（转）CycloneIII设计向导

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CycloneIII设计向导-第一篇.芯片选型
公司开始用CycloneIII芯片，因此打算把Altera的官方文档，AN466:Cyclone III Design Guidelines详细的阅读一遍，并撰写一系列的博文。文章的组织框架按照altera的来，除了摘要原文档的内容，我也会加上自己的很多心得。
该笔记不会一次就完成，我会慢慢把它补充完整。

第一篇：芯片选型

    1.考虑器件的资源，包括LE,ram资源，硬件乘法器，PLL，全局时钟网络等。
总体来说，对于FPGA设计，资源一定要留有余量，否则最后的时序收敛会比较困难。我认为使用80%左右是比较合适的。对于资源使用量在95%以上的设计，除了时序收敛，可能还会遇到一些你想不到的问题。

   A. LE是5K到120K。要对设计需要的资源做一个估算，120K，对于大部分的应用，应该是一个很大的数字了。

  B.ram资源为400K-3888Kbit.注意ram块的大小都是9Kbit,有些模块，比如fifo，实际上用不到9K的资源。但不管你用多少，都得占用一个ram（有些情况下占用0.5个ram)。所以ram的数量是否足够也得考虑。

  C.乘法器的数量 23-288个。注意是18*18bit的乘法器。实际使用时，要看应用需要的乘法器精度是多少。

D.PLL的数量为2-4个。每个PLL可以输出5个时钟，一般的设计够用了。如果设计中的时钟很多，就得仔细考虑了。

E.全局时钟网络为10-20个。一般够用，如果设计中有很多时钟或者很多扇出(fan-out)很大的信号,比如复位信号，也得仔细考虑。

2.考虑引脚，封装和迁移

A.引脚数量。设计前，就要考虑需要多少普通IO(LVTTL），这个应该是比较好计算的。电平有几种，因为一个bank只能1个IO电平。需要多少LVDS管脚，一些小封装器件的LVDS管脚很少。

B.封装。封装影响到引脚数量。还影响到焊接的难度。EQFP和PQFP当然好焊接也好拆卸，如果是BGA的，一般需要找专人焊接（需要专门的工具），价格也贵。布线难度：用BGA，还得出注意ball pitch(焊接球的间距）。1.0mm的当然比0.8mm的好布线。F780比F484的外圈引脚数量多，当然也好布线一些。体积：也就是芯片的大小了，比如用于移动和手持应用，就得考虑大小了。不过体积小，布线就难，所以这时pcb的层数往往从6层起，上不封顶。

C.器件迁移。也就是相同封装，资源不同的器件可以直接替换使用。当然都得是CycloneIII的器件。这样的好处在于，初期设计时可以用大规模的器件，设计成功后，根据实际的资源使用情况，更换更经济的器件来量产。具体的型号替换，文档上说得很清楚，这里就不说了。如果考虑型号替换设计，要仔细核对每个芯片的引脚文档，最后决定出画原理图时芯片的引脚定义。这里说一个技巧，那就是规模最大的芯片的引脚定义，一般是最接近的，但也会有修改。

3.考虑器件速度

      速度分为-6,-7,-8。-6是最快的，也是最贵的。每一档次速度相差20%,包括内部工作频率和IO速度。FPGA的实际最高工作频率和这些数字无关，和具体的设计相关。我的经验是，对于很多代码，-8的器件能跑到130MHz左右。以前用CycloneII的-8器件，只能跑到110MHz左右。说明CycloneIII比II还是有进步的。

  额外说一点，器件还分商业级，工业级和汽车三种类型。我们一般采购的都是商业级器件。差别在于温度范围和稳定性。如果产品的工作温度在在0-70度之间，稳定性要求也不是太高，用商业级就可以了。要求高，那就多出钱吧。
官方文档的下载链接：http://www.altera.com.cn/literature/an/an466.pdf

以后的部分：
第二篇.早期系统规划
第三篇.板级设计考虑
第四篇.设计和编译
第五篇.验证
第6篇.调试
第7篇.测试
第8篇.其它考虑

CycloneIII设计向导-第二篇.早期系统规划

1.早期功耗估计

  需要提早就估算好芯片的功耗是多少，才能做好供电设计和散热设计。
下面是Altera对于Cyclone III器件的功耗估计excel表格：
http://www.altera.com.cn/support/devices/estimator/cy3-estimator/cycloneiii_epe_72sp1.xls
如果设计已经基本完成，QuartusII软件也可以根据实际设计估算功耗。

