FPGA门级结构及其时序基础
FPGA概述PPT课件
6.底层内嵌功能单元 内嵌专用硬核是相对于底层嵌入的软核而言 的，硬核（Hard Core）使FPGA具有强大 的处理能力，等效于ASIC电路。
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1.3 IP核简介
IP（Intelligent Property）核
是具有知识产权的集成电路芯核总称，是 经过反复验证过的、具有特定功能的宏模 块，与芯片制造工艺无关，可以移植到不 同的半导体工艺中。
通道绑定原 理示意图
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5.预加重技术 在印制的电路板上，线路是呈现低通滤波 器的频率特性的，为解决高频部分的损失， 就要采取预加重技术。
预加重技术的思想是：在传输信号时，抬高 信号的高频信号，以补偿线路上高频分量的 损失。
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没有预加重 的发送波形
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预加重后的 发送波形
没有预加重 的接收波形
典型的IOB内部结构示意图
2.可配置逻辑块(CLB)
CLB是FPGA内的基本逻辑单元 .
CLB的实际数量和特性会依据器件的不同而不同，但是每 个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由选型电路(多 路复用器等)、触发器和4或6个输入组成。
典型的CLB结 构示意图
3. 数字时钟管理模块（DCM）
目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一 个LUT可以看成是一个有4位地址线的RAM。当用 户通过原理图或HDL语言描述一个逻辑电路以后， PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可 能结果，并把真值表(即结果)写入RAM，这样，每 输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址去 进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
DLL简单模 型示意图
Xilinx DLL的典 型模型示意图
在FPGA设计中，消除时钟的传输延迟，实现高扇出 最简单的方法就是用DLL，把CLK0与CLKFB相连 即可。 利用一个DLL可以 实现2倍频输出
FPGA时序分析
FPGA时序分析FPGA (Field-Programmable Gate Array) 是一种可编程逻辑门阵列芯片，它通过配置在其内部的逻辑门和可编程连线实现不同的逻辑功能。
FPGA 在数字电路设计中广泛应用，其灵活性和可重构性使其成为快速原型设计和现场配置电路的理想选择。
然而，FPGA设计和时序分析是一个复杂的过程。
时序分析是验证设计电路的正确性以及保证其能够在时钟信号的驱动下按照预期的时间顺序工作的过程。
下面将重点介绍FPGA时序分析的基本原理和关键概念。
在FPGA设计中，时序分析主要关注以下几个方面：时钟，时钟延迟，组合逻辑路径和寄存器。
1.时钟：时钟信号在FPGA设计中起到重要作用，它用于同步各个电路模块的操作。
时钟的频率和占空比对电路实现的性能和功耗都有很大的影响。
2.时钟延迟：时钟信号在从原始源头传达到特定电路元件的过程中会有一定的延迟。
这个延迟可以由时钟发生器的性能以及时钟信号在FPGA中传输的路径和电路元件的特性决定。
3.组合逻辑路径：组合逻辑路径是指信号从输入到输出经过的一系列逻辑门的路径。
每个逻辑门都会引入一定的延迟，而组合逻辑路径的时序分析主要关注延迟和信号传播的时间约束。
4.寄存器：FPGA中的寄存器用于存储电路的中间结果或暂存数据，它们可以在时钟上升沿或下降沿触发。
寄存器的时序分析包括确定数据到达寄存器的时间以及寄存器中数据对输出的影响。
时序分析主要用于验证和优化FPGA电路设计。
通过分析时钟频率、时钟延迟和电路路径延迟，可以确定电路是否满足设计规范和时间约束。
时序分析还可以帮助设计人员优化电路以达到更好的性能，如降低时钟频率、优化组合逻辑路径、调整寄存器设置等。
在进行 FPGA 时序分析时，通常使用的工具是时序分析器。
时序分析器是一种软件工具，可以输入 FPGA 设计的网络描述、时钟频率、时钟源等信息，利用相关算法和模型计算出电路的时序性能。
常见的时序分析器包括 Xilinx 的 Vivado 和 Altera 的 Quartus。
FPGA芯片结构工作原理与软核硬核固核详解
FPGA芯片结构工作原理与软核硬核固核详解FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它以其灵活性和可配置性在数字电路设计中广泛应用。
FPGA的结构和工作原理涉及到软核、硬核和固核等概念，下面将对这些内容进行详解。
首先，我们来看FPGA的结构。
FPGA通常包含三个主要的部分：可编程逻辑单元（PLU）、可编程的开关矩阵（Switch Matrix）和输入/输出资源（IOs）。
PLU是FPGA的核心部分，它由可编程的逻辑单元（Look-Up Tables，LUTs）和触发器（Flip-Flops）组成。
LUTs可以通过编程来实现特定逻辑功能，而Flip-Flops用于存储状态信息。
Switch Matrix 用于连接PLU中的逻辑单元，实现不同逻辑单元之间的信号传输。
IOs用于与外部设备进行数据输入和输出。
FPGA的工作原理基于可编程逻辑单元和开关矩阵的组合。
开发者可以使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编写逻辑电路的描述，并通过设计软件将其映射到FPGA上。
