FPGA逻辑设计基础

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fpga工程师基础知识

fpga工程师基础知识FPGA工程师基础知识FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，具有灵活性和可重构性，被广泛应用于数字电路设计和开发中。

作为一名FPGA工程师，掌握基础知识是至关重要的。

本文将介绍FPGA工程师所需的基础知识，包括FPGA的概念、工作原理、开发流程以及相关工具和技术。

一、FPGA的概念FPGA是一种可编程逻辑器件，它由一系列可编程逻辑门、存储单元和输入/输出接口组成。

与传统的固定逻辑电路不同，FPGA可以根据用户的需求进行编程，实现各种功能和逻辑运算。

FPGA的灵活性使其成为数字电路设计和开发中的重要工具。

二、FPGA的工作原理FPGA的基本单元是可编程逻辑门，如与门、或门、非门等。

这些逻辑门可以通过编程连接起来，形成复杂的逻辑电路。

FPGA中的存储单元用于存储逻辑电路的状态和数据。

通过配置FPGA中的逻辑门和存储单元，可以实现所需的功能。

FPGA的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1. 设计：首先，FPGA工程师需要使用HDL（硬件描述语言）如VHDL或Verilog来描述所需的逻辑电路。

设计包括逻辑电路的功能、输入输出接口和时序要求等。

2. 综合：设计完成后，需要使用综合工具将HDL代码转换为逻辑门级的表示。

综合工具将根据目标FPGA的特性和约束生成逻辑网表。

3. 布局与布线：在布局阶段，将逻辑网表映射到FPGA芯片的物理结构上。

在布线阶段，将逻辑网表中的逻辑门通过可编程连接资源连接起来。

4. 配置：配置是将设计好的逻辑电路下载到FPGA芯片上的过程。

FPGA芯片内部有一块非易失性存储器（通常是SRAM），用于存储逻辑电路的配置信息。

5. 运行：配置完成后，FPGA开始运行用户设计的逻辑电路。

FPGA 的输入和输出通过引脚与外部电路连接。

三、FPGA开发流程FPGA的开发流程通常包括以下几个步骤：1. 确定需求：明确所需的功能和性能要求。

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。

电子系统设计实验指导书(FPGA基础篇Vivado版)

电子系统设计
实验指导书（FPGA 基础篇 Vivado 版）
东南大学电子科学 ........................................................................................................................................................... 1
安全使用规范
东南大学电子科学与工程学院
无论何时，外部电源供电与 USB 两种供电方式只能用其中一种，避免因为电压有所差别而烧坏电路板。采用电压高于5.5V的任何电源连接器可能造成永久性的损害。插拔接插件前请关闭电路板总开关，否则易损坏器件。电路板应在绝缘平台上使用，否则可能引起电路板损坏。不同编码机制不要混接。安装设备需防止静电。液晶显示器件或模块结雾时，不要通电工作，防止电极化学反应，产生断线。遇到正负极连接时需谨慎，避免接反引起开发板的损坏。保持电路板的表面清洁。小心轻放，避免不必要的硬件损伤。
实验目的 ....................................................................................................................................................... 17 实验内容 ....................................................................................................................................................... 17 实验要求 ....................................................................................................................................................... 17 实验步骤 ....................................................................................................................................................... 17 实验结果 ....................................................................................................................................................... 22

如何入门FPGA

如何入门FPGAFPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以按需编程、配置和重构。

学习和掌握FPGA技术对于想要从事数字电路设计、嵌入式系统开发、通信系统设计等领域的人来说非常有价值。

以下是如何入门FPGA的步骤和建议。

1.学习数字电路基础知识：在学习FPGA之前，了解数字电路的基础知识将非常有帮助。

理解基本的逻辑门（与门、或门、非门等）和组合逻辑电路、时序逻辑电路的概念和工作原理。

可以通过读书、参加相关的课程或在线学习平台来学习这些基础知识。

2. 了解FPGA的工作原理：FPGA是由大量的可编程逻辑单元（Look-up Tables，LUTs）和触发器（Flip-Flops，FFs）组成的。

学习FPGA的基本结构和原理，涉及到配置位文件（Configuration Bitstream）的生成和加载，以及时钟、信号输入输出等方面的知识。

4. 学习HDL编程语言：FPGA编程使用的主要是硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL），如VHDL（VHSIC Hardware Description Language）和Verilog。