2.I/O支持

   A. 三类I/O标准，包括Single-ended(单端），Voltage-referenced（参考电压），Differential（差分）。三者各有优缺点。不过在实际应用中，使用哪种标准，往往由FPGA连接的芯片决定。

B.灵活的I/O bank。8个bank的I/O电压和Vref参考电压可以不一样，但在每个bank内部必须一致。在I/O电压确定的情况下，还可以有一定的兼容性。比如2.5V和3.3V的兼容性。

C.外部内存接口。支持ddr,ddr2,qdrII，需要专门的管脚。以前的sdram和sram当然也支持，不需要专门的管脚（把时钟脚小心处理更好）。使用top和bottom的bank速度更快，最快支持200MHz。这里简单介绍，做高速设计，得多查文档。

D.Pin-Out文件。QuartusII工程编译后会生成该文件，里面对引脚的描述就是该引脚最终确定的功能。对这个文件的检查，可以帮助我们明确问题。一些多功能引脚，需要小心处理。

3.选择FPGA配置方案

下面是原文中的配置方案的表格，说得很清楚。

  配置方案很多，包括
Active serial (AS)：
单芯片，使用Altera的EPCS系列芯片，配置速度第3。芯片价格较贵。
Active parallel (AP)：
单芯片，使用特定型号的FLASH（INTEL P30,P33)，配置速度第1。芯片价格便宜。但需要占用FPGA 40个管脚（16data+24addr)。
Passive serial (PS)：
被动方式，需要额外的控制器参与。配置速度第4.
Fast passive parallel (FPP)：
被动方式，需要额外的控制器和flash芯片。配置速度第2。flash芯片价格便宜。需要占用FPGA 8个管脚(8data)。
Joint Test Action Group (JTAG)——调试使用

配置方案的选择，由MSEL pin控制。
选择考虑：是否需要fast power-on reset (POR) time ，达到快速上电工作的目的。
封装不同，支持的配置方案也不同。
配置方案的选择，需要考虑配置时间的要求。
AS和AP模式，FPGA的DCLK为输出，最大速度40MHz。PS和FPP模式，FPGA的DCLK为输入，上升沿采样。最大速度为100MHz。

下载电缆包括：
USB-Blaster，目前最常用的。价格中等，下载配置文件到FPGA的速度快。不想购买的话，可以从网上下载pcb，采购器件自己做。
ByteBlaster II，常见，最便宜，但是下载速度慢。同样可以自己做。器件规模大了用这个会慢得很痛苦。
EthernetBlaster，不常见，价格贵，下载速度快。
目前，强烈建议使用USB-Blaster，除非对价格太敏感。

可以通过FPGA的JTAG接口，烧写EPCS配置芯片。需要用到Serial Flash Loader这个Altera提供的IP核。
使用MAX II芯片，PS或者FPP模式，也有MAX II Parallel Flash Loader这个IP核，来通过MAX II芯片JTAG烧写FLASH。
AP模式，有FPGA-Based Parallel Flash Loader这个IP核，通过FPGA的JTAG烧写FLASH。

4.配置特性

      AS和PS模式，配置文件可以选择压缩模式，能减少配置文件的大小。
     远程系统升级，不熟悉，待补充

5.PLL锁相环

      强大的PLL功能，包括时钟倍频，分频，相移，可编程占空比，输入时钟切换，PLL级联，PLL动态重配，动态相移，扩展频谱时钟，外部时钟输出和控制信号。
   相对于Cyclone和Cyclone II，现在Cyclone III增加了PLL的动态重配功能。
  PLL的时钟输入，必须使用FPGA的专用时钟输入脚（dedicated clock
input pins）或者另一个PLL的时钟输出。也就是说，PLL可以级联。
  输入时钟切换：可以给PLL输入双时钟，当使用的输入时钟失效时，可以自动或者手动切换使用另一个备用输入时钟。
PLL有5个输出。如果要输出到专用外部时钟输出脚，建议用C0输出，这样jitter最小。当然也是可以使用其它的输出的。
如果对输入时钟和PLL的输出时钟，有相位上的要求，就得了解PLL的相位补偿模式的设置。