软件工具会将逻辑电路的描述翻译成FPGA的配置位流（Configuration Bitstream），然后通过JTAG或其他方式将配置位流加载到FPGA中。
一旦配置完成，FPGA开始执行逻辑电路的功能，通过开关矩阵和PLU来实现信号的传输和处理。
通过重新编程可以改变FPGA中的逻辑电路功能，实现动态的功能更新。
接下来，我们来介绍软核、硬核和固核的概念。
软核（soft core）是指在FPGA芯片上实现的软件模拟的处理器。
软核是通过编程实现的，不同的开发者可以根据自己的需求来编写软核的代码。
软核具有灵活性，可以根据应用的要求进行修改和定制，但其性能通常低于硬核。
硬核（hard core）是指在FPGA芯片设计过程中由厂商提供的硬件IP核。
硬核是由硬件描述语言编写的，具有高性能和低功耗的特点。
fpga逻辑设计方案报告
fpga逻辑设计方案报告FPGA逻辑设计方案报告一、引言FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可编程数字逻辑器件，具有灵活性和可重构性。
FPGA的设计涉及到逻辑电路设计、时序设计和综合优化等方面。
本报告旨在介绍FPGA逻辑设计方案的基本原理和方法。
二、FPGA逻辑设计基础1. FPGA架构：FPGA由可编程逻辑单元（CLB）、输入输出模块（IOB）和可编程互连资源（Interconnect）构成。
CLB是FPGA 中最基本的逻辑单元，包含查找表（LUT）、寄存器和多路选择器等。
IOB用于与外部设备进行数据交换。
Interconnect用于连接CLB和IOB，实现不同逻辑单元之间的互连。
2. FPGA编程语言：常见的FPGA编程语言包括VHDL和Verilog。
这些语言提供了描述数字逻辑电路的方式，可以通过编写代码来实现逻辑功能。
三、FPGA逻辑设计流程1. 需求分析：明确设计的功能和性能要求，确定逻辑电路的输入输出接口。
2. 模块划分：将整个设计任务划分为多个模块，每个模块负责实现一个特定的功能。
3. 逻辑设计：使用FPGA编程语言编写每个模块的逻辑电路描述。
在描述中使用逻辑门、寄存器、多路选择器等基本元件，通过组合和时序逻辑的方式实现所需功能。
4. 综合优化：对逻辑电路进行综合，将高级语言描述转化为逻辑门级的电路描述。
综合优化包括逻辑优化、时序优化和面积优化等。
5. 时序设计：对逻辑电路进行时序约束的设置，确保信号的传输满足时序要求。
时序设计包括时钟频率、时钟分频、时钟延迟等方面的考虑。
6. 布局布线：将逻辑电路映射到FPGA的物理资源上。
布局布线包括逻辑单元的位置分配和信号线的路径规划。
7. 静态时序分析：对布局布线后的电路进行时序分析，检查是否满足时序要求。
8. 配置生成：将逻辑电路的配置位流生成，用于配置FPGA芯片。
9. 下载与验证：将配置位流下载到FPGA芯片中，通过验证测试确保设计满足功能和性能要求。
FPGA的基本原理(详细+入门)
门阵等效门：一个门阵等效门定义为一个两输入端的“与非”门。 系统门：是芯片上门的总数，是厂家指定给器件的一个门数。
十一、FPGA的封装
1、引脚数：FPGA芯片总的引脚数。 2、用户I/O数：指除了电源引脚、特殊功能引脚外的引脚，这些引脚可根据用户的需要进行配置。 3、 I/O驱动电流：8mA 或10mA。 4、时钟网络数：FPGA芯片可能包含1个、2个或4个时钟网络。 5、封装：PLCC，PQFP，CPGA等封装形式。 6、工作温度范围：FPGA芯片一般有商用、工业用及军用等不同的工作温度范围。 7、工作环境：一般分普通工作环境和航天工作环境。
ACT1模块是如何实现三输入与门的？
2、查表型FPGA结构 两输入与门： 4 X 1 RAM 表：
A
B
C
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
A1
A0
（二）、 什么是FPGA？ FPGA是英语（Field programmable Gate Array）的缩写，即现场可编程门阵。它的结构类似于掩膜可编程门阵（MPGA），由可编程逻辑功能块和可编程I/O模块排成阵列组成，并由可编程的内部连线连接这些逻辑功能块和I/O模块来实现不同的设计。 1、FPGA与MPGA的区别： MPGA利用集成电路制造过程进行编程来形成金属互连，而FPGA利用可编程的电子开关实现逻辑功能和互连。 2、FPGA与CPLD的区别： 1) 结构不同：FPGA是由可编程的逻辑模块、可编程的分段互连线和I/O模块组成，而CPLD是由逻辑阵列块、可编程连线阵列和I/O模块组成。 2) CPLD延时可预测（Predictable），FPGA的延时与布局布线情况有关。 3) CPLD 组合逻辑多而触发器较少，而FPGA触发器多。
FPGA_时序约束和分析
FPGA_时序约束和分析FPGA时序约束和分析是指在FPGA设计中，对时序关键路径进行约束以满足设计要求，并通过时序分析验证设计的时序正确性。
时序关键路径是指在时钟周期内所经过的最长的路径，也是影响设计稳定性和工作频率的最重要因素。
时序约束的目的是为了确保设计在给定的时钟频率下能够正常工作。
通过对设计中的时序关键路径进行约束，可以指导综合和布局布线工具生成满足时序要求的设计。
常见的时序约束包括时钟频率、时钟信号和数据信号的时钟偏移、时钟与数据的延迟等。
在进行时序分析之前，需要进行综合和布局布线操作。
综合是将RTL （Register Transfer Level）级别的设计代码转换为门级电路实现的过程，其中包括对代码进行语法检查、逻辑优化和功能映射等操作。
布局布线是指将综合结果进行物理实现的过程，其中包括对门电路进行布局和连线的操作。
时序分析是指通过对设计进行时钟域划分和时序路径的分析，来验证设计是否满足时序要求。
时钟域划分是将设计中的电路元件（即时钟域）划分为不同的时钟域，并通过域间缓存或时钟同步电路解决时钟跨域问题。
