第三章_FPGA结构与配置
第三章 Altera的 CPLDFPGA
Altera的CPLD/FPGA器件系列 Altera的CPLD/FPGA器件 Altera的CPLD/FPGA的配臵
Altera是著名的PLD器件生产厂 商，Altera的PLD器件具有高性能、 高集成度和高性价比的优点，并且 Altera提供了全面的开发工具和丰 富的IP核、宏功能库等，因此 Altera的产品得到了广泛应用。
… 1 6个扩展乘积项
共享扩展项
去P IA
MAX7000器件的宏单元可以单独地配臵成 时序逻辑或组合逻辑工作方式。每个宏单元 由逻辑阵列、乘积项选择矩阵和可编程寄存 器等三个功能块组成。 MAX7000器件的宏单元中的逻辑阵列用来 实现组合逻辑，它为每个宏单元提供五个乘 积项。乘积项选择矩阵把这些乘积项分配到 “或”门和“异或”门作为基本逻辑输入,以 实现组合逻辑功能；或者把这些乘积项作为 宏单元中寄存器的辅助输入来实现清除、预 臵、时钟和时钟使能等控制功能。
APEX系列
APEX20K系列器件是第一个具有多核结构，支持可编程单芯片系统（ SOPC）的PLD器件系列 。这种多核结构集成了乘积项、查找表和嵌入式存储器块（ EAB）。乘积项结构适用于实现复 杂组合逻辑；使用查找表逻辑能实现增强型寄存器功能；查找表结构能有效实现数据通道、增 强型寄存器、数学运算及数字信号处理器等设计；嵌入式系统块（ ESB）能实现多种存储功能 ，包括FIFO、双端口RAM及内容可寻址存储器（CAM）。 APEX20K系列器件的配臵通常是在系统上电时，通过存储一个 Altera串行PROM中的配臵数据 或者由系统控制器提供的配臵数据来完成。Altera提供ISP串行数据配臵芯片，如EPC1、EPC2 、EPC16；APEX20K具有优化的接口，允许微处理器串行或并行，同步或异步对其进行配臵，微 处理器将APEX20K作为存储器对待，重新配臵也很容易。APEX20K器件被配臵后，可以通过重新 复位器件、加载新数据的方法实现在线可配臵。 APEX20KE器件属于超级APEX20K器件，它支持先进的I/O标准和内容可寻址存储器（CAM）， 并具有更多的全局时钟数、增强的“时钟锁定”时钟电路等附加特性。APEX20KE在APEX20K器 件基础上扩展到150万门。 APEXII器件结构与APEX20K器件结构一样，它集成了高速差分I/O，支持使用True-LVDS接口 。在True-LVDS接口中的并串转换、串并转换和CDS电路支持LVDS、LVPECL、HyperTransport和 PCML I/O标准。在一般用户I/O的Flexible-LVDS引脚提供附加的差分支持，增加了整个器件的 带宽，这种电路再加上增强型IOE及对大量I/O标准的支持，使得APEXII器件能满足高速接口的 需要。APEXII其间还具有其他的高性能特征，如双向双端口RAM、CAM、普通的PLL和大量的全 局时钟。
FPGA的基本结构
FPGA的基本结构FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可重构的数字集成电路器件，具有灵活、快速、高度可定制等特点。
它由可编程逻辑单元（PLU）、可编程互联网络（PIM）、I/O引脚和配置存储器等组成。
以下是FPGA的基本结构。
1.可编程逻辑单元（PLU）：可编程逻辑单元是FPGA的主要组成部分，也称为查找表（Look-Up Table，LUT）。
它通常由多个输入和一个输出组成，输出的逻辑函数可以通过编程进行任意设置。
例如，一个4输入的可编程逻辑单元可以实现任意的逻辑函数，并将其输出与其他逻辑单元的输入相连。
2.可编程互联网络（PIM）：可编程互联网络是FPGA中负责连接可编程逻辑单元和I/O引脚的部分，它可以进行灵活的布线和连接。
在FPGA中，PIM通过配置来确定连接关系，并将逻辑单元之间的输入和输出进行合适的互联。
3.I/O引脚：FPGA具有大量的输入/输出引脚，用于与外部电路进行通信。
这些引脚可以用于接收输入信号，输出结果，或与其他表面组件进行通信，如存储器或处理器等。
4.配置存储器：配置存储器是FPGA的重要组成部分，用于存储逻辑单元和互联网络的配置信息。
当FPGA被开机或重新编程时，配置存储器将加载预先存储的配置信息，配置FPGA的逻辑和互连网络。
配置存储器可以是SRAM（静态随机存取存储器），也可以是EPROM（可擦写可编程只读存储器）或Flash存储器。
5.时钟：FPGA通常具有一个或多个时钟输入引脚，用于同步FPGA内部的操作。
