基于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的可編程嵌入式信號處理背板的開發(fā)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ和ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ的可編程通用信號處理背板的設(shè)計(jì)和制作；并對Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的性能和特點(diǎn)進(jìn)行了分析；同時(shí)還敘述了可編程通用信號處理背板的調(diào)試；最后給出了背板應(yīng)用開發(fā)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：Ｖｉｒｔｅｘ系列 現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（ＦＰＧＡ） ＴＭＳ３２０Ｃ４０數(shù)字信號處理器（ＤＳＰ）

現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（ＦＰＧＡ）和高性能數(shù)字信號處理器（ＤＳＰ）是高速信號處理領(lǐng)域兩大關(guān)鍵器件，ＦＰＧＡ和ＤＳＰ的運(yùn)算速度及并行處理效能成為制約高速信號處理應(yīng)用的主要因素。ＦＰＧＡ以其設(shè)計(jì)靈活性及硬件高密度性在高速信號處理領(lǐng)域顯示出愈來愈重要的作用。Ｘｉｌｉｎｘ公司最新推出的Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ。是一種采用５層０．２２μｍ ＣＭＯＳ工藝的高性能、大容量現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，其系統(tǒng)門密度高達(dá)１００萬門，系統(tǒng)性能可達(dá)２００ＭＨｚ，可選擇配置為多種接口標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部含有豐富的布線資源，其ＳｅｌｅｃｔＲＡＭ和ＢｌｏｃｋＲＡＭ可靈活地配置為ＳＲＡＭ、ＦＩＦＯ、ＤＰＲＡＭ、ＣＡＭ等多種形式的存儲單元。Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ含有極其豐富的Ｉ／Ｏ資源，可靈活地與ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ接口，與ＤＳＰ配合可完成復(fù)雜的信號處理功能。Ｃ４０ＤＳＰ含有兩組外部總線資源和６個(gè)高速通信口，可方便地進(jìn)行多ＤＳＰ擴(kuò)展，以提高系統(tǒng)信號處理的性能。

在對Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ進(jìn)行充分理解和研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合對ＸＣ４０００系列ＦＰＧＡ和ＤＳＰ背板開發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研制出了基于ＸＣＶ２００／３００ＰＱＦＰ２４０和ＴＭＳ３２０Ｃ４０的可編程嵌入式高速信號處理背板。背板采用了針對系統(tǒng)需求自行開發(fā)的ＸＰＣＩ總線，背板可脫離實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的面向應(yīng)用的設(shè)計(jì)和調(diào)試，也可按照ＸＰＣＩ總線標(biāo)準(zhǔn)方便地嵌入到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，成為系統(tǒng)的一部分進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。

對可編程嵌入式信號處理背板進(jìn)行全面綜合測試的結(jié)果表明，背板性能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，工作狀態(tài)穩(wěn)定。我們還針對實(shí)際應(yīng)用開發(fā)了一些ＦＰＧＡ模塊和ＤＳＰ程序。

１ Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ性能簡介

在前幾代ＦＰＧＡ開發(fā)的基礎(chǔ)上，Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ結(jié)合了多種可編程系統(tǒng)的特征，采用了快速靈活的層次性互連布線資源和先進(jìn)的處理技術(shù)，提供了高速度、大容量的邏輯解決方案，進(jìn)一步縮短了數(shù)字信號處理系統(tǒng)的開發(fā)周期。與前幾代ＦＰＧＡ相比，Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的特性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（１）更高的處理速度和更高的邏輯門密度。Ｖｉｒｔｅｘ系列最大系統(tǒng)門數(shù)高達(dá)１００萬門，系統(tǒng)性能可達(dá)２００ＭＨｚ，其中比較常用的幾個(gè)功能模塊性能如表１所示。

表1 Virtex 系列FPGA幾個(gè)常用功能模塊的性能

（２）更多可兼容的Ｉ／Ｏ接口標(biāo)準(zhǔn)。Ｖｉｒｔｅｘ系列可兼容１６種高性能接口標(biāo)準(zhǔn)，可直接與ＺＢＴＲＡＭ器件接口，且其獨(dú)特的Ｉ／Ｏ分組方式可使多種不同電壓標(biāo)準(zhǔn)接口在同一片ＦＰＧＡ上實(shí)現(xiàn)。

