Xilinx FPGA權威設計指南：基於Vivado 2023設計套件（簡體書）

何賓，知名的嵌入式和EDA技術專家，長期從事電子設計自動化方面的教學和科研工作，與全球多家知名的半導體廠商和EDA工具廠商密切合作。已經出版電子信息方面的著作共40余部，內容涵蓋電路仿真、電路設計、FPGA、數字信號處理、單片機、嵌入式系統等。典型的代表作有《模擬電子系統設計指南（基礎篇）：從半導體、分立元件到TI集成電路的分析與實現》、《模擬電子系統設計指南（實踐篇）：從半導體、分立元件到TI集成電路的分析與實現》、《Xilinx Zynq-7000嵌入式系統設計與實現-基於ARM Cortex-A9雙核處理器和Vivado的設計方法》、《Altium Designer17一體化設計標準教程-從仿真原理和PCB設計到單片機系統》、《STC8系列單片機開發指南：面向處理器、程序設計和操作系統的分析與應用》等。

目 錄
第 章 Xilinx新一代UltraScale 架構FPGA 1
1.1 UltraScale 結構特點 1
1.1.1 Artix UltraScale FPGA系列 1
1.1.2 Kintex UltraScale FPGA系列 2
1.1.3 Virtex UltraScale FPGA系列 3
1.2 可配置邏輯塊 4
1.2.1 查找表功能和配置 7
1.2.2 多路復用器 10
1.2.3 進位邏輯 21
1.2.4 存儲元件 29
1.2.5 分布式RAM（只有SLICEM） 33
1.2.6 只讀存儲器（ROM） 37
1.2.7 移位寄存器（只有SLICEM） 42
1.3 時鐘資源和時鐘管理模塊 45
1.3.1 時鐘架構概述 45
1.3.2 時鐘布線資源概述 46
1.3.3 CMT概述 46
1.3.4 時鐘資源 47
1.3.5 時鐘管理模塊 52
1.4 存儲器資源 56
1.4.1 BRAM資源 56
1.4.2 UltraRAM資源 66
1.5 專用的DSP模塊 72
1.6 SelectIO資源 83
1.6.1 SelectIO接口資源 83
1.6.2 SelectIO接口通用指南 87
1.6.3 SelectIO接口邏輯資源 90
1.6.4 高密度I/O組 99
1.7 高速串行收發器 100
1.7.1 GTH和GTY收發器 101
1.7.2 GTM收發器 103
1.8 系統監控器模塊 104
1.9 互聯資源 107
1.10 配置模塊 107
1.10.1 配置模式概述 108
1.10.2 JTAG連接 110
1.10.3 保護比特流 111
1.11 參考資料 112
第 章 Vivado設計套件導論 113
2.1 Vivado設計套件框架 113
2.1.1 Vivado設計套件功能 113
2.1.2 Vivado設計套件支持的工業標準 114
2.1.3 Vivado對第三方工具的支持 114
2.2 Vivado系統級設計流程 114
2.3 Vivado兩種設計流程模式 117
2.3.1 工程模式 117
2.3.2 非工程模式 117
2.3.3 兩種模式不同點比較 118
2.3.4 兩種模式命令的區別 119
2.4 Vivado中電路結構的網表描述 120
2.5 Vivado中工程數據的目錄結構 121
2.6 Vivado中Journal文件和Log文件功能 121
2.6.1 Journal文件（Vivado.jou） 121
2.6.2 Log文件（Vivado.log） 122
2.7 Vivado中XDC文件 124
2.7.1 XDC的特性 124
2.7.2 XDC與UCF區別 125
2.7.3 約束文件的使用方法 125
2.7.4 約束順序 126
2.7.5 XDC命令 127
2.8 Vivado IDE的啟動方法 128
2.9 Vivado IDE主界面 128
2.9.1 Quick Start分組 129
2.9.2 Tasks分組 132
2.9.3 Learning Center分組 132
2.10 Vivado IDE工程界面及功能 133
2.10.1 流程處理主界面及功能 133