时钟可以驱动FPGA中的时序电路，如触发器、计数器等。
6.DSP片：大型FPGA通常还包含一些专门用于数字信号处理（DSP）的硬件模块，如乘法器、累加器和滤波器等。
这些DSP模块提供了高效的信号处理功能，可以加速一些特定的应用，如图像处理和音频处理等。
FPGA的工作原理如下：首先，使用设计工具（如Verilog或VHDL）编写FPGA所需的逻辑功能，并进行逻辑综合和布局。
FPGA结构与原理
FPGA结构与原理FPGA（现场可编程门阵列）是一种可以通过编程配置的硬件设备，可以实现数字逻辑电路的功能。
它使用大量的逻辑门、寄存器和可编程的连线资源，可以实现各种复杂的数字逻辑电路，如处理器、通信接口、图像处理等。
本文将介绍FPGA的结构与原理。
一、FPGA的结构FPGA的主要结构由三个部分组成：逻辑单元（Logic Element，LE）、可编程内部连接资源和输入/输出资源。
1. 逻辑单元（Logic Element，LE）逻辑单元是FPGA的基本计算单元，用于实现数字逻辑功能。
每个逻辑单元由一个或多个可编程逻辑元素（PLE）组成，PLE包括逻辑门（如与门、或门、非门等）、选择器和触发器（如D触发器或JK触发器）。
逻辑单元中的PLE经过编程配置后，可以实现各种逻辑功能，如布尔运算、复杂的控制逻辑等。
2.可编程内部连接资源可编程内部连接资源是FPGA中用于连接逻辑单元的资源，通过编程配置可以将逻辑单元连接起来。
它通常由多层的可编程互连网络构成，可以通过编程来控制信号的传输路径。
内部连接资源可以实现各种逻辑电路的连接，如寄存器、加法器、乘法器、存储器等。
3.输入/输出资源输入/输出资源用于与FPGA外部环境进行通信，包括输入和输出引脚以及输入/输出接口电路。
FPGA可以通过输入引脚接收外部数据，并将输出数据通过输出引脚发送到外部环境。
输入/输出引脚可以通过编程配置来控制数据的传输方向和数据的格式。
二、FPGA的原理FPGA的工作原理可以概括为编程配置、逻辑运算和时序控制。
1.编程配置FPGA的编程配置是将逻辑单元和可编程内部连接资源设置为特定的状态，使其能够实现特定的逻辑功能。
编程配置通常使用设计工具通过硬件描述语言（HDL）或图形化界面进行。
编程配置可以通过厂商提供的评估板、开发工具或JTAG接口等进行。
2.逻辑运算FPGA的逻辑运算是通过逻辑单元实现的。
逻辑单元可以根据编程配置的逻辑功能来执行相应的逻辑运算。
FPGA芯片结构分析
FPGA芯片结构分析FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，其结构和工作原理是实现数字电路功能的关键。
FPGA由逻辑单元（Look-Up Tables，LUTs）、存储单元（Flip-Flops）和连接资源（Interconnect Resources）组成，下面会对FPGA芯片的结构进行详细分析。
首先，FPGA的逻辑单元是FPGA的核心部分，它由大量的Look-Up Tables（LUTs）构成。
LUT是一个存储数据和逻辑表达式的内部存储器，它能够实现任意逻辑功能，并根据输入信号进行查找并输出相应的结果。
LUT的输入信号可以来自寄存器或其他逻辑单元的输出，从而实现逻辑功能的组合。
一个LUT通常由4到6个输入和一个输出组成，因此可以实现2^n（n为输入数量）种不同的逻辑功能。
LUT在FPGA中的数量决定了FPGA的逻辑容量。
其次，FPGA的存储单元是用来存储状态和中间结果的，它主要由Flip-Flops（FFs）构成。
Flip-Flops是一种同步触发器，用于存储和保持逻辑电路的状态。
FF的输入可以来自LUT的输出或其他存储单元的输出，输出会通过寄存器链连接到其他逻辑单元。
这样，通过存储单元的互联，可以实现时序逻辑功能。
最后，FPGA的连接资源是用来将各个逻辑单元连接起来的。
FPGA的连接网络通常由水平和垂直两层导线组成。
水平导线可以通行一行逻辑单元的输出信号，而垂直导线可以通行一列逻辑单元的输入信号。
这种结构使得不同逻辑单元之间的信号可以进行自由的互联，实现复杂的逻辑功能。
在FPGA的导线交叉点上，还有一些可编程的连接点，可以跨越水平和垂直导线进行信号的交叉连接。
除了逻辑单元、存储单元和连接资源，FPGA还包括其他一些辅助功能。
例如，输入/输出（I/O）是连接FPGA芯片和外部设备的接口，用于输入和输出信号。
时钟管理单元可以控制FPGA芯片的时序和时钟分配，确保各个逻辑单元同步工作。
fpga的组成
FPGA的组成FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它具有可重构的硬件结构，可以根据用户的需求进行配置和重新编程。
