來源：國外電子元器件  作者：卜佑軍 來為國 胡明昕

    摘要：VirtexE系列是Xilinx公司生產(chǎn)的新型FPGA芯片，可用來進(jìn)行數(shù)十萬邏輯門級(jí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和百兆赫茲級(jí)的高速電路設(shè)計(jì)。文中介紹了XCV50E芯片的結(jié)構(gòu)特性、設(shè)計(jì)流程和配置過程，給出了具體的電路圖和配置流程圖。
    關(guān)鍵詞：FPGA 可配置邏輯塊 設(shè)計(jì)流程 配置

    XCV50E是Xilinx公司VirtexE系列系統(tǒng)級(jí)FPGA芯片中的一員。其主要資源有71693個(gè)系統(tǒng)門、65536位塊內(nèi)存和176個(gè)用戶I/O口（其中包括83對差分I/O口）。主要特性有：1.8V超低核心電壓、支持20種高速總線標(biāo)準(zhǔn)、八個(gè)全數(shù)字延遲鎖定環(huán)、0.18微米6層金屬工藝、支持IEEE 1149.1邊界掃描。VirtexE系列FPGA芯片具有卓越的整體性能和高速特性，是實(shí)現(xiàn)高速系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的優(yōu)選芯片。下面以XCV50E為例，介紹VirtexE系列FPGA的結(jié)構(gòu)特性和開發(fā)流程。

    1 XCV50E芯片的結(jié)構(gòu)

    XCV50E芯片主要由四部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，芯片中央是由16×24個(gè)可編程邏輯塊（CLB）構(gòu)成的CLB陣列，用以實(shí)現(xiàn)芯片的主要邏輯功能。芯片中16個(gè)4kB的塊內(nèi)存(Block RAM

    或BRAM)組成4個(gè)塊內(nèi)存槽，位于CLK陣列的兩端及接近芯片中心的位置。塊內(nèi)存可用作高速RAM或FIFO。環(huán)繞CLB陣列的是叫做VersaRing的布線資源，它連接內(nèi)部的邏輯信號(hào)到輸入輸出單元。輸入輸出單元位于芯片周邊，用以實(shí)現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如LVDS、CMOS、GTL）間的和轉(zhuǎn)換。

    1．1 可配置邏輯塊

    可配置邏輯塊是FPGA的核心部分，主要用來實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2所示。每個(gè)可配置邏輯塊包括左右兩個(gè)功能片。每個(gè)功能片包括兩個(gè)邏輯單元。每個(gè)邏輯單元由一個(gè)四輸入查找表（LUT）、一個(gè)進(jìn)位邏輯和一個(gè)寄存器組成。查找表可作為函數(shù)產(chǎn)生器來使用，也可用作高速16位移位寄存器或16×1的隨機(jī)存取內(nèi)存（RAM）。為擴(kuò)展芯片的邏輯功能，在每個(gè)功能片中還設(shè)有一個(gè)F5復(fù)選器，在每個(gè)邏輯塊中設(shè)有一個(gè)F6復(fù)選器，可分別用以實(shí)現(xiàn)9輸入的函數(shù)和19輸入的函數(shù)。

    1．2 通用布線資源

    芯片內(nèi)部與可配置邏輯塊陣列相匹配的是通用布線矩陣陣列（GRM）。GRM是開關(guān)矩陣，它用足夠的連線將對應(yīng)的可配置邏輯連接到相鄰可配置邏輯塊和部分遠(yuǎn)端的可配置邏輯塊。芯片內(nèi)有許多雙向長線分別橫貫和縱貫整個(gè)芯片，利用它們可以快速高效地分配信號(hào)。通過通用布線資源，各個(gè)可配置邏輯塊和塊內(nèi)存構(gòu)成了一個(gè)高速動(dòng)作的統(tǒng)一整體。

    1．3 VersaRing布線資源

    VersaRing環(huán)繞著芯片中央的CLB陣列，它將陣列信號(hào)與芯片I/O管腳相連。VersaRing以毫微秒級(jí)的速度將任一內(nèi)部邏輯信號(hào)連接到芯片的任一I/O管腳。正是由于XCV50E這種信號(hào)分配的任意性，使得XCV50E的設(shè)計(jì)工作可以與電路板制版并行進(jìn)行，從而大大縮短了開發(fā)周期。

    1．4 延遲鎖存環(huán)（DLL）

    芯片內(nèi)有八個(gè)延遲鎖定環(huán)，借助它們可以實(shí)現(xiàn)高速零時(shí)延的時(shí)鐘信號(hào)，延遲鎖定環(huán)的輸入時(shí)鐘范圍是25MHz~350MHz，輸出時(shí)鐘的傳輸時(shí)延為零，邊沿抖動(dòng)小于60ps。鎖定環(huán)可對時(shí)鐘進(jìn)行二倍頻或2~16倍分頻，并可進(jìn)行90o、180o、270o的移相操作。使用延遲鎖定環(huán)可有效解決高速應(yīng)用中信號(hào)的時(shí)滯和抖動(dòng)問題。

    2 XCV50E的開發(fā)

    筆者使用Xilin Foundation F4.1來開發(fā)

    XCV50E芯片。Xilin Foundation F4.1是Xilinx公司主要的FPGA芯片開發(fā)平臺(tái)之一。基于該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)XCV50E芯片從設(shè)備構(gòu)想到此特流下載的全部過程。圖3所示是基于該平臺(tái)開發(fā)XCV50E的設(shè)計(jì)流程。該平臺(tái)的由設(shè)計(jì)入口工具、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具、設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具三大部分構(gòu)成。設(shè)計(jì)入口工具接收各種圖形或文字的設(shè)計(jì)輸入，并最終生成網(wǎng)絡(luò)表文件。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具將網(wǎng)絡(luò)表轉(zhuǎn)化為配置比特流，并下載到器件。設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具用來對設(shè)計(jì)中的邏輯關(guān)系及輸出結(jié)果進(jìn)行仿真和時(shí)序阻制分析。

    對于系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，一般可以使用基于原理圖的層次化設(shè)計(jì)，過程如下：先以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖作為頂層圖，自上而下的構(gòu)造基于模塊的結(jié)構(gòu)子圖，同時(shí)自下而上的將結(jié)構(gòu)子圖的結(jié)構(gòu)子圖，同時(shí)自下而上的將結(jié)構(gòu)子圖具體體（用VHDL評(píng)議或元件互