SratixII系列高性能FPGA及其配置方案

摘要:本文阐述了Altera公司新推出的StratixII系列高密度、高性能FPGA的体系构架、特点和性能，描述了该系列FPGA的配置方案。

关键词:现场可编程门阵列；StratixII；自适应逻辑模块；配置方案

一．引言

目前，高密度的可编程逻辑器件，包括现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)，由于具有巨大的灵活性而广泛应用于各种数字系统中。作为SOPC解决方案的世界领先者，Altera公司不断推出多个系列的FPGA、CPLD产品。这些产品大都具有灵活、易于开发和高性价比的特点，在各个领域得到广泛的应用。

StratixII系列FPGA是Altera公司最新的具有全新构架的、高密度的产品。它采用1.2V电压、90nm及全铜层SRAM工艺。同时，它是业界第一次采用自适应构架的FPGA。与第一代Stratix相比，StratixII器件的逻辑密度是前者的2倍，速度也快了50%。StratixIIFPGAs既允许设计者满足现今高级系统的高性能要求，又避免了使用昂贵的ASIC进行开发。它在无线通信、高速数字信号处理和军事雷达等领域都有广泛的应用前景。

二．StratixII器件的结构与特点

StratixII系列FPGA从低到高端共有如下6个型号：EP2S15、EP2S30、EP2S60、EP2S90、EP2S130和EP2S180。它们具有如下的主要特点：
●创新使用了“自适应逻辑模块”（ALM），这种构架使FPGA的性能及资源利用率最优化；
●具有从15，600到179，400个不等的等效逻辑元件（LEs）；
●高速DSP模块（最快能达到370MHz）:实现了专门的乘法、乘加运算及有限脉冲响应（FIR）滤波器；
●最多有16个全局时钟，支持动态时钟管理以降低用户模式时的功耗；
●最多有12个锁相环（PLLs）；
●支持多种网络、通信总线标准，如RapidIO，HyperTransporttechnology，10GEthernetXSBI等；
●支持高速外部存储器，如DDR、DDR2、SDRAM、QDRIISRAM及SDRSRAM等；
●支持多种Altera公司的IP核移植；
●支持比特流配置的加密技术，
同时，还支持远端配置更新；StratixIIFPGAs之所以能具有上述优异性能，是因为它内部使用了一些先进的设计方法、构架，以下几个方面尤为突出：

2.1自适应逻辑模块(ALM)及逻辑阵列块(LAB)
StratixII器件内建了具有很强灵活性的自适应逻辑模块（ALM）。ALM的顶层方块图如图1所示。每个自适应逻辑模块共有11路输术链连接及1位寄存器链连接。这些输入可以在两个输出函数间灵活分配，也即：允许宽输入函数来达到快速运算的目的，而窄输入函数有效利用剩余的资源。


ALM根据使用这些资源的不同，可以编程配置为4种工作模式之一：
1)自适应查找表(LUT)模式:依靠输入共享，配置成两个函数都有6路输入;
2)扩展查找表模式:具有可选择的7路输入函数的组合模式;
3)算术模式:由两个4路输入查找表组成的算术函数;
4)共享算术模式:共享输入而配置为4个4路输入的查找表。

在StratixII器件中，每个逻辑阵列块（LAB）由8个ALMs、进位链、共享算术链、LAB控制信号及寄存器链连接线组成。正由于StratixII器件采用了上述的扩展逻辑结构，我们能够以更少的资源实现大部分逻辑函数。与以前的结构相比，现在实现乘法器、加法器入：8路数据输入、1个进位位、1位算及其它需要大量输入的复杂函数等所需的逻辑单元平均降低25%。

2.2TriMatrixtm存储器及外部存储器接口
TriMatrixtm存储器同样是StratixII器件具有革命创新性的结构。TriMatrixtm存储器由三种不同大小的集成RAM块组成:512bit的M512块，4Kbit的M4K块以及512Kbit的M-RAM块。基于这三种块的RAM单元最多能达到9Mbits，因此，StratixII系列FPGA是那些对存储量要求很高的应用的理想选择。在复杂设计中，TriMatrixtm存储器提供了多种结构来实现各种各样的存储器函数。比如，利用M512来实现简单的双通道、单通道RAM，FIFO，ROM及移位寄存器等;M4K是实现异步传输模式（ATM）、真正的双通道RAM的理想选择；M-RAM则适合用于需要大量缓冲的地方，如IP核、系统缓冲等。基于TriMatrixtm存储器结构，StratixII的专门接口电路提供了多种高速访问外部存储器的接口。这些存储器包括：DDR、DDR2、SDRAM、QDRIISRAM及SDRSRAM等。设计时，综合考虑速度、价格及容量等因素，选择相对最合适的存储器。

