基于Xilinx VertexV6-240t的EDA综合实验平台设计

盘承军

（柳州职业技术学院电子信息工程系，广西 柳州 545006）

1 前言

EDA技术是一种以计算机为载体工具，设计者在它的软件平台上，利用VHDL硬件描述语言完成设计文件，然后通过计算机自动地完成整个目标芯片的逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真工作。该技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，提供芯片的设计速度，大大减轻了设计者的劳动强度，是高校电子信息类专业实验的很受欢迎的工具。但是随着 EDA综合实验对实验平台的要求越来越高，过去传统的EDA实验往往仅限于一些简单的FPGA程序设计，如显示灯的控制、译码器的设计、简单组合逻辑或时序逻辑设计。这种针对一些简单的 EDA实验所开发的实验平台，结构相对简单，实验平台中所能够提供可编程逻辑资源和外围接口都较为简单。因此，这种相对简单的 EDA实验平台只能满足一些入门的 EDA实验需求。然而，近年来随着可编程逻辑器件的应用越来越广泛，在可编程逻辑芯片中的逻辑资源越来越丰富，使得人们可以应用高端的FPGA芯片开发和实现越来越多的非常复杂的应用场合。也能够利用可编程逻辑器件完成一些专用的高性能密集计算。极大地拓展了可编程逻辑器件的应用场合。为了能够针对这种复杂的应用提供相应的 EDA实验平台，传统的基于相对简单的可编程逻辑器件构成的 EDA实验平台已经不能够满足应用的需求。必须根据当前 EDA应用的现状和发展趋势设计及构造新型的EDA实验平台，使其能够为用户开发和设计功能强大、结构复杂的EDA应用提供良好的实验平台。

2 设计思路

目前，传统型的实验平台往往是给用户提供一种验证性的实验平台，这种实验平台在功能上主要是能够为用户提供各种 EDA常见的以及典型的开发和应用的设计平台，使得用户利用这种 EDA实验平台能够完成诸如简单组合逻辑控制电路设计、简单时序逻辑控制电路设计、低速的存储芯片访问时序设计以及相对复杂一些（如交通信号灯）的控制实验。这种EDA实验的目的仅仅是为了让使用者掌握EDA设计的一些基本设计原理和基本开发工具的应用，即不涉及高速、高性能的EDA应用设计。因此，传统的EDA实验平台往往只能够满足一些初级用户的应用需求。本文设计平台的目的是为一些高性能、综合性的EDA应用提供与之相适应的EDA实验平台。使用户通过在这种综合型的 EDA实验平台上进行试验和训练之后能够较快地满足 EDA综合设计及应用人才培养的需求。本发明设计的 EDA综合实验平台目的是为了给用户进行一些复杂、高性能的 EDA开发及设计提供相应的实验及练习平台，使得用户在该实验平台中能够实现与真实的高性能EDA开发及设计的应用环境相类似的模拟训练平台。

3 设计原理

根据上述的设计思想，本文所设计的平台的设计原理如下：

首先，选用高性能的可编程逻辑芯片构建 EDA实验核心处理器（如图1所示）。在此基础上，在可编程逻辑器件FPGA芯片的外围设计一些常用的应用接口，如LED接口、LCD接口、VGA接口、存储器接口、PCIE接口等等，给用户进行一些常用的 EDA访问控制实验提供硬件条件。另一方面，在所构建EDA实验平台中设计大量的标准的 I/O控制接口。所有这些I/O控制接口可以通过逻辑复用重新定义的方式对每一个I/O端口赋予不同的含义，使得通过这些标准的 I/O接口能够在EDA实验板的外围连接多种不同的外设单元，使得该EDA实验平台能够针对一些椅子甚至位置的外围控制器实现数据的交换及命令的控制。同时，由于该实验平台采用的FPGA芯片是高性能的FPGA芯片，因此在该实验平台中能够为用户开发及设计一些高性能密集计算的实验提供硬件资源。

从该图中可以看出，本文构建的 EDA综合实验平台在结构上主要包括基于Xilinx VertexV6-240t芯片为实验平台的处理核心。用户所开展的各种 EDA实验内容都将在该芯片内通过硬件描述语言设计的程序进行实现，在FPGA芯片外部设计了存储芯片阵列。存储芯片能够为用户开展各种存储访问实验提供硬件条件。除此之外，还有 LED模块、LCD模块和VGA模块，这三个模块都是可以作为显示控制的EDA实验硬件资源。通过用户在FPGA中开发相应的访问控制程序，能够分别实现对这三类外围显示模块的控制及信号的显示。除此之外，FPGA芯片通过硬布线的方式直接与PCIE接口相连，使得用户能够在该EDA实验平台中直接开发面向高速PCIE传输的试验程序，设计及实现与PCIE接口的数据交换程序。同时，利用PCIE接口还能够为用户开发及设计DMA程序提供硬件资源。在（如图1）所示实验平台的另一侧，设计了大量的标准通用接口。标准通用接口由24位的数据线、16位的地址线、8位的控制线以及一个时钟信号线所组成，所有这些连线一端直接与FPGA芯片相连。通过这一标准的接口复用定义，用户可以在接口的外围连接多种不同型号、不同类型的外围电路。实现该综合实验平台对外部不同接口电路的访问与控制。

