利用APTIX MP3C和Spartan-IIE FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的
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摘要：隨著數(shù)字電路設(shè)計的規(guī)模及復(fù)雜程度的提高，對其進(jìn)行測試試驗(yàn)證所花費(fèi)的時間和費(fèi)用也隨之提高，所以減少測試驗(yàn)證成本是當(dāng)前數(shù)字電路設(shè)計的關(guān)鍵。本文利用MP3C和Spartan-IIE FPGA構(gòu)建平臺來實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的快速驗(yàn)證。這二款設(shè)備都具有業(yè)界價格最低、驗(yàn)證速度比較快的特點(diǎn)，利用它們可以大大提高驗(yàn)證效益。
關(guān)鍵詞：集成電路 MP3C FPGA 網(wǎng)表文件
MP3C系統(tǒng)是Aptix公司的產(chǎn)品，是一種價格低、驗(yàn)證速度快、基于層次化和模塊化的硬件驗(yàn)證平臺，可以逐步驗(yàn)證每一個邏輯模塊直到驗(yàn)證整個系統(tǒng)功能。MP3C硬件中的現(xiàn)場可編程互連電路板（FPCB）和現(xiàn)場可編程互連元件（FPIC）是Aptix公司的專利技術(shù)，圖1給出了FPCB和FPIC在MP3C上的部件孔模塊。通過該系統(tǒng)可以40MHz的最快速度調(diào)試百萬門級的片上系統(tǒng)；可實(shí)時運(yùn)行軟件作為系統(tǒng)測試矢量；加速仿真與遞歸測試速度和加速完成設(shè)計變更；還可隨時利用最新FPGA技術(shù)滿足更大的設(shè)計規(guī)模需要。此外，MP3C也可以對復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行快速驗(yàn)證，其中包括ASIC、DSP、微控制器、微處理器、RAM和ROM等。MP3C系統(tǒng)比較適合小批量、多品種的生產(chǎn)。
1．1 現(xiàn)場可編程電路板FPCB
MP3C的FPCB是一個2216、16層的插孔板，根據(jù)應(yīng)用和設(shè)計需求，可以把一些外圍器件、接口和多個FPGA等放置在FPCB上，就像面包板一樣，因此非常靈活方便，這些外圍部件再通過FPIC互相連接起來。MP3C FPCB由許多硬件組成。
（1）插孔區(qū)（freehole area）
插孔區(qū)分為上下二部分，分別用A到P標(biāo)記，共64列，每列有40個可用插孔，有2560個插孔可以使用，除去16列作為I/O，共有1920個插孔連接到FPIC上。每列有15個FPGA特殊引腳，包括CLK、GDN和VCC等。
（2）全局互連（global interconnects）
全局連接是FPIC到FPIC的布線源，3個FPIC中每一個都有140根連線連接到其他兩個FPIC，這樣就會提供280個FPIC到FPIC之間的連接，而每一個FPIC的920個布線網(wǎng)中有280個用于FPIC到FPIC之間的連接，其余640個用于連接FPCB上的部件插孔區(qū)域，這樣就可以實(shí)現(xiàn)部件之間的互連，如圖2所示。
（3）總線（bus）
除了通過FPIC的布線網(wǎng)和全局連接來實(shí)現(xiàn)部件之間的互連外，還可以通過MP3C提供的一個總線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)互連。MP3C系統(tǒng)共有4個總線模板連接器，每一個模板連接器有40個總線引腳，而一個FPGA能夠訪問二個總線模板，這就可以獲得80個總線引腳。
（4）I/O信號
I/O信號使得MP3C FPCB可以和其他設(shè)備之間進(jìn)行通信，它們是進(jìn)出FPCB的信號。（5）微控制器（microcontroller）
微控制器能為主機(jī)系統(tǒng)和MP3C FPCB上的可重配置FPGA之間的通信提供智能接口，微控制器控制FPCB上的能量時序。微控制器的操作系統(tǒng)是存儲在被保護(hù)的Flash memory的根塊區(qū)，僅需128kByte，這個3.4Mbyte的Flash存儲器主要用來存儲FPIC和FPGA之間的配置數(shù)據(jù)。
MP3C含有3塊FPIC，每一塊FPIC有1024個緩沖器，排列成一個3232矩陣形式，F(xiàn)PIC是可重構(gòu)的雙向連接，每一個緩沖器之間都可以任意布線，使得插接到FPCB上的外圍設(shè)備達(dá)到互連，而每一個FPIC之間都有140根連線連接到另二個FPIC中的任意一個，這樣，對于每一個FPIC來說就有280根互連線來實(shí)現(xiàn)FPIC與FPIC之間的互連。實(shí)際上，F(xiàn)PIC就是一個由軟件控制的可編程接口，它能使用戶對設(shè)計的修改變得非常靈活。圖2表明了它們之間的連接關(guān)系。
1．2 與MP3C配套的EXPLORER軟件
Aptix Explorer軟件可以提供一個圖形用戶接口GUI（Graphical User Interface），這上GUI能夠生成設(shè)計，并對設(shè)計進(jìn)行編輯和調(diào)試。通過Explorer軟件可以提供一個直觀有效的接口來對設(shè)計做一系列的操作。EXPLORER軟件主要完成整個系統(tǒng)的搭建、FPGA的布局布線和FPCB的編譯。其操作步驟如下：
（1）設(shè)置FPCB參數(shù)
用來配置FPCB參數(shù)，如說明所使用的FPCB板類型、FPIC序列和說明使用的是那一個FPIC等。
（2）對網(wǎng)表文件（netlist）和設(shè)計文件進(jìn)行設(shè)置。
主要輸入網(wǎng)表文件和與設(shè)計有關(guān)的文件，Explorer軟件支持EDIF和XNF格式的網(wǎng)表文件。
（3）設(shè)置Power和Ground
主要是為了說明在部件和針插孔上的Power和Ground引腳是被拉高還是拉低。