选择其中一种HDL语言进行学习，并通过编写一些简单的逻辑电路代码来熟悉语法和使用方式。

6.实践项目：通过动手实践一些简单的项目，如实现基本的逻辑电路或时序电路，来巩固所学的知识。

可以在官方的开发工具中找到一些示例项目，并根据自己的兴趣和学习目标来选择适合自己的项目。

7.参加培训或课程：如果有条件的话，参加FPGA相关的培训或课程可以帮助深入理解FPGA的概念和应用。

有些在线学习平台也提供了一些免费或付费的FPGA课程，可以根据自己的需要选择适合自己的课程。

8.参考资料和社区支持：在学习FPGA的过程中，参考相关的书籍、教程、文档和网上资料很重要。

此外，加入FPGA相关的技术论坛或社区，与其他的FPGA爱好者和专业人士交流和分享经验，可以帮助解决问题和扩展自己的知识。

FPGA基础知识

F PG A基础知识(总14页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除（一）查找表LUT和编程方式第一部分：查找表LUTFPGA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，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。

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。

关于fpga四输入、六输入基本逻辑单元

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种集成电路芯片，它的主要特点是可以根据需要进行编程，实现不同类型的数字逻辑电路。

在FPGA中，基本逻辑单元是实现数字逻辑功能的最基本单元，在本文中，我们将重点讨论FPGA中的四输入和六输入基本逻辑单元。

1. 四输入基本逻辑单元四输入基本逻辑单元是FPGA中常见的基本单元之一，它可以实现包括与门、或门、异或门等常见的逻辑功能。

在FPGA中，四输入基本逻辑单元通常由LUT（Look-Up Table）实现，LUT是FPGA中用来存储逻辑函数的重要组成部分。

四输入基本逻辑单元的实现通常需要使用两个LUT，其中一个LUT用于实现逻辑功能，另一个LUT用于存储逻辑函数的输出。

2. 六输入基本逻辑单元六输入基本逻辑单元是FPGA中较为复杂的基本单元之一，它可以实现更复杂的逻辑功能，例如多输入的多种逻辑门和特定的逻辑函数。

与四输入基本逻辑单元类似，六输入基本逻辑单元也是由LUT实现的，通常需要使用更多的LUT来存储和实现逻辑函数。

由于六输入基本逻辑单元的复杂性，它在FPGA中的应用相对较少，但在某些需要实现复杂逻辑功能的场景下仍然起着重要作用。

3. 基本逻辑单元的应用基本逻辑单元是FPGA中实现数字逻辑功能的基础，它们可以通过不同的连接和编程方式实现各种复杂的逻辑功能。

在实际应用中，工程师们可以通过合理地设计和编程基本逻辑单元，实现各种数字电路的功能，如算术运算、状态机、数据处理等。

基本逻辑单元的灵活性和可编程性使得FPGA在数字系统设计和数字信号处理领域具有广泛的应用前景。

4. 基本逻辑单元的优化针对FPGA中的基本逻辑单元，工程师们一直在进行各种优化和改进，旨在提高逻辑单元的性能、降低功耗和减小面积。

一种常见的优化方式是通过更高级别的综合和布局工具来改进逻辑单元的性能。

另外，还有一些专门针对逻辑单元的优化技术，例如逻辑混合、时序优化等。

FPGA基础知识ppt课件

32
FPGA/ASIC
[开发周期/风险/人力] ASIC开发周期长，开发难度大，开发风险强，灵活性小，不具备可编程性； FPGA开发周期短，难度相对要小，具备可编程性，灵活度大，可降低开发风险；
[开发流程] ASIC开发流程：设计输入/逻辑综合/功能仿真/布图规划/布局布线/参数提取/版图后仿； FPGA开发流程：设计输入/功能仿真/逻辑综合/布局布线/时序仿真/生成下载文件；
Multiplier结构
27
PLL/DCM
PLL/DCM
Altera:PLL
Xilinx:DCM
28
内嵌专用硬核指高速串行收发器；GMAC、SERDES、PCIe等； Xilinx：GMAC、SERDES、PCI、GTX、GRX Atera：GMAC、SERDES、PCIe、SPI.4/SFI.5
下载调试把生成的配置文件下载到fpga中进行实际的调后仿真图示fpga厂家工具时序仿真hdlsdf文件标准延时文件fpga基本单元仿真模型测试程序测试数据38基础部分完39
FPGA基础知识
1
主要内容
器件结构 FPGA/CPLD ASIC/FPGA 软核／硬核设计流程
2
器件结构
FPGA演变过程
29
SOPC(System on programmable chip):片上可编程系统 FPGA内嵌入了CPU/DSP，具备实现软硬件协同设计的能力； Xilinx： EDK/system generator/matlab/accel DSP/modelsim Altera： SOPC builder/DSPbuilder/matlab/modelsim
时序仿真将延时信息反注到网表中，再进行仿真，此时的仿真已接近电路的实际工作情况；

FPGA的基本原理(详细+入门)