FPGA由多个可编程逻辑块（PLBs）、可编程互连资源（PIRs）和输入/输出块（IOBs）组成。
本文将详细介绍FPGA的组成以及各个组成部分的功能和特点。
1. 可编程逻辑块（PLB）可编程逻辑块是FPGA中最基本的构建单元。
它由一系列逻辑门、寄存器和查找表（LUT）等组件组成。
每个PLB都可以根据用户的需求进行配置，实现特定功能。
PLB通常包含多个输入和一个输出，可以通过配置内部电路来实现不同的逻辑功能，如与门、或门、非门等。
在PLB内部，LUT是最重要的组件之一。
LUT是一个存储真值表并执行相应逻辑运算的查找表。
用户可以通过对LUT进行编程来定义特定的真值表，并实现自定义逻辑功能。
除了LUT之外，PLB还包含其他组件，如触发器、加法器、乘法器等。
这些组件可以根据用户需要进行配置，并与LUT结合使用，实现更复杂的逻辑功能。
2. 可编程互连资源（PIR）可编程互连资源是连接PLB之间的关键组件。
PIR包括一系列可编程开关和线缆，用于将PLB连接在一起，实现各种逻辑电路的互联。
用户可以通过配置PIR来定义不同的信号路径和数据通路。
PIR的配置可以通过电子设计自动化（EDA）工具进行，用户可以使用这些工具来生成逻辑网表，并将其转换为FPGA中的互连资源布局。
通过合理配置PIR，用户可以实现高度灵活且高性能的逻辑电路。
3. 输入/输出块（IOB）输入/输出块用于与外部设备进行数据交换。
它包含输入和输出引脚，以及与引脚相关的I/O电路。
IOB可以与其他FPGA组件进行通信，并将数据传输到外部设备或从外部设备接收数据。
IOB通常包含输入缓冲器、输出缓冲器、时钟管理单元等。
输入缓冲器用于接收来自外部设备的信号，并将其转换为FPGA内部使用的电平和时序要求。
fpga架构及原理
fpga架构及原理FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以用来实现数字电路的硬件设计。
它的架构和工作原理相对于其他定制芯片来说，具有更高的灵活性和可编程性。
FPGA的架构主要包括可编程逻辑单元（Configurable Logic Blocks，CLBs）、可编程输入输出单元（I/O Blocks）、时钟管理器、数据通路、配置存储器等组件。
首先，CLBs是FPGA的核心部件，通常由可编程查找表（Look-Up Tables，LUTs）和触发器构成。
LUTs是一个小规模的存储器，能够存储不同输入组合的输出结果。
通过编程，可以将逻辑功能映射到LUTs中，并通过连接不同的LUTs实现更复杂的逻辑功能。
触发器用于存储逻辑电路的状态信息。
其次，I/O Blocks用于连接FPGA芯片与外部设备。
每个I/O Block通常包括输入输出缓冲器和电压电平转换器等，可以将外部信号转化为FPGA内部可以处理的信号，并将FPGA内部信号传递给外部设备。
时钟管理器用于产生和分配时钟信号，确保各个部件的同步性。
它可以控制时钟的分频、相位等，提供统一的时钟信号给FPGA内部的各个组件。
数据通路是连接不同组件的路径，用于传递数据和控制信号。
数据通路可以根据特定应用需求进行优化设计，以提高性能和效率。
配置存储器是FPGA的重要组成部分，用于存储FPGA的配置位流（Configuration Bitstream）。
配置位流是一种描述FPGA内部连接的数据流，通过配置存储器可以实现重新配置FPGA芯片。
基于配置位流，可以实现不同的逻辑功能，并随时更新。
FPGA的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：首先，根据设计需求，使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）完成设计代码。
然后，将设计代码通过综合工具转换为门级网表，表示设计中的逻辑门和它们之间的连接关系。
接下来，使用布局和布线工具将门级网表映射到FPGA芯片上的实际硬件资源上，并生成配置位流。
FPGA的基本结构：六大组成部分简介
FPGA的基本结构：六大组成部分简介FPGA 由6 部分组成，分别为可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。
每个单元简介如下：1.可编程输入/输出单元(I/O 单元)目前大多数FPGA 的I/O 单元被设计为可编程模式，即通过软件的灵活配置，可适应不同的电器标准与I/O 物理特性;可以调整匹配阻抗特性，上下拉电阻;可以调整输出驱动电流的大小等。