（３）片內(nèi)時(shí)鐘管理電路。Ｖｉｒｔｅｘ系列內(nèi)部包含４個(gè)靈活的延時(shí)鎖相環(huán)用于高級時(shí)鐘管理，可實(shí)現(xiàn)倍頻、分頻、鎖相等功能，此外還有４個(gè)主全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)和２４個(gè)從本地時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)高速時(shí)鐘的傳輸。

（４）層次性存儲管理系統(tǒng)。Ｖｉｒｔｅｘ系列內(nèi)部查找單元可配置為１６ｂｉｔ和３２ｂｉｔＲＡＭ、１６ｂｉｔＤＰＲＡＭ或１６ｂｉｔ移位寄存器，其ＢｌｏｃｋＲＡＭ資源可配置為４ｋｂｉｔＤＰＲＡＭ或ＦＩＦＯ、ＣＡＭ等存儲器件，且提供了高速外部ＲＡＭ接口。

（５）更加靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。復(fù)雜的進(jìn)位邏輯鏈提高了算術(shù)邏輯性能，復(fù)雜的乘法器支持，級聯(lián)鏈支持寬位輸入模塊，豐富的帶時(shí)鐘使能的寄存器和鎖存器，支持異步和同步復(fù)位及置位，支持ＩＥＥＥ１１４９．１邊界掃描邏輯。

（６）基于ＳＲＡＭ的在系統(tǒng)可重構(gòu)技術(shù)?？蔁o限次重復(fù)編程，包含主串、從串、ＳｅｌｅｃｔＲＡＭ和ＪＴＡＧ四種配置模式，支持部分重構(gòu)。

２ 基于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的可編程嵌入式信號處理背板的設(shè)計(jì)

由于對Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ進(jìn)行了充分理解和熟悉，我們研制了基于自行開發(fā)的ＸＰＣＩ總線的可編程嵌入式信號處理背板。由于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，外部引腳兼容，只是在系統(tǒng)門數(shù)上有所區(qū)別，我們采用了ＸＣＶ２００ＰＱ２４０－４作為可編程嵌入式信號處理背板的主處理芯片，與ＦＰＧＡ接口的ＤＳＰ采用功能強(qiáng)大、接口靈活的ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ。背板中ＤＳＰ的應(yīng)用目的是對ＦＰＧＡ進(jìn)行管理和控制、對ＦＰＧＡ處理結(jié)果進(jìn)行分析、通過ＤＳＰ軟件實(shí)現(xiàn)其他相關(guān)功能，以提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。Ｃ４０ＤＳＰ具有兩組外部總線資源和６個(gè)高速通信口，能方便靈活地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展。背板中ＦＰＧＡ可根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇不同規(guī)模的芯片。

可編程嵌入式信號處理背板結(jié)構(gòu)如圖１所示。背板上主要包含１片ＸＣＶ２００ＰＱ２４０ＦＰＧＡ、１片ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ、１片ＸＣ９５３６ＣＰＬＤ、１片ＥＤＩ８Ｌ５１２ＳＲＡＭ（５１２Ｋ×３２ｂｉｔ）、１片ＡＴ４９０２０Ｆｌａｓｈ２Ｍｂｉｔ、ＤＳＰ調(diào)試ＪＴＡＧ接口、ＦＰＧＡ調(diào)試Ｘ＿Ｃｈｅｃｋｅｒ接口、ＣＰＬＤ調(diào)試ＪＴＡＧ接口、自行開發(fā)ＸＰＣＩ接口及５個(gè)獨(dú)立ＤＳＰ通信口。背板所有器件除ＤＳＰ外均采用貼片封裝、雙面裝焊，使得背板的尺寸較?。ǎ罚叮恚怼粒保玻罚恚怼粒保玻恚恚模樱型鈬担保玻恕粒常玻猓椋簦樱遥粒褪沟帽嘲逑到y(tǒng)能夠滿足大部分應(yīng)用程序的要求。２ＭｂｉｔＦｌａｓｈ用于固化ＦＰＧＡ配置和ＤＳＰ應(yīng)用程序代碼。背板系統(tǒng)既可以獨(dú)立工作（Ｓｔａｎｄａｌｏｎｅ方式），也可以通過ＸＰＣＩ總線嵌入系統(tǒng)工作（Ｐｌｕｇ＿ｉｎ方式）。