2.3数字信号处理(DSP)模块
以前，由于数字信号处理器件（DSPs）具有很强的运算能力，因此，在那些对运算要求较高的应用领域，DSP与FPGA相比具有明显的优势。而今，StratixII系列FPGA带有自适应逻辑模块、TriMatrixtm存储器及数字信号处理模块，使得StratixII器件完全可以胜任高性能DSP应用，如图像处理、无线通信、军事运用和广播等。StratixII最多有96个DSP块。每个DSP块可以配置成8个9×9-bit、或者4个18×18-bit、或者2个36×36-bit的乘法器。此外，每个DSP块有四种操作模式：简单乘法、乘加、有两个乘法器的加法器及有四个乘法器的加法器。这些模式的组合使得DSP块能够很方便的实现FFT、复杂FIR、IIR及求相关函数等。

2.4StratixII器件的设计安全性
StratixII器件除了具有高性能而满足苛刻的设计要求以外，它同样具有非常高的设计安全性以防止IP核被盗。StratixII器件是工业界首次允许可配置比特流加密方法的FPGA系列，它采用的是128-bit高级加密标准（AES），使用了一个非易失的密钥。加密过程有三个步骤：
1）将128-bit的AES密钥编程写入StratixII器件中，掉电时该密钥不丢失；
2）通过QuartusII软件使用相同的密钥生成加密配置文件，将该文件存储于Flash存储器或配置器件中；
3）上电时，Flash存储器或配置器件将加密配置文件送至StratixII器件，后者利用内部存储的AES密钥来解密该文件及配置自身。

三.StratixII器件的配置方案

由于StratixII器件使用的是SRAM单元来存储配置数据，而SRAM存储器在掉电后数据会丢失，因此，每次StratixII器件上电时，必须下载一次配置数据。选择正确、合适的配置方案是利用FPGA进行设计的一个重要环节。一般而言，ALTERA公司的FPGA共有7种配置方案:被动串行（PS）、主动串行（AS）、快速被动并行(FPP)、被动并行同步（PPS）、被动并行异步（PPA）、被动串行异步（PSA）及JTAG配置。其中，FPP、AS、PS、PPA和JTAG配置方案适用于StratixII系列FPGA。考虑到PS及JTAG配置方案较常用且适用于Altera的所有系列FPGA，下面主要介绍这两种配置方案：

3.1使用配置器件的PS配置方案
使用PS配置方案时，我们可以通过配置器件、微处理器或者下载线来实现。图2所示的是使用配置器件的连接电路图。这也是Altera的FPGA最常见的配置方案之一。


图2中，配置器件可能是EPC16、EPC8、EPC4或EPC2中的一种。具体选用哪个型号，要结合所采用的StratixII器件RAM单元的大小及各款配置器件自身的容量来考虑。设计完成后，通过通用烧写器或其它方法将QuartusII输出的sof文件写入到配置器件中。系统上电时，配置器件中的配置数据自动写入到StratixII器件。

3.2 JTAG配置方案
使用JTAG配置方案时，主要用到4个必需的管脚:TDI、TDO、TMS和TCK及一个可选的管脚:TRST。在电路板上，我们要根据JTAG标准的要求，引出2×5的JTAG底座。要注意的是，TMS和TDI管脚必须接1K的上拉电阻。ByteMasterMV下载线一端接PC的并口，另一端与板上引出的JTAG底座连接。当我们设计完成后，利用ByteMasterMV下载线通过JTAG口将QuartusII输出的配置信息直接写入StratixII器件中。

四.小结

StratixII系列FPGA由于创新使用了自适应逻辑模块、TriMatrix存储器及DSP块等先进设计结构，使得器件的逻辑密度、性能都大大提高，能够满足各种应用的苛刻要求。若再配合强大的QuartusII设计软件，必将使得整个设计过程相对轻松，设计周期也将大为缩短。此外，文中介绍的配置方案对配置Altera公司的其它系列FPGA同样具有很强的参考意义。