6.芯片内部调试方法
A.SignalProbe Incremental Routing   不改变目前的布线，引出内部信号到一个没使用的I/O上。
B.SignalTap II Embedded Logic Analyzer 嵌入式逻辑分析仪，可以捕捉实时的内部信号。是最常用的调试工具。需要消耗一定的LE和M9K资源。使用时，如果想减少对原设计的影响和编译时间，可以反标原设计，使用增量编译模式。
C.Logic Analyzer Interface  等效于多路选择器，把多个内部信号通过少量的管脚输出。可以切换输出哪些信号而不用重新编译。适合于把信号引出给外部的逻辑分析仪。
D.In-System Memory Content Editor  在线修改内存或者常量的值。
E.In-System Sources and Probes  能对内部节点给一个简单的激励信号，然后捕获输出。
F.Virtual JTAG Megafunction  能对内部节点给一个简单的激励信号，然后捕获输出。和上面的方式有不同的地方。

配置方案.jpg (189.39 KB)

2009-9-22 22:45

 

 

CycloneIII设计向导-第三篇.板级设计考虑

1.I/O方面的考虑

        A.3.3/3.0/2.5V的普通I/O接口，如果接的外部信号是相同电压，就不用考虑太多。如果电压不同，就得仔细计算有没有问题。

       B.引脚设置考虑。单端和差分信号的引脚必须保持一定的间隔。如果使用了参考电压的单端信号，也会有间隔上的要求。这是为了减少信号之间的干扰。QuartusII软件会检查引脚分配是否符合规则，如果不符合，设计是无法编译的。
       如果实际信号是稳定的，没有翻转的（比如一直保持高或者低），可以通过assignments设置，避开规则检查。对某个单端引脚设置Toggle Rate assignments，可以去掉这个引脚和差分信号的间隔要求。Output Enable Group assignment这个设置，可以解决电压参考信号的间隔要求。

    C.减少同时开关噪声（SSN）。方法：
          1).把同时翻转的引脚分隔得远一些，放在2个不同的bank中更好
         2)高速引脚，要远离VCC和GND，把静态和未使用的引脚靠近VCC和GND
         3)对高速引脚设置slow slew rate和lower drive strength
         4)做好匹配（termination，或者叫端接）
       更详细的说明参考AN 508: Cyclone III Simultaneous Switching Noise (SSN) Design Guidelines.

     D.未使用管脚的设置 。最好设置为输入。设置为输出，又接了外部电路，可能会导致芯片管脚损坏。

     E.匹配方案。通常，信号的发送端使用串行匹配，接收端使用并行匹配。匹配电阻要符合传输阻抗。如果有可能，最好做板级的模拟来选择匹配电阻的大小。Cyclone III芯片有部分管脚可以设置片内串行匹配电阻OCT。

      F.板级模拟。Altera提供芯片的IBIS和HSPICE模型，可以用来仿真。

2.供电考虑

A.供电电压包括
     Vccint  内核电压，1.2V
      Vccio     I/O电压 ，每个bank可以不一样 。3.3V最常用。
       Vcca    PLL的模拟供电电压,2.5V  比Cyclone II芯片高
       Vccd_pll  PLL的数字供电电压,1.2V
      Vref      电压参考信号的参考电压
建议使用linear regulator给Vcca供电，对其它数字电压，使用linear 或者 switching regulators。用linear regulator的噪声会好一些。
电源芯片和FPGA之间，需要串联磁珠（ferrite bead），电容一端接电源，一端接地。去耦的电路根据具体的设计要求决定。有钱就用钽电容（tantalumcapacitors）。
pcb设计，最好有专门的电源层。

B.PLL的供电。PLL包含模拟器件，因此有更严格的供电的要求。
        1)到Vcca的电源走线要宽，20mil
        2)Vccd的电源要干净
       3)所有的pll供电脚都要连好，无论是否使用这个pll
       4)使用独立的linear regulator对PLL供电
        5)每个Vcca和Vccd都要去耦电路，Altera有参考设计
        6)Gnda要连接到隔离的模拟地上。

