浅谈FPGA设计中的属性标志;.pdf

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1、浅谈FPGA设计中的属性标志 第六图书馆 本文主要介绍FPGA设计中属性标志的加注方法,LCA的命名规则,常用的几种属性标志,及其含义、特点和用法。本文主要介绍FPGA设计 中属性标志的加注方法,LCA的命名规则,常用的几种属性标志,及其含义、特点和用法。现场 可编程门阵列 属性标志 FPGA 设计电讯技术蒲小双不详1996第六图书馆 第六图书馆 第 3 6卷第 5 期 1 9 9 6年 1 0月 电 讯 技 术 vo 3 6 No 5 TE 1 E C OMM UNI C ATI ON E NGI NEE RI NG 0C t 1 9 9 6 学术论文与技术报告 浅谈F P GA 设计 中的

2、属性标志 王 。 蒲小双一 几种属一 )生标志 ， 及 其含义、 特点 和用 法。 一 、 日 IJ 昂 随着 可编 程器 件的发 展 ， F P GA 得 到 了 广泛 的应 用 。许多文章都提及过F P GA 的优 点 这里不再赘述 ， 本文着重介绍F P GA 的一 个特殊之 处一F P GA 的属性标志 与其它 的AS I C或 者P C B板 电路 的设计 相 L F P GA， L CA 设计 最大 的不 同之 处在于 L C A 的 图形输人 过程 中， 给设计 图中的一些 元件 ， 宏单元等加注属性标志 。 这些属性标志 对系统 逻辑功 能没有 什么影 响 但对L C A 应

3、用开 发 软件 的设 计实 现的过程 而 言， 将影 响 到它 的布局 ， 定位 布F线 。 标 注恰 当 ， 将大大 提高L C A的设计利用效率和系统性能。 如 果电路系统 设计 没有采用恰 当的属性 标志而完全 由软件 自动定位、 布局、 布线， 在 每 次 执行Xma k e程序 时， 由于 软件算 法有 异 带来 电路定位、 布局、 布线每次的结果都不尽 相 同 ， 引起 电路 内部相对 时延不 同， 从而对系 t本文 于1 9 9 6年5月2 0日啦到 电子工业 部第 十研究 所 3 弋 ? i 1 O 2 F ， 彼 法 ， L C A 的命名规 则 ， 常 用的 统 的性 能造

4、成 影 响 ， 情 况严重 时 还会 引起 电 路工作不 正常。 相反 地 ， 如果 对 系统 电路 中某 些逻 辑 电 路或 者某些 网路加 注属性 标志 ， 便 可 以确定 电路在FP GA 的绝对位置 。即使 系统在设计 中新 增加某 些 电路 或者减 少某 一些 电路 ， 也 使得每次 在文件转换过程 中都保证 原有 电路 的定 位 ， 布局不变 ， 相对的 时延关 系不变 。这 对时钟频率较 高的系统尤 为重要 。 F P GA XC 4 0 0 0系列 的可 编程 功能模 块 ( CL B) 内部资 源相 当丰 富。一 个C LB中包含 3个 功 能发 生 器 、 2个 触 发 器

5、、 容许 多 达9个 输人 端、 4个输 出端 。而仅靠软件 自动完 成对 C L B资源 的使用其 结果往 往不完 全尽 人意 ， 恰 当地 使 用 属 性 标 志 ， 可 充分 利 用C L B资 源， 大大 提高F P G A 的利用率 。 二、 属性标志的加注方法 在Vi e wd r a w L CA设 计原理 图输人 过 程 中 ， 可通过 以下 两种 方法对 所需 加注属 性 的元件 、 宏单元等 加注属性标志。 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 1 加注属性标 志命令( Ad d At t r i b u t e ) 通过加 往属 性标 志命令把 属性 以及 属性 值做为文字方