十、 FPGA的集成度
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基础知识》课件

开发阶段发现问题并进行调试，确保设计的正确性和有效性。
FPGA应用实例
计算机视觉中的FPGA
FPGA广泛用于图像处理和机器视觉领域，能够提供高性能和低功耗的图像处理解决方案。
信号处理中的FPGA
FPGA可以通过高速并行处理技术实现大规模信号处理，有利于提高信号处理速度和精度。
FPGA未来发展方向
1 面向高性能计算的FPGA
随着计算机科学的发展，FPGA在高性能计算、人工智能领域有着巨大的发展潜力。
2 面向云计算的FPGA
随着云计算的普及，FPGA被用于提高云计算的计算速度和存储容量。
总结
FPGA的优点与缺点的总结
FPGA的应用前景展望
在使用FPGA应用时，需要充分评估其优点和缺点，未来，FPGA将继续发挥其在高性能计算、人工智
FPGA的应用领域
FPGA广泛用于数字信号处理、网络通信、图像处理、高性能计算等领域。
FPGA基本构成
CLB(配置逻辑块)
CLB是FPGA中最基本的逻辑单元，由LUT 和FF组成，用于实现逻辑和存储功能。
IOB(输入输出块)
IOB是FPGA中的输入输出单元，用于实现芯片与外界的通信。
LUT(查找表)
FPGA基础知识
FPGA(Field-Programmable Gate Array)是一种可编程芯片，因其灵活性、低功耗和高性能被广泛应用。
FPGA简介
什么是FPGA？
FPGA是一种可编程逻辑芯片，由可编程逻辑单元(CLUT)、IO单元(IOB)和时钟管理器(DCM)组成。
FPGA的历史
FPGA诞生于1985年，自那以后，FPGA在各个领域得到了广泛应用。
Quartus II软件环境

fpga自学笔记—设计与验证

文章标题：深入探索FPGA自学笔记—设计与验证1. 引言在当今数字电子技术发展日新月异的背景下，FPGA（Field Programmable Gate Array）作为一种可编程逻辑器件，已经成为了数字电子系统设计中不可或缺的组成部分。

作为一名FPGA自学者，要想真正掌握FPGA的设计与验证，需要深入探索其原理和应用。

本文将结合个人实践经验，从理论到实践，从简单到复杂，深入探讨FPGA自学笔记中设计与验证的要点。

2. FPGA基础知识概述我们需要了解FPGA的基本结构和工作原理。

FPGA由一系列可编程逻辑单元、可编程连通网络和输入/输出模块组成。

当我们在FPGA中设计一个数字电路时，实际上是在配置这些逻辑单元的连接关系，实现特定功能。

了解FPGA的基础知识对于理解设计与验证至关重要。

3. 设计与验证的流程在进行FPGA设计与验证时，我们需要遵循一定的流程。

我们需要对设计进行规划和分析，确定所需功能和性能指标。

在进行RTL （Register Transfer Level）级设计时，需要对数字电路进行建模和仿真，验证其功能和时序约束。

接下来，我们需要将设计综合成逻辑电路，并进行布局布线。

通过验证工具对设计进行仿真和验证，确保其符合预期的功能和性能要求。

4. FPGA设计的关键技术在进行FPGA设计时，有一些关键的技术是不可或缺的。

我们需要掌握Verilog或VHDL等硬件描述语言，以便进行RTL级设计和仿真。

对于复杂的FPGA设计，我们还需要了解时序约束、时钟域划分等关键技术，确保设计的稳定性和可靠性。

5. FPGA验证方法与工具在FPGA设计完成后，验证同样是至关重要的环节。

我们可以利用仿真工具对设计进行功能验证和时序约束验证。

基于FPGA原型验证评台也是一种有效的验证方法，通过将设计加载到实际FPGA硬件中，验证其在实际环境下的功能和性能。

6. 个人观点与理解通过自学FPGA设计与验证的过程，我深刻理解了数字电子系统设计的复杂性和挑战性。

FPGA学习步骤

FPGA学习步骤FPGA（Field-Programmable Gate Array）是可编程逻辑器件的一种，它具有高度可编程性和灵活性，被广泛应用于数字电路设计和嵌入式系统开发。

