Altera Cyclone IV GX系列的特性及FPGA開發(fā)套件的設(shè)計(jì)方案介紹

Altera 公司的Cyclone IV 系列FPGA包括兩個(gè)系列：Cyclone IV E和Cyclone IV GX,具有低成本、低功耗的FPGA 架構(gòu)，6 K 到150 K 的邏輯單元，高達(dá)6.3 Mb 的嵌入式存儲(chǔ)器，小于1.5 W 的總功耗；Cyclone IV GX 器件提供高達(dá)八個(gè)3.125 Gbps高速收發(fā)器，用于大批量，成本敏感的應(yīng)用如無線、有線、廣播、工業(yè)，用戶以及通信等行業(yè)。本文介紹了Cyclone IV 器件系列主要特性，收發(fā)器通道框圖以及Cyclone IV GX FPGA開發(fā)套件主要特性，框圖，電路圖和材料清單。

Altera 新的Cyclone?IV 系列 FPGA 器件鞏固了Cyclone 系列在低成本、低功耗FPGA市場的領(lǐng)導(dǎo)地位，并且目前提供集成收發(fā)器功能的型號(hào)。Cyclone IV 器件旨在用于大批量，成本敏感的應(yīng)用，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在降低成本的同時(shí)又能夠滿足不斷增長的帶寬要求。

Cyclone IV 器件系列是建立在一個(gè)優(yōu)化的低功耗工藝基礎(chǔ)之上，并提供以下兩種型號(hào)：

■ Cyclone IV E- 最低的功耗，通過最低的成本實(shí)現(xiàn)較高的功能性

■ Cyclone IV GX- 最低的功耗，集成了3.125 Gbps 收發(fā)器的最低成本的FPGA

Cyclone IV 器件集成了一個(gè)可選擇的低成本收發(fā)器，在未影響性能的情況下，節(jié)省了功耗及成本。針對(duì)無線、有線、廣播、工業(yè)，用戶以及通信等行業(yè)中的低成本的小型應(yīng)用，Cyclone IV 器件無疑是最理想的選擇。

Cyclone IV 器件系列主要特性：

■ 低成本、低功耗的FPGA 架構(gòu)：

■ 6 K 到150 K 的邏輯單元

■ 高達(dá)6.3 Mb 的嵌入式存儲(chǔ)器

■ 高達(dá)360 個(gè)18 × 18 乘法器，實(shí)現(xiàn)DSP 處理密集型應(yīng)用

■ 協(xié)議橋接應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)小于1.5 W 的總功耗

■ Cyclone IV GX 器件提供高達(dá)八個(gè)高速收發(fā)器以支持：

■ 高達(dá)3.125 Gbps 的數(shù)據(jù)速率

■ 8B/10B 編碼器/ 解碼器

■ 8-bit 或者10-bit 位物理介質(zhì)附加子層（PMA） 到物理編碼子層（PCS） 接口

■ 字節(jié)串化器/ 解串器（SERDES）

■ 字對(duì)齊器

■ 速率匹配FIFO

■ 公共無線電接口（CPRI） 的TX 位滑塊

■ 電路空閑

■ 動(dòng)態(tài)通道重配置以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率及協(xié)議的即時(shí)修改

■ 靜態(tài)均衡及預(yù)加重以實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)完整性

■ 每通道150 mW 的功耗

■ 靈活的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)以支持單一收發(fā)器模塊中的多種協(xié)議

■ Cyclone IV GX 器件對(duì)PCI Express （PIPE）（PCIe）Gen 1 提供了專用的硬核IP:

■ ×1,×2, 和×4 通道配置

■ 終點(diǎn)和根端口配置

■ 高達(dá)256-byte 的有效負(fù)載

■ 一個(gè)虛擬通道

■ 2 KB 重試緩存

■ 4 KB 接收（Rx） 緩存

■ Cyclone IV GX 器件提供多種協(xié)議支持：

■ PCIe （PIPE） Gen 1×1,×2, 和×4 （2.5 Gbps）

■ 千兆以太網(wǎng)（1.25 Gbps）

■ CPRI （ 高達(dá)3.072 Gbps）

■ XAUI （3.125 Gbps）

■ 三倍速率串行數(shù)字接口（SDI）（ 高達(dá)2.97 Gbps）

■ 串行RapidIO（3.125 Gbps）

■ Basic 模式（ 高達(dá)3.125 Gbps）

■ V-by-One（ 高達(dá)3.0 Gbps）

■ DisplayPort（2.7 Gbps）

■ 串行高級(jí)技術(shù)附件（Serial Advanced Technology Attachment （SATA））（ 高達(dá)3.0 Gbps）