6、式在命令行 中输入， 其操作步 骤 如下 ： *用 鼠标左 键在原理 图中选 中需 加注属 性的元件 ； *用 鼠标 左 键 点亮 主 菜单 ， 并 选 中Ac i d At t r ； 或者直接 在命 令 行中 用键盘 输入a t t r 命 令 ， 按 回车键 ； *按 鼠标 中键 ， 命 令行 提 示 请输入 所需 加注属性 ； *在命 令行 中通 过键盘 输入 属性 名称 以 及属性值 ； 例 如 L OC=CL B- - - - R5 C4 FAST 2 -改变属 性标 志命令( C h a n g e A t t r i b u t e 利 用 改变属 性标 志命 令 ， 通过 对

7、话 窗 口 可 以加 注或是 修 改 已经加 注 的属性 ， 其操 作 步骤如 下 ： *用 鼠标 左键在原理 图 中选 中需要 加注 或是修改已经加注的属性标志的元件 ； *用 鼠标左 键 点亮 主 菜单 ， 从 菜单 中选 中C h a n g e At t r 一 D i a 1 。 g Al 1 或 者 直 接 在 命令行 中用键 盘输 入CA命 令 ， 按回车键 这 时在屏幕上出现一个对话窗 口， 其 内容分别 有 ： 属 性名 称 、 符 号 值 、 元 件 属 性 值 ； 例 如 ： LOC *在对话 窗 口的属 性名称行用 鼠标激活 该行 ， 便 可加 入新 的属 性标 志或

8、修 改 已经存 在的属性标志 名称 ； *在元件 属性值行 中加注元件 属性 值或 是 修改 已经存 在的元件 属性值 ； 例如 ： CL B R 1 C1 三、 几种常用的属性标志介绍 F P GA 设计软件为设计者提供 了较多的 属性标志、 虽然不是所有属性部是必需的， 但 是 ， 这些 属 陛标 志 会 为设 计 者提 供额外 的控 制 。 由 于 F P GA 硬 件 系 列 包 括 XC2 0 0 0 、 X C3 0 0 0 、 XC4 O 0 0 、 等 ， X C3 0 0 0系 列 又 包 括 XC3 0 0 0 A I ， 、 XC3 1 0 0 ， XC4 o o o 系

9、 列 包 括 XC4 0 0 0 A、 XC4 0 0 0 H、 XC4 0 0 0 E， 每 一种 系列 都有 自己独 特 的属性 标 志 ， 而 一些 属 性标 志 又适 用 于 各种 系列 ， 所 以对 于F P GA 属性 标 志而言其种类较多， 运用较为复杂 、 以下主要 介绍 是 以XC4 0 0 0系 列 为 例 ， 几 种 常 用 属 性 标志的 含 业及 特点 、 应用 1 BI KNM一 模块名称属性标 志 BL KNM 属 性标志主要 用于对I P GA 的 C L B( 可编 程 逻 辑 功 能 块) 命 名 ， 适 用 于F P GA 所有 系列 。 要正确 使用B

10、L KNM 属性标志必 须首 先 了船F P GA 的命 名规 则 原理 图设计 输入 中， 设 计者定 义 的功 能 块 符号 名称 和 信 号线 、 总线 名称 的命 名 依 照 如下 的规 则 ： *只能使 用字 符 A z 、 a z ， 数 字 0 9 以及 下 划线 ， 连 字 符” 一”， 在名 称 中 不 能包 含其 它 字符 ； *每 一命 名的名称 中至少 包括 一个 非数 字 的字符 ； *名称 的 长度 不能超过1 0 2 4字符 ； *设 计 者 定 义 的 功 能块 符 号 不 能 使 用 F P GA保 留使用 的字符 ， 例如 ： 设计者 不能将 C LB的名称

