摘要：介紹了基于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ和ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ的可編程通用信號處理背板的設計和制作；并對Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的性能和特點進行了分析；同時還敘述了可編程通用信號處理背板的調試；最后給出了背板應用開發實例。

關鍵詞：Ｖｉｒｔｅｘ系列現場可編程邏輯門陣列（ＦＰＧＡ）ＴＭＳ３２０Ｃ４０數字信號處理器（ＤＳＰ）

現場可編程邏輯門陣列（ＦＰＧＡ）和高性能數字信號處理器（ＤＳＰ）是高速信號處理領域兩大關鍵器件，ＦＰＧＡ和ＤＳＰ的運算速度及并行處理效能成為制約高速信號處理應用的主要因素。ＦＰＧＡ以其設計靈活性及硬件高密度性在高速信號處理領域顯示出愈來愈重要的作用。Ｘｉｌｉｎｘ公司最新推出的Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ。是一種采用５層０．２２μｍＣＭＯＳ工藝的高性能、大容量現場可編程邏輯門陣列，其系統門密度高達１００萬門，系統性能可達２００ＭＨｚ，可選擇配置為多種接口標準，內部含有豐富的布線資源，其ＳｅｌｅｃｔＲＡＭ和ＢｌｏｃｋＲＡＭ可靈活地配置為ＳＲＡＭ、ＦＩＦＯ、ＤＰＲＡＭ、ＣＡＭ等多種形式的存儲單元。Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ含有極其豐富的Ｉ／Ｏ資源，可靈活地與ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ接口，與ＤＳＰ配合可完成復雜的信號處理功能。Ｃ４０ＤＳＰ含有兩組外部總線資源和６個高速通信口，可方便地進行多ＤＳＰ擴展，以提高系統信號處理的性能。

在對Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ進行充分理解和研究的基礎上，結合對ＸＣ４０００系列ＦＰＧＡ和ＤＳＰ背板開發設計經驗，研制出了基于ＸＣＶ２００／３００ＰＱＦＰ２４０和ＴＭＳ３２０Ｃ４０的可編程嵌入式高速信號處理背板。背板采用了針對系統需求自行開發的ＸＰＣＩ總線，背板可脫離實際應用系統進行獨立的面向應用的設計和調試，也可按照ＸＰＣＩ總線標準方便地嵌入到實際應用系統中，成為系統的一部分進行聯合調試。

對可編程嵌入式信號處理背板進行全面綜合測試的結果表明，背板性能達到了預期設計要求，工作狀態穩定。我們還針對實際應用開發了一些ＦＰＧＡ模塊和ＤＳＰ程序。

１Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ性能簡介

在前幾代ＦＰＧＡ開發的基礎上，Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ結合了多種可編程系統的特征，采用了快速靈活的層次性互連布線資源和先進的處理技術，提供了高速度、大容量的邏輯解決方案，進一步縮短了數字信號處理系統的開發周期。與前幾代ＦＰＧＡ相比，Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的特性主要體現在以下幾個方面：

（１）更高的處理速度和更高的邏輯門密度。Ｖｉｒｔｅｘ系列最大系統門數高達１００萬門，系統性能可達２００ＭＨｚ，其中比較常用的幾個功能模塊性能如表１所示。

表1Virtex系列FPGA幾個常用功能模塊的性能

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（２）更多可兼容的Ｉ／Ｏ接口標準。Ｖｉｒｔｅｘ系列可兼容１６種高性能接口標準，可直接與ＺＢＴＲＡＭ器件接口，且其獨特的Ｉ／Ｏ分組方式可使多種不同電壓標準接口在同一片ＦＰＧＡ上實現。

（３）片內時鐘管理電路。Ｖｉｒｔｅｘ系列內部包含４個靈活的延時鎖相環用于高級時鐘管理，可實現倍頻、分頻、鎖相等功能，此外還有４個主全局時鐘網絡和２４個從本地時鐘網絡，以實現高速時鐘的傳輸。

（４）層次性存儲管理系統。Ｖｉｒｔｅｘ系列內部查找單元可配置為１６ｂｉｔ和３２ｂｉｔＲＡＭ、１６ｂｉｔＤＰＲＡＭ或１６ｂｉｔ移位寄存器，其ＢｌｏｃｋＲＡＭ資源可配置為４ｋｂｉｔＤＰＲＡＭ或ＦＩＦＯ、ＣＡＭ等存儲器件，且提供了高速外部ＲＡＭ接口。

（５）更加靈活的系統結構。復雜的進位邏輯鏈提高了算術邏輯性能，復雜的乘法器支持，級聯鏈支持寬位輸入模塊，豐富的帶時鐘使能的寄存器和鎖存器，支持異步和同步復位及置位，支持ＩＥＥＥ１１４９．１邊界掃描邏輯。

（６）基于ＳＲＡＭ的在系統可重構技術。可無限次重復編程，包含主串、從串、ＳｅｌｅｃｔＲＡＭ和ＪＴＡＧ四種配置模式，支持部分重構。

２基于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的可編程嵌入式信號處理背板的設計

由于對Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ進行了充分理解和熟悉，我們研制了基于自行開發的ＸＰＣＩ總線的可編程嵌入式信號處理背板。由于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ內部結構相同，外部引腳兼容，只是在系統門數上有所區別，我們采用了ＸＣＶ２００ＰＱ２４０－４作為可編程嵌入式信號處理背板的主處理芯片，與ＦＰＧＡ接口的ＤＳＰ采用功能強大、接口靈活的ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ。背板中ＤＳＰ的應用目的是對ＦＰＧＡ進行管理和控制、對ＦＰＧＡ處理結果進行分析、通過ＤＳＰ軟件實現其他相關功能，以提高系統設計的靈活性。Ｃ４０ＤＳＰ具有兩組外部總線資源和６個高速通信口，能方便靈活地實現系統擴展。背板中ＦＰＧＡ可根據設計需要選擇不同規模的芯片。

可編程嵌入式信號處理背板結構如圖１所示。

背板上主要包含１片ＸＣＶ２００ＰＱ２４０ＦＰＧＡ、１片ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ、１片ＸＣ９５３６ＣＰＬＤ、１片ＥＤＩ８Ｌ５１２ＳＲＡＭ（５１２Ｋ×３２ｂｉｔ）、１片ＡＴ４９０２０Ｆｌａｓｈ２Ｍｂｉｔ、ＤＳＰ調試ＪＴＡＧ接口、ＦＰＧＡ調試Ｘ＿Ｃｈｅｃｋｅｒ接口、ＣＰＬＤ調試ＪＴＡＧ接口、自行開發ＸＰＣＩ接口及５個獨立ＤＳＰ通信口。背板所有器件除ＤＳＰ外均采用貼片封裝、雙面裝焊，使得背板的尺寸較小（７６ｍｍ×１２７ｍｍ×１２ｍｍ），ＤＳＰ外圍５１２Ｋ×３２ｂｉｔＳＲＡＭ使得背板系統能夠滿足大部分應用程序的要求。２ＭｂｉｔＦｌａｓｈ用于固化ＦＰＧＡ配置和ＤＳＰ應用程序代碼。背板系統既可以獨立工作（Ｓｔａｎｄａｌｏｎｅ方式），也可以通過ＸＰＣＩ總線嵌入系統工作（Ｐｌｕｇ＿ｉｎ方式）。