Core(Xilinx CoreGenerator 3.1),新建工程-选择元件-配置元件参数,功能仿真（,ActiveHDL 4.2）,设置顶层-新建波形文件-添加观察信号-添加激励-仿真,综合（,Symplify Pro 6.0）,新建工程-添加文件-选择器件-综合,布线（,Design Manager）,新建工程-打开网表文件（.,edf）-,设置布线选项(,Core,路径、延时文件）-设置约束-布线,时延仿真（,ActiveHDL 4.2）,添加,time_sim.vhd、time_sim.sdf,文件至工程-清空工作库-编译,time_sim.vhd-,设置顶层-设置延时等级-仿真,4,FPGA,系统设计中的几个问题,4.1 可综合设计,4.2 毛刺和多时钟系统,4.3 系统资源优化,4.4 系统速度优化,可综合设计（1）,可综合系统设计是,VHDL,可描述的系统设计的一个子集；,可综合的语句：,赋值语句；,if,语句；,case,语句；,when-else,语句；,process,语句；,不可综合的语句：,assert,语句；wait,语句；,after,语句；,可综合设计（2）,可综合的数据类型：,整型（,integer）；,比特和比特矢量型（,bit、bit_vector、std_logic、std_logic_vector)；,不可综合的数据类型：,实型(,real)；,时间类型（,time）；,文件类型（,file）；,可综合设计（3）,可综合的运算：,逻辑运算；,关系运算；,并置运算；,算术运算中的加、减运算；,不可综合的运算：,算术运算中的除法运算、模运算等；,可综合设计（4）,作可综合设计的基本原则：,尽量使用易综合的简单结构进行设计；,避免使用循环（,loop）、,乘法（）等可综合、但不易综合的结构；,在系统设计时，先进行结构设计，再进行代码级描述；,毛刺和多时钟系统,组合逻辑必然产生毛刺；,对毛刺不敏感的输入：,锁存器数据输入；,所有同步控制输入；,对毛刺敏感的输入：,所有异步控制输入；,时钟输入；,时钟全局化,在设计时序电路系统时，尽量使用统一的全局时钟，避免使用门控时钟或用局部信号作时钟；,例1：门控时钟；,改用全局时钟：,时钟全局化（续）,例2：局部信号时钟：,改用全局时钟：,时钟倍频的方法；,多时钟系统,当系统中存在多个独立的时钟时，每一个时钟控制的信号对于其余时钟来说都是异步的；即使是其余时钟的同步输入，对其产生的毛刺也是敏感的；,例：在一个双时钟系统中，用一个时钟对另一个时钟计数；,稳定性？,时钟同步化,clk_2,对,clk_1,的同步化：,同步化对时钟的上升沿的响应有延时；,同步时钟频率应高于被同步时钟频率；,时钟同步化的,VHDL,描述,process,(reset,clk_1),begin,if,reset=1,then,flag1=0;,elsif,rising_edge(clk_1),then,flag1=,not,flag1;,end,if,;,end,process,;,process,(reset,clk_2),begin,if,reset=1,then,flag2=0;,flag3=0;,clk_2_ce=0;,elsif,rising_edge(clk_2),then,flag2=flag1;,flag3=flag2;,if,flag3/=flag2,the,n,clk_2_ce=1;,else,clk_2_ce=0;,end,if,;,end,if,;,end,process,;,系统资源优化,共享相同的逻辑或运算单元；,例：交织编码器中的读写地址发生器；,现在的综合工具对功能重叠的模块的优化做的很好；,扇出问题；,系统资源优化针对,Xilinx FPGA,的优化（1）,LUT,表的使用：,一个,LUT,表可以实现：,一个4输入1输出的组合逻辑；,一个161的单口,RAM；,一个161的,ROM；,一个161的移位寄存器；,针对,Xilinx