4 系统实现

根据上述的设计原理，我们结合 EDA综合实验平台的应用实例分析该实验平台的内部结构和实现方法。

（1）首先，用户使用该实验平台，进行高性能密集计算的时候，通过 JTAG接口将用户编好的 EDA实验程序加载至FPGA芯片中。利用FPGA中丰富的计算资源完成预期设计的高性能密集计算任务。由于高性能密集计算与外围电路基本没有关联，因此，对高性能密集计算的 EDA实验只需要用户对高性能密集计算的程序进行科学地设计，并通过仿真测试，则即可在该实验平台进行实验验证。当用户需要进行PCIE接口程序的开发并进行实验验证时，可以将用户编写的 EDA实验程序加载至FPGA中之后，在FPGA内部开发PCIE接口程序。也可以直接在FPGA芯片中加载PCIE核，由PCIE核完成PCIE接口通讯的主要任务。用户在FPGA芯片中可以开发FPGA与PCIE的数据及通讯交换的程序，在PCIE中设计不同的通讯模式（如PIO模式、DMA模式）。采用不同的通讯模式，使用户获得对PCIE的不同访问速度。从而实现针对PCIE程序开发的实验与验证。

（2）其次， 当用户需要应用该实验平台进行存储访问实验时，可以由用户编写FPGA测试程序，加载至EDA实验平台，并通过实验平台中所提供的存储器阵列实现从FPGA到存储阵列的访问与控制。当用户需要进行数据输出实验测试时，可以由用户选择需要使用的输出设备，在该实验平台中通过FPGA程序的执行将用户运行的数据结果输出至 LED、LCD或VGA终端接口。选择不同的输出设备时，用户需要针对不同的设备开发相应的FPGA程序。使得FPGA输出的数据能够符合其所连接的输出显示设备要求的数据格式。

（3）之后，当用户需要在EDA实验平台中连接其他的一些用户自定义的外围电路，并实现对外围功能电路的连接与测试时，首先需要将所连接的外围设备的接口连接至 EDA实验平台的标准I/O接口上。由于该实验平台提供了24 bit的数据接口、16 bit的地址线、8 bit的控制线和一个时钟线。因此，在外围电路模块连接在EDA标准I/O接口上时，需要根据外围电路接口的信号线类型不同，分别连接至 EDA实验平台的数据、地址、时钟或控制线上。如果外围电路的接口连线少于EDA实验平台所提供的I/O接口线的数目，此时，只需要在EDA实验平台中针对实际使用的I/O端口线进行功能定义即可。当外围功能模块的接口电路连接至 EDA实验平台的标准 I/O接口之后，根据外围功能电路模块的接口信号线的定义要求，对EDA实验平台标准I/O接口进行相关的定义。

5 性能分析

Xilinx(赛灵思)是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商，成立于 1984年。Xilinx研发、制造并销售范围广泛的高级集成电路、软件设计工具以及作为预定义系统级功能的 IP（Intellectual Property）核。客户使用 Xilinx及其合作伙伴的自动化软件工具和IP核对器件进行编程，从而完成特定的逻辑操作。公司首创了现场可编程逻辑阵列（FPGA）的技术，并于1985年首次推出商业化产品，它的可编程逻辑解决方案缩短了电子设备制造商开发产品的时间并加快了产品面市的速度，从而减小了制造商的风险。本文平台设计中采用的 Virtex系列芯片是 Xilinx的高端产品，Virtex-4系列均采用统一架构，工艺均为28nm，使客户在功能方面收放自如，既能降低成本和功耗，也能提高性能和容量，从而降低低成本和高性能系列产品的开发部署投资，从而进一步提高平台性能。具体表现如下：基于 Xilinx VertexV6-240t的综合实验平台，其特征是由 Xilinx VertexV6-240t FPGA芯片作为EDA实验平台的核心芯片。EDA综合实验平台可以利用该芯片内部丰富的可编程逻辑资源和存储资源能够实现对各种复杂外围接口电路的迅速与准确的控制。EDA综合实验平台中包括存储阵列，存储阵列的数据线、地址线、时钟和访问控制线，分别连接至FPGA芯片上。由FPGA向存储阵列发出各种访问操作命令，能够快速实现对存储阵列的数据直接读、写等各种访问操作。

6 结束语

本文详细介绍了一种基于Xilinx VertexV6-240t芯片的EDA 教学实验平台的设计与实现方案。该实验平台的扩展性好，功能齐全、使用方便，平台为 EAD相关课程实验提供了丰富的外围设备及各种常用外部设备的端口, 平台的投入应用不仅可用于与电子应用技术专业、通信专业、计算机专业相关的各类EDA 教学的实验与演示, 还可用于相关电子信息类专业基于CPLD 的各种复杂数字系统的开发，为高校电子信息类实验平台的开发与应用提高先进的指导思想与开发理念，大大改善学生的创新能力培养水平。

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