2.基本可编程逻辑单元FPGA 的基本可编程逻辑单元是由查找表(LUT)和寄存器(Register)组成的，查找表完成纯组合逻辑功能。
FPGA 内部寄存器可配置为带同步/异步复位和置位、时钟使能的触发器，也可以配置成为锁存器。
FPGA 一般依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。
一般来说，比较经典的基本可编程单元的配置是一个寄存器加一个查找表，但不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定的差异，而且寄存器和查找表的组合模式也不同。
学习底层配置单元的LUT 和Register 比率的一个重要意义在于器件选型和规模估算。
由于FPGA 内部除了基本可编程逻辑单元外，还有嵌入式的RAM、PLL 或者是DLL，专用的Hard IP Core 等，这些模块也能等效出一定规模的系统门，所以简单科学的方法是用器件的Register 或LUT 的数量衡量。
3.嵌入式块RAM目前大多数FPGA 都有内嵌的块RAM。
嵌入式块RAM 可以配置为单端口RAM、双端口RAM、伪双端口RAM、CAM、FIFO 等存储结构。
CAM，即为内容地址存储器。
写入CAM 的数据会和其内部存储的每一个数。
FPGA的基本结构
FPGA的基本结构FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程逻辑器件，具有灵活性和可重构的特性。
其基本结构是由一系列可编程的逻辑门和可编程的互连资源组成。
FPGA的基本结构包括输入输出（IO）资源、片上存储器、配置存储器、可编程逻辑单元（CLBs）、互连资源和时钟相关资源。
1.输入输出（IO）资源：FPGA包含大量的输入输出引脚，用于与外部系统进行通信。
这些IO引脚可以用于接收输入信号，例如传感器数据，或将结果输出到外部设备，例如显示器。
IO资源的数量和类型取决于具体的FPGA型号，可以通过设计实现逻辑电路与外部世界的接口。
2.片上存储器：FPGA通常包含多种类型的片上存储器，用于存储中间结果、配置数据和用户定义的数据。
片上存储器可以是寄存器文件、块RAM（BRAM）、内容可寻址存储器（CAM）等。
这些存储器可用于实现数据缓存、状态存储等功能。
3.配置存储器：配置存储器是FPGA中一个至关重要的组成部分，用于存储逻辑门的配置信息。
FPGA的可重构性使其可以根据需要改变逻辑门的排列和互连，从而实现不同的逻辑功能。
配置存储器通常用于存储一系列位流数据，这些数据表示逻辑门之间的连接关系。
4.可编程逻辑单元（CLBs）：可编程逻辑单元是FPGA中的主要逻辑处理单元，用于实现各种逻辑功能。
每个CLB通常包含多个可编程逻辑门，例如AND、OR、NOT等，以及一些可编程的触发器。
通过配置逻辑门和触发器，可以实现各种逻辑电路，如加法器、多路选择器等。
5.互连资源：互连资源用于连接FPGA中的各个逻辑单元，实现逻辑门之间的连接关系。
互连资源通常由一系列的通道、开关盒、连线等组成。
通道用于传递信号，开关盒用于控制信号的选择和连接，连线用于连接逻辑门和触发器。
6.时钟相关资源：时钟相关资源用于处理时钟信号，并确保在同步系统中的正确操作。
FPGA通常包含时钟管理资源和时钟分配网络。
时钟管理资源用于产生和分配时钟信号，时钟分配网络用于将时钟信号传递到逻辑单元和存储单元。
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。
第三章 FPGA／CPLD设计流程
EDA技术讲义
FPGA芯片叫板微处理器 FPGA 芯片在一定程度上正在蚕食微处理器的市场。 FPGA 芯片也开始用于消费类的电子设备中，包括手机和数码相机。 飞利浦、诺基亚、 Palm及索尼均在其消费类的电子产品中采用 了FPGA芯片。 XILINX 的首席执行官 W.Roelandts 亲眼目睹了 FPGA 如何改 变电脑构架。50多年前，匈牙利数学家纽曼（John von Neumann ）提出了电脑的设计构想 ----通过中央处理器从存储器中存取数 据，并逐一处理各项任务。现在，通过采用可编程芯片FPGA取 代微处理器，电脑可并行处理多项任务。 W.Roelandts说，“由纽曼提出的电脑架构已经走到尽头” ，“可编程芯片将掀起下一轮应用高潮。
尽管FPGA芯片的主频要低于奔腾处理器,但是由于FPGA 芯片可并行处理多项任务 ,因此处理速度要比奔腾处理器 或数字信号处理器快得多!
