【PPT】FPGA硬件设计概要
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FPGA概述PPT课件
•11
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。
•12
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
•28
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。
•29
没有预加重 的发送波形
•30
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
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。
•12
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
•28
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。
•29
没有预加重 的发送波形
•30
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硬件电路设计及FPGA平台介绍
FPGA硬件电路设计及FPGA平台介绍FPGA是一种可编程逻辑器件，它提供了一种灵活、高效的硬件电路设计方案。
本文将介绍FPGA硬件电路设计的基本原理和FPGA平台的介绍。
FPGA硬件电路设计FPGA的基本结构由可编程逻辑单元（LUT）、寄存器和可编程互连网络组成。
LUT可以实现任意的逻辑函数，寄存器可以存储电路状态，可编程互连网络可以将多个逻辑单元和寄存器连接起来。
在FPGA硬件电路设计中，需要考虑以下几点：1. 时序分析时序分析是指对设计电路的时序进行分析，以保证电路的正确性和可靠性。
时序分析的主要内容包括时钟分析、时序路径分析和时序约束。
时钟分析是指分析时钟信号的发生时间、持续时间、上升和下降时间等特性。
时序路径分析是指分析电路信号在各路径中的传输时间和延迟。
时序约束是指对设计电路的时序进行限制，以保证时序正确。
2. 电路优化电路优化是指对设计电路进行优化，以提高电路性能、降低功耗和减小面积。
电路优化的主要方法包括逻辑优化、布局优化和时钟优化。
逻辑优化是通过对电路逻辑进行优化，减少逻辑门或LUT的使用，从而降低电路功耗和面积。
布局优化是对电路的物理结构进行优化，使得电路布局更加合理，减小面积。
时钟优化是对时钟信号进行优化，以提高电路性能和减少功耗。
3. 仿真验证仿真验证是指通过软件仿真对设计电路的功能进行验证，以检测设计电路中的错误或不足之处。
仿真验证的主要方法包括行为仿真和时序仿真。
行为仿真是指对电路的行为进行仿真验证，检测电路的逻辑功能是否正确。
时序仿真是对电路的时序进行仿真验证，检测电路的时序是否正确。
仿真验证主要使用Verilog、VHDL等硬件描述语言进行编程实现。
FPGA平台介绍FPGA平台是指基于FPGA硬件实现的计算平台，它具有高性能、低功耗和灵活性强等优点。
FPGA平台主要应用于嵌入式系统、人工智能、物联网等领域。
FPGA平台的主要应用包括：1. 嵌入式系统FPGA平台可以用于嵌入式系统的设计和实现，实现智能控制、数字信号处理、数据采集和通信等功能。
FPGA设计方法汇总课件
向两CPU同时发送0.01ms的低电平同步脉冲； 将ETHERNET和UART的中断信号IRQ及应答信号IACK通过数据线上报给CPU。 2、安全功能： 表决电路监测两个CPU 向BTM发送数据内容的一致性，当接收的数据内容不一致时，
表决电路就发送给CPU故障诊断信息； 表决电路监视两个CPU写入数据的时间差是否超时，当在一个周期内，表决电路在
组合逻辑 外部输出
BACK
43
（5）状态机风格
一段式 一个always模块完成输出及状态转移； 必须要综合考虑现态在何种状态转移条件下会进入哪些次 态，然后在每个现态的case 分支下分别描述每个次态的 输出。
两段式 一个always 模块采用同步时序描述状态转移；另一个模块 采用组合逻辑判断状态转移条件。
48
总结
FPGA是一种可编程硬件，深入理解器件的 结构有助于设计
严格遵守设计流程，充分利用工具 在整个设计中贯穿五大设计思想 状态机的编码、类型、风格和设计思路决
定了能否设计出高效的状态机 FPGA在设计中需要考虑安全性
49
通讯表决电路设计
刘志凯 2008年8月
50
一、实现的功能
1、基本功能： 对 CPU1、CPU2向 BTM的通讯路径进行表决，CPU1和CPU2通过并行总线将需要
decoder
btm(cpu1&cpu2) dmi(cpu1&cpu2) uart(cpu1&cpu2)
BACK
55
时钟模块CLOCK module
外部clock PLL
timerclk分频器 Reset
txclk分频器
timerclk txclk
clk CPLD clk
BACK
表决电路就发送给CPU故障诊断信息； 表决电路监视两个CPU写入数据的时间差是否超时，当在一个周期内，表决电路在
组合逻辑 外部输出
BACK
43
（5）状态机风格