2.10.2 Sources窗口及功能 134
2.10.3 工程總結窗口 136
2.10.4 運行設計的交互窗口 138
2.11 Vivado支持的屬性 142
第 章 Vivado工程模式基本設計實現 159
3.1 創建新的設計工程 159
3.2 修改工程屬性 162
3.2.1 修改目標語言設置 162
3.2.2 General設置參數含義 163
3.3 創建並添加一個新的設計文件 164
3.4 設計RTL分析 169
3.4.1 運行Linter 169
3.4.2 詳細描述的實現 170
3.4.3 運行方法檢查 173
3.4.4 報告DRC 174
3.4.5 報告噪聲 176
3.4.6 生成HDL例化模板 177
3.5 行為級仿真 179
3.5.1 仿真功能概述 179
3.5.2 編譯仿真庫（可選） 179
3.5.3 行為級仿真的實現 180
3.5.4 仿真器界面的功能 184
3.6 設計綜合和分析 187
3.6.1 綜合的概念和特性 187
3.6.2 設計綜合選項 188
3.6.3 執行設計綜合 191
3.6.4 打開綜合後的設計 193
3.6.5 打開綜合後的原理圖 194
3.6.6 查看綜合報告 196
3.6.7 添加其他報告 197
3.6.8 創建新的運行 198
3.7 綜合後的仿真 199
3.8 創建實現約束 200
3.8.1 實現約束的原理 200
3.8.2 I/O規劃工具 201
3.8.3 添加引腳約束 206
3.8.4 添加時序約束 210
3.9 設計實現和分析 212
3.9.1 設計實現原理 213
3.9.2 設計實現設置 214
3.9.3 設計實現及分析 228
3.9.4 靜態時序分析 236
3.10 布局布線後時序仿真 241
3.11 生成編程文件 242
3.11.1 配置器件屬性 242
3.11.2 修改生成編程文件選項 248
3.11.3 執行生成可編程文件 249
3.12 下載比特流文件到FPGA 249
3.13 生成並燒寫PROM文件 251
第 章 Vivado非工程模式基本設計實現 255
4.1 非工程模式基本命令和功能 255
4.1.1 非工程模式基本命令列表 255
4.1.2 典型Tcl腳本的使用 256
4.2 Vivado集成開發環境分析設計 257
4.2.1 啟動Vivado集成開發環境 257
4.2.2 打開設計檢查點的方法 257
4.3 修改設計路徑 258
4.4 設置設計輸出路徑 258
4.5 讀取設計文件 259
4.6 運行設計綜合 259
4.7 運行設計布局 260
4.8 運行設計布線 262
4.9 生成比特流文件 263
4.10 下載比特流文件 263
第 章 Vivado創建和封裝用戶IP核流程 265
5.1 Vivado IP設計方法 265
5.1.1 Vivado IP設計流程 265
5.1.2 IP核術語 266
5.2 創建並封裝包含源文件的IP 266
5.2.1 創建新的用於創建IP的工程 266
5.2.2 設置定制IP的庫名和目錄 268
5.2.3 封裝定制IP的實現 270
5.3 調用並驗證包含源文件的IP設計 273
5.3.1 創建新的用於調用IP的工程 273
5.3.2 設置包含調用IP的路徑 274
5.3.3 創建基於IP的系統 275
5.3.4 執行行為級仿真 279
5.3.5 系統設計綜合 281
5.3.6 系統實現和驗證 281
5.4 創建並封裝不包含源文件的IP 282
5.4.1 創建網表文件 282
5.4.2 創建新的設計工程 282
5.4.3 設置定制IP的庫名和目錄 283
5.4.4 封裝定制IP的實現 283
5.5 調用並驗證不包含源文件的IP設計 285
5.5.1 創建新的用於調用IP的工程 285
5.5.2 設置包含調用IP的路徑 285
5.5.3 創建基於IP的系統 285
5.5.4 系統設計綜合 287
第 章 Vivado時序和物理約束原理及實現 288
6.1 時序檢查的概念 288
6.1.1 基本術語 288
6.1.2 時序路徑 288