FPGA芯片武装超级电脑
EDA技术讲义
FPGA芯片叫板微处理器 美国赢通系统公司（Wincom Systems）推出一款令人惊叹的服 务器。这款专为网站运行而设计的服务器尺寸仅有 DVD 播放机 大小，工作能力却相当于 ,甚至超过 50 台戴尔、IBM 或 SUN 公司 售价 5000 美元的服务器。赢通公司的这款服务器并未采用目前 电脑中不可或缺的微处理器。 传统的个人电脑及服务器通常采用英特尔的奔腾处理器或 SUN 计算机系统公司的 SPARC 芯片作为中央处理单元。而赢通的这 一产品却没有采用微处理器，而是由FPGA芯片驱动。 FPGA芯片的运行速度比奔腾处理器慢，但可并行处理多项任务 ，而微处理器一次仅能处理一项任务。因此，赢通公司的服务 器只需配置几个价格仅为 2000 多美元的 FPGA 芯片，便可击败 SUN 计算机系统公司的服务器或采用英特尔处理器的电脑，“ 我们的服务器处理速度要比普通服务器快50到300倍”。
典型FPGACPLD的结构与配置
典型FPGACPLD的结构与配置首先，让我们先了解一下FPGA和CPLD的基本概念。
CPLD也是一种可编程逻辑器件，它由多个可编程逻辑单元（PLD）组成，每个PLD有自己的触发器、存储器和逻辑单元。
CPLD相对于FPGA来说规模较小，但也具有可编程性和灵活性。
CPLD适用于需要实现相对简单的逻辑电路功能的场景。
下面我们来详细了解典型的FPGA和CPLD的结构和配置。
1.FPGA的结构和配置：典型的FPGA由多个可编程逻辑单元（Programmable Logic Element，PLE）组成。
PLE是FPGA的基本构建模块，它由可编程开关（Programmable Switch）和逻辑功能单元（Logic Function Unit）组成。
可编程开关用于根据用户设计的逻辑电路功能连接各个逻辑功能单元，逻辑功能单元可以实现逻辑操作（如与门、或门等）。
FPGA还包含了存储单元（Memory Unit）和输入/输出（I/O）引脚。
FPGA的配置通常包含两个步骤：设计和布局。
在设计阶段，用户需要使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编写逻辑电路的描述代码。
在布局阶段，用户使用布局工具将逻辑电路映射到FPGA的可编程逻辑单元和存储单元上。
布局过程中需要考虑资源利用率、时序等约束条件。
在配置过程中，用户将设计好的逻辑电路配置到FPGA芯片中，这可以通过编程器或JTAG接口完成。
2.CPLD的结构和配置：典型的CPLD由多个可编程逻辑单元（PLD）组成。
每个PLD包含了触发器、存储器和逻辑单元，并具有可编程开关用于连接不同的逻辑单元。
CPLD还包含输入/输出（I/O）引脚。
CPLD的配置包含两个步骤：设计和编程。
在设计阶段，用户需要使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编写逻辑电路的描述代码。
在编程阶段，用户将设计好的逻辑电路配置到CPLD芯片中。
编程可以通过编程器或JTAG接口完成。
总结起来，FPGA和CPLD是现代数字电路设计中常用的可重构逻辑器件，它们可以根据用户的需求实现特定的逻辑电路功能。
FPGA配置
16
串行时钟(DCLK)在配置结束后内部振荡器关闭。下表列出 了DCLK的输出频率。对于Cyclone II FPGA，通过MSEL[]可以 选择时钟为20MHz或40MHz。 配置的时间与配置文件大小以及DCLK的频率有关，关于AS 方式配置时间的估算请见下一小节。
器件 Cyclone Cyclone II
VCC VCC VCC VCC
R1 10k 10k
R2 JTAG接 口 1 3 5 7 9 2 4 6 8 10
VCC (1)
Cyclone(Cyclone II) FP GA
nCE nSTATUS CONF_DONE nCONFIG MSEL0 MSEL1 DATA0 DCLK TCK TDO TMS TDI
12
另外，不同型号FPGA的配置文件大小不同，下表中列出了FPGA在
不压缩情况下二进制配置文件(.rbf)的最大大小。设计者可以根据配置文 件的大小来选择合适的配置器件和其它存储器。并可使用压缩功能，来
减小配置文件的大小。
器件类型 器件型号 EP1C3 数据大小（Bits） 数据大小（Bytes） 627,376 78,422
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2.2 主动串行配置(AS)的配置时间估算
主动串行配置时间为串行配置器件数据传送到FPGA的时间，
这取决于DCLK的频率以及配置文件的大小。 以Cyclone EP1C6器件为例，非压缩的.rbf格式配置文件的
大小为1167216位、DCLK最低频率为14MHz(71ns)，则最大
配置时间为： 1167216*71ns＝82872336ns≈83ms
1. FPGA配置
配置(configuration)是对FPGA的内容进行编程的过程。 每次上电后都需要进行配置是基于SRAM工艺FPGA的一个特
FPGA结构与工作原理
FPGA结构与工作原理FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑设备，具有灵活的结构和工作原理。
一、FPGA的结构FPGA通常包含以下几个核心组成部分：1.可编程逻辑单元（PLU）：PLU是FPGA最基本的构建单元，由包含了逻辑门、通用查找表（LUT）等可编程逻辑元件组成。