一段式 一个always模块完成输出及状态转移； 必须要综合考虑现态在何种状态转移条件下会进入哪些次 态，然后在每个现态的case 分支下分别描述每个次态的 输出。
两段式 一个always 模块采用同步时序描述状态转移；另一个模块 采用组合逻辑判断状态转移条件。
48
总结
FPGA是一种可编程硬件，深入理解器件的 结构有助于设计
严格遵守设计流程，充分利用工具 在整个设计中贯穿五大设计思想 状态机的编码、类型、风格和设计思路决
定了能否设计出高效的状态机 FPGA在设计中需要考虑安全性
49
通讯表决电路设计
刘志凯 2008年8月
50
一、实现的功能
1、基本功能： 对 CPU1、CPU2向 BTM的通讯路径进行表决，CPU1和CPU2通过并行总线将需要
decoder
btm(cpu1&cpu2) dmi(cpu1&cpu2) uart(cpu1&cpu2)
BACK
55
时钟模块CLOCK module
外部clock PLL
timerclk分频器 Reset
txclk分频器
timerclk txclk
clk CPLD clk
BACK
第7章FPGACPLD硬件结构与工作原理讲述素材PPT课件
15
一、PLD基础
举例：用PROM完成半加器逻辑阵列
F0A0A1A0A1 F1A1A0
16
一、PLD基础
PLA：逻辑阵列示意图
A1
A0
或阵列 （可编程）
A1 A 1
A0 A 0
与阵列（可编程）
F1
F0
17
一、PLD基础
PAL：逻辑阵列示意图
A1 A0 A0
F0
A1
F1
F1 F0
PAL结构
PAL的常用表示
PLD中或阵列的表示
14
一、PLD基础
PROM：逻辑阵列结构
A0 A1
An1
… … …
与阵列 （不可
W0 W1
编程） Wp1
或阵列 （可编程）
F0 F1
Fm1
p2n
其逻辑函数是：
F0 Mp1,0Wp1M1,0W1M0,0W0 F1 Mp1,1Wp1M1,1W1M0,1W0
Fm1 Mp1,m1Wp1M1,m1W1M0,m1W0
FPGA：基于查找表结构
输入A 输入B 输入C 输入D
查找表 LUT
输出P P=F(A,B,C,D)
27
输入A 输入B 输入C 输入D
二0 、FPGA/CPLD结构与工作原理
0
多路选择器
0
0
0
1
1
16×1 0 SRAM 0
输出P
0
0
0
0
0
1
1
P ABCD ABCD ABCD AB28CD
举例： Cyclone 2系列
输入缓 冲电路
与阵列
输出逻辑宏 单元OLMC
20
《FPGA第一章》PPT课件
精选PPT
7
其一般书写格式为：
PORT （端口名 ：端口模式 数据类型；
端口名 ：端口模式 数据类型；
… …）；
精选PPT
8
总目录 章目录 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
例：
GENERIC （trise，tfall：TIME:=1ns; Addrwidth:INTEGER:=16);
PORT(a0, a1 : IN STD_LOGIC; Add_bus:OUT STD_LOGIC_VECTOR(addrwidth-1
DOWNTO 0);
这里类属参量中参数trise为上升沿宽度，tfall为下 降沿宽度，用于仿真模块的设计；
定义地址总线的宽度为Addrwidth位，类属值 Addrwidth的改变将使结构体中所有相关的总线定义同 时改变，由此使整个设计实体的硬件结构发生变化。
总目录 章目录 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
第一章 VHDL基本结构
1.1 实体 1.2 结构体 1.3 块、子程序和进程 1.4 库和程序包 1.5 配置
精选PPT
1
一个完整的VHDL程序或设计实体，要求能为 VHDL综合器所支持，并能作为一个独立的设计单元， 即元件的形式而存在的VHDL程序。
通常VHDL程序包含五个部分：
总目录 章目录 第一节 第二节 第三节
（1）实体（ENTITY） （2）结构体（ARCHITECTURE） （3）包集合（PACKAGE） （4）库（LIBRARY） （5）配置（CONFIGURATION）
第四节 第五节
实体和结构体是必需的——可构成最简单VHDL程序。
端口模式可用下图说明，图中方框代表一个设计实体或 模块。
(完整版)FPGA硬件电路设计及FPGA平台介绍
8
FPGA的发展趋势
向更高密度、更大容量的系统级方向发展。 向低成本、低电压、低功耗、微封装和环保型发展。 IP资源复用理念得到普遍认同并成为主要设计方式。 MCU、DSP和MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心。
9
第二章 主流FPGA器件介绍
第2章主要内容
各厂商FPGA系列介绍 Altera FPGA主流器件介绍 Xilinx FPGA主流器件介绍
现代平台级FPGA还会包括以下可选资源：
❖ 存储器资源（BlockRAM） ❖ 数字时钟管理单元（分频、倍频、数字延迟） ❖ I/O多电平标准兼容（Select I/O） ❖ 算术运算单元（乘法器、加法器） ❖ 特殊功能模块 ❖ 微处理器模块（PowerPC、ARM）
6
现代FPGA的主要特点
