Altera Cyclone IV系列FPGA解决方案详解

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Altera 公司的Cyclone IV 系列FPGA包括两个系列:Cyclone IV E和Cyclone IV GX,具有低成本、低功耗的FPGA 架构,6 K 到150 K 的逻辑单元,高达6.3 Mb 的嵌入式存储器,小于1.5 W 的总功耗;Cyclone IV GX 器件提供高达八个3.125 Gbps高速收发器,用于大批量，成本敏感的应用如无线、有线、广播、工业，用户以及通信等行业.本文介绍了Cyclone IV 器件系列主要特性,收发器通道框图以及Cyclone IV GX FPGA开发套件主要特性,框图,电路图和材料清单.
Altera 新的Cyclone?IV 系列 FPGA 器件巩固了Cyclone 系列在低成本、低功耗FPGA市场的领导地位，并且目前提供集成收发器功能的型号。Cyclone IV 器件旨在用于大批量，成本敏感的应用，使系统设计师在降低成本的同时又能够满足不断增长的带宽要求。
Cyclone IV 器件系列是建立在一个优化的低功耗工艺基础之上，并提供以下两种型
号：
■ Cyclone IV E— 最低的功耗，通过最低的成本实现较高的功能性
■ Cyclone IV GX— 最低的功耗，集成了3.125 Gbps 收发器的最低成本的FPGA
Cyclone IV 器件集成了一个可选择的低成本收发器，在未影响性能的情况下，节省了功耗及成本。针对无线、有线、广播、工业，用户以及通信等行业中的低成本的小型应用，Cyclone IV 器件无疑是最理想的选择。
Cyclone IV 器件系列主要特性:
■ 低成本、低功耗的FPGA 架构：
■ 6 K 到150 K 的逻辑单元
■ 高达6.3 Mb 的嵌入式存储器
■ 高达360 个18 × 18 乘法器，实现DSP 处理密集型应用
■ 协议桥接应用，实现小于1.5 W 的总功耗
■ Cyclone IV GX 器件提供高达八个高速收发器以支持：
■ 高达3.125 Gbps 的数据速率
■ 8B/10B 编码器/ 解码器
■ 8-bit 或者10-bit 位物理介质附加子层(PMA) 到物理编码子层(PCS) 接口
■ 字节串化器/ 解串器(SERDES)
■ 字对齐器
■ 速率匹配FIFO
■ 公共无线电接口(CPRI) 的TX 位滑块
■ 电路空闲
■ 动态通道重配置以实现数据速率及协议的即时修改
■ 静态均衡及预加重以实现最佳的信号完整性
■ 每通道150 mW 的功耗
■ 灵活的时钟结构以支持单一收发器模块中的多种协议
■ Cyclone IV GX 器件对PCI Express (PIPE)(PCIe)Gen 1 提供了专用的硬核IP：
■ ×1,×2, 和×4 通道配置
■ 终点和根端口配置
■ 高达256-byte 的有效负载
■ 一个虚拟通道
■ 2 KB 重试缓存
■ 4 KB 接收(Rx) 缓存
■ Cyclone IV GX 器件提供多种协议支持：
■ PCIe (PIPE) Gen 1×1,×2, 和×4 (2.5 Gbps)
■ 千兆以太网(1.25 Gbps)
■ CPRI ( 高达3.072 Gbps)
■ XAUI (3.125 Gbps)
■ 三倍速率串行数字接口(SDI）( 高达2.97 Gbps)
■ 串行RapidIO(3.125 Gbps)
■ Basic 模式( 高达3.125 Gbps)
■ V-by-One( 高达3.0 Gbps)
■ DisplayPort(2.7 Gbps)
■ 串行高级技术附件(Serial Advanced Technology Attachment (SATA))( 高达3.0 Gbps)
■ OBSAI( 高达3.072 Gbps)
■ 高达532 个用户I/O
■ 高达840 Mbps 发送器(Tx), 875 Mbps Rx 的LVDS 接口
■ 支持高达200 MHz 的DDR2 SDRAM 接口
■ 支持高达167 MHz 的QDRII SRAM 和DDR SDRAM
■ 每器件中高达8 个锁相环(PLLs)
■ 支持商业与工业温度等级
Cyclone IV 器件系列体系结构
这一部分介绍了Cyclone IV 器件的体系结构，其中包括以下几方面内容：
■ FPGA 核心架构
■ I/O 特性
■ 时钟管理
■ 外部存储器接口
■ 配置
■ 高速收发器( 仅适用于Cyclone IV GX 器件)
■ PCI Express 的硬核IP( 仅适用于Cyclone IV GX 器件)
FPGA 核心架构
Cyclone IV 器件采用了与成功的Cyclone 系列器件相同的核心架构。这一架构包括由四输入查找表(LUTs) 构成的LE, 存储器模块以及乘法器。
每一个Cyclone IV 器件的M9K 存储器模块都具有9 Kbit 的嵌入式SRAM 存储器。您可以把M9K 模块配置成单端口、简单双端口、真双端口RAM 以及FIFO 缓冲器或者ROM，通过配置也可以实现表1-7 中的数据宽度。
Cyclone IV 器件中的乘法器体系结构与现有的Cyclone 系列器件是相同的。嵌入式乘法器模块可以在单一模块中实现一个18 × 18 或两个 9 × 9 乘法器。Altera 针对乘法器模块的使用提供了一整套的DSP IP，其中包括有限脉冲响应(FIR)， 快速傅里叶变换(FFT) 和数字控制震荡器(NCO) 功能。Quartus?II 设计软件中的DSP Builder 工具集成了MathWorks Simulink 与MATLAB 设计环境，从而实现了一体化的DSP 设计流程。