背板系統(tǒng)以４０ＭＨｚ晶振輸出作為時(shí)鐘，Ｃ４０ＤＳＰ工作在４０ＭＨｚ時(shí)鐘下，ＸＣＶ２００ＦＰＧＡ以４０ＭＨｚ時(shí)鐘作為輸入，在內(nèi)部通過ＤＤＬ電路可將內(nèi)部工作時(shí)鐘倍頻到１８０ＭＨｚ。ＤＳＰ通過本地總線（ＬＡ０．．３０、ＬＤ０．．３１）以ＴＴＬ兼容方式與ＦＰＧＡ接口，占用ＦＰＧＡ ６５ｂｉｔ Ｉ／Ｏ資源；ＤＳＰ通過本地總線對ＦＰＧＡ進(jìn)行配置、參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的協(xié)同處理。

Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ內(nèi)部供電電壓為２．５Ｖ，Ｉ／Ｏ通過ＶＣＣＯ和ＶＲＥＦ控制實(shí)現(xiàn)與各種電平接口之間的兼容；與ＴＴＬ兼容的ＶＣＣＯ控制電壓為３．３Ｖ，ＶＲＥＦ作為一般Ｉ／Ｏ使用；Ｖｉｒｔｅｘ的Ｉ／Ｏ分組方式實(shí)現(xiàn)使得不同電平接口得以在同一芯片設(shè)計(jì)中共存。

背板通過１６８線ＸＰＣＩ總線與外部系統(tǒng)接口，ＸＰＣＩ總線主要包含三大部分：電源接口、ＦＰＧＡ的可編程Ｉ／Ｏ口、ＤＳＰ接口。電源接口包括給ＤＳＰ、ＣＬＰＤ、ＳＲＡＭ及其他ＴＴＬ邏輯供電的５Ｖ電源，給ＸＣＶ２００ＰＱ２４０等Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ內(nèi)部工作邏輯供電的２．５Ｖ電源，Ｉ／Ｏ接口供電電平ＶＣＣＯ和分組參考電平ＶＲＥＦ（Ｂａｎｋ０～Ｂａｎｋ７ＦＰＧＡ可編程Ｉ／Ｏ接口主要提供了６４個(gè)從Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ引出的可編程Ｉ／Ｏ引腳，用于設(shè)計(jì)特定邏輯；ＤＳＰ接口提供了ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ主總線接口、中斷口和通信端口０及ＴＣＬＫ０和ＴＣＬＫ１，用于系統(tǒng)擴(kuò)展及與用戶程序之間的數(shù)據(jù)交換。

背板有豐富的配置及調(diào)試接口。Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ在板上可實(shí)現(xiàn)三種配置方式：從串方式（通過Ｘｌｉｎｘ專用Ｘ＿Ｃｈｅｃｋｅｒ接口）、ＪＴＡＧ方式（通過ＸＰＣＩ接口提供給用戶）、Ｓｅｌｅｃｔ＿ＲＡＭ方式（通過ＤＳＰ和ＸＣ９５３６ＣＰＬＤ實(shí)現(xiàn)）；ＤＳＰ調(diào)試通過專用１４芯ＪＴＡＧ接口完成；ＣＰＬＤ邏輯可通過標(biāo)準(zhǔn)ＪＴＡＧ電纜實(shí)時(shí)修改配置。ＤＳＰ其他５個(gè)通信口通過５個(gè)ＩＤＣ１４插座輸出，可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要選用。