规模越来越大，达到上千万门级的规模，更适于实现片上系统 （SoC）。
－Spartan 6 LX/LXT
45nm工艺
❖ Virtex ——高端FPGA系列，针对高密度高性能应用
－Virtex II/IIPro
130nm工艺
－Virtex 4 LX/SX/FX
90nm工艺
－Virtex 5 LX/LXT/SXT/FXT/TXT 65nm工艺
－Virtex 6 LXT/SXT/HXT
－IGLOO/e
功耗超低的可编程FPGA
－IGLOO nano 业界功耗最低、尺寸最小的FPGA
－IGLOO PLUS 具有增强I/O功能的低功耗FPGA
❖ Fusion ——将可配置模拟部件、大容量 Flash 、时钟电路，以及基 于Flash的高性能可编程逻辑集成在单片器件中
15
Lattice公司FPGA系列
FPGA的发展趋势
向更高密度、更大容量的系统级方向发展。 向低成本、低电压、低功耗、微封装和环保型发展。 IP资源复用理念得到普遍认同并成为主要设计方式。 MCU、DSP和MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心。
9
第二章 主流FPGA器件介绍
第2章主要内容
各厂商FPGA系列介绍 Altera FPGA主流器件介绍 Xilinx FPGA主流器件介绍
现代平台级FPGA还会包括以下可选资源：
❖ 存储器资源（BlockRAM） ❖ 数字时钟管理单元（分频、倍频、数字延迟） ❖ I/O多电平标准兼容（Select I/O） ❖ 算术运算单元（乘法器、加法器） ❖ 特殊功能模块 ❖ 微处理器模块（PowerPC、ARM）
6
现代FPGA的主要特点
规模越来越大，达到上千万门级的规模，更适于实现片上系统 （SoC）。
－Spartan 6 LX/LXT
45nm工艺
❖ Virtex ——高端FPGA系列，针对高密度高性能应用
－Virtex II/IIPro
130nm工艺
－Virtex 4 LX/SX/FX
90nm工艺
－Virtex 5 LX/LXT/SXT/FXT/TXT 65nm工艺
－Virtex 6 LXT/SXT/HXT
－IGLOO/e
功耗超低的可编程FPGA
－IGLOO nano 业界功耗最低、尺寸最小的FPGA
－IGLOO PLUS 具有增强I/O功能的低功耗FPGA
❖ Fusion ——将可配置模拟部件、大容量 Flash 、时钟电路，以及基 于Flash的高性能可编程逻辑集成在单片器件中
15
Lattice公司FPGA系列
FPGA的基本原理详细+入门 ppt课件
十二、FPGA的功耗
十三、FPGA的利用率
十四、FPGA中的RAM
十五、FPGA的JTAG接口
十六、FPGA的设计安全性
十七、 FPGA的设计流程
2十02八1/3、/26 FPGA的选用 FPGA的基本原理详细+入门 ppt课
1
件
一、什么是FPGA?
（一）、 什么是PLD？
l PLD 即Programmable Logic Device，称为可编程逻辑器件。按照制造 工 艺 、 编 程 方 式 、 结 构 、 规 模 的 不 同 可 分 为 PAL 、 GAL 、 EPLD 、 CPLD等不同种类。
l 这种逆熔丝开关的面积很小，大约9um2，电阻较小（电阻与 编程电压有关），电容很小，10fF（1.2um工艺）。
2、 采用浮栅编程技术的编程单元
浮栅编程技术采用悬浮栅存储电荷的方法来保存数据，在断电时存 储数据不丢失。包括三种：
l EPROM：紫外线擦除、电编程。
l EEPROM：一次可擦一个字
-1 比std快15%
–2 比std快25%
-3 比std快35%
2021/3/26
FPGA的基本原理详细+入门 ppt课
18
件
八、 FPGA内部逻辑模块数及触发器数
• 内部模块数
A54SX32A ：2880，CC：1800，RC：1080，D：1980
• 每个逻辑模块所含触发器的个数
ACTEL：1个 XILINX：2个
2021/3/26
FPGA的基本原理详细+入门 ppt课
11
件
• ACT1模块是如何实现三输入与门的？
GND Y
Y A B C
教学课件第1章FPGA系统设计基础
1.1.2 可编程逻辑器件的编程器件工作原理
可编程逻辑器件按照编程工艺又可分为4 个种类：（l）熔丝（Fuse）或反熔丝 （Antifuse）编程器件；(2)UEPROM编程 器件；（3）EEPROM编程器件；（4） SRAM编程器件。前3类器件称为非易失 性器件，它们在编程后，配置数据保持 在器件上；第4类器件为易失性器件，每 次掉电后配置数据会丢失，因而在每次 上电时需要重新进行数据配置。
5. 随机存储器（RAM）
随机存储器也叫随机读／写存储器，简称RAM。 在RAM工作时可以随时从任何一个指定地址读 出数据，也可以随时将数据写入任何一个指定 的存储单元中去。它的优点是读、写方便，使 用灵活。缺点是一旦断电以后所存储的数据将 随之丢失，即存在数据易失性的问题。RAM电 路通常由存储矩阵、地址译码器和读／写控制 电路（也叫输入／输出电路）几部分组成，电 路结构框图如图所示。
1.可编程只读存储器（PROM）
