萬能登陸器新開傳奇世界輕變傳奇中變

DesignofXilinxFPGA

andNexys3TMBoard計算機工程系2022/11/121XilinxFPGA內(nèi)部結(jié)構和Nexys3TM開發(fā)板結(jié)構XilinxFPGA開發(fā)流程ISE開發(fā)環(huán)境的使用XilinxIPCore技術時序約束的設置UCF（用戶約束文件）的使用ISE報告的閱讀ChipScope的配置與使用Nexys3TM開發(fā)板主要模塊的設計基于XilinxFPGA可編程嵌入式開發(fā)技術§目錄§現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）

一種基于RAM的查找表（LookUpTable，LUT）而不是與或門來實

現(xiàn)組合邏輯，稱為現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA）16×1RAM（LUT）abcd輸出4輸入的與門如何用LUT實現(xiàn)？§現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）如何選購FPGA§FPGA廠商Xilinx和Altera占全球可編程邏輯器件市場份額的75%以上，（中國不具備制造FPGA的能力）

歐美公司多使用Xilinx的FPGA，亞太公司多使用Altera的FPGA

兩家公司總部位于美國圣何塞，產(chǎn)品大體類似，無論是器件還

是軟件都大體相同

初學者不必太在意選用哪家公司的FPGA，重點掌握一家公司

的FPGA結(jié)構和開發(fā)工具，掌握FPGA的基本設計理念，換個FPGA就和換個玩具一樣簡單§FPGA基本結(jié)構LogicBlockI/OBankPLL/RAM/Multiplier...

邏輯塊（LogicBlock）Altera:LAB，由LE構成Xilinx:CLB，由SLICE構成I/OBank：FPGA連接外部器件的各種電氣物理接口，普通I/O、電源、時鐘、PCI等PLL、RAM、硬乘法器等專用模塊§FPGA應用領域

邏輯粘合

實時控制

數(shù)字信號處理和協(xié)議實現(xiàn)（ASIC、DSP和FPGA）

片上系統(tǒng)§Spartan-6FPGABlockRAMDSP48CMTBUFGBUFIOI/OMemoryControllerMGTCLB§Spartan-6

FPGACLBSwitch

MatrixSlice0Slice1CINCOUTCLBcontainstwoslicesConnectedtoswitchmatrix

forroutingtoother

FPGAresourcesCarrychainruns

verticallythrough

Slice0only§ThreeTypesofSlicesinSpartan-6FPGAsSLICEM:Fullslice

25%LUTcanbeusedforlogicandmemory/SRLHaswidemultiplexersandcarrychainSLICEL:Logicandarithmeticonly25%LUTcanonlybeusedforlogic(notmemory)HaswidemultiplexersandcarrychainSLICEX:Logiconly50%LUTcanonlybeusedforlogic(notmemory)NowidemultiplexersorcarrychainSLICEXSLICEMSLICEXSLICELor§Spartan-6FPGASLICEFourLUTs(6-input)EightstorageelementsFourflip-flop/latchesFourflip-flopsF7MUXandF8MUXConnectsLUToutputstocreatewide

functionsOutputcandrivetheflip-flop/latchesCarrychain(Slice0only)ConnectedtotheLUTsandthefour

flip-flop/latchesLUT/RAM/SRLLUT/RAM/SRLLUT/RAM/SRLLUT/RAM/SRL01§6-InputLUTwithDualOutput6-inputLUTcanbetwo5-inputLUTswithcommoninputsMinimalspeedimpactto

a6-inputLUTOneortwooutputsAnyfunctionofsixvariablesor

twoindependentfunctionsof

fivevariables5-LUTDA5A4A3A2A15-LUTDA5A4A3A2A1A6A5A4A3A2A1O6O56-LUT§SLICEMUsedasDistributedRAMUsesthesamestoragethatisusedforthelook-uptablefunctionSynchronouswrite,asynchronousreadCanbeconvertedtosynchronousreadusingtheflip-flopsavailableinthesliceVariousconfigurationsSingleportOneLUT6=64x1or32x2RAMCascadableupto256x1RAMDualport(D)1read/writeport+1read-onlyportSimpledualport(SDP)1write-onlyport+1read-onlyportQuad-port(Q)1read/writeport+3read-onlyportsSingle

