FPGA大作业展示 PPT

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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

时2延021/3/26
2016年10月11日 互路联由网器的及普交及换器出货量大首增 款嵌服 人入务工器智式数能F据、P中5GG心等A加需诞速求生
FPGA全面介绍 ppt课件
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2 FPGA设计思想与技巧 ——Present by 谭拢
乒乓操作、串并转换、流水线操作、数据接口的同步方法
2021/3/26
采
总
样
双口RAM
线
控
控
制
制
模
模
块
块
COM控制模块
时钟控制模块
2021/3/26
外部通讯接口 FPGA全面介绍 ppt课件
处理器模块
DSP
总
线
解
控
算
制
模
模
块
块
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PART 3 FPGA设计实例
FPGA与DSP间通信 双口RAM
EMIF与双口RAM之间的连接
2021/3/26
FPGA全面介绍 ppt课件
超20位美国会议员反对
2021/3/26
FPGA全面介绍 ppt课件
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PART 1 FPGA发展概述
1.2 FPGA结构概述
DCM
IOB IOB
CLB
BR AM
IOB
BR
IOB
AM
IOB：可编程输入输出单元 CLB：可配置逻辑块
BRAM：嵌入式块RAM
丰富的布线资源
底层内嵌功能单元：DLL、PLL、DSP和CPU等软核
2021/3/26
FPGA全面介绍 ppt课件
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PART 2 FPGA设计思想与技巧
数据接口同步方法
➢ 上级数据和本级时钟是异步的

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PLD器件： CPLD： MAX3000/5000/7000/9000和Classic系列 FPGA： FLEX6K/8K/10K、APEX20K、ACEX1K、APEXⅡ、Mercury、
Excalibur、Stratix 开发软件：
MAX+PLUSⅡ ：支持公司多款PLD器件，同时支持多种HDL语言，包括VHDL、 Verilog HDL、AHDL。
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3. 基本简单数学运算 ◆ 4位加法器
逐位进位加法器
超前进位加法器
进位选择加法器
输入数据同比特位进行运算时，都要等待前 一比特的进位信号状态完成（建议：用在位 数不超过16位的加法器）。对于多位逐位进 位加法器来说，也可采用流水方式改善性能。
输入数据同比特位进行运算时，不需要等待 前一比特的进位信号。实现速度比较快，但 资源占用也比较大。建议使用在16位加法器 上比较合适。对于位数较多的也可采用流水 方式。
QuartusII内嵌的调试工具有SignalTapII和SignalProbe。
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1.6 简单电路的HDL设计 1 基本组合逻辑运算 2 基本时序器件—寄存器 3 基本简单数学运算
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1 基本组合逻辑运算 ◆与运算 ◆或运算 ◆异或运算 ◆ 与非运算 ◆2选1多路选择器 ◆两位比较器
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2 基本时序器件—寄存器 ◆D触发器 ◆T触发器 ◆J-K触发器 ◆ 时序器件—移位寄存器
第五步：如果整个设计超出 器件的宏单元或I/O单元资源， 可以将设计划分到多片同系
列的器件中。
第六步：将试配器产生的器 件编程文件通过编程器或下
载电缆载入到目标芯片 FPGA中
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设计输入
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1.5 FPGA常用开发工具 QuartusII中集成的EDA开发工具可以分为两类： Altera自己提供的软件工具 其它EDA厂商提供的软件工具，统称为第三方工具

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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；
… …）；
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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。
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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
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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。

2016/10/12
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9.6现场可编程门阵列FPGA
其优化过的接口允许主机并行或串行、同步或非同步地对其进行配 置，也可以允许主机像操作内存一样通过虚拟的内存地址对FPGA进 行操作，这使得对其内部程序的修改变得非常方便。Stratix II系列器 件支持快速被动并行（FPP）、主动串行（AS）、被动串行（PS） 、被动并行非同步（PPA）以及JTAG等编程配置模式。
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9.6现场可编程门阵列FPGA
如右上图(a)所示；或者使用片外的存储器存储编程数据，由主机处 理器将片外存储器的数据读出后再写入FPGA，如右下图(b)所示。
2016/10/12
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9.6现场可编程门阵列FPGA
9.6.3 Stratix II系列FPGA的LAB
Altera公司Stratix II系列的结构图
2016/10/12
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9.6现场可编程门阵列FPGA
Stratix II系列的LAB结构图
2016/10/12
左图所示为简化的Stratix II系 列FPGA的LAB结构框图，每 个LAB包含有8个ALM，多个 LAB之间通过全局的连接线相 连接，每个LAB内部的各 ALM通过局部的连接线相连 接。
Input / Output Block）阵列、可配置逻辑块CLB（Configurable Logic Block）阵列及可编程互连网络PI（Programmable Interconnection）
2016/10/12
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9.6现场可编程门阵列FPGA
结构特点： FPGA的可配置逻辑块不像CPLD的LAB那么复杂，但是 其数量很多，一些大型的FPGA含有数万个可配置逻辑模块。输入/ 输出块围绕着CLB分布，其可以配置为输入、输出或者双向传输， 用来与外部器件进行数据传输。分布式的可编程互连网络提供了 CLB与输入/ 输出的连接。

