CN111898328A - 一种基于FPGA的SoC原型验证系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于FPGA的SoC原型验证系统，属于SoC芯片设计技术领域。所述基于FPGA的SoC原型验证系统包括FPGA、SPI模块、SCI模块、GMAC模块、CAN模块、AD9653模块、ADS5409模块、AD9779模块、JTAG接口、QTH接口、时钟模块和电源模块，利用FPGA作为SoC芯片验证的主要载体，模拟SoC芯片的实际运行,可满足SoC内嵌可重构算法单元验证的需求，AD9653/ADS5409采集的信号，经可重构算法单元处理后，由AD9779转换成模拟信号输出。用本系统对芯片进行软硬件的协同验证，增加验证的覆盖率，查找设计中是否存在缺陷，弥补了仿真验证速度问题，保证SoC设计的可靠性和正确性。

Description

一种基于FPGA的SoC原型验证系统
技术领域
本发明涉及SoC芯片设计技术领域，满足FPGA原型验证需求，尤其是SoC芯片内嵌可重构算法。
背景技术
随着电子整机系统对小型化、高性能、多功能、高可靠和低成本的要求越来越高，需要在保证系统可靠性的前提下，最大程度提高系统的集成度。整机中的算法单元使用硬件进行实现，嵌入到芯片设计中，目前内嵌可重构算法的SoC能够满足电子整机系统发展的需求，在军用电子系统中应用广泛。为保证SoC设计的可靠性和正确性，模拟芯片的实际应用，FPGA是验证阶段的重要载体，把ASIC设计转换为RTL代码，在FPGA上可直接运行，将仿真在硬件上进行实现，对芯片进行软硬件的协同验证，增加验证的覆盖率，查找设计中是否存在缺陷，弥补了仿真验证速度问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA的SoC原型验证系统，以实现对SoC芯片进行验证。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于FPGA的SoC原型验证系统，包括FPGA、SPI模块、SCI模块、GMAC模块、CAN模块、AD9653模块、ADS5409模块、AD9779模块、JTAG接口、QTH接口、时钟模块和电源模块；
FPGA为SoC原型验证系统的核心；SPI模块、GMAC模块和CAN模块对各自外设进行功能验证，SPI模块同时配置AD9653模块、ADS5409模块、AD9779模块、时钟模块中的芯片AD9518；JTAG接口用于加载使用SoC程序；FPGA部分引脚通过QTH接口与外部扩展板卡连接；时钟模块为整个系统提供时钟；电源模块对整个系统供电；
SoC芯片内包括可重构算法单元，AD9653模块和ADS5409模块采集的信号，经可重构算法单元处理后，由AD9779模块转换成模拟信号输出；将SoC芯片的ASIC代码转换为RTL代码，在FPGA上直接运行。
可选的，所述GMAC模块使用的PHY芯片为88E1111-B2-RCJ1C000，支持1000/100/10Mbps工作模式，支持GMII/MII，SGMII接口，通过RJ45接口与外部互联完成数据传输。
可选的，所述时钟模块包括型号为AD9518和AD9514的两款时钟管理芯片；
芯片AD9518的参考时钟由晶振或外部通过SMA接口提供，FPGA通过SPI接口完成对芯片AD9518的配置，并提供时钟给AD9653、AD9779和FPGA；
芯片AD9514的参考时钟由外部通过SMA接口提供，输出2组LVPECL时钟提供给ADS5409。
可选的，AD9653为4通道、16位、125MSPS模数转换器，FPGA通过SPI接口完成对AD9653的配置，AD9653输出的数字信号、数据时钟输出和帧时钟输出与FPGA互联。
可选的，ADS5409为双通道、12位、900MSPS模数转换器，FPGA通过SPI接口完成对ADS5409的配置，ADS5409输出的数字信号、数据时钟输出和超量程输出与FPGA互联。
可选的，AD9779为双通道、16位、高动态范围数模转换器，FPGA通过SPI接口完成对AD9779的配置。
可选的，所述SCI模块、CAN模块、JTAG接口通过接插件引出，能够与其他外设互联完成数据的传输。
可选的，所述QTH接口与所述FPGA互联，所述FPGA通过所述QTH接口与外部扩展板卡连接，满足系统功能的其他需求。
可选的，所述FPGA型号为XCVU440-FLGA2892-1-C。
可选的，所述FPGA、SPI模块、SCI模块、GMAC模块、CAN模块、AD9653模块、ADS5409模块、AD9779模块、JTAG接口、QTH接口、时钟模块和电源模块均集成在一块电路板上。
本发明具有以下有益效果：
(1)可满足不同类型的SoC验证需求，无需重复开发原型验证系统，节约投入成本，缩短了项目周期，在SoC设计的验证阶段本系统具有较高的使用率；
(2)FPGA为系统核心，将SoC芯片的ASIC代码转换为RTL代码，在FPGA上可直接运行，对芯片进行软硬件的协同验证，查找设计中是否存在缺陷，弥补了仿真验证速度问题，增加验证的覆盖率，保证设计的可靠性和正确性。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于FPGA的SoC原型验证系统的构架图；
