Virtex-5 LXl10的ASlC原型開發(fā)平臺設計
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引 言
目前ASIC設計的規(guī)模在不斷擴大、復雜度在不斷增加，與此同時，日益激烈的競爭使得今天的電子產(chǎn)品市場對產(chǎn)品進入市場的時間極為敏感。如何提高驗證的效率已成為一個巨大的挑戰(zhàn)。當前對ASIC設計者開放的3個主要驗證選擇是仿真(emulation)、模擬(simulation)和FPGA原型(prototypes)開發(fā)。隨著FPGA的門數(shù)越來越高，功能越來越強大，使其成為了ASIC驗證的強有力工具。
Virtex一5 LX系列是Xilinx公司推出的新一代65nm工藝FPGA。它與上一代90 nm的FPGA相比，速度平均提高30％，容量增加65％；同時動態(tài)功耗降低35％，靜態(tài)功耗保持同樣低，使用面積減小45％。Virtex一5 LX系列還通過性能優(yōu)化的IP模塊擁有了550 MHz時鐘技術。高性能的SelectIO特性，提供了到667 Mbps DDR2SDRAM和1 200 Mbps QDR II SRAM等外部存儲器的最快連接。
本文基于Viitex一5 LX110驗證平臺的設計，探索了高性能FPGA硬件系統(tǒng)設計的一般性方法及流程，以提高FPGA的系統(tǒng)性能。
1 系統(tǒng)設計實現(xiàn)
利用FPGA可以很好地對ASIC的功能進行驗證。通過常年對AISC原型驗證平臺的設計和測試發(fā)現(xiàn)，對于某些ASIC，特別是用于通信領域的ASIC，如果能夠在原型驗證階段就可以在實際環(huán)境中對其性能進行嚴格的評估，對其采用的算法進行驗證，便能夠很好地保證芯片的性能，從而加快產(chǎn)品的上市時間。利用通用的FPGA驗證平臺，例如DiniGroup，其價格昂貴且與系統(tǒng)進行互聯(lián)也比較困難，不滿足對系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試的高度集成性和便攜性的要求。解決這一問題的最好方法就是，根據(jù)需求直接將FPGA集成到系統(tǒng)當中，設計出適用于現(xiàn)場評估測試的單板驗證平臺。
1．1 系統(tǒng)資源評估
(1)FPGA資源
Virtex一5 LX110包含17 280個Slice，110 592個log—ic cell，12個DCM和6個PLL；提供高達800個I／O引腳，23個I／O板塊，其中每個I／O都可設置成差分輸出。LX110支持多種I／O類型，需要根據(jù)系統(tǒng)不同模塊的輸入／輸出特性選擇合適的I／O類型，并將所用到的I／O進行合理的布局規(guī)劃。各種不同I／0類型的電氣特性約束嚴格限制了引腳位置的指定，同時I／O引腳的引出位置影響到BGA封裝的板級走線，因此需要綜合考慮以便對I／O引腳資源進行合理的劃分。
(2)時鐘分布
系統(tǒng)中的時鐘信號通常是串擾和EMI問題的根源，因此需要對其進行合理的規(guī)劃。時鐘信號的完整性是保證系統(tǒng)正常工作的重要因素，在仿真中特別需要關注。利用FPGA提供的DCM資源可以減少系統(tǒng)所需的時鐘信號器件，從而減少板級時鐘網(wǎng)絡。PCB布線時應注意將時鐘信號和數(shù)據(jù)信號進行隔離，以避免串擾的產(chǎn)生。
(3)FPGA配置模塊
設計合理、適用的FPGA配置方案。Virtex一5提供的配置模式多達8種，本設計選用Xilinx公司提供的PROM配置芯片，通過JTAG接口將配置文件寫入PROM中，系統(tǒng)上電后FPGA和PROM按所設定的配置模式將配置文件從PROM下載到FPGA里，利用FPOA+PROM的組合可以有效地簡化配置電路設計。此外還可以通過JTAG接口對FPGA進行在線配置。
(4)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
系統(tǒng)集成高速雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持高達105 Msps的采樣速率，每路10位輸出。
(5)I／O接口模塊
系統(tǒng)為各種不同的I／O類型提供了相應的接口，支持LVCMOS33、LVCMOS25、LVDS_25類型的I／O。
(6)電源管理模塊
FPGA所需電源主要有3個：內(nèi)核電壓(VCCINT)、I／O電壓(VCCO)、輔助電路電壓(VCCAUX)。其他如A／D電壓、FPGA配置芯片電源(內(nèi)核電壓和I／O電壓)、板級所需的時鐘電路供電及指示燈供電電壓，總共需提供8個電源。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。
1．2 原理圖符號生成
FPGA的可定制特性需要按特定應用進行原理圖符號生成。首先，從特殊用途引腳的指定開始，例如電源、地引腳、參考電壓引腳以及配置引腳等。只有對這些引腳的正確指定才能保證PCB布板及走線的正確連接。下一步是將邏輯I／0和封裝形式連接起來，可以利用FPGA的設計開發(fā)環(huán)境來指定，然后導入到PCB布板環(huán)境中。在FPGA的設計開發(fā)環(huán)境中，用戶可以利用圖形界面對引腳進行指定，然后在實現(xiàn)過程中，F(xiàn)PGA布局布線工具能自動地對引腳進行指定。在FPGA的設計開發(fā)環(huán)境中，能夠進行DRC檢驗以保證引腳的合法性。
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