3.器件上电

      Cyclone III芯片支持热切换和上电复位，不需要额外的复位芯片。
下面是上电过程：

Cyclone III对于Vccint,Vccio等电压的上电顺序没有要求，只要是单调上升的就可以了。对上电时间，如果是正常的POR，<50ms即可。如果设置为快速POR，那么上电时间<3ms。
如果需要支持热插拔，需要考虑更多。
芯片的POR电路，会检测Vccint和Vcca的电压，如果低于阀值，会复位芯片。但不会检测Vccio电压。
总结一句，Cyclone III芯片的电源管理很好，省了很多外部芯片。

4.配置管脚连接

具体的配置电路，有参考设计。注意和Cyclone II有所不同，最好不要沿用老电路（似乎用老电路也可以跑^_^)。

这是常用的配置方式。其它配置方式的参考电路也都有，注意任何方式都得要按照参考电路来，不能想当然的连接。

5.配置的相关细节

用AS配置模式，bank1的Vccio必须为3.3V。
Cyclone III的DCLK为40MHz，EPCS器件中，EPCS16和EPCS64都能支持。但EPCS4器件有0.18和0.15两种工艺批次。前者只能支持20MHz，因此不能配合Cyclone III使用。
使用AP模式，需要P30和P33的flash。同样的，flash需要支持40MHz的DCLK。注意TSOP封装不支持这个速度，FBGA封装支持。
下图为配置芯片的选择

上电过程.jpg (50.5 KB)

2009-9-22 22:48

配置电路.jpg (468.04 KB)

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配置芯片.jpg (180.5 KB)

2009-9-22 22:48

 

 

CycloneIII设计向导-第四篇.设计和编译 （上）

写这个系列的文章同时，可以让自己加深对设计各方面的理解。如果发现有不清楚的地方，我会查阅相关的文档，理解后，再写一些专门的文章。

一．设计入口


Quartus II支持原理图和HDL语言的输入。原理图更适合简单的设计，HDL语言适合复杂的设计。但要注意，如果想使用第三方的综合工具，就必须用HDL语言。
对于HDL语言，最好遵循一定的代码风格。在Quartus II的手册上，可以找到专门讲解这方面的章节。（我对这方面也不熟悉，将会好好看看）。Quartus II软件的文本编辑器，可以插入很多语言相关的模板，这个功能不错。不过还是习惯用UltraEdit写代码。
         对于一些FPGA内部的资源模块，通常既可以直接调用Quartus II的ip核，也可以用HDL语言来描述，比如RAM资源。

选择综合工具：Altera支持很多第三方的综合工具，个人比较喜欢用SynplifyPro。这些工具生成.edf或者.vqm文件，然后QuartusII再进行布局布线。怎么在Quartus II中调用这些工具，最好的方法就是去看Quartus II Handbook，里面讲得非常清楚。如果你看得懂英文，Handbook写的东西是最适合你的。

SOPC生成：Altera的SOPC功能很强大。

IP：Altera和第三方合作伙伴提供了很多的IP，可以让设计变得更快捷。特别是Altera提供的，可以直接试用。

宏功能（Megafunction）：ALtera封装了很多资源和模块，用Megafunction的形式给用户调用，只用设置一些参数，就可以正常使用这些模块了。

二．设计建议


Quartus II手册有专门的章节讲设计方面的一些建议。


同步设计：setup和hold time的充分保证，能减少毛刺等的干扰。使用Cyclone III I/O的输入寄存器（注意，不是普通的LE），这样芯片的输入信号能更好的滤除毛刺。需要设置”Fast Input Rgedister”，来使用该寄存器。


应该通过良好的同步设计，而不是使用LCELL这样的单元来控制特定路径的延迟。因为FPGA内部路径的延迟是不确定的，会在设计中因为每次布局布线不同而改变，会在使用中因为温度，电压等因素改变，还会因为工艺的差异而改变。为了增加设计的稳定性，尽量提高时序分析时路径的余量。虽然时序分析已经是按芯片在最差状况下的时序特性来分析，但多留一点余量还是有好处，在设计允许的情况下。


