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Lattice的MachXO2系列FPGA的使用

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。

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

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

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

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

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

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

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

5 XO2 FPGA的设计流程及工具使用

5.1 Lattice Diamond集成化开发环境

  1. 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。
  2. 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