第一章FPGA概述

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1.可编程输入输出单元（ 1.可编程输入输出单元（IOB） 可编程输入输出单元 ）
IOB单元是芯片与外界电路的接口部分，可完 单元是芯片与外界电路的接口部分， 单元是芯片与外界电路的接口部分 成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要 成不同电气特性下对输入 输出信号的驱动与匹配要 求. 外部输入信号可以通过IOB模块的存储单元输入到FPGA 模块的存储单元输入到FPGA 外部输入信号可以通过 模块的存储单元输入到 内部，也可以直接输入FPGA内部。 FPGA内部 内部，也可以直接输入FPGA内部。 FPGA的 被划分为若干个组(Bank) Bank的接 FPGA的IOB被划分为若干个组(Bank)，每个Bank的接 被划分为若干个组(Bank)，每个Bank CCO决定 一个Bank 决定， Bank只能有一种 CCO， 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 Bank的 CCO可以不同 可以不同。 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， CCO电压相同是接口标准的基本条件 电压相同是接口标准的基本条件。 能连接在一起，要求VCCO电压相同是接口标准的基本条件。
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6.底层内嵌功能单元 6.底层内嵌功能单元
内嵌功能模块主要指： 内嵌功能模块主要指：DLL（Delay Locked Loop)、 （ 、 PLL(Phase Locked Loop),DSP和CPU等软处理核 和 等软处理核 (soft Core)。越来越丰富的内嵌功能单元使得单元 。 FPGA具备了软硬件联合设计的能力，以逐步向 具备了软硬件联合设计的能力， 具备了软硬件联合设计的能力 以逐步向Soc 片上系统)平台过渡 （System-on-Chip,片上系统 平台过渡。 片上系统 平台过渡。 DLL (Xilinx公司）和PLL(Altera公司 功能类似， 公司） 公司)功能类似 公司 公司 功能类似， 可完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频， 可完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频，以及占空 比调整等。 比调整等。
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FPGA状况 状况
FPGA市场占有率最高的两大公司 市场占有率最高的两大公司Xilinx和Altera 市场占有率最高的两大公司 和 Xilinx的FPGA产品主要分为两大类： 的 产品主要分为两大类： 产品主要分为两大类 (1)侧重于低成本应用、容量中等、性能可以满足一般 侧重于低成本应用、容量中等、 侧重于低成本应用 逻辑设计要求的Spartan系列 逻辑设计要求的 系列 (2)侧重于高性能应用、容量大、性能可满足各类高端 侧重于高性能应用、容量大、 侧重于高性能应用 应用的Virtex系列 应用的 系列
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4.嵌入式块 4.嵌入式块RAM（BRAM） 嵌入式块 （ ） 大多数FPGA都具有内嵌的块 都具有内嵌的块RAM，这大大拓 大多数 都具有内嵌的块 ， 展了FPGA的应用范围和灵活性。 的应用范围和灵活性。 展了 的应用范围和灵活性 可被配置为单端口RAM、双端口 块RAM可被配置为单端口 可被配置为单端口 、双端口RAM、 、 内容地址存储器（ 等常用的存储块。 内容地址存储器（CAM）以及 ）以及FIFO等常用的存储块。 等常用的存储块 在实际应用中，芯片内部块RAM的数量也是选 在实际应用中，芯片内部块 的数量也是选 择芯片的一个重要因素。 择芯片的一个重要因素。 单片块RAM的容量为 kb，可以将多片块 的容量为18 ， 单片块 的容量为 RAM级联起来形成更大的 级联起来形成更大的RAM。 级联起来形成更大的 。
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可编程逻辑器件的发展史(4个阶段 可编程逻辑器件的发展史 个阶段) 个阶段
第一阶段： 世纪 年代初到70年代中 世纪70年代初到 年代中) 第一阶段：(20世纪 年代初到 年代中
只有简单的PROM、紫外线可擦除只读存储器(EPROM）和 电可擦除只读存储器(EEPROM）3种。只能完成简单的数字逻 辑功能。