11、 定 义 为AA、 B B( X C3 0 G 0系 列 ) ： 功能 块 的 输入 输 出P I N 不 能 定 义 为 I 1 、 I 2 ； 不 能将F P GA 的I O 端 口P AD定 义 为I AD1 ， P AD2 ， 不 能使 用TD0 、 B S CAN、 M0 、 M1 、 M2 等字符 因为这些字符在X A C T软件 中保 留 使用 ， 且具 有特定 的含义 。 *注意 连字 符“ 一 ” 的 使用 ， 在Vi e wl o g i c 仿 真软件 中 ， 连 字符“ ” 具有 特殊的含 义。 当 原理 图中 的功 能块名称或信 号线网路 名称 的 第 一个字 符是

12、连字 符“ 一 ” 时 、 仿 真软 件 在仿 真 过 程中会 出现错误 0 3 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 如果在原理 图设计输人过程 中， 有不少 于一个 的元件加 注同样 的B L KN M 属 性标 志， 其属 胜值相同， X i l i n x的x A c T软件会试 图将这 些具 有同样B L KNM 属 性标志 的元 件 映射在 同一 个CL B中。相反 地 ， Xi l i n x软 件 不会将具有不同B L K N M 属性标志的元件映 射在 同个CL B中。 同样 地 ， 如 果F MAP或HMAP符 号具有 相同 的B L KNM 属 性 标志 ， Xi l i n

13、 x软 件 也 会 将 相关的功能 发生器映射在 同一个cL B中。 利用B LKNM 属性标志 可以完整 地分 配 一 个c L B资源给某部分电路使用， 而不需考 虑这 部分电路 的实际物理 位置在 芯片 的什 么 地方 B L KNM 属性标志可 以在原理图输 人过 程 中加 注 ， 就 阶层 结 构 的设 计 而 言 ， 不 同的 CL B命 名必须是唯一的 。 对于Xi l i n x公 司 的F P AG 器 件 ， 由于 系 列不同， 一个cL B的资源包含的内容也不尽 相 同 。 i l XC4 0 0 0系列而言 ， 在一个c LB中最 多 能放 置两个 触发器 、 两个F

14、MAP功能发 生 器 、 一个HMAP功能发生器 。 以下所列器件使 用B L KNM 属性标 志有 效 ： * XC 4 0 0 0系列触发器宏单元 ( FDCE、 FDP E) * XC 3 0 0 0系列触发器宏单元 ( FDCE) *XC2 0 0 0系列触发 器宏单元 ( FDCP、 LDCP) * I O缓 冲器阻及内部触发器、 锁存器 ( I BUF、OBUF、OBUFT、I LD、I FD、 OFD、 OFDT) *接 12 1 宏 单 元 ( P A D、 I P AD 、 OP A D、 BPAD、 UPAD、 PADU ) *I O模 块 ( I OB) *可编 程模 块

15、( C L B) *三态缓冲器( B U F T) *影 像 控 制 符 号 ( c LB MAP、 F MAP、 H M A P) 句法： B L K N M 属性标志的句法如下： BLKNM = b l o kn a me 这 里b l o k n a me字 符 的命 名 方 法 如 上所 述， 必需满足X i l i n x软件的命名规则。 2 F As T加速 属性 标 志 F AS T 属性标 志 用 于加 快输 出缓 冲器 、 输出触发器 、 输 出端 口的转换速度 ， 缺 省值为 s L Ow 。 当给输 出缓 冲器、 输 出触发 器 、 输 出 端 口加注 该 属性标 志 时

16、 ， 虽能加 快这些 元件 的转 换速度 但 同时也增加 了电路噪声 、 增加 芯片的功耗 。 F AS T 属 性 标 志 适 用 于 XC3 0 0 0系 列 、 XC3 0 0 0 A L系列 、 XC 4 0 0 0系列 和XC 4 0 0 0 A 系列 。 F AS T属性标 志可用 于以 下所 列 的器件 符 号 ： *I O 功能模 块 ： OB uF、 OB uF T、 OF D、 OFDI 、 OFDT、 OFDTI 、OP AD、I OPAD、U PAD *特殊 功能处理 符号 ： TDI 、 TMS、 T CK 3 I NI T初始化属性标志 I NI T 属 性 标志