时序路径分析是指对设计中的时序关键路径进行定位和分析，包括时钟路径、数据路径和控制路径等。
在进行时序分析时，通常会使用静态时序分析工具对设计进行检查。
静态时序分析工具可以对设计进行计时模拟和约束检查，验证设计是否能够满足时序要求。
常见的静态时序分析工具有Synopsys PrimeTime、Cadence Encounter Timing System等。
1.时钟频率：时钟频率是指设计中所使用的时钟信号的速度。
时钟频率越高，设计的工作速度越快。
时钟频率的选择应该根据设计需求和硬件资源进行权衡，并通过时序分析验证是否能够满足设计要求。
2.时钟偏移：时钟偏移是指时钟信号和数据信号之间的时间差。
时钟偏移应该保持在一定范围内，以确保数据在时钟边沿稳定传输。
时钟偏移的约束可以通过对时钟和数据路径设置合适的延迟来实现。
fpga基础练习题
fpga基础练习题FPGA（现场可编程门阵列）是一种用于实现数字逻辑电路的集成电路技术。
它具有可编程性和灵活性，因此在许多领域都得到广泛应用。
为了帮助大家更好地理解和掌握FPGA的基础知识，以下是一些FPGA基础练习题。
练习题一：FPGA的基本概念描述FPGA的基本原理和特点，并说明FPGA与ASIC（应用特定集成电路）的区别和联系。
练习题二：FPGA的编程语言介绍FPGA常用的编程语言，如VHDL（VHSIC硬件描述语言）和Verilog HDL（硬件描述语言），并比较它们的特点和适用场景。
练习题三：FPGA开发流程以Xilinx为例，详细描述FPGA的开发流程，包括项目创建、设计实现、综合与仿真、下载到FPGA板等步骤，并提及常见的开发工具和软件。
练习题四：FPGA的时序设计解释FPGA的时序设计概念，包括时钟、时钟周期、时钟频率、时钟约束等，并说明如何进行时序约束和时序分析。
练习题五：FPGA的布局布线讨论FPGA的布局布线问题，包括寄存器布局、时钟布线、关键路径等内容，并介绍常用的布局布线工具和技术。
练习题六：FPGA的资源利用说明如何合理利用FPGA的资源，包括LUT（查找表）、片上RAM（Random Access Memory）、DSP（Digital Signal Processing）等，并给出相应的应用示例。
练习题七：FPGA应用案例选择一个具体的应用领域（如通信、图像处理等），并描述FPGA在该领域中的应用案例，包括设计思路、实现方法和性能指标等。
练习题八：FPGA的优缺点总结FPGA的优点和缺点，分析其在不同应用场景中的适用性，并展望FPGA技术的发展趋势。
通过完成以上FPGA基础练习题，相信大家能够更加深入地了解和掌握FPGA的基本概念、编程语言、开发流程、时序设计、布局布线、资源利用、应用案例以及优缺点等方面的知识。
祝愿大家在FPGA的学习和应用中取得好成果！。
fpga内部结构组成
fpga内部结构组成摘要：I.引言- 介绍FPGA的定义和作用II.FPGA内部结构组成- 输入/输出模块（I/O）- 可配置逻辑单元（CLB）- 布线网络（Interconnect）- 嵌入式存储器（Embedded Memory）- 数字信号处理模块（DSP）III.FPGA的优点- 灵活性- 并行性- 高速性IV.FPGA的应用领域- 通信领域- 工控领域- 消费电子领域- 医疗领域V.FPGA的发展趋势- 技术进步- 应用领域的拓展正文：FPGA（可编程逻辑门阵列，Field-Programmable Gate Array）是一种可以由用户编程定义逻辑功能的集成电路。
它内部由可配置逻辑单元（CLB）、输入/输出模块（I/O）、布线网络（Interconnect）、嵌入式存储器（Embedded Memory）和数字信号处理模块（DSP）等组成。
输入/输出模块（I/O）是FPGA与外部电路进行信息交互的通道，负责接收和发送数据。
可配置逻辑单元（CLB）是FPGA内部的核心部分，由逻辑门和触发器等组成，可以根据需要配置为各种逻辑电路。
布线网络（Interconnect）负责在各个模块之间传输信号，其结构和长度可以根据需要进行调整。
嵌入式存储器（Embedded Memory）用于存储数据和程序，可以减少外部存储器的使用，降低系统成本。
数字信号处理模块（DSP）则负责处理数字信号，提高系统的信号处理能力。
FPGA具有很高的灵活性，用户可以根据需要对内部逻辑进行编程定义，实现不同的功能。
同时，FPGA内部模块之间的并行性也极大地提高了其工作速度。
因此，FPGA在通信领域、工控领域、消费电子领域和医疗领域等领域都有广泛的应用。
随着技术的进步，FPGA的性能和功能也在不断提升。
fpga课程体系
fpga课程体系
FPGA（现场可编程门阵列）课程体系包括以下几个部分：
1.FPGA基本原理：介绍FPGA的基本概念、工作原理和特点，让学生了解
FPGA在数字电路设计中的作用和应用。
2.硬件描述语言（HDL）：重点学习Verilog和VHDL两种硬件描述语言，掌
握逻辑电路的描述方法以及硬件仿真和综合工具的使用。
3.FPGA开发工具：介绍FPGA开发过程中常用的工具软件，如Quartus、
Xilinx ISE等，并让学生掌握这些工具的使用方法。
4.数字电路设计：介绍数字电路设计的基本原理和方法，包括组合逻辑电路、
时序逻辑电路、数字信号处理等方面的知识。
5.实践课程：通过实验和实践项目，让学生实际操作FPGA器件和开发板，掌
握FPGA设计的整个流程，包括设计、仿真、综合、布局布线、下载等环节。
6.嵌入式系统设计：介绍基于FPGA的嵌入式系统设计方法，包括微控制器、
操作系统、存储器等方面的知识，让学生掌握嵌入式系统在FPGA设计中的应用。
7.数字信号处理：介绍数字信号处理的基本原理和方法，包括离散傅里叶变
换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）、数字滤波器等方面的知识，让学生了解数字信号处理在FPGA设计中的应用。
