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1、Altera Cyclone IV GX系列的特性及FPGA开发套件的设计方案介绍Altera 公司的Cyclone IV 系列FPGA包括两个系列：Cyclone IV E和Cyclone IV GX,具有低成本、低功耗的FPGA 架构，6 K 到150 K 的逻辑单元，高达6.3 Mb 的嵌入式存储器，小于1.5 W 的总功耗；Cyclone IV GX 器件提供高达八个3.125 Gbps高速收发器，用于大批量，成本敏感的应用如无线、有线、广播、工业，用户以及通信等行业。本文介绍了Cyclone IV 器件系列主要特性，收发器通道框图以及Cyclone IV GX FPGA开发套件主要特
2、性，框图，电路图和材料清单。Altera 新的CycloneIV 系列 FPGA 器件巩固了Cyclone 系列在低成本、低功耗FPGA市场的领导地位，并且目前提供集成收发器功能的型号。Cyclone IV 器件旨在用于大批量，成本敏感的应用，使系统设计师在降低成本的同时又能够满足不断增长的带宽要求。Cyclone IV 器件系列是建立在一个优化的低功耗工艺基础之上，并提供以下两种型号： Cyclone IV E- 最低的功耗，通过最低的成本实现较高的功能性 Cyclone IV GX- 最低的功耗，集成了3.125 Gbps 收发器的最低成本的FPGACyclone IV 器件集成了一个可选
3、择的低成本收发器，在未影响性能的情况下，节省了功耗及成本。针对无线、有线、广播、工业，用户以及通信等行业中的低成本的小型应用，Cyclone IV 器件无疑是最理想的选择。Cyclone IV 器件系列主要特性： 低成本、低功耗的FPGA 架构： 6 K 到150 K 的逻辑单元 高达6.3 Mb 的嵌入式存储器 高达360 个18 18 乘法器，实现DSP 处理密集型应用 协议桥接应用，实现小于1.5 W 的总功耗 Cyclone IV GX 器件提供高达八个高速收发器以支持： 高达3.125 Gbps 的数据速率 8B/10B 编码器/ 解码器 8-bit 或者10-bit 位物理介质附加
4、子层（PMA） 到物理编码子层（PCS） 接口 字节串化器/ 解串器（SERDES） 字对齐器 速率匹配FIFO 公共无线电接口（CPRI） 的TX 位滑块 电路空闲 动态通道重配置以实现数据速率及协议的即时修改 静态均衡及预加重以实现最佳的信号完整性 每通道150 mW 的功耗 灵活的时钟结构以支持单一收发器模块中的多种协议 Cyclone IV GX 器件对PCI Express （PIPE）（PCIe）Gen 1 提供了专用的硬核IP: 1,2, 和4 通道配置 终点和根端口配置 高达256-byte 的有效负载 一个虚拟通道 2 KB 重试缓存 4 KB 接收（Rx） 缓存 Cyclo
5、ne IV GX 器件提供多种协议支持： PCIe （PIPE） Gen 11,2, 和4 （2.5 Gbps） 千兆以太网（1.25 Gbps） CPRI （ 高达3.072 Gbps） XAUI （3.125 Gbps） 三倍速率串行数字接口（SDI）（ 高达2.97 Gbps） 串行RapidIO（3.125 Gbps） Basic 模式（ 高达3.125 Gbps） V-by-One（ 高达3.0 Gbps） DisplayPort（2.7 Gbps） 串行高级技术附件（Serial Advanced Technology Attachment （SATA）（ 高达3.0 Gbps）
6、OBSAI（ 高达3.072 Gbps） 高达532 个用户I/O 高达840 Mbps 发送器（Tx）， 875 Mbps Rx 的LVDS 接口 支持高达200 MHz 的DDR2 SDRAM 接口 支持高达167 MHz 的QDRII SRAM 和DDR SDRAM 每器件中高达8 个锁相环（PLLs） 支持商业与工业温度等级Cyclone IV 器件系列体系结构这一部分介绍了Cyclone IV 器件的体系结构，其中包括以下几方面内容： FPGA 核心架构 I/O 特性 时钟管理 外部存储器接口 配置 高速收发器（ 仅适用于Cyclone IV GX 器件） PCI Express 的
7、硬核IP（ 仅适用于Cyclone IV GX 器件）FPGA 核心架构Cyclone IV 器件采用了与成功的Cyclone 系列器件相同的核心架构。这一架构包括由四输入查找表（LUTs） 构成的LE, 存储器模块以及乘法器。每一个Cyclone IV 器件的M9K 存储器模块都具有9 Kbit 的嵌入式SRAM 存储器。您可以把M9K 模块配置成单端口、简单双端口、真双端口RAM 以及FIFO 缓冲器或者ROM,通过配置也可以实现表1-7 中的数据宽度。Cyclone IV 器件中的乘法器体系结构与现有的Cyclone 系列器件是相同的。嵌入式乘法器模块可以在单一模块中实现一个18 18
8、或两个 9 9 乘法器。Altera 针对乘法器模块的使用提供了一整套的DSP IP,其中包括有限脉冲响应（FIR）， 快速傅里叶变换（FFT） 和数字控制震荡器（NCO） 功能。QuartusII 设计软件中的DSP Builder 工具集成了MathWorks Simulink 与MATLAB 设计环境，从而实现了一体化的DSP 设计流程。图1.Cyclone IV GX 器件的收发器通道框图Altera Cyclone IV GX FPGA开发套件Altera Cyclone IV GX FPGA开发套件为迅速开始开发低成本、低功耗FPGA系统级设计提供了全面的、同类最佳的设计环境。该套
9、件帮助您缩短了产品开发周期，使您能够更迅速的将产品推向市场，树立新的产品里程碑。采用这一平台，您能够：使用Cyclone IV GX PCI Express硬核知识产权（IP）和PCI-SIG兼容电路板，开发并测试PCI Express Gen1 x1、x2、x4端点设计。使用板上DDR2存储器，通过其扩展功能，高速中间链接卡（HSMC）连接器，开发并测试多通路协议桥接设计。Altera合作伙伴提供30多种不同的HSMC,以及CPRI、SATA和SDI等支持协议。重新使用套件电路板测试系统提供的实例设计，加速您的FPGA设计。针对您产品的低成本和低功耗电路板，使用套件的主板作为设计模型。Cyc