(4) EAB 构成查找表LUT ;
EAB在只读模式下编程，可构成查找表，用LUT查找表结果比用算法计算 快得多, 可实现乘法器, 数字滤波器等.
2）逻辑阵列块(L2A) 逻B)辑阵列(LAB)是由一系列的相邻LE构成的
图2-12
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逻辑阵列块 (ALB)
1) LAB由8个LE
( 逻辑单元 ) 组成;
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一般多个输入的查找表采用多个逻辑块级连的方式
d[3..0] 查找表 d[7..4] 查找表 d[11..0] 查找表
与门 与门 与门
(2 ) Altera 系列器件
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Altera系列产品主要性能
Altera FLEX10K系列器件 9
FLEX10K系列器件特点如下:高密度阵列, 嵌入式可编程逻辑器件。 这类器件最大可达10万个典型门，5392个寄存器；采用0.5 μm CMOS SRAM工艺制造；具有在系统可配置特性 ( ISP )；在所有 I/O端口中有输入/输出寄存器；3.3 V或5.0 V工作模式；由Altera公 司的MAX+plusⅡ开发系统提供软件支持。 包括嵌入式阵列、多组 低延时时钟和内部三态总线等结构特性，提供了复杂逻辑设计所需 的性能和集成系统级的要求。
2.4 现场可编程门阵列(FPGA) P26
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FPGA : Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列
FLEX 10K系列器件
FPGA/CPLD 技
4
术
FPGA 与 CPLD 都是可编程逻辑器件。它们的规 模比较大，适合于时序，组合等逻辑电路应用场合， 它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片。
全局信号和EAB的局部互连都可以驱 动写使能信号、时钟信号

d,c,b,a:in std_logic_vector(3 downto 0); db_out:out std_logic_vector(3 downto 0); dis_out:out std_logic_vector(3 downto 0)); end entity;
architecture rtl of sel_display is signal sel:std_logic_vector(1 downto 0); signal dis:std_logic_vector(3 downto 0); signal db:std_logic_vector(3 downto 0);
begin process(data_n,key_valid)
第10页/共128页
begin if data_n="1101" then acc<="0000000000000000"; nc<="000"; elsif key_valid'event and key_valid='1' then if data_n<"1101" then if nc<=4 then acc<=acc(11 downto 0)&data_n; nc<=nc+1; end if;end if;end if;end process;end block;
architecture aaa of ctrl is signal acc,reg:std_logic_vector(15 downto 0); signal nc:std_logic_vector(2 downto 0); signal qa,qb:std_logic; begin keyin:block is

//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。

基于查找表的FPGA的基本结构及逻辑实现原理 ◆基于查找表的 的基本结构及逻辑实现原理
◆基于乘积项的 基于乘积的FPGA的基本结构及逻辑实现原理 的基本结构及逻辑实现原理
◆FPGA的配置应用 的配置应用
FPGA设计与应用 FPGA设计与应用
1.2 FPGA的基本原理 FPGA的基本原理
基于查找表的FPGA的基本结构及逻辑实现原理 ◆基于查找表的 的基本结构及逻辑实现原理
◆典型电路的设计
FPGA设计与应用 FPGA设计与应用
2.3 总结与结论
这一章我们主要学习了一些HDL语言的基本语法与我们以往学习的C 这一章我们主要学习了一些HDL语言的基本语法与我们以往学习的C语 HDL语言的基本语法与我们以往学习的 言等、PASCAL等都有相似之处 要注意的是在学习中要有意识地把HDL 等都有相似之处， HDL语言 言等、PASCAL等都有相似之处，要注意的是在学习中要有意识地把HDL语言 的语句与硬件结构模块联系起来，通过理解物理意义，牢牢掌握。 的语句与硬件结构模块联系起来，通过理解物理意义，牢牢掌握。
◆运算符及表达式 ◆VHDL基本语句 基本语句 ◆典型电路的设计
FPGA设计与应用 FPGA设计与应用
2.1 VHDL入门 VHDL入门
◆VHDL的模块组织 的模块组织 在应用VHDL描述数字系统结构时，我们使用实体（entity） 在应用VHDL描述数字系统结构时，我们使用实体（entity）-结构 VHDL描述数字系统结构时 )结构 结构。 体( architecture )结构。 实体描述了数字系统的输入输出接口， 实体描述了数字系统的输入输出接口，同时还定义了一些全局常量 以及与其他电路（程序模块或逻辑图模块）之间必要连接的拓扑结构。 以及与其他电路（程序模块或逻辑图模块）之间必要连接的拓扑结构。 但在实体中，我们并不对电路的逻辑做任何描述， 但在实体中，我们并不对电路的逻辑做任何描述，可将其看成是一个所 谓的逻辑“黑盒子” 很明显，VHDL遵循EDA解决方案中自顶向下的设 遵循EDA 谓的逻辑“黑盒子”。很明显，VHDL遵循EDA解决方案中自顶向下的设 计原则，并能够保持良好的接口兼容性。 计原则，并能够保持良好的接口兼容性。