可以通过编程将PLU的逻辑功能编程为任意数字逻辑功能。
2.开关矩阵：FPGA中的开关矩阵用于连接PLU和其他功能模块，实现不同PLU之间以及PLU与输入/输出（I/O）模块之间的连接。
3.配置存储器：FPGA的配置存储器用于存储FPGA内部电路的编程信息。
一般情况下，FPGA将采用非挥发性的可编程存储技术，如闪存或EEPROM，以保证配置信息在断电后保持。
4.时钟管理单元：时钟管理单元用于产生和分配时钟信号，以同步FPGA内部各个模块的操作。
常见的时钟管理单元包括锁相环（PLL）和时钟分频器等。
5.输入/输出模块：输入/输出模块用于将FPGA和外部环境进行通信。
输入模块用于接收来自外部环境的输入信号，输出模块用于向外部环境输出FPGA处理后的信号。
二、FPGA的工作原理FPGA的工作原理可以分为以下几个步骤：2.逻辑运算：一旦FPGA完成了配置，各个PLU根据其编程信息开始进行逻辑运算。
每个PLU根据其编程的逻辑功能，从输入端口读取相应的输入信号，并执行相应的逻辑计算得到输出信号。
3.内部互联：在逻辑运算过程中，FPGA内部的开关矩阵根据其编程信息，将PLU之间的连接实现。
开关矩阵可以根据需要进行动态重配置，使得不同的PLU可以灵活地连接起来，形成不同的电路结构。
4.时钟同步：FPGA的时钟管理单元产生时钟信号，并将该时钟信号传递到各个PLU中，以确保内部电路的运行是同步的。
时钟同步可以避免由于不同模块之间的时钟差异而导致的数据冲突和不稳定的情况。
5.输入/输出操作：FPGA的输入/输出模块负责与外部环境进行通信。
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。
xilinx fpga开发实用教程——fpga结构
1.2.1 FPGA工作原理与简介如前所述，FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，即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。
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。
查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和宇航级FPGA采用Flash或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。
通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA的重复配置。
根据数字电路的基本知识可以知道，对于一个n输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算等等，最多只可能存在2n种结果。
所以如果事先将相应的结果存放于一个存贮单元，就相当于实现了与非门电路的功能。
FPGA的原理也是如此，它通过烧写文件去配置查找表的内容，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。
查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。
目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有 4位地址线的的RAM。
当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，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）事先写入 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进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
下面给出一个4与门电路的例子来说明LUT实现逻辑功能的原理。
例1-1：给出一个使用LUT实现4输入与门电路的真值表。
表1-1 4输入与门的真值表从中可以看到，LUT具有和逻辑电路相同的功能。
实际上，LUT具有更快的执行速度和更大的规模。
由于基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功能，所以适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。
fpga 教学大纲
fpga 教学大纲第一章 FPGA概述1.1 FPGA的定义与特点FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，具有灵活性高、可重构性强的特点。
它由一系列可编程逻辑门和可编程内部连线构成，可以根据需要进行逻辑功能的设计和实现。
1.2 FPGA的应用领域FPGA广泛应用于数字电路设计、通信系统、嵌入式系统等领域。
在数字电路设计中，FPGA可用于实现各种逻辑功能、算法运算和信号处理等任务。
1.3 FPGA的发展历程自FPGA诞生以来，经历了多个发展阶段。
从最初的简单门级可编程器件到现在高度集成、性能强大的复杂逻辑器件，FPGA的性能和规模得到了极大的提升。
第二章 FPGA基本原理与结构2.1 FPGA的基本原理FPGA通过可编程逻辑门和内部连线的灵活配置实现逻辑功能的定制。
用户可以根据需要设计出特定的逻辑电路，并将其配置到FPGA芯片中，从而完成特定任务。
2.2 FPGA的逻辑资源FPGA芯片内部包含大量的可编程逻辑资源，如逻辑门、寄存器、乘法器等。