10、lone IV GX FPGA开发套件包括：Cyclone IV GX FPGA开发板（参见图1）安装的器件F896封装的Cyclone IV GX EP4CGX150N FPGA配置状态和设置单元通过MAX II EPM2210 CPLD和闪存进行被动串行（PS）配置使用QuartusII编程器的板上USB-BlasterTM下载电缆时钟板上时钟振荡器：50 MHz、100 MHz（可设置）和125 MHz用于外部时钟输入的SMA连接器用于时钟输出的SMA连接器通用用户输入和输出LEDLCD显示屏按键和双列直插封装（DIP）开关存储器件128-MB DDR2 SDRAM,支持32位数据总线。
11、64-MB同步闪存和4-MB SSRAM元件和接口PCI Express边沿连接器10/100/1000-Mbps以太网PHY,提供RJ-45连接器。两个HSMC连接器电源测量电路电源笔记本计算机直流输入PCI Express边沿连接器电源其他特性PCI Express短卡符合RoHSCyclone IV GX FPGA开发套件软件组成设计实例电路板更新入口，含有NiosII处理器网络服务器，支持远程系统更新。电路板测试系统免费的Quartus II网络版软件，包括对Cyclone IV FPGA的支持，以及：Nios II嵌入式设计套装MegaCoreIP库包括PCI Express、三速以
12、太网、SDI和DDR2高性能控制器MegaCore IP内核通过OpenCore Plus进行IP评估回环和调试HSMC电源适配器和电缆图2.Cyclone IV GX FPGA开发套件外形图和主要元件分布图The board features the following major component blocks: Cyclone IV GX EP4CGX150DF31 FPGA in the 896-pin FineLine BGA （FBGA）package 1.2-V core power MAX II EPM2210GF256 CPLD in the 256-pin FBGA pa
13、ckage 1.8-V core power FPGA configuration circuitry MAX II CPLD EPM2210 System Controller and flash fast passive parallel （FPP） configuration Active serial configuration On-board USB-BlasterTM for use with the Quartus II Programmer JTAG header for external USB-Blaster with the Quartus II Programmer
14、On-Board ports Embedded USB-Blaster One gigabit Ethernet port Communication ports PCI Express （PCIe） edge connector 10/100/1000BASE-T Ethernet PHY with RJ-45 connector Two High-Speed Mezzanine Card （HSMC） interfaces On-Board memory 4-MB （x16） Synchronous Static Random Access Memory （SSRAM） Two 32-MB
15、 （x32） DDR2 SDRAM 64-MB flash On-Board clocking circuitry 50.000-MHz oscillator 125.000-MHz oscillator SMA clock input SMA clock output Programmable oscillator （default: 100.000-MHz） General user I/O LEDs and display Eight FPGA user LEDs One configuration done LED One error LED Five Ethernet status
16、LEDs One USB status LED One power status LED Five configuration LEDs A two-line 16-character LCD display Push-Button switches One CPU reset push-button switch One MAX II configuration reset push-button switch One program-load push-button switch-configure the FPGA from flash memory One program-select
17、 push-button switch-select image to load from flash memory or serial configuration （EPCS） device Four general user push-button switches DIP switches Board settings DIP switch JTAG chain select DIP switch PCIe control DIP switch Configuration settings DIP switch User DIP switch Power supply 16-V DC input 2.5-mm barrel jack for DC power input On/Off slide power switch On-Board power measurement circuitry 20-W per HSMC interface Mechanical PCIe small form factor board Bench-top operation