FPGA权威指南

章节摘录

版权页：插图：载入加密比特流的命令／过程会自动禁用FPGA的回读能力。这就意味着，在开发期间你一般使用未加密配置数据（此时需要回读），当你开始制造产品时才用加密数据（你可以在任何时候载入未加密的比特流，所以能够很容易地载入测试配置，然后重新载入加密版本）。这个方案的主要缺点是，在电路板上你需要一组备用电池，当系统断电时它们保持FPGA中的密钥寄存器的内容。这个电池的生命周期很长，可以达到数年甚至数十年，因为它仅仅需要为器件里一个简单的寄存器供电，但是它确实增加了电路板的尺寸、重量、复杂性和成本。1.3.3 基于反熔丝的器件不同于在系统中被编程的基于SRAM的器件，基于反熔丝的器件需要使用专门的编程器进行离线编程。基于反熔丝器件的支持者为其多种多样（确实有一定价值）的优点自豪。首先，这些器件是非易失性的（它们的配置数据在系统断电时仍能保持），这意味着它们在系统上电时可以立刻使用。由于它们的非易失性，这些器件不需要外部的存储芯片来存放配置数据，这样就节约了额外部件的成本，也节省了电路板的面积。

内容概要

Clive "Max" Maxfield 国际半导体设计界知名专家，TechBites公司（www.techbites.com）总裁，EE Times杂志Programmable Logic Designline栏目主编。他拥有英国谢菲尔德哈莱姆大学控制工程学学士学位，设计过从ASIC到PCB等多种产品，并钻研了电子设计自动化 （EDA）的大多数领域。Max喜欢技术写作，擅长用通俗易懂的语言阐述复杂的技术概念，在世界各地的杂志和会刊上发表了许多技术文章和论文，此外，他还 创作或与人合著了一些书籍，包括EDA: Where Electronics Begins和The Design Warrior’s Guide to FPGAs。

