FPGA Design
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Diplomarbeit aus dem Jahr 2003 im Fachbereich Informatik - Technische Informatik, Note: 1,0, Hochschule Mittweida (FH) (Informationstechnik & Elektrotechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:Da sich die Anfragen von Kundenseite her nach der Möglichkeit von FPGA-Entwicklung bei Flextronics Design Althofen mehr und mehr häuften, war es an der Zeit das entsprechende Know-How aufzubauen. Bis dato hat die Firma jahrelange Erfahrung im Bereich Mikrokontroller-Programmierung und auf Basis dieser Erfahrung sollte die FPGA-Entwicklung aufbauen.Für die Erstellung der Programme bz...
Diplomarbeit aus dem Jahr 2003 im Fachbereich Informatik - Technische Informatik, Note: 1,0, Hochschule Mittweida (FH) (Informationstechnik & Elektrotechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:
Da sich die Anfragen von Kundenseite her nach der Möglichkeit von FPGA-Entwicklung bei Flextronics Design Althofen mehr und mehr häuften, war es an der Zeit das entsprechende Know-How aufzubauen. Bis dato hat die Firma jahrelange Erfahrung im Bereich Mikrokontroller-Programmierung und auf Basis dieser Erfahrung sollte die FPGA-Entwicklung aufbauen.
Für die Erstellung der Programme bzw. zur Personalisierung des FPGAs werden Entwurfswerkzeuge der Fa. Xilinx verwendet.
Da es verschiedenste Entwicklungswerkzeuge unterschiedlichster Hersteller gibt, die in diesem Rahmen nicht bearbeitet werden können, wird in diesem Falle speziell das Xilinx ISE WebPack Paket, welches es auf der Xilinx Homepage (wwwxilinxcom) gratis zum Download gibt, verwendet. Diese Version ist natürlich teilweise eingeschränkt.
Es soll in diesem Rahmen noch mit frei erhältlicher Software gearbeitet werden, mit welcher auch gezeigt werden soll, dass hiermit bereits umfangreiche und komplexe Designs erstellt werden können.
Die Programmbeispiele sollen anhand eines ausgewählten Demoboards ausgetestet werden, bzw. veranschaulicht werden können.
Es soll ein kundenspezifischer Mikroprozessor nach vorgegebenen Befehlssatz programmiert, verifiziert und nach Möglichkeit auf einer FPGA Plattform implementiert werden. Der Softcore MP sollte nach einer 4bit Harvard Architektur aufgebaut werden. Zur Verifikation ist auch zu beachten, dass es mit höchster Wahrscheinlichkeit keinen Assembler geben wird, der entsprechend den Vorgaben aufgebaut ist.
Problemstellung:
Folgende Punkte sind zu bearbeiten:
- Was ist ein FPGA?
- Wo sind FPGAs einzuordnen?
- Wo finden FPGAs ihre Anwendung, bzw. wo machen sie Sinn?
- Wie sieht der Entwicklungsablauf eines FPGAs aus?
-Kurzeinführung in die Hardwarebeschreibungssprache VHDL
- Erstellen einer Mikroprozessor Softcore, welche Mitarbeitern als Übungsmodell dienen sollte.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung3
1.1Motivation3
2.Pflichtenheft3
2.1Allgemein3
2.2Software3
2.3Hardware3
2.4Anwendung3
3.Abkürzungsverzeichnis / Begriffserklärung4
4.FPGA-Grundlagen5
4.1Eigenschaften6
4.2Anwendungen7
5.Hersteller8
6.Designentwurf9
6.1Überführung von Schaltfunktion in VHDL10
6.2Entwicklungsumgebung ISE WebPack19
7.VHDL27
7.1Allgemeines27
7.2Eigenschaften von VHDL27
7.3Aufbau einer VHDL-Beschreibung27
8.Entwicklung einer Mikroprozessor Softcore auf einer FPGA Plattform31
8.1Allgemeine Lösungsansätze31
8.2Detaillierte Lösungsansätze32
8.3Anforderungen35
8.3.1Befehlssatz35
8.4Blockschaltbild36
8.4.1Programmspeicher36
8.4.2Datenspeicher37
8.4.3CPU38
8.4.4Ablaufsteuerung39
8.4.5Datenpfad40
8.4.6Takt Generator40
8.5Gesamtschaltbild41
8.6Schnittstellen des VHDL Modelles43
9.Verifikation44
9.1Verifikationsstrategie44
9.1.1Hierarchie des Designs45
9.1.2Verifikationsplan46
9.2Testbench47
9.3Simulation47
9.3.1Programmspeicher48
9.3.2Taktgenerator55
10.Laden auf FPGA Plattform55
11.Erweiterungsmöglichkeiten56
12.Zukunftsaussichten56
13.Zusammenfassung57
14.Anhang58
14.1VHDL Source Code58
14.2Assembler Files69
15.Abbildungsverzeichnis72
16.Literatur73
Da sich die Anfragen von Kundenseite her nach der Möglichkeit von FPGA-Entwicklung bei Flextronics Design Althofen mehr und mehr häuften, war es an der Zeit das entsprechende Know-How aufzubauen. Bis dato hat die Firma jahrelange Erfahrung im Bereich Mikrokontroller-Programmierung und auf Basis dieser Erfahrung sollte die FPGA-Entwicklung aufbauen.