学习FPGA可以使我们了解数字电路的原理和设计方法，并能够利用FPGA开发和优化各种应用。

下面是一个FPGA学习的步骤，帮助你逐步了解FPGA的原理和应用。

步骤1：掌握数字电路基础知识FPGA是用于设计数字电路的器件，因此首先需要掌握数字电路的基础知识。

学习数字电路的基本逻辑门、布尔代数和组合逻辑电路等概念，理解时序电路、存储器和状态机等高级概念。

步骤2：了解FPGA的原理和架构学习FPGA的原理和架构有助于理解FPGA是如何实现数字电路的。

学习FPGA的片上资源，如查找表、触发器和运算器等，以及FPGA的内部连接结构。

还可以探索FPGA的编程方式，包括寄存器传输级综合（RTL）和硬件描述语言（HDL）等。

步骤3：学习硬件描述语言（HDL）硬件描述语言是FPGA设计的基础，通常使用的HDL是Verilog和VHDL。

学习HDL的语法和基本结构，并掌握如何使用HDL描述数字电路。

可以通过书籍、在线教程和实践项目等方式学习HDL。

步骤4：使用FPGA开发工具步骤5：完成简单的FPGA设计项目开始进行一些简单的FPGA设计项目，如实现基本的逻辑门、组合逻辑电路和时序电路等。

通过这些项目，学会如何使用HDL描述和实现数字电路，如何利用FPGA的资源和工具进行设计和优化。

步骤6：进阶学习FPGA应用进一步学习FPGA的应用，例如数字信号处理（DSP）、图像处理、通信系统和嵌入式系统等。

根据自己的兴趣和需求选择相应的应用领域，并实践相关项目。

学习如何使用FPGA实现更复杂的功能和算法，并了解相应的设计方法和技术。

步骤7：参加竞赛或项目参加FPGA设计竞赛或实际项目有助于提升自己的FPGA设计能力。

通过参赛或项目，可以锻炼自己的团队合作能力和解决问题的能力，并将学到的知识应用到实际应用中。

FPGA初级入门课程

合。
仿真：使用 Ve r i l o g 仿真工具对网表文件进行仿真，验证设计是否符合预期。
综合：使用 Ve r i l o g 综合工具将网表文件综合成门级网表，用于后续布局布线和
实现。
布局布线：使实现：使用用Verilog布 Verilog实现局布线工具对工具将物理级门级网表进行网表实现成具布局布线，生体的FPGA器成物理级网表。件，完成设计。
下载与配置
下
载
FPGA开
发工具
安
装
FPGA开
发工具
配
置
FPGA开
发环境
导
入
FPGA设
计文件
编
译
FPGA设
计文件
下
载
FPGA配
置文件到
目标板
Part Six
FPGA应用实例
LED闪烁控制实例
添加标题
硬件需求：FPGA开发板、LED灯、电阻
添加标题
软件需求： F P G A 开发环境、 Ve r i l o g 语言
添加标题
扩展应用：可以扩展到其他LED控制应用，如LED条形图、LED点阵显示等
数码管显示实例
数码管简介：由多个发光二极管组成，用于显示数字和字符数码管驱动：FPGA通过控制数码管的阳极和阴极来显示不同的数字和字符实例一：使用FPGA实现数码管动态显示，如倒计时、时钟等
实例二：使用FPGA实现数码管字符显示，如显示文字、图标等
仿真验证：使用仿真工具，对VHDL代码进行仿真验证
综合优化：对VHDL代码进行综合优化，提高性能和可靠性
布局布线：将优化后的 VHDL代码布局布线到 FPGA芯片上

