基于fpga的数据采集与存储技术

基于FPGA的数据采集和存储技术黄慧春 huanghuichun@57a947d80242a8956bece4a3

主要内容

?FPGA硬件电路设计基础

–可编程器件概述

–CPLD与FPGA的选择

–FPGA的资源结构

–FPGA的应用

?FPGA设计技巧

–如何提高设计可靠性

– PLL、ROM等电路的配置

?基于FPGA的数据采集与存储案例–系统设计分析

– 硬件电路设计

竞赛与实际系统设计区别

?竞赛的特点

–先有硬件平台，后有项目

–主体硬件设计已备，扩展应用需理解接口，主体工作偏重程序设计?实际FPGA系统设计特点

–先有项目和需求，后选择芯片方案

–软硬件设计协同开展，相互配合

?硬件开发：芯片方案、PCB Layout

?软件开发：系统工作程序设计

?系统联合调试

?20世纪80年代以前：只有简单的PLD

?20世纪80~90年代：出现CPLD 和FPGA

?发展至今：FPGA 得价格越来越便宜，而内部资源的种类和数量越来越多。FPGA 方案提供商用这些资源组合出来的各色“菜品”，可谓是荤素搭配、营养丰富，自然受到了消费者的热烈欢迎！什么是FPGA ？

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

可编程？

?编程：实现电信号进行有序变换，以获得所需逻辑功能。?软件编程：工具将高级语言转化成二进制的指令和数据。?硬件编程：工具将高级语言转化成特定功能的电路逻辑。

硬件编程和软件编程的本质是一样的，

目的都是实现电信号的有序变换。

可编程技术?熔丝

?反熔丝?PROM ?EEPROM ?SRAM ?FLASH

可编程示意图

可编程示意图

FPGA可编程示意图

PLD：是“与”阵列、“或”阵列的平面结构CPLD：复杂的PLD，有逻辑阵列模块和宏单元FPGA：基于查找表，而且资源更加丰富

部分FPGA厂家

Xilinx 57a947d80242a8956bece4a3/

FPGA的发明者，老牌PLD公司，是最大可编程逻辑器件供应商之一。产品种类较全，主要有：

XC9500/4000，Coolrunner(XPLA3) ，Spartan, Vertex 。开发软件为：Foundition,ISE。通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA 的人多，在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera 和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。

部分FPGA厂家

Altera 57a947d80242a8956bece4a3/

九十年代以后发展很快，是最大可编程逻辑器件供应商之一。主要产品有：

MAX3000/7000,FELX6K/10K, APEX20K，ACEX1K。 普遍认为其开发工具—MaxplusII、QuartusII是较成功的PLD开发平台。

部分FPGA厂家

Lattice 57a947d80242a8956bece4a3/

Lattice是ISP技术和器件的发明者，同时

也是isp/pLSI，GAL／ispGAL、ispGDS和

E2CMOS PLD技术的开拓者。目前，Lattice拥有业界最快的PLD－isp LSI 2032VE，它的速度已

达到了300MHz，同时有3ns的管脚到管脚的延迟，是其第二代3.3V Super FAST BFW高密度PLD的代表之一。Lattice的各种CPLD、SPLD（简单PLD ）产品中三分之二用于通信领域，公司的销售工程师80％左右都曾是产品设计工程师。

Lattice在PLD领域以创新求发展

? Lattice是ISP技术和器件的发明者，同时也是isp/pLSI，GAL／ispGAL、ispGDS和E2CMOS PLD技术的开拓者。目前，Lattice拥有业界最快的PLD－isp LSI 2032VE，它的速度已达到了300MHz，同时有3ns的管脚到管脚的延迟，是其第二代3.3V Super FAST BFW高密度PLD的代表之一。Lattice的各种CPLD、SPLD（简单PLD ）产品中三分之二用于通信领域。

?什么叫isp技术？

什么叫isp下载技术

? ISP（In-System Programming）在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP 方式擦除或再编程。

部分FPGA厂家

Actel 57a947d80242a8956bece4a3/

反熔丝（一次性烧写）PLD的领导者，由于反熔丝PLD抗辐射，耐高低温，功耗低，速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。

CPLD与FPGA的选择

?CPLD与FPGA有什么区别？

FPGA vs CPLD

FPGA

是一种高密度的可编程逻辑器件,自从Xilinx公司1985年推出第一片FPGA以来,FPGA的集成密度和性能提高很快,其集成密度最高达500万门/片以上,系统性能可达200MHz。由于FPGA器件集成度高,方便易用,开发和上市周期短,在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用,并一度在高密度的可编程逻辑器件领域中独占鳌头。

FPGA vs CPLD

CPLD

是由 GAL发展起来的 ,其主体结构仍是与或阵列 ,自从 90年代初 Lattice公司高性能的具有在系统可编程 ISP(In System Programmable)功能的 CPLD以来 ,CPLD发展迅速。具有 ISP 功能的 CPLD器件由于具有同 FPGA器件相似的集成度和易用性 ,在速度上还有一定的优势 ,使其在可编程逻辑器件技术的竞争中与 FPGA并驾齐驱 ,成为两支领导可编程器件技术发展的力量之一。

FPGA、CPLD的结构

FPGA器件

在结构上 ,由逻辑功能块排列为阵列 ,并由可编程的内部连线连接这些功能块来实现一定的逻辑功能。

FPGA、CPLD的结构CPLD

是将多个可编程阵列逻辑 (PAL)器件集成到一个芯片 ,具有类似 PAL的结构。一般情况下CPLD器件中至少包含三种结构 :可编程逻辑功能块 (FB);可编程 I/ O单元 ;可编程内部连线。

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