显示页面 讨论 修订记录 反向链接 本页面只读。您可以查看源文件，但不能更改它。如果您觉得这是系统错误，请联系管理员。 ## Lattice的MachXO2系列FPGA的使用 {{ :machxo2-bga-chip_two-sided.png?200|}} 在我们的学习系统中我们选用了[[Lattice Semiconductor]]公司的[[http://www.latticesemi.com/en/Products/FPGAandCPLD/MachXO2.aspx|MachXO2]]系列[[FPGA]]，主要出于以下几方面的考虑： * Lattice Semiconductor公司的[[FPGA]]学习和使用门槛最低，易学易用 * 性价比高，除了适合入门级的学习之用，还能够满足80%以上的企业应用 * 非常适合于高校教学实验及创新实践 本节我们来看看我们选用的这个系列的FPGA有哪些特点以及应用领域。 ### 1 MachXO2 FPGA硬件特性 * 灵活的逻辑架构，256-6864个查找表（LUTs），18-334个输入输出管脚（PIOs） * 超低功耗 － 采用先进的65nm低功耗工艺，等待状态时功耗低至22μW，具有可编程、低摆动的差分I/O * 最高达256Kbits的用户Flash存储器及最高达240Kbits sysMEM™ 内嵌块[[RAM]]，高达54Kbits的分布式RAM，有专用的[[FIFO]]控制逻辑 * 最高达334个hot-socketable输入／输出管脚避免额外的泄漏 * 可以通过[[JTAG]], [[SPI]], [[I2C]]或Wishbone总线进行编程 * TransFR特性允许在现场设计更新而不干扰设备的运行 * 可编程sysIO™ 支持LVCMOS, LVTTL, PCI, LVDS, BLVDS, MLVDS, RSDS, LVPECL, SSTL, HSTL以及更多中接口，可编程上拉、下拉模式 * 灵活的片上时钟处理 － 8个主时钟输入管脚、支持高速I/O的双沿时钟、每个器件内有2个模拟[[PLL]]、外部时钟输入时频率范围从7MHz到400MHz * 芯片内硬化了[[SPI]]、[[I2C]]以及定时器／计数器功能 * 芯片内有5.5%精度的片上振荡器 * 每颗芯片都有TraceID进行追踪 * 最小封装为2.5mmx2.5mm ### 2 XO2 FPGA的结构 {{ :machxo2structure.png |}} <WRAP centeralign> MachXO2内部结构功能 </WRAP> **可编程部分：** * FPGA的核心部分是由逻辑门（Logic Gate）、寄存器（Register）以及连线（Wire）构成的可编程的逻辑块，也即此图中的PFUs（Programmable Function Units with Distributed RAM － 带分布式存储器的可编程功能单元），这些逻辑块的规模由两个重要指标表示LUTs和Slices * 可编程输入输出管脚PIOs：分成多个Bank的sysIO，每个Bank可以有单独的供电电压Vccio，以支持不同电平的数据传输协议，这些输入输出管脚可以自由分配，并可以通过编程、配置支持多种数据传输协议（不同电平、差分等），IO管脚的输入输出电阻也可以编程、配置 * 块RAM：在这里称为sysMEM Embedded Block RAM（EBR） **硬核部分：** 当今的FPGA除了可编程的逻辑和IO之外，还提供了一系列常用的功能模块，以硬核的方式内嵌在芯片以内，即便用户在设计中不用这些功能，这些资源也存在于系统中。硬核化的优势在于速度快、功耗低，且这些硬核一般为常用的功能块。在MachXO2中内嵌的硬核功能主要有： * 嵌入式功能块：Embedded Function Blocks（EFB）－ MachXO2主要的EFB包括一个SPI、两个I2C、和一个定时器 * 程序Flash：On－chip Configuration Flash Memory * 用户Flash：User Flash Memory（UFM） * PLL／DLL： sysPLL {{ :machxo2pfu.png |}} <WRAP centeralign>MachXO2内部的可编程功能单元构成示意图 </WRAP> {{ :machxo2slice.png |}} <WRAP centeralign>MachXO2的Slice构成示意图 </WRAP> {{ :machxo2efb.png |}} <WRAP centeralign>MachXO2内部的嵌入式功能模块 </WRAP> ### 3 XO2 FPGA的资源 上面我们介绍了MachXO2内部的结构，XO2系列不同的型号内部结构是相同的，但资源的多少则取决于所选择的型号，在设计中我们需要根据资源的需求来选用合适的器件，了解到这些器件的资源配置对于我们设计也是有帮助的，可以充分利用器件内部的资源简化外围电路的设计，同时也要知道器件内部的局限性，在外围进行扩展。在我们小脚丫2.0版本中我们选用了XO2-4000的型号（参见MachXO2选型表），它具有如下资源： * 4320个查找表 * 10个嵌入式RAM块，攻击92kbits的容量 * 34kbits的分布式SRAM * 96Kbits的用户Flash存储器 * 内部有两个[[PLL]]和两个[[DLL]] * 支持DDR／DDR2／LPDDR存储器接口 * 内部具有配置用的Flash * 支持双启动模式 * 内部有一个[[SPI]]模块，2个[[I2C]]模块以及一个定时器模块 <WRAP centeralign>** MachXO2 选型表** </WRAP> ^ |O2-256 |XO2-640 |XO2-640U |XO2-1200 |XO2-1200U |XO2-2000 |XO2-2000U |XO2-4000 |XO2-7000| ^查找表（LUTs）的密度 |256 |640 |640 |1280 |1280 |2112 |2112 |4320 |6864| ^EBR RAM块(9 Kbits/block)| 0 |2 |7 |7 |8 |8 |10 |10 |26 | ^EBR SRAM(Kbits) |0 |18 |64 |64 |74 |74 |92 |92 |240 | ^Dist. SRAM (Kbits) |2 |5 |5 |10 |10 |16 |16 |34 |54 | ^用户Flash存储(Kbits) |0 |24 |64 |64 |80 |80 |96 |96 |256 | ^PLL + DLL |0 |0 |1 + 2 |1 + 2 |1 + 2 |1 + 2 |2 + 2 |2 + 2 |2 + 2 | ^支持DDR/DDR2/LPDDR存储器|- |- |Yes |Yes |Yes |Yes |Yes |Yes |Yes | ^配置存储器 |||内部Flash| ^双启动 |Yes |Yes |Yes |Yes |Yes |Yes |Yes |Yes |Yes | ^内嵌功能块 |||I2C (2), SPI (1), Timer (1)| ^内核电压Vcc 1.2 V |ZE |ZE |- |ZE |- |ZE & HE |HE |ZE & HE |ZE & HE | ^内核电压Vcc 2.5 - 3.3 V |HC |HC |HC |HC |HC |HC |HC |HC |HC | ### 4 主要应用领域 #### 4.1 微处理器的接口扩展 * 为低成本的微控制器增加通用IO以节省成本 * 为系统控制处理器增加SPI和I2C接口 * 快速添加高性能的DDR SRAM和Flash存储器接口 * 通过采用PLD配置为系统状态寄存器简化系统管理 {{ :microprocessor_interface_expansion.png |}} #### 4.2 提高实时性要求较高的功能的性能 * 在系统上电时通过快速启动逻辑精确地控制信号 * 可以配置PWM功能以精确产生照明和马达控制所需要的模拟电压 * 构建传感器缓冲器以及智能中断以保证实时世界的事件能够被捕捉 * 采用硬件UART克服采用软件实现UART的性能限制 {{ :timing_offload.png |}} #### 4.3 通过硬件加速提高系统的性能 * 通过基于逻辑的信令过滤机制降低处理器的负荷 * 可以通过最小的处理器消耗实现图像的旋转、缩放以及合并 {{ :hardware_acceleration.png |}} ### 5 XO2 FPGA的设计流程及工具使用 #### 5.1 Lattice Diamond集成化开发环境 - [[软件安装及配置|Diamond安装及配置]]，包括软件的下载、License的申请以及软件的安装整个过程。 - [[Lattice Diamond的使用]]，以最简单的[[点亮LED灯]]为例，简单介绍了一下该软件从编辑输入开始到最终的bitstream下载到FPGA。 ### 7 相关设计文档 * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=38834|MachXO2数据手册]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=39085|MachXO2编程和配置指南]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=39080|MachXO2系统时钟PLL设计和应用指南]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=39083|MachXO2系统IO应用指南]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=39082|MachXO2的存储器应用指南]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=8374|可编程器件的电源去藕和旁路滤波]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=42546|MachXO2 132管脚csBGA管脚演进表]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=42571 |MachXO2 4000管脚分配表]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=45876 |MachXO2 硬化I2C Master/Slave演示用户指南]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=45877 |MachXO2 硬化SPI演示]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=2710 |MachXO2 I2C主控设计文档]]以及[[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=9497 |MachXO2 I2C主控源代码]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=39361 |LED／OLED的驱动设计文档]]以及[[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=39362 |LED／OLED的驱动源代码]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=34506 |PWM风扇控制设计文档]]以及[[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=34507 |PWM风扇控制设计源代码]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=36525|采用FPGA的资源来实现ADC功能]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=35762 |简单的Sigma－Delta ADC设计文档]]以及[[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=35763 |简单的Sigma－Delta ADC设计源代码]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=39071 |用于数字温度传感器的单线控制器源代码]]以及[[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=39070 |用于数字温度传感器的单线控制器设计文档]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=45855 |采用嵌入式功能单元的SPI从设备控制器设计文档]]以及[[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=45861 |采用嵌入式功能单元的SPI从设备控制器源代码]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=22487 |MachXO2系列器件在Orcad设计工具中的原理图库]] * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=38559|采用BGA封装的PLD器件，获取最低PCB布局成本的技巧]]