熔丝（Fuse）或反熔丝（Antifuse）编程 器件采用PROM结构。PROM的总体结构 与掩模ROM相同，所不同的是在出厂时 已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制 作了存储元件。存储元件通常有两种电 路形式：一种是由二极管组成的结破坏 型电路；另一种是由晶体三极管组成的 熔丝型电路，结构示意图如图所示。
最早研究成功并投入使用的EPROM是用 紫外线照射进行擦除的，并被称之为 EPROM。因此，现在一提到EPROM就是 指的这种用紫外线擦除的可编程 ROM （Ultra-Violet Erasable Programmable Read-Only Memory，简称 UVEPROM）。
EPROM采用MOS型电路结构，其存储单 元通常由叠栅型MOS管组成。叠栅型 MOS管通常采用增强型场效应管结构。 叠栅注入 MOS管（Stacked-gate Injection Metal-Oxide-Semiconductor， 简称SIMOS管）的结构原理图和符号如 图所示。
《FPGA简介》PPT课件
//S t a t e m e n t s : Initial statement Always statement Module instantiation Gate instantiation
模块的端口
FPGA技术
net inout
input
net
output
reg or net net
reg or net
FPGA简介
1.可编程逻辑器件发展历程 2.CPLD/FPGA概述 3.CPLD/FPGA基本原理 4.FPGA设计方法 5.FPGA设计流程 6.Verilog HDL语言简介 7.PLD/FPGA发展趋势
FPGA技术
1.可编程逻辑器件的发展历程
FPGA
早期
可编程逻辑器件(PLD) 可编程阵列逻辑(PAL）
能力
设计的行为特性、设计的数据流特性、设
计的结构组成以及
包含响应 监控和设计验证方面的时延和
波• 主形要产了功生编基机能程本制语逻。言辑提接门供口，，例通如过an该d 接、口or可和以n在an模d 拟等、都 验内证置期在间语从言设中计 • 外部开访关问级设基计本，结包构括模模型拟，的例具如体pm控os制和和n运mos 行等。也被内置在语言中
•寄•线存网器
reg 是最常线用网的类寄型存主器要类有型w，ir寄e 存和器tr类i 型两通种常。用线于网对存储 单元的描述类，型如用D型于触对发结器构、化R器OM件等之。间存的储物器理类连型线的的信号当 在某种触发建机模制。下如分器配件了的一管个脚值，，内在部分器配件下如一与个门值的之时保 留原值。但输必出须等注。意由的于是线，网re类g 型类代型表的的变是量物，理不连一接定是存 储单元，如线在，al因wa此ys它语不句存中贮进逻行辑描值述。的必必须须由用器r件eg所类型的 变量。 驱动。通常由assign进行赋值 reg 类型定义语法如下： reg [msb: lsb] reg1, reg2, . . . r e g N; msb 和lsb 定义了范围，并且均为常数值表达式。范围定 义是可选的；如果没有定 义范围，缺省值为1 位寄存器。 例如： reg [3:0] Sat; // S a t 为4 位寄存器。
模块的端口
FPGA技术
net inout
input
net
output
reg or net net
reg or net
FPGA简介
1.可编程逻辑器件发展历程 2.CPLD/FPGA概述 3.CPLD/FPGA基本原理 4.FPGA设计方法 5.FPGA设计流程 6.Verilog HDL语言简介 7.PLD/FPGA发展趋势
FPGA技术
1.可编程逻辑器件的发展历程
FPGA
早期
可编程逻辑器件(PLD) 可编程阵列逻辑(PAL）
能力
设计的行为特性、设计的数据流特性、设
计的结构组成以及
包含响应 监控和设计验证方面的时延和
波• 主形要产了功生编基机能程本制语逻。言辑提接门供口，，例通如过an该d 接、口or可和以n在an模d 拟等、都 验内证置期在间语从言设中计 • 外部开访关问级设基计本，结包构括模模型拟，的例具如体pm控os制和和n运mos 行等。也被内置在语言中
•寄•线存网器
reg 是最常线用网的类寄型存主器要类有型w，ir寄e 存和器tr类i 型两通种常。用线于网对存储 单元的描述类，型如用D型于触对发结器构、化R器OM件等之。间存的储物器理类连型线的的信号当 在某种触发建机模制。下如分器配件了的一管个脚值，，内在部分器配件下如一与个门值的之时保 留原值。但输必出须等注。意由的于是线，网re类g 型类代型表的的变是量物，理不连一接定是存 储单元，如线在，al因wa此ys它语不句存中贮进逻行辑描值述。的必必须须由用器r件eg所类型的 变量。 驱动。通常由assign进行赋值 reg 类型定义语法如下： reg [msb: lsb] reg1, reg2, . . . r e g N; msb 和lsb 定义了范围，并且均为常数值表达式。范围定 义是可选的；如果没有定 义范围，缺省值为1 位寄存器。 例如： reg [3:0] Sat; // S a t 为4 位寄存器。
第5章 FPGA设计和硬件描述语言
与阵列的水平线
输出对应标准与
-或表达式中的
标准乘积项，即
最小项。
6
1.1 PLD器件
可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）是一种