图2为电源输入和FPGA电源时序控制的原理图；
图3为FPGA的VCCINT_FPGA、VCC1V2_FPGA、MGTAVCC_FPGA电源的原理图；
图4为FPGA的MGTAVTT_FPGA、VCC1V8_FPGA电源的原理图；
图5为AD9653模块、ADS5409模块和AD9779模块电源的原理图；
图6为SCI模块的原理图；
图7为CAN模块的原理图；
图8为GMAC模块的原理图；
图9为JTAG接口、复位等原理图；
图10为AD9653模块的原理图；
图11为AD9779模块的原理图；
图12为ADS5409的原理图；
图13为时钟模块中时钟管理AD9518的原理图；
图14为时钟模块中时钟管理AD9514的原理图；
图15为QTH接口的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于FPGA的SoC原型验证系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种基于FPGA的SoC原型验证系统，其架构如图1所示，包括FPGA、SPI模块、SCI模块、GMAC模块、CAN模块、AD9653模块、ADS5409模块、AD9779模块、JTAG接口、QTH接口、时钟模块和电源模块；FPGA为SoC原型验证系统的核心；SPI模块、GMAC模块和CAN模块对各自外设进行功能验证，SPI模块包括SPI0～SPI7，同时配置AD9653模块、ADS5409模块、AD9779模块、时钟模块中的芯片AD9518；JTAG接口用于加载使用SoC程序；FPGA部分引脚通过QTH接口(即QTH接插件)与外部扩展板卡连接；时钟模块为整个系统提供时钟；电源模块对整个系统供电；SoC芯片内包括可重构算法单元，AD9653模块和ADS5409模块采集的信号，经可重构算法单元处理后，由AD9779模块转换成模拟信号输出；将SoC芯片的ASIC代码转换为RTL代码，在FPGA上直接运行。
在本发明中，电源模块采用单电源为整个系统供电，如图2所示，输入电源电压为直流+12V。系统可通过开关控制12V电源的通断。时序控制芯片MAX16050控制FPGA电源的上电顺序，FPGA各电源的上电先后顺序为VCCINT_FPGA→VCC1V8_FPGA→MGTAVCC_FPGA→VCC1V2_FPGA\MGTAVTT_FPGA。图3和图4为FPGA供电电源的原理图，电源模块PTH08T250W产生0.95V的VCCINT_FPGA电源；电源模块PTH08T220W分别产生1.0V的MGTAVCC_FPGA电源、1.2V的VCC1V2_FPGA电源、1.2V的MGTAVTT_FPGA电源和1.8V的VCC1V8_FPGA电源。
图5为AD9653模块、ADS5409模块和AD9779模块电源原理图，使用MAX8556产生D1.8V_AD给AD9653模块使用，A1.8V_DA给AD9779模块使用，A1.8V_AD5409给ADS5409模块使用，VCC1V8给其他器件使用。
图6是SCI模块的原理图，SCI模块包括SCI0～SCI6；FPGA的1.8V电平信号经电平转换芯片TXS0108E转为3.3V电平后再与后级芯片相连。SP3243EUEY-L芯片转换为RS232电平，使用DB9接口引出；ADM2582EBRWZ芯片转换为RS422电平，使用排针引出。
图7是CAN模块的原理图，CAN模块包括CAN0和CAN1；使用SN65HVD230芯片。FPGA的1.8V电平信号经电平转换芯片SN74LVT245DCTR转为3.3V电平后再与后级芯片相连。
图8是GMAC模块的部分原理图，GMAC模块使用的PHY芯片为88E1111-B2-RCJ1C000，PHY芯片的配置引脚可通过电阻选焊方式配置所需的功能，支持1000/100/10Mbps工作模式，支持GMII/MII，SGMII接口，通过RJ45接口与外部进行通信。
图9是JTAG接口原理图，J22为FPGA的JTAG接口，S1为FPGA的复位按键，使用MAX809Z复位芯片，保证上电过程中FPGA在复位状态；拨码开关S2控制FPGA启动模式；晶振Y5为FPGA的输入时钟；排针P24为SoC内部可重构算法引出的测试引脚，用户观测可重构算法的运行状态；S4为引出的GPIO信号；P20为引出的SPI信号；P13为SoC的JTAG接口；P16、P17、P18控制SoC的启动方式；S3为SoC的复位按键。
图10为AD9653模块的原理图，AD9653模块为4通道、16位、125MSPS模数转换器，支持四路模拟信号的输入，AD9653模块输出的数字信号、数据时钟输出(DCO)和帧时钟输出(FCO)与FPGA互联，FPGA通过SPI模块完成对AD9653模块的配置。
图11为AD9779模块的原理图，AD9779模块为双通道、16位、高动态范围数模转换器，SoC内部可重构算法单元输出的数字信号经AD9779模块转换为模拟信号输出，FPGA可通过SPI模块对AD9779模块进行配置。