书籍目录

第1 章  FPGA 结构比较　　 1

1.1  一点提醒　　 1

1.2  一些背景信息　　 2

1.3  反熔丝、SRAM与其他　　 3

1.3.1  基于SRAM的器件　　 3

1.3.2  基于SRAM器件的安全问题和解决方案　　 3

1.3.3  基于反熔丝的器件　　 4

1.3.4  基于EPROM的器件　　 5

1.3.5  基于E2PROM/FLASH的器件　　 5

1.3.6  FLASH-SRAM混合器件　　 6

1.3.7  小结　　 6

1.4  细粒度、中等粒度和粗粒度体系结构　　 6

1.5  基于MUX与基于LUT的逻辑块　　 8

1.5.1  基于MUX的体系结构　　 8

1.5.2  基于LUT的体系结构　　 8

1.5.3  基于MUX还是基于LUT 　　 10

1.5.4  3、4、5或6输入LUT　　 10

1.5.5  LUT、分布式RAM与移位寄存器　　 10

1.6  CLB、LAB与slice 　　 11

1.6.1  Xilinx逻辑单元　　 12

1.6.2  Altera逻辑部件　　 12

1.6.3  slicing和dicing　　 12

1.6.4  CLB和LAB 　　 13

1.6.5  分布式RAM和移位寄存器　　 14

1.7  快速进位链　　14

1.8  嵌入式RAM　　 15

1.9  嵌入式乘法器、加法器和MAC等　　 15

1.10  嵌入式处理器核（硬核与软核）　　 16

1.10.1  微处理器硬核　　 17

1.10.2  微处理器软核　　 18

1.11  时钟树和时间管理器　　 19

1.11.1  时钟树　　 19

1.11.2  时钟管理器　　 19

1.12  通用I/O　　 22

1.12.1  可配置I/O标准　　 22

1.12.2  可配置I/O阻抗　　 23

1.12.3  核电压与I/O电压　　 23

1.13  吉比特收发器　　24

1.14  IP硬核、IP软核与IP固核　　 25

1.15  系统门与实际门　　 25

1.16  FPGA年龄　　 27

第2 章  设计技巧、原则与指导　　 28

2.1  硬件描述语言　　 29

2.2  自顶向下设计　　 37

2.2.1  使用HDL　　 38

2.2.2  书面设计规范　　 38

2.2.3  分配资源　　 38

2.2.4  设计划分　　 38

2.2.5  设计灵活性与优化　　 38

2.2.6  可重用性　　 38

2.2.7  布局规划　　 39

2.2.8  验证　　 39

2.2.9  了解体系结构　　 39

2.3  同步设计　　 40

2.3.1  同步设计五原则　　 40

2.3.2  竞争条件　　 41

2.3.3  延迟相关逻辑　　 43

2.3.4  保持时间违例　　 44

2.3.5  毛刺　　 45

2.3.6  门控时钟　　47

2.3.7  异步信号与亚稳态　　 47

2.3.8  允许使用异步逻辑的情况　　 51

2.4  浮动节点　　 52

2.5  总线竞争　　 53

2.6  独热状态编码　　 54

2.7  可测性设计　　 55

2.8  测试冗余逻辑　　 56

2.8.1  什么是冗余逻辑　　 56

2.8.2  怎样测试冗余逻辑　　 57

2.9  初始化状态机　　58

2.10  可观测节点　　58

2.11  扫描技术　　 59

2.12  内建自测试　　 60

2.13  特征分析　　 61

2.14  小结　　62

第3 章  VHDL 基础　　64

3.1  引言　　 64

3.2  实体：模型接口　　 65

3.2.1  实体定义　　 65

3.2.2  端口　　 66

3.2.3  通用属性语句　　 66

3.2.4  常数　　 66

3.2.5  实体举例　　 67

3.3  构造体：模型行为　　 67

3.3.1  构造体的基本定义　　 67

3.3.2  构造体声明　　 67

3.3.3  构造体语句　　 68

3.4  进程：VHDL中的基本功能单元　　 68

3.5  基本变量类型和操作符　　69

3.5.1  常数　　 69

3.5.2  信号　　 69

3.5.3  变量　　 69

3.5.4  布尔操作符　　 69

3.5.5  算术操作符　　 70

3.5.6  比较操作符　　 70

3.5.7  移位函数　　 70

3.5.8  拼接　　 70

3.6  判断与循环　　 71

3.6.1  if-then-else语句　　 71

3.6.2  case语句　　 72

3.6.3  for语句　　 72

3.6.4  while循环　　 72

3.6.5  exit语句　　 73

3.6.6  next语句　　 73

3.7  层次化设计　　 73

3.7.1  函数　　 73

3.7.2  包　　 73

3.7.3  元件　　 74

3.7.4  过程　　 75

3.8  调试模型　　 75