与阵列、或阵列都可编程的逻辑阵列。
无须像PROM
那样将逻辑函
数转换成标准
与-或表达式，
而只要化简成
最简与-或表达
式即可，可节
省编程资源。
1.3 FPGA设计概述
函数发生器通过查找表LUT实现，其中的内容可编程配置
LUT存储单元中存放函数输出值，用于实现一个小规模逻辑函数
举例：若要实现函数 f(a,b,c) = ab+ҧ
真值表
门电路实现
a b c y
a
0 0 0 1
b
0 0 1 0
c
0 1 0 1
0 1 1 0
3输入LUT实现
• 基本单元是模块module，包含声明和语句
例如：与门电路的Verilog程序代码
1 module top (
2 input a,
3 input b,
4 output c
5 );
6
7 assign c = a & b;
8
9 endmodule
关键字：module、assign、endmodule
模块名称：top，后接I/O端口列表
经T1流到地，因T3导通，位线D0高电平被拉低而产生一个负脉冲
1
0
优点：读写速度快、无需刷新。
写入时，字线W上加高电平
• 若要写“1”，则在位线D1
上加低电平，因T4导通，B
点电位下降，T1截止，A点
输出对应标准与
-或表达式中的
标准乘积项，即
最小项。
6
1.1 PLD器件
可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）是一种
与阵列、或阵列都可编程的逻辑阵列。
无须像PROM
那样将逻辑函
数转换成标准
与-或表达式，
而只要化简成
最简与-或表达
式即可，可节
省编程资源。
1.3 FPGA设计概述
函数发生器通过查找表LUT实现，其中的内容可编程配置
LUT存储单元中存放函数输出值，用于实现一个小规模逻辑函数
举例：若要实现函数 f(a,b,c) = ab+ҧ
真值表
门电路实现
a b c y
a
0 0 0 1
b
0 0 1 0
c
0 1 0 1
0 1 1 0
3输入LUT实现
• 基本单元是模块module，包含声明和语句
例如：与门电路的Verilog程序代码
1 module top (
2 input a,
3 input b,
4 output c
5 );
6
7 assign c = a & b;
8
9 endmodule
关键字：module、assign、endmodule
模块名称：top，后接I/O端口列表
经T1流到地，因T3导通，位线D0高电平被拉低而产生一个负脉冲
1
0
优点：读写速度快、无需刷新。
写入时，字线W上加高电平
• 若要写“1”，则在位线D1
上加低电平，因T4导通，B
点电位下降，T1截止，A点
FPGA详细教程综合PPT课件
如果设计中有综合约束文件，那么在指定综合约 束文件的所在路径后在此参数后打上勾，使XST在综 合时受到综合约束文件的约束。
第15页/共34页
综合属性
• （5）全局优化目标（Global Optimization Goal）
•
全局优化目标参数仅对FPGA有效，它用于一些时钟优化策略，包括的
优化属性有：
FPGA系统设计与实践
综合
第1页/共34页
第五章 综合
内容提要
•
本章介绍了Xilinx公司的中的综合工具XST的综合属性、HDL代码参数
设置、专用参数选项设置，使用XST综合设计、实行设计的步骤与方法。集成
的 下 载 配 置 工 具 iMPACT 的 结 构 、 操 作 步 骤 与 方 法 。Altera 公 司 的Qua 编 译 器
•
ISE中XST设计流程的综合阶段约束文件与实现阶段约束文件的概念并不分明，
综合阶段的约束条件常常通过实现阶段的约束文件来完成。
第7页/共34页
5.1 中的综合工具XST
•
XST的综合约束文件是XCF（XST Constrain File），而
在 布 局 布 线 阶 段 ， 最 重 要 的 约 束 文 件 是 用 户 约 束 文 件 UCF（User Constraint File），两者有着千丝万缕的关系，UCF几乎支持XCF的所有约束语言与命令。通常 在使用XST综合流程时，仅仅通过综合属性设置来设置全局性的综合策略与参数，细 化的约束是通过实现阶段的约束文件UCF完成的。
注意综合、实行、配置或者编译与编程中属性参数的设置对设计的影响。应通过
大量的实际设计过程加深对综合、实行、配置或者编译与编程的理解。
第4页/共34页
第15页/共34页
综合属性
• （5）全局优化目标（Global Optimization Goal）
•
全局优化目标参数仅对FPGA有效，它用于一些时钟优化策略，包括的
优化属性有：
FPGA系统设计与实践
综合
第1页/共34页
第五章 综合
内容提要
•
本章介绍了Xilinx公司的中的综合工具XST的综合属性、HDL代码参数
设置、专用参数选项设置，使用XST综合设计、实行设计的步骤与方法。集成
的 下 载 配 置 工 具 iMPACT 的 结 构 、 操 作 步 骤 与 方 法 。Altera 公 司 的Qua 编 译 器
•
ISE中XST设计流程的综合阶段约束文件与实现阶段约束文件的概念并不分明，
综合阶段的约束条件常常通过实现阶段的约束文件来完成。