PortDual

PortSimple

DualPortQuad

Port32x232x432x632x864x164x264x364x4128x1

128x2256x132x2D32x4D64x1D64x2D128x1D32x6SDP64x3SDP32x2Q64x1QEachporthasindependentaddressinputs§Spartan-6FPGABlockRAM18kbsizeCanbesplitintotwoindependent9-kb

memoriesPerformanceupto300MHzMultipleconfigurationoptionsTruedual-port,simpledual-port,single-portTwoindependentportsaccesscommondataIndividualaddress,clock,writeenable,clockenableIndependentwidthsforeachportByte-writeenableDual-PortBRAM18kMemory§Spartan-6FPGADSP48A1SlicePCIND:A:BXMC18X18PZ+/-00C48OPMODE[3:0]OPMODE[5]OPMODE[7]PCOUTOPMODE[6,4]PBCINDA4818BCCOUTCFOUTBCOUTCIN12181818DualB,D

RegisterWithPre-adder181848183618

MFOUT483618x18signedmultiplier48-bitadd/subtract/accumulatePipelineregistersforhighspeedCascadepathsforwidefunctionsPre-adderA0A1§Spartan-6FPGAClockManagementTile(CMT)dcm1_clkout<9:0>dcm2_clkout<9:0>10PLLpll_clkout<5:0>6CLKINCLKFBCLKOUT<5:0>DCM10CLKINCLKFBCLKINCLKFBDCMClocksfromBUFGCLKOUT<9:0>CLKOUT<9:0>GCLKInputsFeedbackclocksfromBUFIO2FB§Spartan-6LX/LXTFPGAs§Nexys3TM開發(fā)板XilinxSpartan-6LX16：2,278slices-four6-inputLUTs-eightflip-flops576KbitsblockRAMtwoclocktiles-fourDCMs-twoPLLs32DSPslices500MHz+clockspeeds16M字節(jié)偽SRAM16M字節(jié)并行FLASH16M字節(jié)串行FLASH電源和程序燒寫§Nexys3TM開發(fā)板§Nexys3TM開發(fā)板——配套工具AdeptSystem通過高速USB2與開發(fā)板連接，自動識別Nexys3TM開發(fā)板：

燒寫FPGA和FLASH

進行板級測試

和FPGA進行數(shù)據(jù)傳輸XilinxFPGA內(nèi)部結(jié)構和Nexys3TM開發(fā)板結(jié)構XilinxFPGA開發(fā)流程ISE開發(fā)環(huán)境的使用XilinxIPCore技術時序約束的設置UCF（用戶約束文件）的使用ISE報告的閱讀ChipScope的配置與使用Nexys3TM開發(fā)板主要模塊的設計基于XilinxFPGA可編程嵌入式開發(fā)技術§目錄§FPGA總體開發(fā)流程需求分析和模塊劃分明確需求和功能定義，進行可行性分析。FPGA選型（哪個廠家、哪個系列、多少邏輯資源、多少I/O接口、多少PLL、多少內(nèi)嵌存儲器、多少內(nèi)嵌模塊等）。設計輸入到綜合優(yōu)化原理圖輸入、代碼輸入、搭建SOPC或者IP核的配置和使用代碼輸入完成后，進行功能仿真（不涉及任何時序、延遲參數(shù)，單純功能驗證）。工具可選用Modelsim，也可選用FPGA廠商EDA環(huán)境中（ISE/QuartusII）自帶的仿真工具。采用Testbench進行測試。綜合將高層次描述轉(zhuǎn)換為底層邏輯單元（但并不是實際FPGA芯片的底層模塊）。可以選用第三方綜合工具Synplify，推薦使用ISE或QuartusII自帶的綜合工具?！约业臇|西自己最了解§FPGA總體開發(fā)流程實現(xiàn)、時序分析和資源報告使用ISE或者QuartusII提供的時序編輯器對不同路徑進行時序約束，包括全局約束、I/O接口約束以及時序例外約束。實現(xiàn)包括翻譯、映射、布局布線三個步驟。每一個步驟都會生成時序報告，但布局布線后的時序報告及包含邏輯器件的延遲，也包括了布線延遲，其時序報告最準確。查看資源使用報告，分析資源使用情況，對電路結(jié)構進行優(yōu)化。仿真測試到板級調(diào)試FPGA能不能像軟件一樣連一個仿真器到板子上，然后進行單步調(diào)試，或者設置斷點呢？——給待測設計添加激勵，通過回放波形觀察測試結(jié)果。設計輸入階段——功能仿真（甚至是不可綜合的代碼）；綜合優(yōu)化后——門級網(wǎng)表仿真（不包含布局布線延時信息）；實現(xiàn)后——時序仿真（包含各類延時信息）。這三類仿真不需要全都做?！霧PGA總體開發(fā)流程仿真測試到板級調(diào)試板級調(diào)試最大的困難就是很難觀測到FPGA內(nèi)部節(jié)點的狀態(tài)。在FPGA剩余資源足夠多的情況下，可以使用ISE或QuartusII提供的在線邏輯分析儀進行調(diào)試，如Chipscope或者SignalTaPII?！靀ilinxFPGA開發(fā)流程主流程（必須做）驗證流程（不是必須）