图12是ADS5409模块的原理图，ADS5409模块为双通道、12位、900MSPS模数转换器，2路输入通道，ADS5409模块输出的数字信号、数据时钟输出和超量程输出与FPGA互联，FPGA通过SPI模块完成对ADS5409模块的配置。
所述时钟模块包括型号为AD9518和AD9514的两款时钟管理芯片。图13是芯片AD9518的原理图，芯片AD9518的参考时钟可选择由晶振或外部通过SMA接口提供，FPGA通过SPI完成对芯片AD9518的配置，芯片AD9518提供时钟给AD9653模块、AD9779模块、FPGA。
图14为芯片AD9514的原理图，参考时钟由外部通过SMA接口提供，可输出2组LVPECL时钟提供给ADS5409模块，配置引脚可通过跳线帽选择对应的电平信号，配置所需的功能。
图15为GTH接口的原理图，可通过QTH接口与外部扩展板卡连接，满足系统功能的其他需求。
本发明利用FPGA作为SoC芯片验证的主要载体，模拟SoC芯片的实际运行,可满足SoC内嵌可重构算法单元验证的需求，AD9653/ADS5409采集的模拟信号，经可重构算法单元处理后，由AD9779转换成模拟信号输出。用本系统对芯片进行软硬件的协同验证，增加验证的覆盖率，查找设计中是否存在缺陷，弥补了仿真验证速度问题，保证SoC设计的可靠性和正确性。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的SoC原型验证系统，其特征在于，包括FPGA、SPI模块、SCI模块、GMAC模块、CAN模块、AD9653模块、ADS5409模块、AD9779模块、JTAG接口、QTH接口、时钟模块和电源模块；
FPGA为SoC原型验证系统的核心；SPI模块、GMAC模块和CAN模块对各自外设进行功能验证，SPI模块同时配置AD9653模块、ADS5409模块、AD9779模块、时钟模块中的芯片AD9518；JTAG接口用于加载使用SoC程序；FPGA部分引脚通过QTH接口与外部扩展板卡连接；时钟模块为整个系统提供时钟；电源模块对整个系统供电；
SoC芯片内包括可重构算法单元，AD9653模块和ADS5409模块采集的信号，经可重构算法单元处理后，由AD9779模块转换成模拟信号输出；将SoC芯片的ASIC代码转换为RTL代码，在FPGA上直接运行。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的SoC原型验证系统，其特征在于，所述GMAC模块使用的PHY芯片为88E1111-B2-RCJ1C000，支持1000/100/10Mbps工作模式，支持GMII/MII，SGMII接口，通过RJ45接口与外部互联完成数据传输。
3.如权利要求1所述的基于FPGA的SoC原型验证系统，其特征在于，所述时钟模块包括型号为AD9518和AD9514的两款时钟管理芯片；
芯片AD9518的参考时钟由晶振或外部通过SMA接口提供，FPGA通过SPI接口完成对芯片AD9518的配置，并提供时钟给AD9653模块、AD9779模块和FPGA；
芯片AD9514的参考时钟由外部通过SMA接口提供，输出2组LVPECL时钟提供给ADS5409模块。
4.如权利要求1所述的基于FPGA的SoC原型验证系统，其特征在于，AD9653模块为4通道、16位、125MSPS模数转换器，FPGA通过SPI模块完成对AD9653模块的配置，AD9653模块输出的数字信号、数据时钟输出和帧时钟输出与FPGA互联。
5.如权利要求1所述的基于FPGA的SoC原型验证系统，其特征在于，ADS5409模块为双通道、12位、900MSPS模数转换器，FPGA通过SPI模块完成对ADS5409模块的配置，ADS5409模块输出的数字信号、数据时钟输出和超量程输出与FPGA互联。
6.如权利要求1所述的基于FPGA的SoC原型验证系统，其特征在于，AD9779模块为双通道、16位、高动态范围数模转换器，FPGA通过SPI模块完成对AD9779模块的配置。
7.如权利要求1所述的基于FPGA的SoC原型验证系统，其特征在于，所述SCI模块、CAN模块、JTAG接口通过接插件引出，能够与其他外设互联完成数据的传输。
8.如权利要求1所述的基于FPGA的SoC原型验证系统，其特征在于，所述QTH接口与所述FPGA互联，所述FPGA通过所述QTH接口与外部扩展板卡连接，满足系统功能的其他需求。
9.如权利要求1所述的基于FPGA的SoC原型验证系统，其特征在于，所述FPGA型号为XCVU440-FLGA2892-1-C。
10.如权利要求1所述的基于FPGA的SoC原型验证系统，其特征在于，所述FPGA、SPI模块、SCI模块、GMAC模块、CAN模块、AD9653模块、ADS5409模块、AD9779模块、JTAG接口、QTH接口、时钟模块和电源模块均集成在一块电路板上。
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