通过以上几个方面的学习和实践，学生可以全面掌握FPGA设计的基本原理和方法，具备独立进行FPGA设计和开发的能力。
fpga语法知识点总结
fpga语法知识点总结一、Verilog语言Verilog是一种硬件描述语言（HDL），用于描述数字电路和系统级设计。
在FPGA设计中，Verilog语言常常用于描述逻辑功能和时序控制。
Verilog语言包括模块、端口、信号声明、组合逻辑、时序逻辑、行为模拟等部分。
1. 模块：Verilog中的模块是一个最基本的组织单位，它类似于面向对象编程中的类。
每个模块都有自己的输入输出端口和内部逻辑实现。
在FPGA设计中，通常会设计多个模块来实现不同的功能，然后将这些模块连接起来，构成一个完整的系统。
2. 端口：在Verilog中，端口用于定义模块与外部环境的接口。
端口可以被定义为输入端口（input）、输出端口（output）、双向端口（inout）等，用于进行与外部信号的通信。
3. 信号声明：在Verilog中，信号用于传递逻辑信息。
信号可以是单个的位（bit）信号，也可以是多位（bus）信号。
在FPGA设计中，对信号的声明和使用是非常重要的，可以影响到设计的性能和资源占用。
4. 组合逻辑：组合逻辑是一种不含时钟的逻辑电路，其输出仅由输入决定。
在Verilog中，组合逻辑常常使用逻辑运算符和条件语句来描述。
5. 时序逻辑：时序逻辑是一种包含时钟信号的逻辑电路，其输出由时钟信号和输入信号共同决定。
在FPGA设计中，时序逻辑和时序约束非常重要，可以影响到设计的时序性能。
6. 行为模拟：行为模拟是一种用于验证设计功能和性能的技术。
在Verilog中，可以使用行为模拟语句来描述设计的行为，并进行仿真验证。
二、VHDL语言VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，用于描述数字电路和系统级设计。
在FPGA设计中，VHDL语言和Verilog语言一样，用于描述逻辑功能和时序控制。
VHDL语言包括实体、端口、信号声明、组合逻辑、时序逻辑、行为模拟等部分。
1. 实体：在VHDL中，实体是描述一个硬件单元的基本描述。
fpga结构与工作原理
fpga结构与工作原理FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可编程逻辑器件。
它由数百万个可编程逻辑门和存储器单元组成，可以实现各种数字逻辑和信号处理功能。
与传统的ASIC（Application-Specific Integrated Circuit，专用集成电路）相比，FPGA可以通过编程来实现功能，而ASIC需要设计和制造专用芯片。
FPGA的结构包括：1.输入-输出块（IOB）：IOB根据需要配置为输入或输出，可以与其他电路或设备通信。
2.配置存储器（Configuration Memory）：配置存储器储存着FPGA 的配置文件，也就是FPGA 指令集。
3.时钟管理电路（Clock Management Circuit，CMC）：CMC用于生成和分发时钟信号，并提供时钟管理功能。
4.逻辑块（Logic Block，LB）：逻辑块是FPGA的主要部分，它包含多个可编程逻辑单元（Look Up Tables，LUTs）和多个存储器单元（Flip-Flops，FFs）。
逻辑块通过互联网络相互连接。
FPGA的工作原理是：1.通过编程器将所需的功能指令加载到配置存储器中。
2.当FPGA通电时，配置存储器中的配置文件被加载到FPGA中。
3.FPGA内部的逻辑块根据配置文件中的指令进行组合逻辑操作、存储操作和时序控制操作。
4.将逻辑块中处理的信号通过互联网络连接到输入/输出块或其他逻辑块中进行进一步处理。
5.根据所需的功能和电路设计要求，重新编程配置存储器来更改FPGA的功能和行为，实现不同的功能和应用。
总之，FPGA具备高度灵活性、可定制性和可编程性，可以实现非常复杂和多样化的电路设计和应用。
fpga现代数字系统设计教程——基于xilinx可编程逻辑
fpga现代数字系统设计教程——基于xilinx可编程逻辑在当今的数字系统设计领域中，基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）技术的应用日益普遍。
Xilinx是其中一家领先的FPGA厂商，其可编程逻辑芯片被广泛应用于各个领域。
本教程旨在介绍FPGA现代数字系统设计的基本概念与技术，重点关注基于Xilinx可编程逻辑的实践应用。
一、引言FPGA是一种可重构的硬件平台，具有高度的灵活性与可定制性。
通过不同的配置，FPGA可以实现各种数字电路功能，比如逻辑运算、数字信号处理、嵌入式系统等等。
Xilinx提供了一套完整的开发工具与设计流程，使得FPGA的设计与实现更加高效与简便。
二、FPGA基础知识介绍1. FPGA的基本结构与工作原理在FPGA中，逻辑资源（如逻辑门、寄存器）通过可编程的内部连接资源相互连接，形成不同的数字电路。
FPGA采用按位编程的方式，通过配置存储器将逻辑连接进行设定，从而实现不同的功能实现。
2. Xilinx系列FPGA概述Xilinx公司生产的FPGA主要分为Artix、Kintex、Virtex等系列，每个系列有不同的性能与资源规模适用于不同的应用场景。
本节将介绍主要的Xilinx系列FPGA及其特点。
三、FPGA设计实践1. 集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）概述设计FPGA系统需要使用特定的软件工具，例如Xilinx提供的Vivado开发环境。
本节将介绍Vivado的基本功能与使用方法。
2. 基于Xilinx可编程逻辑的数字电路设计通过Vivado IDE，我们可以使用硬件描述语言（HDL）如VHDL或Verilog来描述数字电路。