綜合：

將設計編譯為由基本邏輯單元構成的邏

輯連接網(wǎng)表（并非真實門級電路）。

實現(xiàn)與布局布線：

實現(xiàn)是將邏輯網(wǎng)表配置到具體FPGA上，

布局布線是其中重要環(huán)節(jié)。布局是將邏

輯網(wǎng)表中的單元配置到芯片內(nèi)部的硬件

結(jié)構上；布線是根據(jù)布局的拓撲，利用

芯片內(nèi)的連線資源，連接各個元件。

器件編程：

產(chǎn)生數(shù)據(jù)流文件（.bit），下載到FPGA

芯片中。

功能仿真（前仿真）：

只對電路邏輯功能驗證，沒有延遲信息。

綜合后仿真：

檢查綜合結(jié)果是否和原設計一致，主要

評估門延時帶來的影響。

時序仿真和驗證（后仿真）：

將布局布線的延時信息反標注到設計網(wǎng)

表中，檢測有無時序違規(guī)，此時延時最

全，最精確。

板級仿真與驗證：

主要應用于高速電路設計中，對信號完

整性和電子干擾等特性進行分析，使用

第三方工具完成?！靀ilinxFPGA開發(fā)流程（示例）內(nèi)容：2輸入邏輯門的設計與實現(xiàn)目標：

學會ISE的使用（Verilog代碼編寫、功能仿真、綜合、實現(xiàn)、程序燒寫）AdeptSystem的使用（bit文件的燒寫）Nexys3TM開發(fā)板上LED燈和SlideSwitch的使用§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）基于ISE的FPGA開發(fā)環(huán)境標題欄菜單欄工具欄程序編輯區(qū)過程管理區(qū)信息顯示區(qū)工程管理區(qū)§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）新建工程（一）輸入工程名稱指定工程路徑

指定文件輸入類型-HDL文件-原理圖文件

點擊Next按鈕§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）新建工程（二）選擇所使用的芯片-產(chǎn)品系列-產(chǎn)品型號-封裝方式

綜合工具（XST）

仿真工具（ISim）

使用的編程語言-Verilog-VHDL

點擊Next按鈕§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）新建工程（三）§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）設計輸入（一）在工程管理區(qū)任意位置

單擊鼠標右鍵在彈出的菜單中選擇NewSource命令

彈出左圖所示窗口

輸入方式選擇Verilog

給定輸入文件的名稱和

路徑單擊Next按鈕進入端口

定義對話框§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）設計輸入（二）端口名稱

端口方向MSB表示信號最高位LSB表示信號最低位

端口定義這一步可以略

過，在源程序中添加§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）設計輸入（三）在程序編輯區(qū)編寫程序§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）功能仿真（一）