时钟：时钟在同步设计中是非常重要的。
A．
时钟当然得用专用时钟引脚输入，用普通I/O会导致更严重的时钟偏移。高时钟偏移会导致hold time违规。时钟在芯片内部会使用全局时钟网络，全局异步复位信号也可以使用全局时钟网络。全局时钟网络能保证信号1点到多点的相同延迟。也就是说，某个信号，从输入引脚，通过全局时钟网络，到内部的各个寄存器，虽然走的是不同路径，但这些路径的延迟是一样的。
B．
内部生成的时钟。组合逻辑不能处理毛刺，对组合逻辑的输入信号，用高频时钟过滤毛刺，对组合逻辑的输出信号，也可以用高频时钟过滤毛刺。
C．
时钟分频。使用PLL，可以对时钟分频。PLL还可以精确控制输出时钟的相位。
D．
时钟翻转。使用PLL对时钟相位改变，比使用非门效果更好。
E．
多时钟输入。对于一个PLL，可以设置一个主时钟和一个备用时钟。
F．
门控时钟。建议使用Altera提供的专门模块altclkcrtl来实现门控时钟。如果只是想控制输出的稳态，可以对输入加上ena信号，这样还是保持了同步设计。门控时钟和非门控时钟之间是非同步的。门控时钟的控制信号，必须滤除毛刺，否则会影响输出的时钟。对时钟进行门控的位置尽量靠近时钟源，可以减少时钟延迟。


三．芯片级的复位


Cyclone III芯片，支持芯片级的复位，包括清除M9K中的内容。需要开启DEV_CLRn引脚功能。该引脚默认为普通I/O。


四．寄存器上电电平


可以设置寄存器上电时是高电平还是低电平。当然默认是低电平。通过设置Power-Up Level参数实现。


五．设计约束


Quartus II提供了设计约束检查功能，通过该检查，能提高设计的可靠性。检查包括时钟，复位，异步设计等。该项功能默认没有开启。


六．分层和基于团队的设计


增量编译，可以减少设计迭代需要的时间，减少时序收敛需要的时间。


对设计分区（分割），是增量编译的基础。如果用第三方的综合工具，需要生成若干独立的.vqm或者.edf文件。顶层的各个模块之间，最好只有互连线，而没有任何逻辑，逻辑都应包含在各个模块内部。


时序预算和资源分配：模块内部的时序路径可以单独优化好。但如果是跨分区的时序路径，只能在集成后优化。这些时序路径可以通过加上约束来达到要求。资源的分配也要提前计算好，以免集成后出现冲突。除了常见的资源，注意全局时钟资源也是有限的。


计划从底向上和基于团队的流程：在进行底层设计前，必须要知道顶层的相关信息，包括引脚分配，物理约束和时序要求等。Quartus II提供了一些脚本（Generate bottom-up design partition scripts）来实现顶层信息向底层的传递。


可以通过LogicLock实现对设计在物理上分区。通常对时序要求很难达到的模块，才进行LogicLock。对一般模块进行LogicLock反而降低了布局的灵活性。Quartus II的Chip Planner功能，可以精确到对寄存器进行布局，估算物理延迟，观察模块间的连接。


下面为下篇的内容：
七．功耗优化
八．I/O考虑
九．PLL考虑
十．配置软件的设置
十一．
有效pin的布局

 

 

CycloneIII设计向导-第四篇.设计和编译 （下）

七、功耗优化


Quartus II软件支持功耗优化的综合和布局布线选项。不过，时序约束比功耗优化的优先级要高，得先满足前者再考虑后者。软件包含了功耗优化的向导，易于使用。DSE也是一个很好的优化工具。


下面是一些从设计角度进行功耗优化的方法：
1.
时钟功耗管理。Quartus II会自动对时钟网络的功耗进行优化。也可以自己使用门控时钟来减少功耗。
2.
内存功耗。减少内存功耗的方法是，使用内存的门控时钟信号。
3.
I/O功耗。决定I/O功耗的因素包括：负载电容，输出频率，输出电压摆幅。电压参考的I/O标准（比如SSTL）的电压摆幅比LVTTL和LVCMOS要低，因此动态功耗低一些。但静态功耗反而高一些。
4.
寄存器插入。在复杂的组合逻辑中插入寄存器，能减少毛刺带来的动态功耗，但也增加了寄存器功耗。
5.
结构优化。使用DSP模块进行数学计算，而不是使用LE。大的移位寄存器使用ram资源实现的FIFO，而不是使用LE。这样都能减少功耗。