这些资源可以通过配置实现各种逻辑功能，并且可以根据需要进行灵活的重构。
2.3 FPGA的结构组成FPGA由可编程逻辑单元（CLB）、可编程输入输出块（IOB）、可编程互连资源（Interconnect）等部分组成。
它们相互连接并形成一种可重构的逻辑结构。
第三章 FPGA设计流程3.1 FPGA设计流程概述FPGA设计流程一般包括需求分析、系统设计、逻辑设计、综合与优化、布局布线、仿真验证等环节。
每个环节都有其独特的设计方法和工具支持。
3.2 FPGA的设计语言常用的FPGA设计语言包括硬件描述语言（如VHDL、Verilog）和高级综合语言（如C、C++）。
设计语言的选择会影响到设计的效率和可移植性。
3.3 FPGA设计工具FPGA设计离不开各种设计工具的支持，如逻辑综合工具、布局布线工具和仿真工具等。
这些工具可以提高设计效率，减少设计风险。
复杂可编程逻辑器件与应用设计课程设计
复杂可编程逻辑器件与应用设计课程设计课程背景随着现代社会的发展，电子技术的应用越来越广泛。
作为电子技术的核心部分，数字电路越来越重要。
复杂可编程逻辑器件（FPGA）是数字电路设计中的重要一环，其具有灵活、高速、可重构等特点，广泛应用于数字信号处理、图像处理、通信协议等领域。
本课程旨在介绍FPGA的基本原理、设计方法和应用案例，通过实验操作，培养学生的FPGA设计与调试能力，为学生今后的工作和学习提供一定的基础。
课程内容本课程包括以下内容：第一章 FPGA的基本原理介绍FPGA的基本构成和原理，讲解可编程逻辑器件的分类、基本结构以及设计流程。
第二章 FPGA的数字电路设计语言介绍常见的FPGA设计语言，如VHDL和Verilog HDL，讲解其语法、基本结构以及设计方法。
第三章 FPGA的数字电路设计实例选取一些常见的数字电路，如加法器、计数器等，通过实例的方式讲解如何用FPGA设计和实现。
第四章 FPGA的高级应用实例介绍FPGA在软件定义无线电、图像处理、数字信号处理、嵌入式系统等领域的应用案例，让学生了解FPGA的行业应用和前景。
第五章 FPGA的调试技巧介绍FPGA的调试方法和技巧，讲解常见的FPGA调试问题以及相应的解决方法。
课程设计本次课程设计将会分为三部分，旨在让学生通过实际操作，深入了解FPGA的设计原理和应用方法。
第一部分 FPGA的基本原理实验在本实验中，学生将手动搭建一个基于可编程逻辑器件的完整数字逻辑电路，了解FPGA的自适应流水线结构、数据路径和控制算法，并学习FPGA的编程方式与软件开发环境的应用。
第二部分 FPGA的数字电路设计实验在本实验中，学生将会以模块化的方式，使用VHDL和Verilog HDL语言，设计一系列简单的数字电路，如比较器、多通道混频器、快速傅里叶变换器等，进一步了解FPGA的设计和实现方法。
第三部分 FPGA的高级应用实验在本实验中，学生将会运用已学习的知识，从大量的实例中选择应用，完成FPGA相关的工程设计和实现，如图像处理、数字信号处理等。
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R
0
SG1
11 10
D
Q Q
01 00
R
19
I/O7
SL1 7 7 I1 2
R
11 10 01 00 SL0 6
SG0
11 10 01 00
11 10 R SL0 6 Vcc 01 00
R
8
SG1
11 10
D
Q Q
01 00
R
18
I/O6
SL1 6 15 I2 3
R
11 10 01 00 SL0 6
KX
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3.2.3 PLA
图3-13 PLA逻辑阵列示意图
A1 A0 或阵列 （可编程）
A1
A1
A0 A 0 F1 F0
与阵列（可编程）
KX
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3.2.3 PLA
图3-14 PLA与 PROM的比较
A2
A1
A0
A2
A1
A0
F2
F1
F0
F2 F1
F0
KX
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3.2.4 PAL
图3-15PAL结构：
n
其逻辑函数是：
W0
A A
n 1 n 1
A1 A
0
W1 W
A 1 A0
...
2
n
1
A n 1 A1 A 0
KX
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3.2.2 PROM
图3-10 PROM的逻辑阵列结构
A0 A1 与阵列 （不可 编程） W0 W1
W p 1
n
或阵列 （可编程）
F0 F1
„
A n 1
KX ISP功能提高设计和应用的灵活性
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未编程前先焊 接安装 减少对器 件的触摸 和损伤 不计较器 件的封装 形式
系统内编程--ISP
允许一般的 存储 样机制造方 便
在系统现场重 编程修改 允许现场硬 件升级
迅速方便地 提升功能
支持生产和 测试流程中 的修改
KX
IOC
IOC
. . .
. . .
. . .
. . IOC .
IOC
. . .
IOC
. IOC
. .
IOC
. . .
IOC
逻辑单元
逻辑阵列块 (LAB)
IOC
IOC
IOC
IOC
IOC
IOC
. . .
. . .
. . .