本节将介绍如何使用HDL进行FPGA设计，包括逻辑门设计、时序控制、状态机设计等。
3. FPGA系统集成设计除了单个模块的设计，FPGA设计还需要进行系统级集成。
fpga原理和结构
fpga原理和结构FPGA原理和结构。
FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种集成电路芯片，它具有可编程的逻辑门阵列和可编程的互连资源，能够根据用户的需求进行灵活的配置和重新编程。
FPGA在数字电子系统中扮演着重要的角色，它的原理和结构对于理解和应用FPGA技术至关重要。
FPGA的原理主要基于可编程逻辑器件（PLD）技术，它采用了可编程的逻辑单元和可编程的互连资源。
逻辑单元是FPGA中最基本的功能单元，它由多个可编程逻辑门组成，可以实现各种逻辑功能。
而互连资源则负责连接逻辑单元之间的信号传输，使得逻辑单元能够相互通信和协作。
通过对逻辑单元的配置和对互连资源的编程，用户可以实现对FPGA的灵活控制和定制化设计。
FPGA的结构包括了可编程逻辑单元、可编程互连资源和输入/输出接口。
可编程逻辑单元通常由Look-Up Table（LUT）、寄存器和算术逻辑单元（ALU）组成，它们能够实现各种逻辑功能和运算。
可编程的互连资源包括了可编程的连接盒和可编程的交叉点，它们能够实现逻辑单元之间的灵活连接和通信。
而输入/输出接口则用于与外部系统进行通信和数据交换。
FPGA的原理和结构决定了它具有灵活性和可编程性。
用户可以根据具体的应用需求，对FPGA进行灵活的配置和定制化设计，实现各种复杂的数字电子系统。
与固定功能集成电路相比，FPGA能够在不改变硬件结构的情况下，通过重新编程实现功能的更新和修改，大大提高了系统的灵活性和可维护性。
除此之外，FPGA还具有并行性能强、功耗低、成本低等优点，使得它在数字信号处理、通信系统、图像处理、嵌入式系统等领域得到了广泛的应用。
同时，FPGA的原理和结构也为硬件描述语言（HDL）的应用提供了良好的基础，用户可以通过HDL对FPGA进行高级抽象和描述，实现复杂系统的设计和验证。
总之，FPGA的原理和结构是理解和应用FPGA技术的基础，它的灵活性和可编程性为数字电子系统的设计和实现提供了重要的支持。
fpga知识点
fpga知识点
FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，是
在PAL、PLA和CPLD等可编程器件的基础上进一步发展起来的一种更
复杂的可编程逻辑器件。
它是ASIC领域中的一种半定制电路，既解决
了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。
FPGA的基本结构包括可编程输入输出单元、可配置逻辑块、数字时钟
管理模块、嵌入式块RAM、布线资源、内嵌专用硬核、底层内嵌功能单元。
FPGA的设计流程包括算法设计、代码仿真以及设计、板级调试，设计
者根据实际需求建立算法架构，利用EDA建立设计方案或HDL编写设
计代码，通过代码仿真保证设计方案符合实际要求，最后进行板级调试，利用配置电路将相关文件下载至FPGA芯片中，验证实际运行效果。
由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像ASIC 那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构，查找表（Look Up Table，LUT），可以很好地满足这一要求。
LUT实质就是一个RAM，由布尔代数理论可知，对于一个n输入的逻辑运算，最多产生2^n个不同的组合。
所以，如果预先将相应的结果保存在一个
存储单元中，就相当于实现了与非门电路的功能。
以上信息仅供参考，建议查阅专业书籍或者咨询专业人士了解更多信息。
FPGA时序分析
FPGA时序分析FPGA时序分析是一项重要的任务，用于评估数字设计在FPGA芯片上的运行时序性能。
它涉及到对设计的时序约束进行正确建模，并通过对设计各个部分的时序延迟进行分析，以确保设计在时序性能上的可靠性。
以下是一份详细且全面的FPGA时序分析的概述，包括其基本原理、方法、工具和应用。
一、FPGA时序分析的基本原理：时序分析是指对设计中的各个时钟域的时序要求进行研究和分析，主要包括时钟信号的频率、时钟边沿的稳定性、时序路径的延时和综合器和布线器的时钟偏移等。
FPGA时序分析基于电路理论和时序约束规范化语言，通过以时钟为基准的时序图、时序约束和时序分析工具，对设计中的各个时序要求进行建模、验证和优化。
二、FPGA时序分析的方法：1.时钟域划分：将设计中的各个时钟域进行划分，每个时钟域由一个时钟信号及其相关的所有时序逻辑组成。
时钟域划分对于正确的时序分析至关重要，因为不同时钟域之间的时序关系复杂，需要通过正确的时钟域划分来简化时序分析。
2.时序约束编写：根据设计的功能和性能要求，编写针对不同时钟域的时序约束。
时序约束主要包括时钟频率、时钟边沿的稳定性、时序路径的延时约束等。
3. 时序分析工具：使用时序分析工具对设计进行时序分析。
常用的时序分析工具有PrimeTime、Quartus Prime等。
时序分析工具能够分析设计中的时序路径，找出潜在的时序违规问题，并生成时序报告。
4.时序优化：根据时序分析报告，对设计进行时序优化。
时序优化的目标是降低时序延迟，提高设计的性能。
三、FPGA时序分析的工具：1. PrimeTime：PrimeTime是Cadence公司开发的一款时序分析工具，广泛应用于FPGA时序分析和静态时序验证。
它能够对多时钟域的设计进行时序分析和时序优化，并提供准确的时序报告和时序分析结果。
2. Quartus Prime：Quartus Prime是Intel公司的FPGA设计软件套件，其中包含了Quartus Prime时序分析工具。
FPGA学习需要哪些东西？
FPGA学习需要哪些东西？作为一个FPGA初级工程师，分享一下我的经验，FPGA作为一个将设计者的设计方法实现的工具。