3.9  基本数据类型　　 75

3.9.1  基本类型　　 75

3.9.2  数据类型: bit　　 76

3.9.3  数据类型: Boolean　　 76

3.9.4  数据类型: 整数　　 76

3.9.5  数据类型: 字符型　　 77

3.9.6  数据类型: 实数　　 77

3.9.7  数据类型: 时间　　 77

3.10  小结　　 77

第4 章  存储器建模　　 78

4.1  存储器阵列　　 78

4.1.1  Shelor方法　　 79

4.1.2  VITAL_Memory包　　 80

4.2  存储器功能建模　　 80

4.2.1  使用行为模型方法　　 80

4.2.2  使用VITAL2000方法　　 89

4.3  VITAL_Memory路径延迟　　 95

4.4  VITAL_Memory时序约束　　 97

4.5  预加载存储器　　 97

4.5.1  行为存储器预加载　　 98

4.5.2  VITAL_Memory预加载　　 100

4.6  其他类型存储器的建模　　 100

4.6.1  同步静态RAM　　 100

4.6.2  DRAM　　103

4.6.3  SDRAM　　 104

4.7  小结　　109

第5 章  同步状态机设计与分析　　 110

5.1  引言　　 110

5.2  时序状态机模型　　 112

5.3  全记录状态图　　 115

5.4  基本记忆单元　　 118

5.4.1  置位优先基本单元　　 118

5.4.2  复位优先基本单元　　 120

5.4.3  激励表组合形式　　 121

5.4.4  基本单元的混合输出　　 122

5.4.5  基本单元的混合输出响应　　 123

5.5  触发器简介　　124

5.5.1  触发机制　　125

5.5.2  触发器类型　　 126

5.5.3  触发器设计的层次化流程图和模型　　 126

5.6  FSM（触发器）设计步骤及映射算法　　 127

5.7  D触发器：通用型　　 128

5.7.1  D锁存器　　 128

5.7.2  上升沿触发D触发器　　 131

5.7.3  主从式D触发器　　 134

5.8  触发器的转换：T、JK触发器以及其他触发器　　 136

5.8.1  T触发器及其从D触发器的转换方法　　137

5.8.2  JK触发器及其从D触发器转换的方法　　 138

5.8.3  用JK触发器设计T触发器和D触发器　　140

5.8.4  激励表回顾　　 141

5.8.5  专用触发器和锁存器的设计　　142

5.9  锁存器和触发器中的严重时序问题：警告　　 145

5.10  异步预置位和复位　　 146

5.11  触发器的建立时间和保持时间要求　　 147

5.12  使用边缘触发器设计简单的同步状态机：映射转换　　149

5.12.1  三比特二进制加减计数器设计：D到T的卡诺图转换　　 149

5.12.2  序列检测器的设计：D到JK卡诺图的转换　　 152

5.13  简单状态机分析　　 156

5.14  简单状态机的VHDL描述　　 159

5.14.1  上升沿D触发器的VHDL行为级描述　　 160

5.14.2  简单状态机的VHDL行为级描述　　 160

参考文献　　161

第6 章  嵌入式处理器　　 163

6.1  引言　　163

6.2  简单的嵌入式处理器　　164

6.2.1  嵌入式处理器体系结构　　 164

6.2.2  基本指令　　165

6.2.3  取指执行周期　　166

6.2.4  嵌入式处理器的寄存器分配　　166

6.2.5  基本指令集　　 167

6.2.6  结构级还是行为级　　 168

6.2.7  机器码指令集　　 168

6.2.8  微处理器的结构单元　　 169

6.2.9  处理器函数包　　 169

6.2.10  程序计数器　　 170

6.2.11  指令寄存器　　 171

6.2.12  算术逻辑单元　　 172

6.2.13  存储器　　 173

6.2.14  微控制器　　 175

6.2.15  简单微处理器总结　　 178

6.3  FPGA中的软核处理器　　 178

6.4  小结　　 178

第7 章  数字信号处理　　 179

7.1  概述　　 179

7.2  基本DSP系统　　 180

7.3  基本DSP术语　　 181

7.4  DSP体系结构　　 182

7.5  DSP元件中的并行执行　　 183

7.6  FPGA中的并行执行　　 184

7.7  何时使用FPGA实现DSP功能　　 185

7.8  FPGA的DSP设计考虑　　 186

7.8.1  时钟与信号的布线　　 186

7.8.2  流水线　　 187

7.8.3  算法实现的选择　　 187

7.8.4  DSP知识产权　　 187

7.9  FIR滤波器概念举例　　 188

7.10  小结　　 189

第8 章  嵌入式音频处理基础　　 191

