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基于Virtex系列FPGA的可编程嵌入式信号处理背板的开发设计

2014-09-13 02:33
雷本祖
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  现场可编程逻辑门阵列(FPGA)和高性能数字信号处理器(DSP)是高速信号处理领域两大关键器件,FPGA和DSP的运算速度及并行处理效能成为制约高速信号处理应用的主要因素。FPGA以其设计灵活性及硬件高密度性在高速信号处理领域显示出愈来愈重要的作用。Xilinx公司最新推出的Virtex系列FPGA。是一种采用5层0.22μm CMOS工艺的高性能、大容量现场可编程逻辑门阵列,其系统门密度高达100万门,系统性能可达200MHz,可选择配置为多种接口标准,内部含有丰富的布线资源,其SelectRAM和BlockRAM可灵活地配置为SRAM、FIFO、DPRAM、CAM等多种形式的存储单元。Virtex系列FPGA含有极其丰富的I/O资源,可灵活地与TMS320C40DSP接口,与DSP配合可完成复杂的信号处理功能。C40DSP含有两组外部总线资源和6个高速通信口,可方便地进行多DSP扩展,以提高系统信号处理的性能。

  在对Virtex系列FPGA进行充分理解和研究的基础上,结合对XC4000系列FPGA和DSP背板开发设计经验,研制出了基于XCV200/300PQFP240和TMS320C40的可编程嵌入式高速信号处理背板。背板采用了针对系统需求自行开发的XPCI总线,背板可脱离实际应用系统进行独立的面向应用的设计和调试,也可按照XPCI总线标准方便地嵌入到实际应用系统中,成为系统的一部分进行联合调试。

  对可编程嵌入式信号处理背板进行全面综合测试的结果表明,背板性能达到了预期设计要求,工作状态稳定。我们还针对实际应用开发了一些FPGA模块和DSP程序。

  1 Virtex系列FPGA性能简介

  在前几代FPGA开发的基础上,Virtex系列FPGA结合了多种可编程系统的特征,采用了快速灵活的层次性互连布线资源和先进的处理技术,提供了高速度、大容量的逻辑解决方案,进一步缩短了数字信号处理系统的开发周期。与前几代FPGA相比,Virtex系列FPGA的特性主要体现在以下几个方面:

  (1)更高的处理速度和更高的逻辑门密度。Virtex系列最大系统门数高达100万门,系统性能可达200MHz,其中比较常用的几个功能模块性能如表1所示。

基于Virtex系列FPGA的可编程嵌入式信号处理背板的开发设计

  表1 Virtex 系列FPGA几个常用功能模块的性能

  (2)更多可兼容的I/O接口标准。Virtex系列可兼容16种高性能接口标准,可直接与ZBTRAM器件接口,且其独特的I/O分组方式可使多种不同电压标准接口在同一片FPGA上实现。

  (3)片内时钟管理电路。Virtex系列内部包含4个灵活的延时锁相环用于高级时钟管理,可实现倍频、分频、锁相等功能,此外还有4个主全局时钟网络和24个从本地时钟网络,以实现高速时钟的传输。

  (4)层次性存储管理系统。Virtex系列内部查找单元可配置为16bit和32bitRAM、16bitDPRAM或16bit移位寄存器,其BlockRAM资源可配置为4kbitDPRAM或FIFO、CAM等存储器件,且提供了高速外部RAM接口。

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