学习FPGA的最终目的，就是能够熟练应用并且在规定时间段内，设计出完美的时序逻辑电路。
我以为应该从以下六方面着手：一、数字电路等基础知识FPGA是一个可编程逻辑器件。
在学习FPGA之前，必须熟练掌握乃至精通数字电路的知识如：组合逻辑电路（译码器、编码器、逻辑门）、时序逻辑电路（RAM、ROM、触发器、计数器、FIFO、双口RAM等）、数制与编码（常用的几种编码格式尤其是独热码）、状态机、接口与、时序图（SPI、I2C、USB等）、波形图。
有些知识可能在开发时你容易忽略如，亚稳态、开关噪声（SSN）。
这些基础知识都要学习。
二、FPGA的内部结构了解FPGA内部结构，有助于方案器件选型与解决方案设计。
也是对FPGA器件使用的最基本要求。
三、FPGA的开发与调试FPGA开发包含开发工具和开发语言的选择。
开发FPGA的厂商很多，如Intel Altera，Xilinx等。
所以需要针对一门开发工具和仿真工具进行学习。
开发工具包含设计工具和仿真工具（如modelsim、QuestaSim）。
然后再根据不同的开发工具选择不同的开发流程。
具体工具入门可参考网上相关教程。
开发语言可选Verilog HDL 与VHDL 其中一种进行学习，随后根据需要可以再学习另一门语言。
语言学习时，需要注意编写规范。
FPGA的调试是比较复杂的一个过程，包含板级调试和算法调试。
算法调试必须借助JTAG调试接口与相关工具（逻辑分析仪、示波器、MATLAB）进行。
因此必须掌握JTAG、逻辑分析仪、示波器、MATLAB等相关工具使用。
四、FPGA的系统级设计如果未来准备从事板级类开发，就要学习FPGA外围硬件原理图。
涉及到电源设计（LDO、DC-DC）、接口电路（SPI、CAMISP、总线）、外设硬件（ADC、DAC、驱动器）、时钟模块等部分。
FPGA技术概述
第一章 FPGA设计基础
4．GAL以及CPLD器件 GAL(Generic Array Logic，通用逻辑阵列)器件是Lat不再是简单采用或阵列实现，而是采用了逻辑宏单元 (OLMC)，通过编程可以将OLMC设置成不同的输出方式。 这样，采用同一型号的GAL器件就可以实现PAL器件所有的 输出电路工作模式，使GAL器件成为通用可编程逻辑器件。
第一章 FPGA设计基础
w (a& c )|(!b & !c )
(1-1)
x ( ! a & ! b & ! c )|( ! b & ! c ) (1-2)
y!a&!b&!c
(1-3)
PLA的优点是它对于大型设计非常有用，因为它可以实 现大量公共乘积项，可用于多个输出。而PLA的缺点是信号 通过可编程连线所花费的时间相对更长，所以整个器件的速 度受到很大的影响。
第一章 FPGA设计基础
在OR门阵列中的可编程连线可以用熔丝、EPROM晶体 管或者E2PROM器件中的E2PROM晶体管等来实现。PROM 器件可以用来实现任何组合逻辑块，但是它无法实现太多的 输入和输出。PROM器件最初主要作为存储器来存放计算机 程序和常数值，工程师也发现它可以用来实现简单的逻辑功 能，比如状态机查找表等。随着PROM的大量应用，其他在 其基础上改进的可编程器件也纷纷面世。
第一章 FPGA设计基础
对于ASIC公司来说，FPGA经常用于提供一个硬件验证 平台来验证新算法新协议的物理层实现。比如，许多行业的 开创性公司使用FPGA制定新的协议标准，并进行产品化， 迎来市场的新增值点。同时，FPGA为许多小型公司带来机 遇。这些公司利用FPGA开发低成本高智力投入的产品并快 速推向市场，迎来新的发展机遇。FPGA技术的发展将创造 性的逻辑设计任务从昂贵的ASIC公司搬到了普通的工作室。
FPGA芯片模块结构及功能知识详解
FPGA芯片模块结构及功能知识详解目前主流的FPGA仍是基于查找表技术的，已经远远超出了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能（如RAM、时钟管理和DSP）的硬核（ASIC型）模块。
如图1-1所示（注：图1-1只是一个示意图，实际上每一个系列的FPGA都有其相应的内部结构），FPGA芯片主要由6部分完成，分别为：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。
图1-1：FPGA芯片的内部结构每个模块的功能如下：1、可编程输入输出单元（IOB）：可编程输入/输出单元简称I/O单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求，其示意结构如图1-2所示。
FPGA内的I/O按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O 标准。
通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/O物理特性，可以调整驱动电流的大小，可以改变上、下拉电阻。
目前，I/O口的频率也越来越高，一些高端的FPGA通过DDR 寄存器技术可以支持高达2Gbps的数据速率。
图1-2：典型的IOB内部结构示意图外部输入信号可以通过IOB模块的存储单元输入到FPGA的内部，也可以直接输入FPGA 内部。
当外部输入信号经过IOB模块的存储单元输入到FPGA内部时，其保持时间（Hold Time）的要求可以降低，通常默认为0。
为了便于管理和适应多种电器标准，FPGA的IOB被划分为若干个组（bank），每个bank的接口标准由其接口电压VCCO决定，一个bank只能有一种VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。
只有相同电气标准的端口才能连接在一起，VCCO电压相同是接口标准的基本条件。
2、可配置逻辑块（CLB）：CLB是FPGA内的基本逻辑单元。