新手的FPGA学习必备的四个基础知识详解

新手的FPGA学习必备的四个基础知识详解FPGA已成为现今的技术热点之一，无论学生还是工程师都希望跨进FPGA 的大门。

网络上各种开发板、培训班更是多如牛毛，仿佛在告诉你不懂FPGA你就OUT 啦。

那么我们要玩转FPGA必须具备哪些基础知识呢？下面我们慢慢道来。

（一）要了解什么是FPGA既然要玩转FPGA，那我们首先最重要的当然是要了解什么FPGA。

FPGA （Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列。

看到编程两个字码农就笑了，不就是编程嘛，那可是我们的强项。

且慢，此编程非彼编程。

一定要把FPGA的编程和软件编程区分开来。

软件的编程，处理器会逐条的把语言翻译成各种控制信号，去控制内部电路完成一个个运算或操作。

那么FPGA的编程是怎么实现的呢？无论Altera家还是Xlinix家的FPGA，叫法有什么差异，基本单元都相似，都是由真值表和D触发器构成。

改变真值表的值就改变了逻辑功能，再通过和D触发器组合来实现任何时序逻辑。

所以我们对FPGA的编程，实际上就是去修改这些真值表和连接关系，使他们组成一张专门的真值表，去实现特定的功能。

这和软件编程一步步运行程序有本质的区别。

要想玩转FPGA，就必须理解FPGA内部的工作原理，学习如何利用这些单元实现复杂的逻辑设计。

（二）正确理解HDL语言HDL（Hardware DescripTIon Language），硬件描述语言。

通过名称我们能看出来，HDL 语言是一种描述语言，这一点和C语言是有本质区别的。

正确理解描述的含义，对学好HDL语言很有帮助。

HDL语言只是用文本的方式把硬件电路描述出来。

我们在阅读HDL 程序的时候，在脑子里应该能反映出一个完整的硬件电路结构。

从另一方面说，我们在编写HDL语言之前，就已经对要实现的电路有清晰的概念。

所以HDL语言只是一个描述我们头脑中具体电路的工具，玩转FPGA的根本不是语言而是逻辑电路设计。

可编程逻辑设计基础

可编程逻辑设计基础(总25页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--一、实验目的a)了解可编程数字系统设计的流程b)掌握 Quartus 软件的使用方法c)掌握竞争和冒险的基本概念和电路时延分析方法二、实验原理1.实验内容观察并记录实验箱上的FPGA 型号，新建一个Project，器件选用实验箱上的 FPGA；硬木课堂的FPGA型号是cyclone 4 EP4CE6F17C8N，由于quartus2 不能提供对于该芯片的仿真支持，故选用cyclone3 EP3C5E144C8作为仿真芯片建立project2、实验内容用“AND2”和“XOR”器件设计一个 1 位半加器，并用功能仿真进行验证；输入输出信号：A、B分别表示输入的两位加数，S表示输出的和数，C表示输出的进位。

根据信号列出真值表：A B S C0000011010101101根据真值表得出逻辑表达式：S = A xor BC = AB根据逻辑表达式作出原理图：功能仿真：首先通过然后为信号分配管脚进行全编译通过编写波形文件生成simulationnetlist开始功能仿真校验真值表与实际功能无误3、点击“File”“Create/Update”“Create Symbol File for Current File”菜单项，将 1 位半加器封装成元件。