工程管理區(qū)將view設置為Simulation工程管理區(qū)任意位置單擊鼠標右鍵在彈出的菜單中選擇NewSource在類型中選擇VerilogTestFixture輸入測試文件名，單擊Next按鈕選擇要進行測試的模塊，如gates2，

點擊Next，再單擊Finish按鈕ISE自動生成了基本的信號并對被測模

塊做了例化。我們只需在initial…end

塊中的“//Addstimulushere”后面添

加測試向量§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）功能仿真（二）

過程管理區(qū)會顯示與仿真有關的進程，如上圖所示右鍵單擊其中的SimulateBehavioralModel項選擇彈出菜單中的ProcessProperties項§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）功能仿真（三）

SimulationRunTime就是仿真時間的設置，可將其修改為任意時長?！靀ilinxFPGA開發(fā)流程（示例）功能仿真（四）在工程管理區(qū)選中測試代碼在過程管理區(qū)雙擊SimulateBehavioralModelISE將啟動ISESimulator，可以得到仿真結(jié)果§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）綜合與實現(xiàn)（一）所謂綜合，就是將HDL設計輸入翻譯成由邏輯門、RAM、觸發(fā)器等基

本邏輯單元的連接(網(wǎng)表)，并根據(jù)目標和要求(約束條件)優(yōu)化所生成

的邏輯連接在工程管理區(qū)的view中選擇Implementation

在過程管理區(qū)雙擊Synthesize-XST，就開始綜合過程§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）綜合與實現(xiàn)（二）綜合前，模塊中的輸入輸

出信號添加管腳約束，需

要在工程中添加UCF文件在工程管理區(qū)單擊鼠標右

鍵，點擊NewSource，選擇ImplementationConstraintsFile，出現(xiàn)一

個空白的約束文件，添

加各種約束（管腳、時鐘、

面積等）§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）綜合與實現(xiàn)（三）管腳約束：NET“signal”

LOC=“pin”

參考Nexys3TM的ReferenceManual、原理圖或開發(fā)板/Board/Nexys3_rm.pdf或/Board/Nexys3_sch.pdf

管腳分配文件：/Board/Nexys3_Master.ucf§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）pushbutton和slideswitch只

能被設置為input，若設置為output可能會出現(xiàn)“短路”pushbutton按下時為高電平，

松開時為低電平slideswitch產(chǎn)生的高低電平

與其位置相關LED在輸入高電平時被點亮§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）綜合與實現(xiàn)（四）如果綜合后完全正確，則在Synthesize-XST前面有一個打勾的綠色小圓圈如果有警告，則出現(xiàn)一個帶感嘆號的黃色小圓圈

如果有錯誤，則出現(xiàn)一個帶叉的紅色小圓圈如果綜合正確，XST將給出初步的資源消耗情況，點擊DesignSummary，

即可查看§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）綜合與實現(xiàn)（四）§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）綜合與實現(xiàn)（五）綜合完成后，下一個步驟就是實現(xiàn)(Implementation)所謂實現(xiàn)，指將綜合輸出的邏輯網(wǎng)表翻譯成所選器件的底層模塊，將設計

映射到具體器件上，進行布局布線，達到在選定FPGA上實現(xiàn)設計的目的實現(xiàn)分3個步驟：翻譯(Translate)邏輯網(wǎng)表、映射(Map)到器件單元與布局

布線(Place&Route)在過程管理區(qū)雙擊ImplementationDesign，就自動完成實現(xiàn)的3個步驟，

得到精確的資源占用情況§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）綜合與實現(xiàn)（五）§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）布局布線后仿真—

—后仿（一）雙擊圖過程管理區(qū)的ImplementDesign->Place&Route->GeneratePost-Place&RouteStaticTiming，反標時序信息，生成布局布線后仿

真模型§XilinxFPGA開發(fā)流程（示例）布局布線后仿真—

—后仿（二）在工程管理區(qū)將view設置為