CLB的实际数量和特性会依器件的不同而不同，但是每个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路（多路复用器等）和触发器组成。
fpga 基础单元
fpga 基础单元
组成FPGA 的两个最基本的部分是组合逻辑以及时序逻辑，分别实现这两个基本部分的结构就是FPGA 的基本单元。
组合逻辑部分一般采用查找表（Look-Up-Table，LUT）的形式，时序逻辑部分一般采用触发器（Flip-Flop，FF）的形式。
1、组合逻辑的基本单元
根据数电中的知识，任何一个组合逻辑都可以表示成真值表的形式（逻辑输入对应逻辑输出），也就是任意的真值表所反映的内容都能由组合逻辑实现，查找表（LUT）就能完成这个任务。
2、时序逻辑的基本单元
时序逻辑的基本单元采用 D 触发器，这种触发器是一种在时钟的上升沿（或下降沿）将输入信号的变化转送至输出的边沿触发器。
fpga与门和与非门的门级结构建模
fpga与门和与非门的门级结构建模FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以在硬件级别上实现各种逻辑功能。
而与门（AND gate）和与非门（NAND gate）是数字电路中最基本的逻辑门。
本文将探讨FPGA 中与门和与非门的门级结构建模方法。
在FPGA中，与门和与非门是由逻辑单元（logic element）和互连资源（interconnect resources）组成的。
逻辑单元是FPGA中最小的可编程逻辑块，它由逻辑表达式和触发器构成。
互连资源则负责将逻辑单元连接在一起，实现不同逻辑块之间的通信。
与门是由两个输入和一个输出构成的逻辑门，输出仅在两个输入都为高电平时才为高电平。
在FPGA中，与门的门级结构可以通过级联多个与门实现。
例如，当需要构建一个4输入与门时，可以将四个2输入与门级联，使得输出只有在四个输入都为高电平时才会为高电平。
通过这种方式，FPGA可以实现任意位数的与门。
与非门是与门的反操作，它的输出仅在所有输入都为高电平时才为低电平。
与非门的门级结构可以通过级联与门和反相器实现。
例如，当需要构建一个与非门时，可以将一个与门的输出连接到一个反相器的输入，这样当与门的输出为低电平时，反相器的输出就为高电平，实现与非门的功能。
在FPGA中，与门和与非门可以通过硬件描述语言（HDL）进行建模。
HDL是一种用于描述电路结构和行为的语言，常用的HDL包括VHDL和Verilog。
通过使用HDL，可以描述与门和与非门的输入和输出端口，并编写逻辑表达式来定义它们的功能。
然后，可以使用FPGA开发工具将HDL代码编译成针对特定FPGA器件的配置文件，从而实现与门和与非门的门级结构。
除了与门和与非门，FPGA还可以实现其他逻辑门，如或门、或非门和异或门等。
通过将这些基本的逻辑门组合在一起，可以构建更复杂的数字电路，如加法器、乘法器和状态机等。
FPGA的可编程性使得它成为了设计和验证数字电路的重要工具。
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几种常见的时序约束的基本概念
1.周期与最高频率：通常指时钟所能达到的最高工作频率。 周期与最高频率：通常指时钟所能达到的最高工作频率。 周期与最高频率 2.时钟建立时间 su：指时钟到达前，数据和使能信号已经准 时钟建立时间t 指时钟到达前， 时钟建立时间 备好的最小时间间隔。 备好的最小时间间隔。 3.时钟保持时间 h：指能保证有效时钟沿正确采样的数据和 时钟保持时间t 时钟保持时间 使能信号在时钟沿之后的最小稳定时间间隔。 使能信号在时钟沿之后的最小稳定时间间隔。 4.时钟输出延时 4.时钟输出延时tco：指从时钟有效沿到数据有效输出的最大 时钟输出延时t 时间间隔。 时间间隔。 5.引脚到引脚的延时 pd：信号从输入管脚进来到达输出管脚 引脚到引脚的延时t 引脚到引脚的延时 的最大时间间隔。 的最大时间间隔。 6.Slack：是否满足时序的称谓。正的 表示满足时序， ：是否满足时序的称谓。正的Slack表示满足时序， 表示满足时序 负的Slack表示不满足时序。 表示不满足时序。 负的 表示不满足时序 7.时钟偏斜 时钟偏斜(clock shew)：指一个同源时钟到达两个不同的 时钟偏斜 ： 寄存器时钟端的时间差别。 寄存器时钟端的时间差别。
8
FPGA结构（ FPGA结构（岛形FPGA结构） 结构
CLB
+ + + + +
逻辑单元块
+
SB
+ + + + +
开关盒
+ +
+
+
CB
连接盒
+
+
+ + +
+
可编程布线资源被配置成逻辑单元块之间或者从逻 辑单元块到输入/输出端口所需要的连接 输出端口所需要的连接。 辑单元块到输入 输出端口所需要的连接。
从输入到寄存器
输出延时约束
从寄存器到输出
寄存器延时约束
从寄存器到寄存器
15
基于SRAM查找表的FPGA
实际逻辑电路 查找表(LUT）实现方式 查找表 ） A B C D A B C D
&
F
16×1 RAM LUT
F
输入ABCD 输入 0000 0001 0010 … 1111
输出F 输出 0 0 0 0 1
地址 0000 0001 0010 … 1111
RAM中内容 中内容 0 0 0 0
16
1
SRAM结构 SRAM结构
SRAM在FPGA中的功能示例
17
SRAM结构 SRAM结构
一个8KB的SRAM内部结构图
18
SRAM结构 SRAM结构
CMOS管与NMOS管构成的SRAM存储单元
19
SRAM结构 SRAM结构
从输入到寄存器
输出延时约束
从寄存器到输出
寄存器延时约束
从寄存器到寄存器
23
FPGA设计流程 FPGA设计流程
对设计者
对设计工具
FPGA设计流程
24
FPGA设计流程 FPGA设计流程
EDA工具的详细综合流程
25
主题
FPGA优势
FPGA结构
SRAM与 Flip-Flop门级结构
FPGA设计流程