■ OBSAI（ 高達(dá)3.072 Gbps）

■ 高達(dá)532 個(gè)用戶I/O

■ 高達(dá)840 Mbps 發(fā)送器（Tx）， 875 Mbps Rx 的LVDS 接口

■ 支持高達(dá)200 MHz 的DDR2 SDRAM 接口

■ 支持高達(dá)167 MHz 的QDRII SRAM 和DDR SDRAM

■ 每器件中高達(dá)8 個(gè)鎖相環(huán)（PLLs）

■ 支持商業(yè)與工業(yè)溫度等級(jí)

Cyclone IV 器件系列體系結(jié)構(gòu)

這一部分介紹了Cyclone IV 器件的體系結(jié)構(gòu)，其中包括以下幾方面內(nèi)容：

■ FPGA 核心架構(gòu)

■ I/O 特性

■ 時(shí)鐘管理

■ 外部存儲(chǔ)器接口

■ 配置

■ 高速收發(fā)器（ 僅適用于Cyclone IV GX 器件）

■ PCI Express 的硬核IP（ 僅適用于Cyclone IV GX 器件）

FPGA 核心架構(gòu)

Cyclone IV 器件采用了與成功的Cyclone 系列器件相同的核心架構(gòu)。這一架構(gòu)包括由四輸入查找表（LUTs） 構(gòu)成的LE, 存儲(chǔ)器模塊以及乘法器。

每一個(gè)Cyclone IV 器件的M9K 存儲(chǔ)器模塊都具有9 Kbit 的嵌入式SRAM 存儲(chǔ)器。您可以把M9K 模塊配置成單端口、簡單雙端口、真雙端口RAM 以及FIFO 緩沖器或者ROM,通過配置也可以實(shí)現(xiàn)表1-7 中的數(shù)據(jù)寬度。

Cyclone IV 器件中的乘法器體系結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的Cyclone 系列器件是相同的。嵌入式乘法器模塊可以在單一模塊中實(shí)現(xiàn)一個(gè)18 × 18 或兩個(gè) 9 × 9 乘法器。Altera 針對(duì)乘法器模塊的使用提供了一整套的DSP IP,其中包括有限脈沖響應(yīng)（FIR）， 快速傅里葉變換（FFT） 和數(shù)字控制震蕩器（NCO） 功能。Quartus?II 設(shè)計(jì)軟件中的DSP Builder 工具集成了MathWorks Simulink 與MATLAB 設(shè)計(jì)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)了一體化的DSP 設(shè)計(jì)流程。

圖1.Cyclone IV GX 器件的收發(fā)器通道框圖

Altera Cyclone IV GX FPGA開發(fā)套件

Altera? Cyclone? IV GX FPGA開發(fā)套件為迅速開始開發(fā)低成本、低功耗FPGA系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)提供了全面的、同類最佳的設(shè)計(jì)環(huán)境。該套件幫助您縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，使您能夠更迅速的將產(chǎn)品推向市場，樹立新的產(chǎn)品里程碑。采用這一平臺(tái)，您能夠：

使用Cyclone IV GX PCI Express硬核知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）和PCI-SIG?兼容電路板，開發(fā)并測試PCI Express? Gen1 x1、x2、x4端點(diǎn)設(shè)計(jì)。

使用板上DDR2存儲(chǔ)器，通過其擴(kuò)展功能，高速中間鏈接卡（HSMC）連接器，開發(fā)并測試多通路協(xié)議橋接設(shè)計(jì)。Altera合作伙伴提供30多種不同的HSMC,以及CPRI、SATA和SDI等支持協(xié)議。

