FPGA開發(fā)指南:邏輯設計篇

《XilinxISEDesignSuite10.xFPGA開發(fā)指南:邏輯設計篇》以XilinxFPGA邏輯開發(fā)流程為主線，以淺入深出、圖文并茂的方式，全面、詳細地介紹了Xilinx公司的終極開發(fā)套件ISEDesignSuite10.1中邏輯開發(fā)的操作方法，并精選了多個實際開發(fā)案例進行深入講解。書中內(nèi)容結合了作者多年的實際開發(fā)經(jīng)驗，具有很高的實踐指導價值。

第1章 FPGA開發(fā)基礎知識

1.1 可編程邏輯器件基礎

1.1.1 可編程邏輯器件概述

1.1.2 可編程邏輯器件的發(fā)展歷史

1.1.3 可編程邏輯器件開發(fā)工具

1.2 FPGA器件的基礎知識

1.2.1 FPGA芯片的基本工作原理

1.2.2 Xilinx FPGA的基本架構

1.2.3 典型的FPGA開發(fā)流程

1.2.4 基于FPGA的SoC設計方法

1.2.5 FPGA芯片與設計的性能指標

1.3 本章小結

第2章 Xilinx FPGA資源簡介

2.1 Xilinx最新FPGA

2.1.1 高端平臺Virtex 5系列

2.1.2 中低端平臺Spartan 3E系列

2.2 Xilinx主流芯片介紹

2.2.1 Xilinx FPGA芯片介紹

2.2.2 Xilinx PROM芯片介紹

2.2.3 Xilinx芯片的選型

2.3 Xilinx FPGA的開發(fā)資源

2.3.1 Xilinx FPGA在通信領域中的解決方案

2.3.2 Xilinx FPGA在汽車電子領域中的解決方案

2.3.3 Xilinx FPGA在工業(yè)/科學/醫(yī)療領域中的解決方案

2.3.4 Xilinx FPGA在宇航和國防領域中的解決方案

2.3.5 Xilinx FPGA在其他領域中的解決方案

2.4 Xilinx FPGA的電子文檔資源

2.4.1 Xilinx官方文檔分類

2.4.2 ISE軟件自帶文檔

2.4.3 Xilinx 電子文檔資源的搜索技巧

2.4.4 FPGA設計人員的進階路線

2.5 Xilinx FPGA芯片管腳解讀

2.5.1 FPGA芯片的封裝形式

2.5.2 FPGA芯片的管腳介紹

2.5.3 FPGA芯片管腳的分配策略

2.6 本章小結

第3章 新一代開發(fā)工具 ISE Design Suite 10.1

3.1 ISE Design Suite 10.1簡介

3.1.1 ISE Design Suite 10.1綜述

3.1.2 ISE Design Suite 10.1的創(chuàng)新特性

3.2 ISE Design Suite 10.1主要組件

3.2.1 ISE Foundation

3.2.2 EDK開發(fā)工具

3.2.3 DSP工具

3.2.4 ChipScope Pro

3.2.5 PlanAhead

3.3 本章小結

第4章 ISE Foundation基本組件

4.1 ISE Foundation的介紹與安裝

4.1.1 ISE Foundation簡要介紹

4.1.2 ISE軟件的安裝

4.1.3 ISE軟件的基本操作

4.1.4 ISE軟件的開發(fā)操作流程

4.2 基于ISE的工程建立與設計輸入

4.2.1 新建工程

4.2.2 HDL代碼輸入

4.2.3 狀態(tài)機的輸入與驗證

4.2.4 原理圖輸入法

4.2.5 代碼模板的使用

4.2.6 Xilinx IP Core的使用

4.3 基于ISE的仿真

4.3.1 基于波形測試法的仿真

4.3.2 基于HDL測試代碼的仿真

4.4 基于ISE的綜合與實現(xiàn)

4.4.1 基于Xilinx XST的綜合

4.4.2 基于ISE的實現(xiàn)