FPGA时序路径
FPGA时序基础
SRAM结构
从引脚到引脚
输入延时约束
Flip-Flop结构
从输入到寄存器
输出延时约束
从寄存器到输出
寄存器延时约束
从寄存器到寄存器
26
主题
FPGA优势
FPGA结构
SRAM与 Flip-Flop门级结构
FPGA设计流程
FPGA时序路径
FPGA时序基础
SRAM结构
从引脚到引脚 从引脚到引脚
B
Vcc
A
D G
S
D G
S
P
P
N
N
T3
N
T2
P
T2与T3导通时工作原理
20
主题
FPGA优势
FPGA结构
SRAM与 Flip-Flop门级结构
FPGA设计流程
FPGA时序路径
FPGA时序基础
SRAM结构
从引脚到引脚
输入延时约束
Flip-Flop结构 Flip-Flop结构
从输入到寄存器
输出延时约束
从寄存器到输出
34
从寄存器到寄存器
输入到输出路径示意图
35
主题
FPGA优势
FPGA结构
SRAM与 Flip-Flop门级结构
FPGA设计流程
FPGA时序路径
FPGA时序基础 FPGA时序基础
SRAM结构
从引脚到引脚
输入延时约束
Flip-Flop结构
从输入到寄存器
输出延时约束
从寄存器到输出
寄存器延时约束
从寄存器到寄存器
36
主题
FPGA优势
FPGA结构
SRAM与 Flip-Flop门级结构
FPGA设计流程
FPGA时序路径
FPGA时序基础
SRAM结构
从引脚到引脚
输入延时约束 输入延时约束
Flip-Flop结构
从输入到寄存器
输出延时约束
从寄存器到输出
寄存器延时约束
从寄存器到寄存器
37
输入延时约束
Tsu ≤ Tclk – 最大输入延时 输入最大延时约束示意图
28
从引脚到引脚
D
Q
输入到输出路径示意图
29
主题
FPGA优势
FPGA结构
SRAM与 Flip-Flop门级结构
FPGA设计流程
FPGA时序路径
FPGA时序基础
SRAM结构
从引脚到引脚
输入延时约束
Flip-Flop结构
从输入到寄存器 从输入到寄存器
输出延时约束
从寄存器到输出
寄存器延时约束
从寄存器到寄存器
FPGA门级结构 FPGA门级结构 及其时序约束与分析基础
江苏大学电气信息学院 赵不贿
1
常用设计约束种类
时序约束：规范设计的时序行为， 时序约束：规范设计的时序行为，表达设计者 期望满足的时序条件， 期望满足的时序条件，指导综合和布局布线阶 段的优化方法等。 段的优化方法等。 区域与位置约束：主要指芯片I/O引脚位置，以 区域与位置约束：主要指芯片 引脚位置， 引脚位置 及指导工具在芯片特定的物理区域进行布局布 线。 其他约束：目标芯片型号、电气特性等。 其他约束：目标芯片型号、电气特性等。 时序约束的作用：提高设计的工作频率； 时序约束的作用：提高设计的工作频率；获得 正确的时序报告。 正确的时序报告。
从寄存器到寄存器
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输出延时约束
tco ≤ Tclk - 最大输出延时 输出最大延时约束示意图
30
从输入到寄存器
输入到寄存器路径示意图
31
主题
FPGA优势
FPGA结构
SRAM与 Flip-Flop门级结构
FPGA设计流程
FPGA时序路径
FPGA时序基础
SRAM结构
从引脚到引脚
输入延时约束
Flip-Flop结构
从输入到寄存器
输出延时约束
从寄存器到输出 从寄存器到输出
寄存器延时约束
从寄存器到寄存器
+ +
+
9
FPGA结构 FPGA结构
FPGA芯片内部H型时钟树结构 目的：保证时钟到达不同寄存器的时间同步，必要时采用锁相环
10
FPGA结构 FPGA结构
Quartus II 中Floor plan及其放大图
两条白色的纵向线是其DSP资源，而7条绿色的纵向线是其片内 资源， 两条白色的纵向线是其 资源 条绿色的纵向线是其片内 RAM资源，在这之间的浅蓝色部分是数量众多的 资源 资源， 资源 在这之间的浅蓝色部分是数量众多的LE资源
11
FPGA结构 FPGA结构
Quartus II 中底层查看LE的内部结构图
12
FPGA结构 FPGA结构
IOB中一个单元的结构图
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主题
FPGA优势
FPGA结构
SRAM与 SRAM与 Flip-Flop门级结构 Flip-Flop门级结构
FPGA设计流程
FPGA时序路径
FPGA时序基础
SRAM结构
输入延时约束
Flip-Flop结构
从输入到寄存器
输出延时约束
从寄存器到输出
寄存器延时约束
从寄存器到寄存器
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几个时序约束的基本概念
1.周期和最高频率：指时钟的周期和最高工作频率。 周期和最高频率：指时钟的周期和最高工作频率。 周期和最高频率 2.时钟建立时间：时钟到达前，数据和使能信号已经准备好 时钟建立时间： 时钟建立时间 时钟到达前， 的最小时间间隔。 的最小时间间隔。 3.时钟保持时间：指能保证有效时钟沿正确采样的数据和使 时钟保持时间： 时钟保持时间 能信号在时钟沿之后的最小稳定时间。 能信号在时钟沿之后的最小稳定时间。 4.时钟输出延时：指时钟有效沿到数据有效输出的最大时间 时钟输出延时： 时钟输出延时 间隔。 间隔。 5.引脚到引脚的延时：指信号从输入管脚进来，穿过组合逻 引脚到引脚的延时： 引脚到引脚的延时 指信号从输入管脚进来， 到达输出管脚的延时。 这一时间固定。 辑，到达输出管脚的延时。CPLD这一时间固定。 这一时间固定 6.时钟偏斜：指一个同源时钟到达两个不同的寄存器时钟端 时钟偏斜： 时钟偏斜 的时间差别。 的时间差别。 7.Slack称谓。正的 称谓。 表示满足时序， 称谓 正的Slack表示满足时序，负的 表示满足时序 负的Slack表示不 表示不 满足时序。 满足时序。