３ 基于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的可編程嵌入式信號處理背板的調(diào)試

在信號處理背板制作完成之后，我們對背板進(jìn)行了調(diào)試，并開發(fā)了一些背板專用配置程序。

在調(diào)試過程中我們使用了ＷｈｉｔｅＭｏｕｎｔ公司的ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＤＳＰ開發(fā)調(diào)試軟件和Ｘｉｌｉｎｘ公司的Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ２．１ＩＦＰＧＡ＆ＣＰＬＤ開發(fā)調(diào)試軟件。為全面驗(yàn)證我們預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，調(diào)試按以下過程進(jìn)行：

（１）利用Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ２．１Ｉ通過Ｘ＿Ｃｈｅｃｋｅｒ接口向ＦＰＧＡ下載測試配置，ＦＰＧＡ響應(yīng)結(jié)果正確。

（２）利用ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒ通過ＪＴＡＧ電纜對ＤＳＰ內(nèi)部ＲＡＭ和外部ＳＲＡＭ進(jìn)行測試，測試表明硬件設(shè)計(jì)正確。

（３）利用Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ２．１Ｉ通過標(biāo)準(zhǔn)ＪＴＡＧ電纜對ＸＣ９５３６下載測試配置，ＣＰＬＤ響應(yīng)結(jié)果正確。

（４）利用Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ２．１Ｉ通過標(biāo)準(zhǔn)ＪＴＡＧ電纜對ＸＣ９５３６下載自行設(shè)計(jì)的ＦＰＧＡ專用配置，利用ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒ通過ＪＴＡＧ電纜對ＤＳＰ加載專用配置程序，使得ＤＳＰ完成對Ｆｌａｓｈ燒錄ＦＰＧＡ配置數(shù)據(jù)和ＤＳＰ的Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ數(shù)據(jù)。

（５）脫離開發(fā)系統(tǒng)，背板上電通過Ｆｌａｓｈ內(nèi)的配置數(shù)據(jù)自行ＦＰＧＡ配置和ＤＳＰ的Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ運(yùn)行結(jié)果正確。

４ 應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例

為進(jìn)一步驗(yàn)證背板的通用性，我們根據(jù)實(shí)際課題需求，在背板上開發(fā)了兩個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例。一個(gè)是３２０ＭＨｚ３２ｂｉｔ高速計(jì)數(shù)器。我們在以前開發(fā)的２００ＭＨｚ高速計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上，基于多路均勻相差時(shí)鐘信號在ＴＯＡ?xí)r刻進(jìn)行邏輯譯碼獲得高速計(jì)數(shù)效果的原理，通過外部４０ＭＨｚ輸入時(shí)鐘，利用ＶｉｒｔｅｘＦＰＧＡ內(nèi)部ＤＤＬ電路產(chǎn)生４路相差９０°的８０ＭＨｚ信號，形成３２０ＭＨｚ３２ｂｉｔ高速計(jì)數(shù)器，使得時(shí)間測量精度達(dá)到３ｎｓ左右。該設(shè)計(jì)可用于高精度ＴＯＡ、ＰＷ、ＲＦ等參數(shù)的測量。

另一個(gè)是基于內(nèi)容可尋址存儲器（ＣＡＭ）的關(guān)聯(lián)比較器。我們在充分分析Ｘｌｉｎｘ提供的ＣＡＭ＿Ｃｏｒｅ設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)了一種基于ＣＡＭ的可編程關(guān)聯(lián)比較器。該比較器采用中值比較法，可通過控制線控制比較范圍，并設(shè)計(jì)了一種專門對付捷變參數(shù)的多值比較邏輯。我們利用ＸＣＶ２００ＰＱ２４０實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)計(jì)，通過測試母板上的ＵＡＲＴ從控制臺微機(jī)上接收模擬輻射源數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，在輻射源參數(shù)空間重疊不太嚴(yán)重的情況下，該設(shè)計(jì)可同時(shí)處理８０個(gè)以上的裝定輻射源參數(shù)（１２８ｂｉｔＰＤＷ可包含捷變參數(shù)），且能達(dá)到較好的分選效果，可見它在偵察信號處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景是非常廣闊的。