主要設(shè)置節(jié)點(diǎn)驅(qū)動值，其值的范圍為0～100，驅(qū)動值的大小決定了節(jié)點(diǎn)在FPIC內(nèi)部的布線順序。驅(qū)動值越大就越先布線，因此，可以優(yōu)先選擇最短的路徑。
（5）在FPCB上放置部件
把數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的模塊放到FPCB上。
（6）對設(shè)計進(jìn)行編譯
編譯可以使被仿真的部件之間實(shí)現(xiàn)布線連接，還能控制Explorer軟件和FPCB硬件之間的互連。
（7）對設(shè)計進(jìn)行調(diào)試
這是幫助下載帶有新信號布線信息的FPCB信息到MP3C硬件上的過程，做完這一步就可以對設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)證、測試和調(diào)試。
2 Spartan-IIE FPGA
2.1 Spartan-IIE FPGA的組成
Spartan-IIE FPGA提供了創(chuàng)建成本優(yōu)化、應(yīng)用靈活、功能豐富的產(chǎn)品所需要的一切，它的開發(fā)過程遠(yuǎn)比任何采用ASIC的方案要容易得多（成本也更低）。該系統(tǒng)板主要包括兩個時鐘源、通用I/O、電源供給、P160擴(kuò)展槽、LVD 10位接收和傳輸端口、開關(guān)按鈕、7段顯示器、JTAG端口、RS-232端口、ISP PROM和XC2S300E-5FG456C FPGA等。其中XC2S300E-5FG456C FPGA和ISP PROM是比較重要的部件。圖3是Spartan-IIE開發(fā)板內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
用Spartan-IIE開發(fā)板來配置Spartan-IIE FPGA的方法有很多：可以通過其JTAG端口直接配置Spartan-IIE FPGA；通過編程在板XC18V02 ISP PROM進(jìn)行配置，一旦ISP PROM被編程，通過配置端口就能直接配置Spartan-IIE FPGA；也可以通過在系統(tǒng)板上的從動并行/串行端口來配置FPGA。圖4給出Spartan-IIE開發(fā)板支持的Spartan-IIE FPGA配置連接模式。
3 驗(yàn)證系統(tǒng)
用APTIX MP3C和Spartan-IIE開發(fā)板實(shí)現(xiàn)對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證的系統(tǒng)組成如圖5所示。
在這個驗(yàn)證系統(tǒng)中，把需要驗(yàn)證的電路放到MP3C FPCB上，Spartan-IIE開發(fā)板通過J6或J7通過I/O口連接到FPCB硬件，Spartan-IIE開發(fā)板通過串口/并口號計算機(jī)相連，工作站通過網(wǎng)線與MP3C通信，也可以把邏輯分析儀連接到MP3C上，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的在線觀察調(diào)試。具體驗(yàn)證步驟如下：
（1）用51指令對待驗(yàn)證電路需要的輸入信號和激勵進(jìn)行編程，程序經(jīng)編譯后轉(zhuǎn)換成匯編語言，然后寫入R80515 IP核以便下載到Spartan-IIE FPGA,d Xilinx ISE軟件中對IP核進(jìn)行仿真和綜合后直接通過并口下載到FPGA中。
（2）用CAD軟件如OrCAD等完成系統(tǒng)頂層原理圖的繪制，需注意其中的接地和電源信號，然后生成網(wǎng)表文件（netlist），把網(wǎng)表文件傳到安裝了EXPLORER軟件的工作站上。
（3）在工作站的EXPLORER軟件上完成整個系統(tǒng)的搭建、MP3C相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、輸入網(wǎng)表文件、生成引腳匹配（pinmap）文件和完成MP3C地址設(shè)定等，如果在EXPLORER syslib庫中沒有所需要的庫，還要自己建庫，然后就可以進(jìn)行編譯和調(diào)試。
（4）用邏輯分析儀或示波器對某些信號進(jìn)行觀察，以便進(jìn)一步查錯和糾錯。這種方法可以很方便地幫助用戶找到出錯的原因。
（5）把驗(yàn)證電路最后輸出的結(jié)果暫存于Spartan-IIE的存儲器中，然后利用串口調(diào)試程序在微機(jī)上察看結(jié)果。目前有很多串口調(diào)試程序，如RS-232/RS-485串口通訊程序XP就是一個比較好的程序，如果輸出的結(jié)果不正確，就需要檢查錯誤原因，錯誤有可能在硬件方面，也有可能在軟件方面，修改之后回到第一步重新進(jìn)行驗(yàn)證。
4 結(jié)束語
筆者用這種方法成功實(shí)現(xiàn)了對一個復(fù)雜FFT電路的驗(yàn)證。MP3C最具特色的地方就是可編程互連電路板（FPCB）和可編程互連元件（FPIC）的應(yīng)用，F(xiàn)PIC在FPGA模塊之間提供可編程互連使得在整個設(shè)計過程中不用對PCB板進(jìn)行設(shè)計和生產(chǎn)，從而節(jié)省了費(fèi)用；在FPGA上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計，允許將FPGA直接安裝到主板上，可以隨著設(shè)計FPGA的設(shè)計程序重新編制，無需修改其他FPGA，并且可隨時利用最新FPGA技術(shù)滿足更大規(guī)模的設(shè)計，因此大大增加了設(shè)計的靈活性和方便性；還可以對系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時修改、調(diào)試，方便快捷。MP3C的這些特點(diǎn)大大提高了IC驗(yàn)證的效益。
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