新建一个原理图文件，调用 2 个半加器实现一个 1 位全加器，并用功能仿真进行验证；输入输出信号：Ai Bi Ci-1分别表示两个加数与低位进位，Si表示和数 Ci表示进位列出真值表：Ai Bi Ci-1Si Ci0000000110010100110110010101011100111111得出逻辑表达式:Si = Ai xor Bi xor Ci-1Ci = AB’Ci-1+A’BCi-1+AB = AB + Ci-1 * AxorB作出用两个半加器的原理图功能仿真:与真值表符合4、将 1 位全加器封装成元件，新建原理图文件，调用 4 个全加器实现一个 4 位行波加法器，用功能仿真进行验证，用“Tools”“Netlist Viewers”“RTL Viewer”查看电路综合结果；输入输出信号：Ai Bi Ci-1分别表示第i位两个加数与i-1位进位，Si表示第i位和数 Ci表示第i位进位列出真值表：Ai Bi Ci-1Si Ci0000000110010100110110010101011100111111得出逻辑表达式:Si = Ai xor Bi xor Ci-1Ci = AB’Ci-1+A’BCi-1+AB = AB + Ci-1 * AxorB原理图：使用4个全加器易得第0位进位信号接地，然后依次串联即可得到行波4位加法器功能仿真：由于低位进位信号只与低位的加数与次低位信号有关，因此逐位验证功能，即固定低位进位信号测试功能，分四次测试第0位（最低位）第1位第2位第3位（最高位）与实际功能符合RTL Viewer显示的电路综合结果；5、适配编译，用“Tools”“Netlist Viewers”“Technology Map Viewer”查看电路 Map 结果；用“Tools”“Chip Planner”查看器件适配结果；Technology Map Viewer显示的电路map结果Chip Planner显示的器件适配结果6、将 4 位全加器下载到实验箱，连接逻辑电平开关进行功能验证7、对 1 位半加器，进行时序仿真，并做时延分析，可参考预备知识相关内容编写好波形文件后（A 20NS B 40NS）进行时序仿真AB从10变为01时由于AS FR = AC FF =BS RF = BC RR=所以 B信号的上升传到SC时A信号的下降还未传递过来，因此会S 会出现短暂的低电平C是高电平C的宽度S的宽度AB从“01”变为“11”时由于AC RR= AS RF= 因此C的上升要优先于S 的下降出现SC的11态，后稳定于01，宽度为AB由11变为00时，AC FF = BC FF = 实际显示经由后C由1变为0AS FF= BS FR = 因此产生一个宽度为148ps的高电平8、对 1 位全加器，进行时序仿真，并做时延分析，要求：Progagation Delay显示的各输入对输出的时延a)测量 A 第 1~4 个上升沿到对应的的 S 输出之间的延迟时间；第一个第二个第三个第四个b)对输出 S 的毛刺进行测量和分析；图中可见当AiBi从10变为01时由于B的RF = A的FR = 所以B的变化先影响Si，因此Si出现一个尖刺的低电平宽度为546psAiBiCi-1从110变为001时由于B FR = A 的FF = 所以Si 会先变为短暂的高电平后恢复低电平直到Ci-1 的RR=响应后才会变为稳定的高电平毛刺宽度高电平311ps低电平c)对输出 C 的毛刺进行测量和分析；AiBi从10变为01时由于Bi RR=快于Ai的FF=因此Ci会出现一个短暂的高电平毛刺宽度：386psd)对测得的时延结果进行分析BiCi-1=00 Ai 0-1与表中Ai对Si RR = 非常接近AiCi-1=00 Bi 0-1与表中Bi对Si RR = 相等AiBi=00 Ci-1 0-1与表中Ci-1对Si RR = 相等BiCi-1=10 Ai 0-1与表中Ai 对Ci RR = 相等AiCi-1=10 Bi 0-1与表中Bi 对Ci RR = 相等AiBi=10 Ci-1 0-1与表中Ci-1对Ci RR = 相等9、对 4 位全加器，进行时序仿真，并做时延分析，要求：Progagation Delay显示的各输入对输出的时延e)测量Cin=“0”，B=“0111”， A 从“0000”-“0001” 所对应输出S3的时延；如图A0由0-1后，经由S3由0-1与表对应f)测量Cin=“0”，B=“0110”， A 从“0000”-“0010” 所对应输出S3的时延；如图 A1由0-1后，经由 S3由0-1 与表对应g)测量Cin=“0”，B=“0100”， A 从“0000”-“0100” 所对应输出S3的时延；如图 A2由0-1后，后S3由0-1 与表对应h)测量Cin=“0”，B=“0000”， A 从“0000”-“1000” 所对应输出S3的时延；如图 A3由0-1后，后S3由0-1 与表对应i)测量Cin=”0”-“1”，B=“0000”， A 从“0000”-“0111” 所对应输出 S3的时延；如图 Cin由0-1后，后S3由0-1 与表对应j)测量Cin=“0”，B=“1111”， A 从“0000”-“0001” 所对应输出Cout的时延；如图A0由0-1后，经由 Cout由0-1与表对应k)测量Cin=“0”，B=“1110”， A 从“0000”-“0010” 所对应输出Cout的时延；如图A1由0-1后，经由 Cout由0-1与表对应l)测量Cin=“0”，B=“1100”， A 从“0000”-“0100” 所对应输出Cout的时延；如图A2由0-1后，经由 Cout由0-1与表对应m)测量Cin=“0”，B=“1000”， A 从“0000”-“1000” 所对应输出Cout的时延；如图A3由0-1后，经由 Cout由0-1与表对应n)测量Cin=”0”-“1”，B=“1000”， A 从“0000”-“0111” 所对应输出 Cout的时延；如图Cin由0-1后，经由 Cout由0-1与表对应o)对测得的时延结果进行分析见上述各条三、实验仪器Quartus 2 sp2web四、实验记录下载后的程序未发生故障在时序仿真测量时延时偶有发生与delay表相差的情况，未能解决五、实验小结初步学习了可编程逻辑器件及quartus的使用，掌握了一定的时延分析方法。

FPGA初学者基础课程

FPGA开发流程和实例
需求分析：明确FPGA需要实现的功能
综合：将代码转换为逻辑门级网表
仿真验证：使用Modelsim等工具进行功能仿真和时序仿真
下载到FPGA：将比特流文件下载到FPGA开发板
优化：根据调试结果对设计进行优化，提高性能和可靠性
设计输入：编写Verilog或VHDL代码
布局布线：优化逻辑门级网表，生成物理级网表
FPGA的主要作用是实现硬件加速，提高计算效率，降低功耗。
FPGA的发展趋势是向更高性能、更低功耗、更小尺寸方向发展。
1984年，Xilinx公司推出第一款FPGA产品XC2064
1985年，Altera公司推出第一款FPGA产品EPLD
1990年代，FPGA开始广泛应用于通信、军事等领域
2000年代，FPGA在消费电子、汽车电子等领域得到广泛应用
VHDL语言可以用于仿真和综合，生成实际的电路实现
VHDL语言可以用于描述组合逻辑、时序逻辑、状态机等电路结构
VHDL语言包括实体、结构体、进程等基本元素
Verilog是一种硬件描述语言，用于描述数字电路
Verilog语言包括模块、端口、信号、变量等基本概念
Verilog语言的语法包括赋值、条件语句、循环语句等
时序分析的方法：使用工具进行静态时序分析和动态时序分析
优化策略：减少关键路径的延迟，增加系统裕度
实例分析：通过具体案例讲解时序分析和优化的过程
设计目标：实现LED的闪烁效果
设计结果：成功实现LED的闪烁效果，加深对FPGA开发流程的理解。
设计原理：利用FPGA的时钟信号和计数器实现LED的亮灭控制
应用领域不断扩大，包括通信、医疗、金融等
FPGA市场规模持续增长，预计未来几年将保持高速增长