4.4.3 基于目標和用戶策略的設計方法

4.4.4 基于SmartXplorer/Xplorer 的實現(xiàn)技術

4.4.5 基于SmartCompile的設計保存技術

4.5 用戶約束文件

4.5.1 約束文件的基本知識

4.5.2 UCF文件的語法說明

4.5.3 管腳和區(qū)域約束語法

4.5.4 時序約束語法

4.6 管腳和區(qū)域約束工具Floorplan Editor

4.6.1 Floorplan Editor功能簡介

4.6.2 利用PACE完成管腳分配

4.6.3 使用Floorplan Editor完成管腳分配和區(qū)域約束

4.6.4 Floorplan Editor的其他功能

4.7 時序約束工具Constraints Editor

4.7.1 Constraints Editor功能簡介

4.7.2 利用Constraints Editor添加時序約束

4.7.3 利用Constraints Editor添加分組約束

4.7.4 利用Constraints Editor添加專用約束

4.8 基于ISE的器件配置

4.8.1 FPGA配置電路

4.8.2 iMPACT參數(shù)設置

4.8.3 配置FPGA器件

4.8.4 配置PROM器件

4.9 本章小結

第5章 ISE Foundation高級組件

5.1 在線邏輯分析儀ChipScope Pro

5.1.1 ChipScope Pro工具簡介

5.1.2 ChipScope Core Generator使用說明

5.1.3 ChipScope Core Inserter使用說明

5.1.4 ChipScope Core Analyzer使用說明

5.1.5 ChipScope Pro Serial I/O Toolkit使用說明

5.1.6 ChipScope Pro應用實例

5.2 平面布局規(guī)劃器PlanAhead

5.2.1 PlanAhead 10.1的安裝及新特性

5.2.2 PlanAhead設計流程

5.2.3 利用PinAhead進行I/O引腳規(guī)劃

5.2.4 使用ExploreAhead優(yōu)化實現(xiàn)結果

5.3 時序分析器Timing Analyzer

5.3.1 時序分析基礎

5.3.2 Xilinx FPGA中的時鐘資源

5.3.3 ISE時序分析器的軟件操作

5.3.4 Timing Analyzer應用實例

5.4 布局規(guī)劃器Floorplanner

5.4.1 Floorplanner簡介

5.4.2 Floorplanner軟件操作

5.4.3 Floorplanner應用實例

5.5 底層編輯器FPGA Editor

5.5.1 FPGA Editor簡介

5.5.2 FPGA Editor軟件操作

5.5.3 FPGA Editor應用實例

5.6 功耗分析工具XPower

5.6.1 功耗分析簡介

5.6.2 XPower估計器

5.6.3 XPower分析器

5.6.4 低功耗設計技術

5.6.5 XPower分析器應用實例

5.7 本章小結

第6章 ISE與第三方軟件

6.1 ModelSim仿真軟件的使用

6.1.1 ModelSim仿真軟件的安裝

6.1.2 在ModelSim中指定Xilinx的仿真庫

6.1.3 ModelSim的基本操作

6.1.4 ModelSim的高級操作

6.2 綜合工具Synplify Pro

6.2.1 Synplify Pro綜合軟件的安裝

6.2.2 Synplify Pro的使用

6.3 ISE與MATLAB的聯(lián)合使用

6.3.1 利用MATLAB輔助FPGA的邏輯設計

6.3.2 利用MATLAB完成DSP系統(tǒng)開發(fā)

6.3.3 利用MATLAB自動生成濾波器代碼

6.4 本章小結

第7章 FPGA底層單元與邏輯開發(fā)實例

7.1 FPGA底層單元開發(fā)

7.1.1 Xilinx全局時鐘網(wǎng)絡的使用

7.1.2 DCM模塊的使用

7.1.3 Xilinx內(nèi)嵌塊存儲器的使用

7.1.4 硬核乘加器DSP48的使用

7.2 FPGA常用IP Core使用實例

7.2.1 Cordic算法IP Core的使用

7.2.2 FFT算法IP Core的使用

7.2.3 FIR濾波器IP Core的使用

7.3 開發(fā)實例-LMS算法的Verilog實現(xiàn)

7.3.1 LMS算法的原理

7.3.2 LMS算法的MATLAB實現(xiàn)

7.3.3 LMS算法的FPGA實現(xiàn)

7.3.4 LMS算法的軟件調(diào)試

7.4 本章小結

附錄 Verilog HDL語言基礎

參考文獻

書 名: FPGA開發(fā)指南:邏輯設計篇

作 者:田耘 胡彬

出版社: 人民郵電出版社

出版時間: 2008

ISBN: 9787115187369

開本: 16

定價: 59.00 元

《XilinxISEDesignSuite10.xFPGA開發(fā)指南:邏輯設計篇》針對性較強，可滿足實際工程開發(fā)的需求。《XilinxISEDesignSuite10.xFPGA開發(fā)指南:邏輯設計篇》可作為電子和通信工程師的實用工具書，還可作為高等院校通信工程、電子工程、計算機以及微電子與集成電路等相關專業(yè)的高年級本科生以及研究生的教材和學習參考書。

在眾多汽車電子系統(tǒng)開發(fā)領域中，賽車一直是FPGA大顯身手的場所。在汽車ECU領域，F(xiàn)PGA可協(xié)助提升靈活性、性能和可靠性。各大涉及賽車業(yè)務的機構，如先進引擎研究有限公司(AER，AdvancedEngineResearchLtd)屬下的電子設計部LifeRacing，已開始在其ECU設計中引入Actel以Flash為基礎ProASICPlus的FPGA器件。有競爭力的賽車ECU需要采用復雜的調(diào)節(jié)算法，專為每個獨立的控制器而優(yōu)化，以管理引擎的定時功能。使用傳統(tǒng)的解決方案即標準定時處理單元(TPU)控制器，這個關鍵軟件會隨著應用要求的改變，需要進行重大的修改。然而，借助基于Flash的FPGA的系統(tǒng)內(nèi)可重編程功能(ISP)，設計人員可以利用單芯片的上電運行FPGA器件取代以往的TPU控制器，從而縮短軟件開發(fā)時間、減少調(diào)試需求和加速產(chǎn)品的整體上市時間。

