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2 Lattice Semiconductor的MachXO2系列FPGA
在我们的学习系统中我们选用了Lattice Semiconductor公司的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。
2.1 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334个hot-socketable输入/输出管脚避免额外的泄漏
- TransFR特性允许在现场设计更新而不干扰设备的运行
- 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
2.2 结构
MachXO2内部结构功能
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
MachXO2内部的可编程功能单元构成示意图
MachXO2的Slice构成示意图
MachXO2内部的嵌入式功能模块
2.3 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
- 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
MachXO2 选型表
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 |
2.4 管脚分配
2.5 主要应用领域
2.5.1 微处理器的接口扩展
2.5.2 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
2.5.3 通过硬件加速提高系统的性能
2.6 相关设计文档
3 开发工具
3.1 Lattice Diamond集成化开发环境===
- 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。