17、适 用 于XC4 0 0 0系 列 和 XC 4 0 0 0 A H 系列， 该属性标志 主要用于对 4 0 0 0系列F P AG 片 内ROM 初 始 值 的 设 定 根据ROM 的容 量 不 同 ， 初 始 值 由四 位或 八 位十六进 制数表示 。 如 果在 设计过程 中使用了F PGA 的片 内 R OM 而没有给定初始值 ， 软件 会 自动提示 出错信息。一但给R O M 设定初始值， 当F P GA 在上 电配置 时 ， 便 自动 完成 对 片 内ROM 初始值的设 置。 例 如 ， 对 于ROM1 6 X1器 件 ， 即长 度 为 1 6 b i t ， 宽 度 为 1 b i

18、 t的 串行ROM， 当初始 值 为： I NI T一 1 07 A 可 从 该ROM 中 读 出 的 数 据 流 为 ： 0 0 01 00 0 0 1 0 1 】 01 1 1 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 4 L 0c 一 模块定 位属 性标 志 模块 定位属 性 标 志适 用于所有 的FP AG 系列 。 在设计中， 设计者往往希望能控制某些 I O 端 口或 逻辑 块 在L CA 内的 位置 ， 或 者 把 某 些 电路放 置在F P GA 内 的某一 固定位 置 ， 为 此可使用L OC模 块定位属性标 志。 L OC模 块 定 位属 性 规定 了原 理 设 计 图 中器件 在

19、F P GA 内 的确 定位 置 ， 这些 位 置 可 以是单一的位置 ， 或者是 一系列位置， 也可以 是某 一确 定 的 区域位 置 ，L OC属性 可 以在 原理 图输 人 过程 中加 注， 也可 以通过 文 本编 辑属性控 制文件 C S T 设定 。 L OC模块定位属性标志可用于下列元 器件 *BUFTS *可 映射 到C L B模块 中的器 件 触发 器 、 F M AP、 HM AP、 CL B M AP、 C L B S *可 映 射 到1 0 功 能 模 块 中 的 器 件 ： P ADS、 I B UF S 、 OB UF S 、 I NF F S D 等 *XC4 0

20、0 0系列 的线与器件 ：WAN DS *系统时钟缓 冲器 ：B UF GS、 B UF GP 以 下举 例 说 明L OC模 块 定 位 属 性标 志 的用 法 。 表1 单 一位置控 制 ( 以XC 4 0 0 0为例 ) 属 性 功 能 描 述 L ( ) C=C LB _ R3 C 5 把逻辑功能块放置在F P GA第3行、 第5列的C LB中 L OC=CL BR4 C6 F F X 把 加注 该属 性 标志 的 触 发器 放 置 在第 4行 、 第 6列CL B 中的x触 发 器 中 把加注该属性标志的组 合逻辑功能块放置在F P GA第6行、 第3列CL B内的F L OC C

21、LBR6 C3 F 功 能发 生 器 中 把 加注该属性标 志的组合逻辑功能块放置 在F P GA第6行、 第3列CL B内的 L oC C L BR6 C3 G G 功能 发生 器 中 把 加 注该 属 性 标 志 的总 线 三 态 缓 冲 器放 置 在F P GA 第 2行 、 第1列CL B的 上 L OC =TB UFR2 C 1 1 边 表2系列位置控 制 属 性 功 能 描 述 L 0C=CL BR3 C* 把逻辑功能块放置在F P GA第3行任何位置的CL B中 L OC=CL B=R*C6 把逻辑功能块放置 在F P GA第6列任何位置的cL B中 把加注该属性标志 的组合逻辑

22、功能块放置 在F P GA第6行 、 第3列CL B内的F L OC CL B R6 C3 F 功 能发生 器 中 表3区域位置控 制 属 性 功 能 描 述 L 0C 把 逻辑 功 能 块 放置 在F P GA 的 以第 1行 、 第 1 列 为左 上 角 ， 第 5行 、 第5列 = CL B RI C1 CLB R5 C5 为右 下角 的 区域 范围 的CL B 中 U0 C 把总线三态缓 冲器放置在左上角为第1行、 第1列 ， 左下角为第2行 、 第八 =TB UF R1 Cl ： TB UF R2 C8 列 的区域 范 围 中 3S 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 表 禁止 位置