八、I/O考虑


Cyclone III芯片的I/O特性比以前的更强大。I/O的设计流程包括：创建pin相关的配置，验证配置是否符合规则。


管脚分配工具(Pin Planner)：
Package View(默认视图)：提供了可视化的芯片封装，能更直观的分配管脚，避免拥挤。能用不同的方式显示芯片的封装，包括分bank,显示差分管脚，显示已分配管脚等。如果你分不清芯片的哪一边是TOP，可以使用Show Edges，然后你就知道了，bank12是LEFT,bank34是BOTTOM,bank56是RIGHT，bank78是TOP。
Pad View：提供了芯片核心（裸片）的引脚分布顺序。注意某些引脚分布规则，在芯片封装后（比如BGA封装）可能难以理解，但看看裸片的引脚分布就知道了。
Pin Migration View：如果你设计时要考虑器件迁移（兼容），那么用这个视图是最方便的，选择好要兼容的器件，直接就会生成每个引脚的最终选择。按照这个视图的结果做封装就可以了。


配置工具(Assignment Editor)，管脚相关的配置：
1.
输出电流(Current Strength)：每个I/O标准都可以配置输出电流大小。注意增大电流，会提高I/O性能，但也会提高噪声。电流过小也会有影响，特别是对输出的时钟信号。因此选择合适的电流大小很重要。
2.
摆动（变化）速率控制(slew rate control)：对于高速的数据总线，Altera建议打开这项设置，用来降低SSO干扰。这项设置只支持单端的I/O标准，大于等于8mA以上的电流。这项设置的具体使用，会再补充。
3.
片内串行匹配(OCT)：OCT有两种模式，校准和非校准。在非校准的情况下，默认选择25欧和50欧的电阻。校准模式下，RUP和RDN管脚需要连接25欧或者50欧的精密电阻，芯片会在FPGA的配置时期，进行校准，设置更准确的OCT值。
4.
专用差分输出缓冲单元：left和right的I/O bank有此单元，最大LVDS输出速率达840Mbps,且不需要外部的发送匹配电阻。这个单元还能对输出信号进行可选择的预加重。信号在线缆中传输时，高频成分的衰减，相对于低频成分要大。因此在输出时，对高频成分适当放大，这样能减少接收端的高频成分和低频成分的不平衡。注意配置选项的名称为（Programmable Pre-emphasis）。


九、PLL考虑


Cyclone III有4个独立的PLL单元（EP3C5和EP3C10只有2个）。PLL的输入时钟只能是专用时钟输入或者是另一个PLL的输出时钟。PLL的C0输出到专用时钟输出脚，可以达到最好的布线效果。
PLL模块可以进行功能仿真和时序仿真。


十、配置软件的设置


1.
可选的配置管脚。Enable user-supplied start-up clock (CLKUSR)，这个选项用来控制，是否使用外部时钟来初始化FPGA。FPGA默认用10MHz的内部时钟来初始化。Enable INIT_DONE output，这个选项如果打开，当FPGA配置完成时，该管脚会由低变高。如果使用，需要外部10K欧的上拉。
2.
自动重配。打开auto-restart configuration after error option这个选项，当FPGA配置错误时，会自动重新配置。
3.
估算配置文件大小。rbf格式的文件大小，最接近原始的未压缩文件大小。
4.
转换配置文件的格式。可以把原始的sof文件转化为pof,hexout,rbf,ttf,rpd,jic这些格式。pof和jic是Quartus II烧写软件支持的格式，其它格式用于其它烧写软件。如果要做到多器件配置，可以把多个sof合在一起，转化为一个配置文件。合在一起的顺序需要注意，和配置的顺序是相关的。


十一、
有效pin的布局


1.
I/O配置检查。Start I/O Assignment Analysis命令，可以用来检查I/O配置有没有违规的地方。
2.
直流相关。输入或者输出电流过大都会损坏芯片。典型的例子是，输出高的引脚直接接地，输出低的引脚直接接Vcc。每个I/O引脚，最大输出40mA,输入25mA。引脚如果要拉高或者拉低，一定要串联外部电阻。还要注意，连续引脚的总输出电流是有限制的。因此，尽量分散管脚的使用，而且适当限制电流是有必要的。