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5.1 中的综合工具XST
•
XST的综合约束文件是XCF（XST Constrain File），而
在 布 局 布 线 阶 段 ， 最 重 要 的 约 束 文 件 是 用 户 约 束 文 件 UCF（User Constraint File），两者有着千丝万缕的关系，UCF几乎支持XCF的所有约束语言与命令。通常 在使用XST综合流程时，仅仅通过综合属性设置来设置全局性的综合策略与参数，细 化的约束是通过实现阶段的约束文件UCF完成的。
注意综合、实行、配置或者编译与编程中属性参数的设置对设计的影响。应通过
大量的实际设计过程加深对综合、实行、配置或者编译与编程的理解。
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【PPT】FPGA硬件设计概要
和逻辑实现。
⑤ＣＰＬＤ比ＦＰＧＡ使用起来更方便。ＣＰＬＤ的编 程采用Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＡＳＴＦＬＡＳＨ技术,无需外部存储 器芯片,使用简单。而ＦＰＧＡ的编程信息需存放在外部存储器 上,使用方法复杂。 ⑥ＣＰＬＤ的速度比ＦＰＧＡ快,并且具有较大的时间可 预测性。这是由于ＦＰＧＡ是门级编程,并且ＣＬＢ之间采用分 布式互联,而ＣＰＬＤ是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互
和可预测的,而ＦＰＧＡ的分段式布线结构决定了其延迟的不可
预测性。 ③在编程上ＦＰＧＡ比ＣＰＬＤ具有更大的灵活性。ＣＰＬ Ｄ通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,ＦＰＧＡ主要 通过改变内部连线的布线来编程;ＦＰ ＧＡ可在逻辑门下编程,而
ＣＰＬＤ是在逻辑块下编程。
④ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高,具有更复杂的布线结构
⑧ＣＰＬＤ保密性好,ＦＰＧＡ保密性差。
⑨一般情况下,ＣＰＬＤ的功耗要比ＦＰＧＡ大,且集成度 越高越明显。
CPLD最基本的单元是宏单元。一个宏单元包含一个寄存 器(使用多达16个乘积项作为其输入)及其它有用特性。 因为每个宏单元用了16个乘积项，因此设计人员可部署大量的 组合逻辑而不用增加额外的路径。这就是为何CPLD被认为是 “逻辑丰富”型的。 宏单元以逻辑模块的形式排列(LB)，每个逻辑模块由16 个宏单元组成。宏单元执行一个AND操作，然后一个OR操作 以实现组合逻辑。
尽管ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ都是可编程ＡＳＩＣ器件 , 有很多共同特点,但由于ＣＰＬＤ和ＦＰＧＡ结构上的差 异,具有各自的特点:
①ＣＰＬＤ更适合完成各种算法和组合逻辑,ＦＰＧＡ更适合
于完成时序逻辑。换句话说,ＦＰＧＡ更适合于触发器丰富的结
构,而ＣＰＬＤ更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。 ②ＣＰＬＤ的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的
《FPGA底层硬件开发》PPT课件
整理ppt
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硬核乘法器使用
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硬核乘法器实例化
module multiply1(sclr,rfd,rdy,nd,clk,a,b,q); input sclr,nd,clk; output rfd,rdy; input [17:0] a,b; output [35:0] q;
multiply multiply(.sclr(sclr),.rfd(rfd), .rdy(rdy),.nd(nd),.clk(clk),.a(a),.b(b), .q(q));
每来一个时钟脉冲加法器将频率控制字k与累加寄存器相加将结果送至累加寄存器输入端累加寄存器将加法器在上一时钟脉冲产生的新相位数据反馈到加法器输入端使加法器在下一时钟脉冲继续与频率控制器相加累加寄存器输出数据即合成信号的相位n位加法整理ppt46ram用上述相位数据作为地址查波形存储器rom表得到信号幅值波形存储器存储余弦信号波形
BUFG CLKFX_BUFG_INST(.I(CLKFX_BUF),.O(CLKFX_OUT));
整理ppt
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第二全局时钟
• 长线资源，驱动性能、抖动、延时指标仅次于全局时钟； • 可驱动片内任一逻辑信号，一般用于高频、高扇出的时钟
使能信号及高速路径上的关键信号 • 全局时钟不占用逻辑资源，也不影响其它布线资源；但第
二全局时钟资源要占用
• 使用方法：定义线网约束属性
NET “s1” USELOWSKEWLINES; NET “s2” USELOWSKEWLINES; NET “s3” USELOWSKEWLINES;