FPGA,的优化（2）,利用,LUT,表可以实现,RAM,的特点，在某些场合可以代替寄存器；,例：一个16拍延时线；,针对,Xilinx FPGA,的优化（3）,用,LUT,表无法实现的例子：,带复位端的“,RAM”：,带反馈的移位寄存器：,针对,Xilinx FPGA,的优化（4）,分布式,RAM,和块,RAM,的选择,分布式,RAM,适合实现存储量较小的存储器，特别是深度小、位宽大的情况；用,CoreGenerator,可实现的最大的分布式,RAM,为25664比特；,块,RAM,适合实现存储量较大的存储器，特别是深度大，位宽小的情况；一块,BlockRAM,的最大位宽是16比特；,根据硬件资源特点，平均使用,LUT、,触发器和块,RAM,资源；,系统速度优化（1）,同步系统的最高工作频率：,逻辑延时和线路延时,系统速度优化（2）,提高体统速度的方法：增加锁存器，分割组合逻辑,系统速度优化（3）,例：设计一个最大值选择电路；,输入：串行数据流；,输出：最大值；,方案1：直接实现；,方案2：在比较器后加一级锁存；,系统速度优化（4）,布线结果：,方案1：124,MHz,方案2：137,MHz,一个问题：,加入锁存器以后电路能否连续工作？,系统速度优化（5）流水线技术,方案3：采用流水线技术使电路连续工作；,修改组合逻辑，考虑流水线上的中间状态；,布线结果：137,MHz,对有反馈的电路使用流水线技术时，一般需要考虑中间状态,5,FPGA,数字系统设计练习,5.1 状态机设计,5.2 异步,FIFO,设计,5.3 维特比译码器设计,状态机设计,目的：,熟悉简单的组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法；,熟悉,VHDL,语言；,熟悉工具软件的使用；,状态机设计,设计一个用户信令控制器：,输入端口：,clk ：,时钟信号,reset：,复位信号,af ：,本端挂机信号，,0,表示摘机,ab ：,对端挂机信号，,0,表示摘机,输出端口：,bcc ：,忙音控制信号，,1,表示输出忙音,brc ：,回铃音控制信号，,1,表示输出回铃音,rc ：,振铃控制信号，,1,表示振铃,此控制器完成一个电话接续过程中控制忙音，回铃音及振铃输出的功能。,1）,复位信号有效，则控制器处于空闲状态；,2）,在空闲状态下，如果,ab=1,，,af=0,，,控制器进入主叫状态；如果,ab=0,，,af=0,，,控制,器进入示忙状态；如果,ab=0,，,af=1,，,控制器进入振铃状态；,3）,在主叫状态下，如果,af=1,，,控制器回到空闲状态，如果,ab=0,，,控制器进入通话状态；,4）,在通话状态下，如果,ab=1,，,控制器进入示忙状态，如果,af=1,，,控制器进入等待状态；,5）,在示忙状态下，如果,af=1,，,控制器进入等待状态；,6）,在等待状态下，如果ab=1,，,控制器回到空闲状态；,7）,在振铃状态下，如果,af=0,，,控制器进入通话状态，如果,ab=1,，,控制器回到空闲状态；,8）,在振铃状态下，输出振铃音；,在示忙状态下，输出忙音；,在主叫状态下，输出回铃音；,在其他状态下，不输出任何音。,异步,FIFO,设计,目的：,熟悉,RAM,的设计方法；,熟悉,Xilinx Core,的使用；,多时钟系统的处理；,要求：,设计一个,FIFO,队列，读写时钟独立，要求对队列空或 者满的状态作出判断，并作相应处理；系统稳定工作。（读时钟速率高于写时钟速率）。,维特比译码器设计,目的：,尝试复杂数字系统的设计；,掌握模块化和层次化设计的方法；,系统的资源优化和性能优化；,要求：,用,FPGA,实现一个维特比译码器；使用流水线技术对其中的“加比选”部分电路进行优化。,谢谢大家！,