重新使用套件電路板測試系統(tǒng)提供的實(shí)例設(shè)計(jì)，加速您的FPGA設(shè)計(jì)。

針對(duì)您產(chǎn)品的低成本和低功耗電路板，使用套件的主板作為設(shè)計(jì)模型。

Cyclone IV GX FPGA開發(fā)套件包括：

Cyclone IV GX FPGA開發(fā)板（參見圖1）

安裝的器件

F896封裝的Cyclone IV GX EP4CGX150N FPGA

配置狀態(tài)和設(shè)置單元

通過MAX? II EPM2210 CPLD和閃存進(jìn)行被動(dòng)串行（PS）配置

使用Quartus?II編程器的板上USB-BlasterTM下載電纜

時(shí)鐘

板上時(shí)鐘振蕩器：50 MHz、100 MHz（可設(shè)置）和125 MHz

用于外部時(shí)鐘輸入的SMA連接器

用于時(shí)鐘輸出的SMA連接器

通用用戶輸入和輸出

LED

LCD顯示屏

按鍵和雙列直插封裝（DIP）開關(guān)

存儲(chǔ)器件

128-MB DDR2 SDRAM,支持32位數(shù)據(jù)總線。

64-MB同步閃存和4-MB SSRAM

元件和接口

PCI Express邊沿連接器

10/100/1000-Mbps以太網(wǎng)PHY,提供RJ-45連接器。

兩個(gè)HSMC連接器

電源測量電路

電源

筆記本計(jì)算機(jī)直流輸入

PCI Express邊沿連接器電源

其他特性

PCI Express短卡

符合RoHS

Cyclone IV GX FPGA開發(fā)套件軟件組成

設(shè)計(jì)實(shí)例

電路板更新入口，含有Nios?II處理器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，支持遠(yuǎn)程系統(tǒng)更新。

電路板測試系統(tǒng)

免費(fèi)的Quartus II網(wǎng)絡(luò)版軟件，包括對(duì)Cyclone IV FPGA的支持，以及：

Nios II嵌入式設(shè)計(jì)套裝

MegaCore?IP庫包括PCI Express、三速以太網(wǎng)、SDI和DDR2高性能控制器MegaCore IP內(nèi)核

通過OpenCore Plus進(jìn)行IP評(píng)估

回環(huán)和調(diào)試HSMC

電源適配器和電纜

圖2.Cyclone IV GX FPGA開發(fā)套件外形圖和主要元件分布圖

The board features the following major component blocks:

■ Cyclone IV GX EP4CGX150DF31 FPGA in the 896-pin FineLine BGA （FBGA）package

■ 1.2-V core power

■ MAX? II EPM2210GF256 CPLD in the 256-pin FBGA package

■ 1.8-V core power

■ FPGA configuration circuitry

■ MAX II CPLD EPM2210 System Controller and flash fast passive parallel （FPP） configuration

■ Active serial configuration

■ On-board USB-BlasterTM for use with the Quartus? II Programmer

■ JTAG header for external USB-Blaster with the Quartus II Programmer

■ On-Board ports

■ Embedded USB-Blaster

■ One gigabit Ethernet port

■ Communication ports

■ PCI Express （PCIe） edge connector

■ 10/100/1000BASE-T Ethernet PHY with RJ-45 connector

■ Two High-Speed Mezzanine Card （HSMC） interfaces

■ On-Board memory

■ 4-MB （x16） Synchronous Static Random Access Memory （SSRAM）

■ Two 32-MB （x32） DDR2 SDRAM

■ 64-MB flash

■ On-Board clocking circuitry

■ 50.000-MHz oscillator

■ 125.000-MHz oscillator

■ SMA clock input

■ SMA clock output

■ Programmable oscillator （default: 100.000-MHz）

■ General user I/O

■ LEDs and display

■ Eight FPGA user LEDs

■ One configuration done LED

■ One error LED

■ Five Ethernet status LEDs

■ One USB status LED

■ One power status LED

■ Five configuration LEDs

■ A two-line 16-character LCD display

■ Push-Button switches

■ One CPU reset push-button switch

■ One MAX II configuration reset push-button switch

■ One program-load push-button switch-configure the FPGA from flash memory

■ One program-select push-button switch-select image to load from flash memory or serial configuration （EPCS） device

■ Four general user push-button switches

■ DIP switches

■ Board settings DIP switch

■ JTAG chain select DIP switch

■ PCIe control DIP switch

■ Configuration settings DIP switch

■ User DIP switch

■ Power supply

■ 16-V DC input

■ 2.5-mm barrel jack for DC power input

■ On/Off slide power switch

■ On-Board power measurement circuitry

■ 20-W per HSMC interface

■ Mechanical

■ PCIe small form factor board

■ Bench-top operation