Für die Erstellung der Programme bzw. zur Personalisierung des FPGAs werden Entwurfswerkzeuge der Fa. Xilinx verwendet.
Da es verschiedenste Entwicklungswerkzeuge unterschiedlichster Hersteller gibt, die in diesem Rahmen nicht bearbeitet werden können, wird in diesem Falle speziell das Xilinx ISE WebPack Paket, welches es auf der Xilinx Homepage (wwwxilinxcom) gratis zum Download gibt, verwendet. Diese Version ist natürlich teilweise eingeschränkt.
Es soll in diesem Rahmen noch mit frei erhältlicher Software gearbeitet werden, mit welcher auch gezeigt werden soll, dass hiermit bereits umfangreiche und komplexe Designs erstellt werden können.
Die Programmbeispiele sollen anhand eines ausgewählten Demoboards ausgetestet werden, bzw. veranschaulicht werden können.
Es soll ein kundenspezifischer Mikroprozessor nach vorgegebenen Befehlssatz programmiert, verifiziert und nach Möglichkeit auf einer FPGA Plattform implementiert werden. Der Softcore MP sollte nach einer 4bit Harvard Architektur aufgebaut werden. Zur Verifikation ist auch zu beachten, dass es mit höchster Wahrscheinlichkeit keinen Assembler geben wird, der entsprechend den Vorgaben aufgebaut ist.
Problemstellung:
Folgende Punkte sind zu bearbeiten:
- Was ist ein FPGA?
- Wo sind FPGAs einzuordnen?
- Wo finden FPGAs ihre Anwendung, bzw. wo machen sie Sinn?
- Wie sieht der Entwicklungsablauf eines FPGAs aus?
-Kurzeinführung in die Hardwarebeschreibungssprache VHDL
- Erstellen einer Mikroprozessor Softcore, welche Mitarbeitern als Übungsmodell dienen sollte.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung3
1.1Motivation3
2.Pflichtenheft3
2.1Allgemein3
2.2Software3
2.3Hardware3
2.4Anwendung3
3.Abkürzungsverzeichnis / Begriffserklärung4
4.FPGA-Grundlagen5
4.1Eigenschaften6
4.2Anwendungen7
5.Hersteller8
6.Designentwurf9
6.1Überführung von Schaltfunktion in VHDL10
6.2Entwicklungsumgebung ISE WebPack19
7.VHDL27
7.1Allgemeines27
7.2Eigenschaften von VHDL27
7.3Aufbau einer VHDL-Beschreibung27
8.Entwicklung einer Mikroprozessor Softcore auf einer FPGA Plattform31
8.1Allgemeine Lösungsansätze31
8.2Detaillierte Lösungsansätze32
8.3Anforderungen35
8.3.1Befehlssatz35
8.4Blockschaltbild36
8.4.1Programmspeicher36
8.4.2Datenspeicher37
8.4.3CPU38
8.4.4Ablaufsteuerung39
8.4.5Datenpfad40
8.4.6Takt Generator40
8.5Gesamtschaltbild41
8.6Schnittstellen des VHDL Modelles43
9.Verifikation44
9.1Verifikationsstrategie44
9.1.1Hierarchie des Designs45
9.1.2Verifikationsplan46
9.2Testbench47
9.3Simulation47
9.3.1Programmspeicher48
9.3.2Taktgenerator55
10.Laden auf FPGA Plattform55
11.Erweiterungsmöglichkeiten56
12.Zukunftsaussichten56
13.Zusammenfassung57
14.Anhang58
14.1VHDL Source Code58
14.2Assembler Files69
15.Abbildungsverzeichnis72
16.Literatur73
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