在ECU中，一般FPGA的主要功能是從機軸觸輪信號中提取引擎的位置信息。FPGA會根據(jù)抽象的機軸角度發(fā)出CPU中斷信號，而非傳統(tǒng)設計應用的觸輪齒位，因而提高了靈活性和精度。ECU通常會將燃料添加和點火動作編為定時的調(diào)度事件，并以調(diào)度代碼執(zhí)行時間的引擎工作狀況為基礎。在事件發(fā)生前改變引擎工作狀態(tài)會引起角度誤差，而調(diào)度代碼往往與當前引擎的機軸觸輪輪齒式樣密切相關。FPGA能令調(diào)度代碼不受信號式樣影響，還能通過監(jiān)測引擎工作狀況來進行事件調(diào)度和持續(xù)調(diào)節(jié)，直至事件發(fā)生。此舉能提升代碼效率和靈活性，同時改善動態(tài)狀況下的控制精度。而且，基于Flash的FPGA(如Actel的ProASICPlus)的上電運行功能，能助設計人員除去傳統(tǒng)需要用來阻止燃料注射驅(qū)動器或點火線圈驅(qū)動器在上電期間啟動的附加元件。

LifeRacing專有的ECU設計F88便成功地應用于2003年度SuperfundWorldSeries的第一輪賽事中-這是進入一級方程式大賽(Formula1)的重要踏腳石。

目前，商用道路車輛制造商也在考慮采用LifeRacing的ECU。這個控制單元具有高度靈活性，最適用于原型制造和研發(fā)環(huán)境，能應付各式不同的引擎設置。FPGA正獲得廣泛接納，用于新一代汽車電子的設計方案中。在選擇FPGA的過程中深入了解各種技術的獨特性能，汽車設計人員便能從最有前景的技術中獲益，而不會影響業(yè)界在制造高可靠性和成本效益汽車方面的美譽。

汽車電子設計人員通過使用具有擴展溫度范圍的FPGA技術，能夠顯著提高應對多種故障的能力。雖然許多元件供應商采用預防性的設計技術及限定方法來模擬和仿真環(huán)境影響，但是某些FPGA構架在承受擴展溫度范圍方面仍然具有先天優(yōu)勢。舉例說，Actel以反熔絲為基礎的汽車器件能承受業(yè)界最高的結點溫度(+150℃)，為設計人員的高可靠性系統(tǒng)帶來更大的性能冗余。

在高溫下工作的能力不僅有利于抵御故障。由于汽車電子應用在空間和成本上都沒有余地來加設風扇和散熱裝置，因此器件必須在沒有外部散熱裝置的情況下仍能提供所需的性能。

極端的環(huán)境往往會導致與FPGA組裝和封裝相關的故障模式，而與裝置本身無關。所以在汽車電子系統(tǒng)的各個層面預留規(guī)格余地非常重要。FPGA供貨商如Xilinx和Actel等提供的產(chǎn)品具有較寬的軍用溫度范圍，能夠更好地定義熱膨脹系數(shù)，避免熱應力的影響。

即使在正常的溫度和電壓下工作，在FPGA的柵極氧化膜上反復施加電壓應力最終也會使器件內(nèi)的電介質(zhì)絕緣層發(fā)生擊穿。這種隨使用時間累計而產(chǎn)生的擊穿現(xiàn)象稱為"時間相關絕緣擊穿"(TDDB)。加上深亞微米技術的應用，會增加這類故障在現(xiàn)場發(fā)生的風險。

過去汽車電子產(chǎn)品的開發(fā)周期是漫長的，而現(xiàn)在許多汽車制造商現(xiàn)正致力于在更短的時間內(nèi)，裝備消費者所需的新一代汽車。諸如GPS導航系統(tǒng)和DVD播放機等設備的產(chǎn)品生命周期相對較短，因此，產(chǎn)品推向市場的速度非常重要。今天，采用ASIC可能會使開發(fā)周期增加30周，加上掩模成本大幅攀升，使得開支和風險也進一步提高。

與此同時，因為當今的汽車引入了許多標準和技術，使ASIC的應用缺乏靈活性，從而增加其被廢棄和延遲應用的風險。消費者還要求享有各種功能選項，使得汽車廠商必需以一套元件組合為基礎，再根據(jù)不同需求進行配置。為了快速實現(xiàn)這些高度集成和不斷變化的系統(tǒng)，能夠使產(chǎn)品快速推向市場的FPGA為汽車廠商帶來了所需的靈活性，可在現(xiàn)場進行系統(tǒng)硬件升級，而毋須執(zhí)行昂貴的返工工程和部件更換。所以，F(xiàn)PGA現(xiàn)已應用于汽車電子中，范疇從設計驗證到制造和服務。隨著汽車內(nèi)的空間日益寶貴，可編程邏輯能在小型單芯片方案上集成許多不同功能的特性也顯得極具吸引。