-- 作者：胡小芳
-- 發(fā)布時間：2010-12-18 17:04:37
-- FPGA高級學(xué)習(xí)班（Xilinx 高級班）
一、課程介紹
高級FPGA系統(tǒng)設(shè)計需要研究包括設(shè)計方法學(xué)、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程語言和程序、體系結(jié)構(gòu)與硬線邏輯以及設(shè)計與實現(xiàn)工具五個關(guān)鍵問題。只有學(xué)習(xí)掌握好這5個方面的知識，并深刻理解這五個方面的關(guān)系，才能做到從總體上把握全系統(tǒng)，設(shè)計出滿足要求的高性能數(shù)字系統(tǒng)。
FPGA系統(tǒng)設(shè)計實質(zhì)上是一個同步時序系統(tǒng)的設(shè)計，理解掌握時序的概念，并能進(jìn)行正確完整的時序約束，是實現(xiàn)高性能系統(tǒng)的重要保證。本課程按照"從宏觀到微觀，從頂層到底層"的系統(tǒng)設(shè)計原則，以"時序分析與設(shè)計（Timing Analyzing and Design）"為主線，按照從"高性能內(nèi)部邏輯設(shè)計"到"高速外部接口設(shè)計"再到"FPGA嵌入式系統(tǒng)"的順序，深入探討了"FPGA和FPGA數(shù)字系統(tǒng)"、"FPGA設(shè)計流程與時序收斂"、"Virtex-4和Virtex-5高級資源"、"FPGA高速I/O接口設(shè)計"以及FPGA嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的高級特性與技術(shù)5大主題。課程內(nèi)容結(jié)合了美國相關(guān)原版培訓(xùn)課程和培訓(xùn)講師的科研教學(xué)實踐，理論豐富，實驗合理，具有非常強(qiáng)的系統(tǒng)性和實用性，可以引導(dǎo)學(xué)員快速提高FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計水平，從而能夠更快地創(chuàng)建設(shè)計，縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。
二、主辦單位：中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會信號處理專家委員會
三、研修時間：2010年06月10-13日(09日報到)
四、地 點(diǎn)：上 海（具體地點(diǎn)及路線圖詳見報到通知）
五、培訓(xùn)對象
課程適合于使用FPGA器件進(jìn)行科研和產(chǎn)品開發(fā)的具有中等水平的工程技術(shù)人員，也適合于相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域具有相當(dāng)水平的教師和研究生。
六、工具平臺
培訓(xùn)課程使用的所有軟硬件工具由培訓(xùn)方提供。根據(jù)培訓(xùn)時間和地點(diǎn)的不同，軟硬件版本會有所變化。培訓(xùn)方可以以優(yōu)惠的價格向?qū)W員提供基于Xilinx XC3S500E的高級開發(fā)板一塊，以方便學(xué)員在學(xué)習(xí)結(jié)束后繼續(xù)深入研究。本次培訓(xùn)使用的硬件平臺: XUPV2Pro實驗板。
七、授課大綱
1：FPGA和FPGA數(shù)字系統(tǒng)
本節(jié)通過對數(shù)字信號處理、計算（Computing）、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程語言和程序、體系結(jié)構(gòu)和硬件邏輯以及設(shè)計方法學(xué)的基本概念和它們之間關(guān)系的介紹，使學(xué)員從更高的層次上去理解FPGA數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計問題。通過本節(jié)，希望學(xué)員能夠理解現(xiàn)代電子系統(tǒng)的三大基本關(guān)系（模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)系/軟件與硬件的關(guān)系/同步系統(tǒng)與異步系統(tǒng)的關(guān)系），理解FPGA的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)。
2：FPGA設(shè)計流程與時序收斂
FPGA系統(tǒng)設(shè)計實質(zhì)上是一個同步時序系統(tǒng)的設(shè)計，深入理解掌握時序的概念，并能使用時序約束工具對設(shè)計進(jìn)行正確的、完整的約束，是實現(xiàn)高性能系統(tǒng)的重要保證。本節(jié)是對FPGA結(jié)構(gòu)資源、設(shè)計流程和設(shè)計工具的歸納、總結(jié)與升華，使學(xué)員透過表面現(xiàn)象看到FPGA設(shè)計技術(shù)的實質(zhì)，從而為掌握FPGA高級設(shè)計技術(shù)打下基礎(chǔ)。
主要內(nèi)容如下：深入理解FPGA設(shè)計和驗證流程；掌握綜合（Synthesize）的不同屬性對性能改善的影響；通過使用高級實現(xiàn)（Implement）屬性增加設(shè)計性能；掌握全局時序約束，進(jìn)一步學(xué)習(xí)特定路徑時序約束，并使用約束編輯器正確設(shè)置系統(tǒng)約束；運(yùn)用靜態(tài)時序分析工具（Timing Analyzer）和時序收斂流程解決時序問題；深入理解基于FPGA的軟硬件協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境（ISE、EDK、SysGen）。