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典型的IOB内部结构示意图 内部结构示意图 典型的
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2.可配置逻辑块 2.可配置逻辑块(CLB) 可配置逻辑块
CLB是FPGA内的基本逻辑单元 . 是 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 的实际数量和特性会依据器件的不同而不同， 的实际数量和特性会依据器件的不同而不同 是每个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由选型电 都包含一个可配置开关矩阵， 是每个 都包含一个可配置开关矩阵 多路复用器等)、 个输入组成。 路(多路复用器等 、触发器和 或6个输入组成。开关矩阵 多路复用器等 触发器和4或 个输入组成 是高度灵活的，可以对其进行配置，以便处理组合逻辑、 是高度灵活的，可以对其进行配置，以便处理组合逻辑、 移位寄存器或RAM。 移位寄存器或 。
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按照编程工艺可分为4类 按照编程工艺可分为 类：
① ② ③
熔丝和反熔丝编程器件 可擦除可编程只读存储器编程器件 电信号可擦除的可编程只读存储器(EEPROM） 编程器件 SRAM编程器件 前3类为非易失性器件，编成后，配置数据保留
Leabharlann Baidu
④
在器件上，第4类为易失性器件，掉电后，配置数据 会丢失，在每次上电后需要重新进行数据配置。
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典型的CLB结构示意图 结构示意图 典型的
X1Y1”、“X1Y0”、 、 、 “X0Y1”、“X0Y0”是 、 是 Slice在FPGA中的位置 在 中的位置 编号， 编号，在FPGA中每一 中每一 个Slice都会根据自己的 都会根据自己的 横纵坐标有一个独一无 二的编号 Slice是Xilinx公司定义 是 公司定义 的基本逻辑单位， 的基本逻辑单位，内部结 构主要包括:两个 两个4/6输入 构主要包括 两个 输入 的查找表函数、进位逻辑、 的查找表函数、进位逻辑、 算术逻辑、 算术逻辑、存储逻辑和函 数复用器组成
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1.2 FPGA的基本工作原理 的基本工作原理
查找表(Look-Up-Table)结构 结构 查找表
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 以看成是一个有4位地址线的16╳1 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。
Xilinx和Altera公司分别推出了与标准门阵列雷似的FPGA以 及类似于PAL结构的扩展性CPLD。提高了逻辑运算速度，逻辑 单元灵活、集成度高、适用范围宽、编程灵活。
第四阶段：(20世纪 年代末至今) 第四阶段： 世纪90年代末至今 世纪 年代末至今
出现了可编程片上系统(SOPC)和片上系统(SOC）技术。涵 盖了实时化数字信号处理、高速数据收发器、复杂计算以及嵌入 式系统设计技术的全部内容。Xilinx和Altera公司也退出了相应的 SOC FPGA产品。
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数字时钟管理模块（ 3. 数字时钟管理模块（DCM） ） Xilinx推出的 推出的FPGA可提供数字时钟管理和相位环 推出的 可提供数字时钟管理和相位环 路锁定。 路锁定。 DCM的主要优点在于： 的主要优点在于： 的主要优点在于 可实现零时钟偏移（ ），消除时钟分配延 ①可实现零时钟偏移（Skew），消除时钟分配延 ）， 并实现时钟闭环控制。 迟，并实现时钟闭环控制。 时钟可以映射到PCB上用于同步外部芯片，这 上用于同步外部芯片， ②时钟可以映射到 上用于同步外部芯片 样就减少了对外部芯片的要求， 样就减少了对外部芯片的要求，而将芯片内外的 时钟控制一体化，以利于系统设计。 时钟控制一体化，以利于系统设计。 DCM模块的关键参数：输入时钟频率范围、输出时 模块的关键参数：输入时钟频率范围、 模块的关键参数 钟频率范围和输入/输出时钟允许抖动范围等 输出时钟允许抖动范围等。 钟频率范围和输入 输出时钟允许抖动范围等。
1.3 IP核简介 核简介
IP（Intelligent Property）核 （ ）