23、控 制 l 属 性 功 能 描 述 禁 止 把加 有该 属性 标 志 的逻 辑 功 能 块 中的触 发器 放 置 在 第5行任 何位 置 L OC C L 3 R5 C* F F Y 的C LB中之Y 触 发器 内 L 0C 禁止把加有该属性标志的逻辑 功能块放置在 以左上角 为第1行、 第1列， CI B R1 C1 CL I 3 一 R5 C5 右上角为第5行 第5刊为区域范围的CL B中 5 NE T一 网路属性标志 给一 些 特定 的网路 附加 属 性标志 ， 可影 响L CA 设计 时的分 医、 布局 、 布线 。 其 常用 的 网路属性标 志如 下 ： * c关键 网路属性标志 当

24、定 义 一 网路 为C关 键 网路 时 ， 软 件运 行映 射 、 布 局 、 连线 将优选考 虑 该网路 ， 设 法 使该 网 路的路 经最短 ， 时延最小 。 注意 ， 最好不要过多使用该 属性标 志 ， 过 多使用关键网路属性标志会降低系统连线的 布通率 ， 而不能 有效 地提 高系统性能 。 * s 一暂存网路属性标志 在 一个 比较大 的系 统设 计过 程 中 ， 有时 某些信号线暂时没有与其它逻辑相连或者与 I O 端 口相 连 ， 而这 些信 号线 又是 必须 的 ， 这 时 ， s 一 暂存 网 路属性标 志就显得 很有 用 处。 当给这些暂时没有用到的信号线加注s属性 标志时

25、 ， 软件运行就不会把这些加有该属性 标志的信号线以及与这些信号线相关的逻辑 电路删 除 ， 而是 给予保 留。否则 ， 在做Xma k e 时， 软件会 自动删除那些没有连线的信号线 以及 与之相 关的逻辑 电路 。 *x一显 示网路 ( 或称 外部 网路 ) 属 性标 志 当给 一 个 网 路 加 注x显 示 网 路 属 性 ( 或称外部网路属性) 标志时， XN F MAP或 P P R保证不将加注有该属性标志的网路与 其它网路合并到同一个c L B中。 例如， 在一个组合逻辑门电路与触发器 之 间 的 连线加 注x 显示 属性 标 志 ， 软 件布 局时会把组合逻辑门电路与触发器电路分

26、配 在 不 同的CL B之 中。 3 6 这 样做 的 结果会 降低C L B 的使 用 率 ， 但 是 ， 对 某 些设 计 者较 为关 心的 网路加 注该属 性标志 。 可保证加注有该属性标志 的网路在 CLB的 输 出 端 口上 ， 并 通 过XD E 可 直 接 看 到 。 四、 属性标 志应用实例 例在 一个CL B中实现 3计数分 频 实现 一 个 3的分频 电路 的方法 很 多 ， 下 面 介 绍 的 电 路适 用 于高 速 分 频 且 占用 的 CL B资源 最少 ， 利 用适 当属性标 志可 以将 电 路分配在一个C L B中， 如果选用6 n s器件， 时 钟频 率最 高可

27、到1 0 0 MHz 。 电路原 理图如图1 所 示 ： X广厂厂广 图1 3电原 理雷及 输 入 、 输 出波 形 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 如果 将 上 面 电路 中的 元 件加 注 属 性 标 志 。 可 以定义 2个触 发 器 以及 组合 逻 辑 r J 电 路 在FP GA 确 切位置 ， 而 且将该 电路 放置 在 同一个CL B 中。比如在 电路设计 u ,i ) t l 注如图 LOC=CLB- RI CI F LC X ；CLB- R1 C1 G 2所示 的属性标 志 ， 对于X C 4 0 0 0系列 的器件 将该 电路4 吏 射在一个c LB中 ， 如 图3所 示

