Altera FPGA的选型及开发

FPGA系统设计与应用

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内容大纲
Altera的FPGA体系结构简介 Altera的FPGA选型策略 嵌入式逻辑分析工具SignalTAPII的使用 基于CPLD的FPGA配置方法
v v v v

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FPGA技术的发展历史和动向
电子器件：存储器、处理器和逻辑器件 v 存储器器件保存随机信息（电子数据表或数据库的 内容）； v 处理器执行软件指令，以便完成各种任务（运行数 据处理程序或视频游戏）； v 逻辑器件可以提供特殊功能（器件之间的通信和系 统必须执行的其它所有功能）。降低了成本、提高 了可靠性、缩小了物理尺寸

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逻辑器件分类
逻辑器件分成两类： v 固定的或定制的
固定的或定制的逻辑器件通常称为专用芯片 （ASIC）。ASIC是为了满足特定的用途而设计的芯 片，例如MP3解码芯片等。其优点是通过固化的逻 辑功能和大规模的工业化生产，降低了芯片的成 本，同时提高了产品的可靠性。
v 可编程的或可变的

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FPGA技术概念
v CPLD (Complex Programmable Logic Device) v FPGA (Field Programmable Gate Array) v 硬核：ARM、MIPS、POWERPC v 软核：Nios/NiosII v SOC： 片上系统 v SOPC：可编程片上系统 v IP核：知识产权

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可编程逻辑器件的优点
v 集成度高 v 缩短研制时间 v 体积小 v 性能高 v 可靠性高 v 保密性好 v 设计灵活(可编程、可再编程、系统内可再编程) v 通用性好 v JTAG板级和芯片级的测试

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FPGA的实现工艺分类
v 基于SRAM的FPGA，如Altera，Xilinx等
优点：灵活； 缺点：易受干扰；
v 反融丝结构FPGA，如Actel，Quicklogic等
优点：稳定； 缺点：灵活性差
v Flash结构FPGA，如Actel，Lattice等
优点：灵活，稳定； 缺点：厂家影响力小

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两大FPGA厂商的代表产品

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FPGA技术的发展动向
v 基于FPGA的嵌入式系统（SoPC）技术正在成熟(Altera
公司的NIOSII解决方案)

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v FPGA芯片向高性能、高密度、低压和低功耗的方向
发展
v 基于IP库的设计方法

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v FPGA的动态可重构技术
动态可重构的FPGA主要适用于以下的两个系统设 计： ①最新通信系统：FPGA的动态重构特性可以适应不同 体制和不同标准的通讯要求，满足软件无线电技术 的发展和第三代（3G）和第四代（4G）移动通信系 统的需要。 ②重构计算机：FPGA具有并行处理能力和动态配置能 力，促使了全新概念的可自动改变硬件来适应正在 运行的程序计算机的产生。

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FPGA的典型应用(一)
接口逻辑控制器 --提供前所未有的灵活性
v ISA,PCI,PCI Express,PS/2,USB等接口控制器 v SDRAM,DDR SDRAM, QDR SRAM, NAND Flash,
NOR Flash等接口控制器 v 电平转换,LVDS,TTL,COMS,SSTL等

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设计实例一：立体三维图像分配器
v 立体三维图像分配器的存储器接口设计
基本功能：将输入的立体视频（1024×768,24bit@60Hz）分成两路（奇数帧 一路，偶数帧一路），每路的帧频仍然是60Hz。 1。存储器类型：SDRAM或者DDR SDRAM 一帧图像大小：1024×768×24bit/3，大约2M Bytes。采用乒乓结构，需 要2帧图像，至少要4M Bytes的存储器。 2。存储器位宽：96位 输入：每帧2MB，每秒60帧，约120MB； 输出：每路约120MB，两路240MB； 累计的数据吞吐率为360MB。如果采用8Bit位SDRAM，SDRAM时钟至少要达 到360MHz！（不可能） 增加位宽到96位, SDRAM时钟可以降低到30MHz！

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实物图片

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FPGA的典型应用(二)
高速数字信号处理(DSP) --提供前所未有的计算能力
v v v
无线通信领域,如软件无线电(SDR) 视频图像处理领域,如高清数字电视(HDTV) 军事和航空航天领域,如雷达声纳

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设计实例二：视频图像处理系统
v 高速图像压缩系统
设计需求： 1920×1080，30帧/秒图像，采用H.264 Intra模式编码，实 时传输。 计算量: 传统DSP： 1GHz C6416 ，需要4颗； FPGA： 单颗， Altera EP2S180

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FPGA的其他应用
其他应用领域 v 汽车, 如 网关控制器/车用PC ,远程信息处理系统 v 军事,如安全通信 ,雷达和声纳,电子战 v 测试和测量,如通信测试和监测 ,半导体自动测试设 备 ,通用仪表 v 消费产品,如显示器/投影仪 ,数字电视和机顶盒 ,家庭 网络 v 医疗,如软件无线电 ,电疗 ,生命科学 v 通信设备,如蜂窝基础设施 ,宽带无线通信,软件无线 电(SDR)

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基于FPGA的嵌入式系统实例
v 主要的嵌入式解决方案
Altera公司 NIOSII / ARM9方案 Xilinx公司 MicroBlaze/Power PC方案 Actel公司 ARM7方案