是具有知识产权的集成电路芯核总称， 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， 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。 无关，可以移植到不同的半导体工艺中。 IP核的提供方式上看，通常将其分为软核、硬核和固 核的提供方式上看，通常将其分为软核、 核的提供方式上看 核这三类。从完成IP核所花费的成本来讲 硬核代价最大； 核所花费的成本来讲， 核这三类。从完成 核所花费的成本来讲，硬核代价最大； 从使用灵活性来讲，软核的可复用性最高。 从使用灵活性来讲，软核的可复用性最高。
第二阶段： 世纪 年代中到80年代中 世纪70年代中到 年代中) 第二阶段：(20世纪 年代中到 年代中
结构上稍微复杂的可编程阵列逻辑(PAL)和通用阵列逻辑 (GAL)器件，正式被称为PLD,能够完成各种逻辑运算功能。
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第三阶段： 世纪 年代中到90年代末 世纪80年代中到 年代末) 第三阶段：(20世纪 年代中到 年代末
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1.3 FPGA的芯片结构 的芯片结构
芯片组成 主要有可编程输入/输出单元 ）、基本可 主要有可编程输入 输出单元(IOB）、基本可 输出单元 ）、 编程逻辑单元、完整的时钟管理、内嵌SRAM、 编程逻辑单元、完整的时钟管理、内嵌 、 丰富的布线资源、 丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用 单元等 。
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1.1可编程逻辑器件概述 可编程逻辑器件概述
起 源 ： 可 编 程 逻 辑 器 件 (Programmable Logic Device, PLD)起源于20世纪70年代，是在专用集成 电路(ASIC)的基础上发展起来的以后总新型逻辑器 件。 主要特点：完全由用户通过软件进行配置和编程， 主要特点： 从而完成某种特定的功能，并且可以反复擦写。 常见PLD产品： 可编程只读存储器(PROM)、现场 产品： 常见 产品 可编程逻辑阵列(FPLA)、可编程阵列逻辑(PAL)、 复杂可编程逻辑器件(CPLD)、和现场可编程门阵 列(FPGA)等类型。它们的内部结构和表现方法各 不相同
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7.内嵌专用硬核 7.内嵌专用硬核
内嵌专用硬核是相对于底层嵌入的软核而言的，硬 内嵌专用硬核是相对于底层嵌入的软核而言的， 具有强大的处理能力， 核（Hard Core）使FPGA具有强大的处理能力， ） 具有强大的处理能力 等效于ASIC电路。 等效于 电路。 电路
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5.丰富的布线资源 5.丰富的布线资源 布线资源连通FPGA内部的所有单元，而 内部的所有单元， 布线资源连通 内部的所有单元 连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱 动能力和传输速度。 动能力和传输速度。 根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同，可将 根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同， FPGA芯片的内部布线资源划分为四个不同的类别： 芯片的内部布线资源划分为四个不同的类别： 芯片的内部布线资源划分为四个不同的类别 第一类是全局布线资源； 第一类是全局布线资源； 第二类是长线资源； 第二类是长线资源； 第三类是短线资源； 第三类是短线资源； 第四类是分布式的布线资源。 第四类是分布式的布线资源。
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FPGA应用技术 FPGA应用技术
讲课教师： 讲课教师：杨会伟
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第1章 FPGA概述 章 概述
可编程逻辑器件概述 FPGA的基本工作原理 的基本工作原理 FPGA芯片结构 芯片结构 IP核简介 核简介 FPGA常见技术 常见技术 FPGA的开发流程 的开发流程 Xilinx公司主流可编程逻辑器件简介 公司主流可编程逻辑器件简介
芜湖职业技术学院 一个4输入与门 与门电路的例子来说明LUT实现逻辑功能原理 与门 实际逻辑电路 a,b,c,d入 入 0000 0001 … 1111 逻辑输出 0 0 … 1 LUT实现方式 实现方式 RAM地址 地址 0000 0001 … 1111 RAM中存储 中存储 的内容 0 0 … 1