FPGA架构设计

FPGA架构设计FPGA架构设计是指针对可编程逻辑器件（FPGA）的硬件设计进行的一系列决策和规划。

这个过程涵盖了FPGA的整体结构、内部资源的分配以及与外部系统的接口等方面。

在FPGA架构设计过程中，需要充分考虑系统需求、性能优化、资源利用以及可扩展性等因素。

下面将从这几个方面详细介绍FPGA架构设计。

首先，系统需求是FPGA架构设计的基础。

在进行FPGA架构设计之前，需要明确所要实现的系统功能，并对系统性能要求进行明确。

例如，如果需要设计一个用于数字信号处理的FPGA系统，那么在架构设计过程中需要考虑到系统的处理速度、数据通路的宽度、数据存储器的大小等因素。

系统需求的明确可以帮助指导后续的FPGA架构设计和优化工作。

其次，性能优化是FPGA架构设计的重要目标。

FPGA作为可编程逻辑器件，并不拥有像ASIC芯片那样的固定功能和结构。

因此，在架构设计过程中可以通过合理的资源分配和优化来提高FPGA系统的性能。

例如，可以将不同的逻辑模块分配到不同的FPGA片上，从而实现并行处理，提高系统的运算速度；可以使用流水线等技术来优化数据通路，减少处理延迟；可以通过合理的数据缓存和存储器设计来提高系统的存储容量和访问速度等。

资源利用也是FPGA架构设计的重要考虑因素之一、FPGA具有有限的逻辑单元、存储单元和输入输出引脚等资源。

在进行架构设计时，需要合理分配这些资源，使得系统能够满足所要求的功能和性能。

例如，可以对逻辑单元进行复用，通过合理的逻辑电路设计来减少资源的占用；可以使用多层级存储器结构来提高存储单元的利用效率；可以使用高速IO接口来提高数据传输的效率等。

此外，可扩展性也是FPGA架构设计的重要考虑因素之一、随着技术的发展和需求的变化，FPGA系统可能需要进行升级或扩展。

因此，在进行FPGA架构设计时需要考虑到系统的可扩展性。

例如，可以预留一部分未使用的逻辑单元、存储单元和IO引脚等资源，以备将来的需求扩展；可以使用模块化的设计方法，将系统划分为多个子模块，以方便后续的扩展和替换；可以使用标准接口和协议，以便于与其他系统的接口和互操作等。