连续布线和分段布线的比较
连续布线 ( Altera 基于查找表（LUT）的 FPGA )
K X (5) 嵌入式阵列块EAB是在输入、输出口上带有寄存器的RAM
块，是由一系列的嵌入式RAM单元构成。
数据宽度 8,4,2,1
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D
地址宽度 8,9,10,11
D
RAM/ROM 256x8 512x4 1024x2 2048x1
D
输出宽度 8,4,2,1
D
写使能
输入 时钟 输出 时钟
写脉冲 电 路
图3-2 按集成度(PLD)分类
可 编 程 逻 辑 器 件 （ P LD ）
简 单 P LD
复 杂 P LD
P RO M
P LA
PAL
G AL
CP LD
FPGA
KX
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3.2 简单PLD原理
3.2.1 电路符号表示
图3-3 常用逻辑门符号与现有国标符号的对照
KX
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3.2.1 电路符号表示
A1
图3-16 PAL的常用表示：
A0 A0
F0
A1 F1
F1
F0
KX
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3.2.4 PAL
0 CLK/I 0 1 3 4 7 8 11 12 15 16 19 20
图3-17 一种PAL16V8的部分结构图
23 24 27 28 31
11 10 01 00
11 10 R SL0 7 Vcc 01 00
与 阵 列
或 阵 列
输出 缓冲 电路
输 出
„
„
电路
KX
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3.1.1 可编程逻辑器件的发展历程
EPLD
PROM 和 PLA 器 件 70年代
改 进 的 PLA 器 件
GAL 器 件
器 件
CPLD
80年代
FPGA
器 件
器 件
内嵌复杂 功能模块 的SoPC
90年代
KX
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3.1.2 可编程逻辑器件的分类
寄存器 旁 路
PRN D Q ENA EN CLRN
通往 I/O 模块
乘 积 项 选 择 矩 阵
时钟
清零 共 享
清零 选择
逻辑阵列
逻
辑 通往 PIA
扩展项
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3.3 CPLD结构与工作原理
(1) 逻辑阵列块(LAB)
图3-27MAX7128S的 结构
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3.3 CPLD结构与工作原理
LEn IN [(4n-1)..4(n-1)]
LEn IN [(4n-1)..4(n-1)]
LUT
LUT
(2) 逻辑阵列LAB是由一系列的相邻LE构成的
KX
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图3-38FLEX10 K LAB 的结构图
(3) 快速通道(FastTrack)
KX
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(4) I/O单元与专用输入端口
图3-39 IO单元结构图
. . .
IOC
IOC
EAB
IOC
IOC
IOC
IOC
IOC
IOC
IOC
IOC
. . .
. . .
. . .
. . .
KX
(1) 逻辑单元LE
进位输入 级联输入
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图3-35 LE(LC)结构图
LE 输出 数据1 数据2 数据3 数据4
查找表 (LUT) 进位链 级联链
D
Q
CLRN
Lab 控制 1 Lab 控制 2
图3-30 PIA信号布线到LAB的方式
KX
(6)I/O控制块
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图3-31EPM7128S器 件的I/O控制 块
5、FPGA/CPLD下载方式
CPLD
KX
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isp --IN-SYSTEM-PROGRAMMERBALE
SRAM
FPGA
OTP
1、直接配置（CONFIGUERING ） 2、ROM 3、模拟ROM
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ALTERA 的 ByteBlaster（MV）下载接口
此接口既可作编 程下载口，也可作 JTAG接口
KX
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3.4 FPGA结构与工作原理
3.4.1 查找表
输入A 输入B 输入C 输入D
图3-32 FPGA查找 表单元：
输入1 输入2 输入3 输入4
16× 1 RAM
查找表 LUT
输出
3.2.5 GAL
图3-24输出反馈结构
图3-23 反馈输入结构
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3.2.5 GAL
图3-25 简单模式输出结构
3.3 CPLD结构与工作原理
来自 PIA的 36个信号
KX
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图3-26 MAX7000系列的单个宏单元结构
全局 清零
并 行
2
全局 时钟 来自 I/O引脚
扩展项
快速输入选择
SG1
3.2.5 GAL
I/CLK 1
0 0 3 4 7 8 11 12 15 16 7
图3-18 GAL16V8的结构图
19 20 23 24 27 28 31 CLK
OLMC I 2
8
19
I/O/Q
OLMC
15
18
I/O/Q
I
3
16
OLMC
23
17
I/O/Q
I
4
24
Байду номын сангаас
OLMC
31
16
I/O/Q
I
用EAB实现的流水线乘法器操作速度可达 90 MHz!
KX
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典型可用门
250,000 130,000
10,000 6,000
20,000
30,000
40,000
50,000
70,000
100,000
存储器容量
18,000 24,000 32,000 40,000
12,000
12,000
16,000
EAB 的字长是可配置的
EAB的大小灵活可变
256x8
KX
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2048x1 512x4 1024x2
通过组合EAB 可以构成更大的模块 不需要额外的逻辑单元，不引入延迟， EAB 可配置为深度达2048的存储器 512x4 256x8 512x8 256x16
256x8 512x4
(2) 宏单元
(3) 扩展乘积项
局部连线 宏单元的 乘积项 逻辑
图3-28 共享扩展乘积 项结构
共享扩展 项提供的 “与非” 乘积项
宏单元的 乘积项 逻辑
KX
图3-29 并 联扩展项馈 送方式
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KX
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3.3 CPLD结构与工作原理
(4) 可编程连线阵列 (5) 不同的LAB通过在可编程连线阵列(PIA)上布线，以相互连 接构成所需的逻辑。