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DCM模块
• 强大的DLL模块，功能包括：
• 消除时钟延时 • 频率合成 • 时钟相位调整
《FPGA的设计流程》PPT课件
《FPGA的设计流程》PPT 课件
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1.3.1 可编程逻辑器件的一般设计流程
可编程逻辑器件的设 计过程是利用EDA开 发软件和编程工具对 器件进展开发的过程。 可编程逻辑器件的一 般设计流程如图1.3.1 所示，包括设计准备， 设计输入，功能仿真， 设计处理，时序仿真 和器件编程及测试等 七个步骤。
〔4〕布局和布线
布局和布线工作是在上面的设计工作完 成后由软件自动完成的，它以最优的方 式对逻辑元件布局，并准确地实现元件 间的互连。布线以后软件自动生成报告， 提供有关设计中各局部资源的使用情况 等信息。
5．时序仿真
时序仿真又称后仿真或延时仿真。由于 不同器件的内部延时不一样，不同的布 局布线方案也给延时造成不同的影响， 因此在设计处理以后，对系统和各模块 进展时序仿真，分析其时序关系，估计 设计的性能，以及检查和消除竞争冒险 等是非常有必要的。实际上这也是与实 际器件工作情况根本一样的仿真。
2．设计输入
设计输入是设计人员将所设计的系统或 电路以开发软件要求的某种形式表示出 来，并送入计算机的过程。设计输入通 常有以下几种形式：
〔1〕原理图输入方式 〔2〕HDL〔硬件描述语言〕输入方式 〔3〕波形输入方式
〔1〕原理图输入方式
原理图输入方式是一种最直接的设计描述方式， 要设计什么，就从软件系统提供的元件库中调 出来，画出原理图。这种方式要求设计人员有 丰富的电路知识及对PLD的构造比较熟悉。其 主要优点是容易实现仿真，便于信号的观察和 电路的调整；缺点是效率低，特别是产品有所 改动，需要选用另外一个公司的PLD器件时， 就需要重新输入原理图，而采用硬件描述语言 输入方式就不存在这个问题。
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1.3.1 可编程逻辑器件的一般设计流程
可编程逻辑器件的设 计过程是利用EDA开 发软件和编程工具对 器件进展开发的过程。 可编程逻辑器件的一 般设计流程如图1.3.1 所示，包括设计准备， 设计输入，功能仿真， 设计处理，时序仿真 和器件编程及测试等 七个步骤。
〔4〕布局和布线
布局和布线工作是在上面的设计工作完 成后由软件自动完成的，它以最优的方 式对逻辑元件布局，并准确地实现元件 间的互连。布线以后软件自动生成报告， 提供有关设计中各局部资源的使用情况 等信息。
5．时序仿真
时序仿真又称后仿真或延时仿真。由于 不同器件的内部延时不一样，不同的布 局布线方案也给延时造成不同的影响， 因此在设计处理以后，对系统和各模块 进展时序仿真，分析其时序关系，估计 设计的性能，以及检查和消除竞争冒险 等是非常有必要的。实际上这也是与实 际器件工作情况根本一样的仿真。
2．设计输入
设计输入是设计人员将所设计的系统或 电路以开发软件要求的某种形式表示出 来，并送入计算机的过程。设计输入通 常有以下几种形式：
〔1〕原理图输入方式 〔2〕HDL〔硬件描述语言〕输入方式 〔3〕波形输入方式
〔1〕原理图输入方式
原理图输入方式是一种最直接的设计描述方式， 要设计什么，就从软件系统提供的元件库中调 出来，画出原理图。这种方式要求设计人员有 丰富的电路知识及对PLD的构造比较熟悉。其 主要优点是容易实现仿真，便于信号的观察和 电路的调整；缺点是效率低，特别是产品有所 改动，需要选用另外一个公司的PLD器件时， 就需要重新输入原理图，而采用硬件描述语言 输入方式就不存在这个问题。
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Ross Freeman是 Xilinx创始人之一，发明了“现场可编 程门阵列”（ FPGA）这种新型可编程逻辑。 Bernie Vonderschmitt是Xilinx创始人之一，提出了“无工厂”半导体 这一创新理论。
他们希望创建一家在新领域内开发和推出先进技术的公司。 并且，他们还希望以这种方式领导它：在这里工作的人们热爱 他们的工作、享受工作的乐趣，并对他们所从事的工作着迷。
和逻辑实现。
⑤ＣＰＬＤ比ＦＰＧＡ使用起来更方便。ＣＰＬＤ的编 程采用Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＡＳＴＦＬＡＳＨ技术,无需外部存储 器芯片,使用简单。而ＦＰＧＡ的编程信息需存放在外部存储器 上,使用方法复杂。 ⑥ＣＰＬＤ的速度比ＦＰＧＡ快,并且具有较大的时间可 预测性。这是由于ＦＰＧＡ是门级编程,并且ＣＬＢ之间采用分 布式互联,而ＣＰＬＤ是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互
联是集总式的。
⑦在编程方式上,ＣＰＬＤ主要是基于Ｅ2ＰＲＯＭ或Ｆ
ＬＡＳＨ存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时