数字电子技术基础FPGA开发与设计习题

数字电子技术基础FPGA开发与设计习题数字电子技术在现代电子领域中扮演着重要的角色。

而在数字电子技术的学习过程中，FPGA开发与设计是一项重要的技能。

本文将介绍数字电子技术基础FPGA开发与设计的习题，帮助读者更好地理解和掌握相关知识。

习题一：逻辑电路设计1. 设计一个基于FPGA的4位二进制加法器。

输入为两个4位二进制数，输出为它们的和（包括进位位）。

2. 设计一个基于FPGA的3位二进制比较器。

输入为两个3位二进制数，输出为它们之间的大小关系（大于、小于或等于）。

3. 设计一个基于FPGA的4位BCD码转换器。

输入为一个4位二进制数，输出为其对应的BCD码。

习题二：有限状态机设计1. 设计一个基于FPGA的简单的3位计数器。

当计数值为0、1、2和3时，分别输出对应的状态（00、01、10和11）。

2. 设计一个基于FPGA的状态机来模拟红绿灯的控制。

其中，红灯、黄灯和绿灯分别持续亮3秒、1秒和4秒。

3. 设计一个基于FPGA的状态机来控制一个电梯的运行。

其中，电梯有三个楼层（0、1和2），按钮用于选择要去的楼层，状态机需实现电梯的上升、下降和停止。

习题三：存储器设计1. 设计一个基于FPGA的简单存储器，能够存储8个8位数据。

通过地址输入选择要读取或写入的数据。

2. 设计一个基于FPGA的缓冲存储器，能够接收一个8位数据，并在收到有效指令后，将数据写入存储器指定的地址。

3. 设计一个基于FPGA的计数器，并将计数值存储在存储器中。

使用FPGA内部存储器模块来实现存储功能。

习题四：时序逻辑设计1. 设计一个基于FPGA的同步计数器，使用时钟信号驱动计数器递增，并将计数值显示在数码管上。

2. 设计一个基于FPGA的分频器，将输入时钟信号的频率分成4等分，并使用LED灯显示分频后的信号状态。

3. 设计一个基于FPGA的交通信号灯控制器。

使用时钟信号和状态机实现交通信号灯的循环运行。

以上习题涵盖了数字电子技术基础FPGA开发与设计的各个方面，包括逻辑电路设计、有限状态机设计、存储器设计和时序逻辑设计。

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内部最小逻辑单元

fpga内部最小逻辑单元FPGA内部最小逻辑单元，是指FPGA（可编程逻辑器件）中的最基本的逻辑构件，它们用于实现数字逻辑功能。

FPGA 是一种芯片，通过重新配置其内部连接和功能，可以实现不同的逻辑电路。

在FPGA的设计中，了解其内部最小逻辑单元的工作原理和特性是至关重要的。

本文将以中括号内的内容为主题，一步一步地解释FPGA内部最小逻辑单元的相关概念和应用。

第一部分：F P G A基础知识介绍在开始介绍FP G A内部最小逻辑单元之前，我们先来简要了解一些F P G A的基础知识。

F P G A是一种可编程逻辑器件，它由大量的逻辑单元（L o g i c E l e m e n t s）和其它资源（如时钟资源、查找表等）组成。

F P G A的主要优势是其可编程性，即可以通过重新配置内部逻辑来实现不同的功能。

第二部分：F P G A内部最小逻辑单元概述F PG A内部最小逻辑单元是F P G A的基本构件，也是F P G A实现数字逻辑功能的基础。

它是由多个逻辑门组成的，常见的逻辑门有与门、或门、非门等。

一个逻辑门的功能是接受一个或多个输入信号，并将其转换为一个输出信号。

多个逻辑门之间通过内部连接来组成逻辑电路，实现特定的功能。

第三部分：F P G A内部最小逻辑单元的工作原理F PG A内部最小逻辑单元的工作原理可以简单归纳为以下几个步骤：1.输入信号：从F P G A输入引脚接收输入信号，这些信号可以是数字电平或模拟电平。

2.输入缓冲器：输入信号经过输入缓冲器，将其转换为适合F P G A内部逻辑电路处理的信号。

3.逻辑电路：输入信号通过逻辑电路，进行各种逻辑运算和处理，如与、或等。

4.布线：逻辑电路中的信号经过F P G A内部的连接资源（如通道、交叉点等）进行布线。

5.输出缓冲器：布线完成后，输出缓冲器将处理后的信号重新转换为适合输出引脚的信号形式。

6.输出信号：处理后的信号从F P G A的输出引脚输出。

FPGA培训

contents •FPGA基础概念与原理•FPGA开发工具与流程•FPGA设计方法与技巧•FPGA应用领域及案例解析•FPGA实验与项目实践•FPGA发展趋势与挑战目录01FPGA基础概念与原理FPGA定义及发展历程FPGA（Field Programmable Gate Array）即现场可编程逻辑门阵列，是一种可编程使用的信号处理芯片，可通过编程来改变内部逻辑结构，实现复杂的数字逻辑功能。

FPGA的发展历程经历了从简单可编程逻辑器件到复杂可编程逻辑器件的演变，随着半导体工艺技术的进步和计算机辅助设计工具的发展，FPGA的规模和性能不断提升，应用领域也越来越广泛。

FPGA的基本结构包括可编程逻辑块（CLB）、可编程输入输出单元（IOB）和内部连线资源等部分。

其中，CLB是FPGA实现逻辑功能的核心部分，由查找表（LUT）和寄存器组成，可实现组合逻辑和时序逻辑功能；IOB用于实现FPGA与外部电路的接口，可配置为输入、输出或双向接口；内部连线资源用于连接FPGA 内部各个单元，实现信号传输和数据交换。

FPGA的工作原理是通过编程来改变内部逻辑结构，实现特定的数字逻辑功能。

用户可以使用硬件描述语言（如VHDL、Verilog）或高级编程语言（如C、C）来描述所需的逻辑功能，然后通过编译工具将设计转换为FPGA可识别的配置文件，最后通过编程器将配置文件下载到FPGA芯片中，实现逻辑功能的配置和改变。

FPGA基本结构与工作原理VS可编程逻辑器件根据编程方式和结构特点可分为简单可编程逻辑器件（杂可编程逻辑器件（和现场可编程门阵列（三类。

SPLD（只读存贮器（可擦除只读存贮器（是结构简单、编程方便、价格低廉，但逻辑功能有限。

CPLD技术制造，不需要外部存储器芯片，可用重复编程，适合时序、组合等逻辑电路的应用场合，其主要特点是集成度高、速度快、保密性强。

FPGA器件，采用具有极丰富的触发器和脚，是专用集成电路（领域中的一种半定制电路。