逻辑1 负载电阻
非 b
&
Y=1
与
非 简单的可编程功能
熔丝
Fat
a
Faf
逻辑1 负载电阻
非 Fbt
b
Fbf
&
Y=0
与
非 用尚未编程的可熔连接来扩充器件
Fat
a
逻辑1 负载电阻
非 b
Fbf
非 移去熔丝连接（编程）
&
Y=0
与
2020/11/23
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几种半导体芯片发明的时间
1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
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VHDL 工程设计流程图
文本编辑器 图形编译器
生成VHDL源程序
VHDL源程序
行为仿真
VHDL 仿真器
功能仿真
时序仿真
VHDL综合器
逻辑综合优化
网表文件 （EDIF，XNF，VHDL...）
FPGA/CPLD布线/适配器 自动优化、布局、布线/适配
熔丝图、SRAM文件 VHDL/Verilog网表
AD转换器
DA转换器 SEEPROM
KH-33004 FPGA 核心板
时钟源
电源模块
4×4键盘 24位拨码开关 4位按键开关
USB接口 PS2接口 VGA接口 RS232接口
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实验箱实物图
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LED × 32
2020/11/23
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7 段（独立/扫描）显示器 × 8
逻辑。今天的高端FPGA拥有了多种高速收发器，这意味着通信和网络功能可以 合并到同一设备中。 5 可重配置计算技术 这是指由FPGA 提供的固有的并行性和可重构性来实现软 件算法的硬件加速。许多公司正在建立大型的以FPGA 为基础的可重配置计算引 擎。

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

Loop）、DSP和CPU等软处理核（SoftCore）。现在越来越丰富的内嵌功能
单元，使得单片FPGA成为了系统级的设计工具，使其具备了软硬件联合设
计的能力，逐步向SOC平台过渡。
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内嵌专用硬核:是相对底层嵌入的软核而言的，指FPGA处理能力强大的硬核 （Hard Core），等效于ASIC电路。为了提高FPGA性能，芯片生产商在芯片 内部集成了一些专用的硬核。例如：为了提高FPGA的乘法速度，主流的 FPGA 中都集成了专用乘法器；为了适用通信总线与接口标准，很多高端的 FPGA内部都集成了串并收发器（SERDES），可以达到数十Gbps的收发速 度。
5) FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS 、TTL电平兼容。
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ISE的简要介绍
ISE软件是Xilinx公司推出的FPGA/CPLD集成开发环境，不仅包 含了逻辑设计所需的一切，还具有大量简便易用的内置式工具和向 导，使得I/O分配、功耗分析、时序驱动设计收敛、HDL仿真等关键 步骤变得容易而直观。因此要掌握Xilinx FPGA开发，就必须掌pp握t课件 ISE，这里我们简单介绍下ISE基本操作和开发流程
完成了输入、仿真以及管脚分配后就可以进行综合和 实现了。在过程管理区双击Synthesize-XST，就可以 完成综合。
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双击 check syntax 检查 verilog 文件有无语法错误 若没有，会出现绿色的勾，有 警告会出现叹号，有错误会出 现红色的叉。
双击 synthesize 开始综合ppt课件
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ISE功能简介
设计输入：ISE 提供的设计输入工具包括用于HDL 代码输入和查看报告的ISE 文本编辑器（The ISE Text Editor），用于原理图编辑的工具ECS（The Engineering Capture System），用于生成IP Core 的Core Generator，用于状态机设计的StateCAD 以 及用于约束文件编辑的Constraint Editor。 ppt课件