图1.Cyclone IV GX 器件的收发器通道框图
Altera Cyclone IV GX FPGA开发套件
Altera? Cyclone? IV GX FPGA开发套件为迅速开始开发低成本、低功耗FPGA系统级设计提供了全面的、同类最佳的设计环境。该套件帮助您缩短了产品开发周期，使您能够更迅速的将产品推向市场，树立新的产品里程碑。采用这一平台，您能够：
使用Cyclone IV GX PCI Express硬核知识产权(IP)和PCI-SIG?兼容电路板，开发并测试PCI Express? Gen1 x1、x2、x4端点设计。
使用板上DDR2存储器，通过其扩展功能，高速中间链接卡(HSMC)连接器，开发并测试多通路协议桥接设计。Altera合作伙伴提供30多种不同的HSMC，以及CPRI、SATA和SDI等支持协议。
重新使用套件电路板测试系统提供的实例设计，加速您的FPGA设计。
针对您产品的低成本和低功耗电路板，使用套件的主板作为设计模型。
Cyclone IV GX FPGA开发套件包括：
Cyclone IV GX FPGA开发板(参见图1)
安装的器件
F896封装的Cyclone IV GX EP4CGX150N FPGA
配置状态和设置单元
通过MAX? II EPM2210 CPLD和闪存进行被动串行(PS)配置
使用Quartus?II编程器的板上USB-BlasterTM下载电缆
时钟
板上时钟振荡器：50 MHz、100 MHz(可设置)和125 MHz
用于外部时钟输入的SMA连接器
用于时钟输出的SMA连接器
通用用户输入和输出
LED
LCD显示屏
按键和双列直插封装(DIP)开关
存储器件
128-MB DDR2 SDRAM，支持32位数据总线。
64-MB同步闪存和4-MB SSRAM
元件和接口
PCI Express边沿连接器
10/100/1000-Mbps以太网PHY，提供RJ-45连接器。
两个HSMC连接器
电源测量电路
电源
笔记本计算机直流输入
PCI Express边沿连接器电源
其他特性
PCI Express短卡
符合RoHS
Cyclone IV GX FPGA开发套件软件组成(可以通过表2下载)
设计实例
电路板更新入口，含有Nios?II处理器网络服务器，支持远程系统更新。
电路板测试系统
完整的文档(参见表2)
免费的Quartus II网络版软件，包括对Cyclone IV FPGA的支持，以及：
Nios II嵌入式设计套装
MegaCore?IP库包括PCI Express、三速以太网、SDI和DDR2高性能控制器MegaCore IP内核
通过OpenCore Plus进行IP评估
回环和调试HSMC
电源适配器和电缆

图2.Cyclone IV GX FPGA开发套件外形图和主要元件分布图
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

图3.Cyclone IV GX FPGA 开发板方框图