28、 图 2 Wi e v d r a w 图形输 的 电原理 图及 属性 标 往 日3 L CA 内部 布局 、 布 线示 意 图 五 、 结 束 语 对于初次使用F P G A器件者， 往往忽 略 了属性 标志 的使 用 。Xi l i n x公司 的F P GA 软 件为设计者提供了较多的设计 自由度。虽然 相应 的属性标志较多， 功能繁杂， 不易掌握 ， 显得 电路在设计 阶段较为复杂 ， 但是 ， 正确 地 使用各种属性标志， 将大大提高电路的性能、 可靠性 以及器件的有效利用率。 作者在实际的电路设计中， 充分体会到 正确使用属性标志给设计带来极大优越性。 利 用 一 片F P GA

29、XC4 0 O O -6 P G1 9 1 M ， 在 某 型号抗干扰通信系统中完成系统同步捕获全 部数字信号处理 。内容包括： 跳频时钟的产 生， 同步信号的产生， 数字话音 的速率调整， 同步信息与数字话音的交织 ， 信息的加绕与 解 绕 ， 差 分编 码 ， 信 息 与DS码进 行直 扩加扩 处理， 接收位同步提取， 跳频捕获、 跟踪、 同步 以及保持 电路工作性能稳定， 芯片的利用已 到极限 。 如果仅仅靠X ma k e自动映射、 布局 ， 布线要在一片X C4 0 1 0中实现如此多的功能 是 不可能 的。 参 考 文 献 1 Th e P r o g r a mma b l e

30、L o g i c Da t a B o o k 1 99 4 2 XACT Us e r L i b r a r i e s Gu i d e 1 9 9 4 3 Vi e wl o g i e I n t e r f a c e Us e r Gu i d e 1 9 9 4 37 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 The Appl i c a t i ons o f At t r i b ut e s i n FPG A Pu X i ao s huang ( Th e Te n t h I ns t i t u t e o f M i n i s t r y o f El e c t

31、r o n i c s I n d u s t r y) Ke y W o r d s： Fi e l d Pr o g r a mma b l e Ga t e Ar r a y( FPGA)， c o n f i g u r a b l e Lo gi c Bl o c k( CLB)， At t r i b u t e Ab s t r a c t ： Th i s p a p e r d e s c r i b e s t h e me t h o d o f a d d i n g a t t r i b u t e s t O t h e s c h e ma t i c a n

32、d c o a v e n t i o n s o f FP GA n a me s f o r n e t s， b u s e s ， s y mbl e s ， M e a nwh i l e， t h e p a p e r l i s t s a n d d e s c r i b e s s o me a t t r i bu t e s a n d a p p l i c a t i o n s o f t h e XI LI NX a t t r i b u t e s ( 上接 第 3 l页) Dy na m i c Si m ul a t i on of RR i n M

33、i c r owav e Uni t e d M e a s ur i ng and Co nt r ol Sy s t e m Li Run zhi ( Th e Te n t h I n s t i t u t e o f M i n i s t r y o f El e c t r o n i c s I n d u s t r y) Ke y W o r d s： M i c r o wa v e Uni t e d Me a s u r i n g a n d Co n t r o l S y s t e m ， Do p p l e r Dy n a mi c S i mu 1 a

34、 t r o n Ab s t r a c t ： Th i s p a p e r d e s c r i b e s t h e d y n a mi c s i mu l a t i o n p r o b l e m o f r a n g e r c a u s e d by mi s s i l e o r s a t e l l i t e o f f mi s s i l e r a n g e a S we l l a s r e s o l u t i o n me t h o d I t wa s p r o v e d t h a t t h i s me t h o d i s q u i t e e f f e c t i v e i n t h e e a r t h s y n c h r o n i z a t i o n s a t e l l i t e l a u n c h i n g 38 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