3：Virtex-4和Virtex-5高級資源
學(xué)習(xí)掌握最新的FPGA設(shè)計分析方法和最流行的FPGA設(shè)計工具對實現(xiàn)高性能的FPGA數(shù)字系統(tǒng)意義重大。本節(jié)和上一節(jié)重點(diǎn)關(guān)注FPGA設(shè)計領(lǐng)域的新技術(shù)。
Xilinx Virtex-4和Virtex-5 FPGA芯片是目前最先進(jìn)的可編程邏輯器件。本節(jié)介紹Virtex-4和Virtex-5 FPGA提供的新資源和新設(shè)計方法，特別是時鐘系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計技巧。Virtex-4和Virtex-5高性能的源同步資源和技術(shù)為解決芯片間高速通信提供了有力保證。本節(jié)重點(diǎn)學(xué)習(xí)基于Virtex-4和Virtex-5的 時鐘設(shè)計和源同步技術(shù)，為高速IO接口設(shè)計分析打下基礎(chǔ)。
4：FPGA高速I/O接口設(shè)計
FPGA片內(nèi)工作頻率可以達(dá)到500MHz，并且具有強(qiáng)大的并行處理能力，而芯片間接口速度已經(jīng)成為高性能系統(tǒng)的瓶頸。高速系統(tǒng)主要有三種時鐘結(jié)構(gòu)，即全局時鐘系統(tǒng)、源同步時鐘系統(tǒng)和自同步時鐘系統(tǒng)。本節(jié)重點(diǎn)學(xué)習(xí)源同步時鐘技術(shù)的原理和應(yīng)用，并有大量實例分析。學(xué)員將從理論和實踐兩個方面深入理解源同步技術(shù)在高速接口技術(shù)中的應(yīng)用，學(xué)習(xí)使用靜態(tài)時序分析工具分析高速接口的時序問題，學(xué)習(xí)使用源同步技術(shù)和源同步資源解決高速接口的時序問題。
主要內(nèi)容如下：學(xué)習(xí)源同步高速I/O接口技術(shù)；使用時序分析器查找接口時序失敗原因，并修改設(shè)計以滿足時序要求；分析學(xué)習(xí)高速多通道串行ADC與FPGA接口設(shè)計和高性能DSP芯片與FPGA接口設(shè)計。
5：FPGA嵌入式系統(tǒng)高級特性與技術(shù)理論授課
隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，在FPGA上實現(xiàn)可編程片上系統(tǒng)（PSOC）在技術(shù)上已成為可能。基于FPGA的PSOC系統(tǒng)開發(fā)已成為目前FPGA應(yīng)用的一個熱點(diǎn)。但是基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)對使用者的知識要求比較高，流程復(fù)雜，相關(guān)資料不多，這些都成為目前開發(fā)FPGA嵌入式系統(tǒng)的瓶頸問題。
本部分內(nèi)容以FPGA嵌入式系統(tǒng)開發(fā)初級班所授的技能為基礎(chǔ)，要求學(xué)員具備基本的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)以及C語言知識，主要圍繞在嵌入式系統(tǒng)的高級操作和工程應(yīng)用展開講授，具體包括：Picoblaze、MicroBlaze和PowerPC這兩大類，其中Picoblaze為一個8位的MCU內(nèi)核，應(yīng)用方式非常靈活；MicroBlaze和PowerPC為更高級的32位處理內(nèi)核，前者為軟核，后者為硬核，適合完成復(fù)雜的PSOC系統(tǒng)實現(xiàn)。
PicoBlaze 8位微處理器是Xilinx公司為Virtex系列FPGA、Spartan系列FPGA和CoolRunner-II系列CPLD器件設(shè)計嵌入式專用IP Core。它解決了常量編碼可編程狀態(tài)機(jī)（KCPSM）的問題。這一模塊只占用SpartanIIE的76個小區(qū)（slice），且還包括一個用于存儲指令的由Block RAM組成的ROM，最多可存儲256條指令。在實際工程中頗具"四兩撥千斤"之功效
對于MicroBlaze和PowerPC系統(tǒng)，則更注重存儲器技術(shù)、系統(tǒng)加速策略、用戶自定義外設(shè)、軟件開發(fā)、啟動加載程序（Boot loader）設(shè)計、操作系統(tǒng)、軟硬件協(xié)同開發(fā)等核心問題。同時，在實際中，配合FPGA的并行特征，則可以將MicroBlaze和PowerPC看成"大腦"，而FPGA的邏輯資源則等效于"心臟、四肢以及五官"等核心組件，只有彼此有機(jī)結(jié)合才能形成高效的系統(tǒng)。因此在學(xué)習(xí)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，不能簡單認(rèn)為嵌入式就是全部。這和典型的MCU、ARM以及DSP嵌入式系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別，但就于MicroBlaze和PowerPC內(nèi)核來講，其和傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實相通的。
因此，本課程基于FPGA平臺將學(xué)員帶入一個更為廣闊的視角，同時對理解其他類型的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)會有也有更深的理解。
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