8.1  引言　　191

8.1.1  声音是什么　　 192

8.1.2  音频信号　　 193

8.1.3  语音处理　　 193

8.2  音频信源与音频信宿　　 194

8.2.1  在模拟与数字音频信号之间转换　　 194

8.2.2  音频转换器背景知识　　 195

8.2.3  连接到音频转换器　　 196

8.3  互连　　 199

8.3.1  连接器　　 199

8.3.2  数字连接　　 200

8.4  动态范围与精度　　 200

8.5  音频处理方法　　 207

8.5.1  如何将数据输入到处理器内核　　 207

8.5.2  块处理与采样处理　　 207

8.5.3  双缓存　　 207

8.5.4  二维DMA　　 208

8.5.5  基本操作　　 208

8.5.6  信号生成　　 210

8.5.7  滤波与算法　　 210

8.5.8  采样率变换　　 211

8.5.9  音频压缩　　 212

8.5.10  语音压缩　　 214

参考文献　　 216

第9 章  嵌入式视频与图像处理基础　　 217

9.1  引言　　 217

9.1.1  人类视觉感知　　 218

9.1.2  什么是视频信号　　 219

9.2  广播电视系统——NTSC和PAL制式　　 220

9.2.1  视频分辨率　　 220

9.2.2  隔行扫描和逐行扫描　　 221

9.3  颜色空间　　 222

9.3.1  伽马校正　　 222

9.3.2  色度下采样　　 224

9.4  数字视频　　 226

9.4.1  ITU-R BT.601（前称为CCIR-601）　　 226

9.4.2  ITU-R BT.656（前称为CCIR-656）　　 227

9.5  从系统角度看视频　　 230

9.5.1  视频源　　 230

9.5.2  视频显示　　 235

9.6  嵌入式视频处理考虑　　 238

9.6.1  视频端口特性　　 238

9.6.2  视频ALU　　 240

9.6.3  DMA考虑　　 242

9.6.4  视频算法分类　　 244

9.6.5  带宽计算　　 244

9.6.6  去隔行处理　　 246

9.6.7  扫描速率转换　　 246

9.6.8  像素处理　　 247

9.6.9  处理图像边界　　 248

9.6.10  色度重采样、伽马校正和颜色转换　　 249

9.6.11  缩放与剪切　　 249

9.6.12  显示处理　　 250

9.7  压缩和解压缩　　 251

9.7.1  无损和有损压缩　　 252

9.7.2  图像压缩　　253

9.7.3  视频压缩　　254

9.7.4  EMP中的编码与解码　　 257

参考文献　　 259

第10 章  利用Simulink 中的框图设计流式FPGA 应用　　 261

10.1  使用基于流的操作符设计高性能数据路径　　 262

10.2  图像处理设计引擎　　 263

10.2.1  将RGB视频转换为灰度视频　　 263

10.2.2  二维视频滤波　　 265

10.2.3  将视频滤波器映射到BEE2FPGA开发平台　　 268

10.3  在Simulink中加入控制　　 269

10.3.1  使用Simulink块设计控制器　　 270

10.3.2  使用Matlab M语言设计控制器　　 270

10.3.3  使用VHDL或Verilog设计控制器　　 272

10.3.4  使用嵌入式微处理器设计控制器　　 272

10.4  组件重用：简单与复杂子系统库　　 273

10.4.1  信号处理元件　　 273

10.4.2  瓦片式子系统　　 273

10.5  小结　　 275

致谢　　 276

参考文献　　 276

第11 章  梯形图与功能框图编程　　278

11.1  梯形图　　 279

11.2  逻辑功能　　 281

11.2.1  与　　 282

11.2.2  或　　 283

11.2.3  非　　 283

11.2.4  与非　　 284

11.2.5  或非　　 285

11.2.6  异或　　 286

11.3  锁存器　　 286

11.4  多路输出　　 287

11.5  输入程序　　 289

11.6  功能框图　　 290

11.6.1  逻辑门　　 291

11.6.2  布尔代数　　 293

11.7  编程举例　　 295

第12 章  定时器　　 298

12.1  定时器类型　　 298

12.2  对定时器编程　　 299

12.2.1  序列　　 299

12.2.2  级联定时器　　 301

12.2.3  循环开关定时器　　 302

12.3  延迟关定时器　　 302

12.4  脉冲定时器　　 303

12.5  编程实例　　 305

索引　　 306

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