编程信息也不丢失。ＣＰＬＤ又可分为在编程器上编程和在 系统编程两类。ＦＰＧＡ大部分是基于ＳＲＡＭ编程,编程信
Super FAST BFW高密度PLD的代表之一。Lattice的各种CPLD、
什么叫isp技术？
什么叫isp下载技术
ISP（In-System Programming）在系统可编程， 指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码， 而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以
用ISP方式擦除或再编程
尽管ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ都是可编程ＡＳＩＣ器件 , 有很多共同特点,但由于ＣＰＬＤ和ＦＰＧＡ结构上的差 异,具有各自的特点:
①ＣＰＬＤ更适合完成各种算法和组合逻辑,ＦＰＧＡ更适合
于完成时序逻辑。换句话说,ＦＰＧＡ更适合于触发器丰富的结
构,而ＣＰＬＤ更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。 ②ＣＰＬＤ的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的
CPLD
Altera由Robert Hartmann、Michael Magranet、Paul Newhagen和Jim Sansbury于1983年创立，这些有远见的人们对 当时的研究进行投资，认为半导体客户将从用户可编程标准产 品中受益，逐步取代逻辑门阵列。为满足这些市场需求， Altera的创始人发明了首款可编程逻辑器件(PLD)棗EP300，开 创了半导体业界全新的市场领域。这一灵活的新解决方案在市 场上打败了传统的标准产品，为Altera带来了半导体创新领先 企业的盛誉。 1983 : Altera公司成立
1984:EP300 器件和管芯, 世界上第一款可编程逻辑器件(PLD)
除了英特尔和AMD之间波澜起伏的市场争斗，半导体行业 的竞争都比不上Xilinx和Altera之间的冲突来得有趣、刺激。
内部由许多陈列排列的乘积项组成，编程多为EEPROM工艺， 无需外挂配置用的EPROM。
Lattice在PLD领域以创新求发展
EDA技术
第9章 FPGA硬件设计
内
容
9.1 Cyclone系列FPGA器件的特点 9.2 EP1C3 FPGA硬件设计 9.3 Quartus II开发平台应用 9.4 简单的LED测试程序
9.1 Cyclone系列 FPGA器件的特点
CPLD与FPGA的选择
Cyclone系列FPGA器件的特点
FPGA (Field Programmable
Gate Arry)是指现场可编程
门阵列，最早由Xilinx公司 发明。内部由许多陈列排
列的LE（Logic Element)
组成，编程多为SRAM 工 艺,基于查找表（Look Up
Table）结构，要外挂配置
用的EPROM。现在也有内 部编程采用Fllash工艺的， 掉电后不须重新烧录。
这项推动Xilinx成立的技术在1984年的时候还被人们认为 是古怪的理论。 新型半导体（现称为现场可编程门阵列）由 Xilinx创始人之一Ross Freeman发明，是一种全新的可编程逻 辑。
有效的合作伙伴关系
Bernie Vonderschmitt是一名工程师，并获MBA学位，
提出了一个功能强大的、针对新型企业的企业模型。 他担任
和可预测的,而ＦＰＧＡ的分段式布线结构决定了其延迟的不可
预测性。 ③在编程上ＦＰＧＡ比ＣＰＬＤ具有更大的灵活性。ＣＰＬ Ｄ通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,ＦＰＧＡ主要 通过改变内部连线的布线来编程;ＦＰ ＧＡ可在逻辑门下编程,而
ＣＰＬＤ是在逻辑块构
CPLD与FPGA的选择
CPLD与FPGA有什么区别？
FPGA
1984年在硅谷工作的2个聪明的工程师和1个营销主管作了一 个梦。 Bernie Vonderschmitt、Ross Freeman和Jim Barnett梦想 创立一家不同于一般的公司。
Ross Freeman是Xilinx创始人之一，Bernie Vonderschmitt是Xilinx 创始人之一，提出了“无工 发明了“现场可编程门阵列” （FPGA）这种新型可编程逻辑。 厂”半导体这一创新理论
Lattice是ISP技术和器件的发明者，同时也是isp/pLSI，
GAL／ispGAL、ispGDS和E2CMOS PLD技术的开拓者。目前，
Lattice拥有业界最快的PLD－isp LSI 2032VE，它的速度已达到 了300MHz，同时有3ns的管脚到管脚的延迟，是其第二代3.3V SPLD（简单PLD ）产品中三分之二用于通信领域，公司的销售 工程师80％左右都曾是产品设计工程师。
RCA的Solid State部门总经理之职时，他确信应与3个生产半导 体的工厂合作，以便避开化费昂贵并且还很麻烦的半导体工厂。 “如果我要创建一家半导体公司，它要实现无工厂化，”他发 誓说。 “我们要找到能够为我们进行生产的合作伙伴。” 这正是Xilinx公司1984年所作的工作。 自那以后，这种思 想开始盛行，以至于现在全球有近700家无工厂半导体公司。