6.1.3 建立和保持松弛 290
6.1.4 時序分析關鍵概念 291
6.2 定義時鐘 297
6.2.1 關於時鐘 297
6.2.2 基本時鐘 298
6.2.3 虛擬時鐘 299
6.2.4 生成時鐘 300
6.2.5 時鐘組 309
6.2.6 時鐘延遲、抖動和不確定性 315
6.3 I/O延遲約束 316
6.3.1 輸入延遲 316
6.3.2 輸出延遲 318
6.4 時序例外 332
6.4.1 多周期路徑 333
6.4.2 假路徑 345
6.4.3 最大和最小延遲 346
6.4.4 Case分析 355
6.4.5 禁止時序弧 356
6.5 CDC約束 357
6.5.1 關於總線偏移約束 357
6.5.2 set_bus_skew命令的語法 358
6.6 物理約束原理 359
6.6.1 關於布局約束 359
6.6.2 網表約束 360
6.6.3 布局約束原理 361
6.6.4 布線約束原理 362
6.7 配置約束 363
6.8 定義相對布局的宏 363
6.8.1 定義設計元素集 363
6.8.2 創建宏 364
6.8.3 單元分配到RPM集 364
6.8.4 分配相對位置 365
6.8.5 分配固定位置到RPM 368
6.9 布局約束實現 369
6.9.1 修改綜合屬性 369
6.9.2 布局約束方法 370
6.10 布線約束實現 372
6.10.1 手工布線 373
6.10.2 進入分配布線模式 373
6.10.3 分配布線節點 375
6.10.4 取消分配布線節點 375
6.10.5 完成並退出分配布線模式 375
6.10.6 鎖定LUT負載上的單元輸入 376
6.10.7 分支布線 376
6.10.8 直接約束布線 377
6.11 修改邏輯實現 378
6.12 增量編譯 379
6.12.1 增量編譯流程 379
6.12.2 運行增量布局和布線 379
6.12.3 使用增量編譯 381
6.12.4 增量編譯高級分析 383
第 章 Vivado調試工具原理和實現 384
7.1 設計調試原理和方法 384
7.2 創建新的調試設計 385
7.2.1 創建新的FIFO調試工程 385
7.2.2 添加FIFO IP到設計中 386
7.2.3 添加頂層設計文件 389
7.2.4 在頂層文件中添加設計代碼 389
7.2.5 添加約束文件 393
7.3 網表插入調試探測流程的實現 395
7.3.1 網表插入調試探測流程的方法 395
7.3.2 網表插入調試探測流程的實現 396
7.4 添加HDL屬性調試探測流程的實現 404
7.5 添加HDL例化調試核探測流程的實現 405
7.6 VIO原理和應用 408
7.6.1 設計原理 409
7.6.2 添加VIO核 409
7.6.3 生成比特流文件 413
7.6.4 下載並調試設計 414
第 章 Vivado動態功能交換原理及實現 416
8.1 動態功能交換導論 416
8.1.1 動態功能交換介紹 416
8.1.2 術語解釋 417
8.1.3 設計考慮 418
8.1.4 常見應用 421
8.1.5 Vivado軟件流程 424
8.2 基於工程的動態功能交換實現 425
8.2.1 設計原理 425
8.2.2 建立動態功能交換工程 427
8.2.3 創建新的分區定義 429
8.2.4 添加新的可重配置模塊 430
8.2.5 設置不同的配置選項 432
8.2.6 查看/修改分區的布局 436
8.2.7 執行DRC 437
8.2.8 實現第一個運行配置並生成比特流文件 439
8.2.9 實現第二個運行配置並生成比特流文件 439
8.2.10 實現第三個運行配置並生成比特流文件 440
8.2.11 實現第四個運行配置並生成比特流文件 440
8.2.12 下載不同運行配置的部分比特流 441
8.3 基於非工程的動態功能交換實現 442
8.3.1 查看腳本 443
8.3.2 綜合設計 443
8.3.3 實現第一個配置 444
8.3.4 實現第二個配置 449
8.3.5 驗證配置 451
8.3.6 生成比特流 451
8.3