第三章FPGA开发基础

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。

Altera FPGA开发入门教程目录目录第一章 Altera FPGA 开发流程概述 (1)1.1 你需要准备的 (1)1.2 Altera FPGA 基本开发流程 (1)第二章 QuartusII 软件安装教程 (4)第三章 完成第一个FPGA设计 (20)3.1 启动和建立QuartusII工程 (20)3.2 编辑我们的设计文件 (27)3.3 综合、布局布线 (30)3.4 引脚约束 (34)3.5 再次综合、布局布线 (37)第四章 配置FPGA (38)4.1 JTAG配置 (38)4.2 JIC烧写 (42)第一章Altera FPGA 开发流程概述本章介绍Altera FPGA的最基本最简单的开发流程，目的在于让您更直观了解FPGA开发设计过程，最快上手FPGA开发，最快找到感觉：-）1.1你需要准备的●兴趣无需多言，兴趣是最好的老师！●基本电路知识学习FPGA最好能懂一些模拟电路和数字电路的基础知识，比如知道什么是高电平、低电平、逻辑门、触发器、电阻电容、发光二极管等。

只需基本概念即可，不要求你是专家。

当然，如果你有单片机之类的开发经验，那会更好！●Verilog语言是的，我们用Verilog进行FPGA设计。

因为近年来，Verilog的使用率已经远远超过VHDL。

你不需要太精通Verilog的语法，但是你需要用硬件的思维来学习和使用Verilog。

在接下来的FPGA学习中，我们会反复强调这一点，以便带给你更深的体会。

●硬件平台纸上得来终觉浅。

一块优秀而又易用的入门级FPGA开发板，会祝您一臂之力！1.2A ltera FPGA 基本开发流程图1- 1展示了Altera FPGA的基本开发流程。

12图1- 1 Altera FPGA 基本开发流程这个流程可能是你看过类似教程中最简单的流程。

是的，为了让学者能直观了解FPGA 设计流程、快速入门，我们简化了一些东西，但它已经基本完整了。

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。

FPGA开发入门教程FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可重新配置的集成电路，能够根据用户需求实现不同的功能。

作为硬件开发的重要技术之一，FPGA具有灵活性高、性能强、功耗低等优点，因此受到了广泛的关注和应用。

本文将介绍FPGA开发的入门教程，帮助初学者快速上手FPGA开发。

第一步：了解FPGA第二步：选择开发工具和开发板FPGA开发需要选择合适的开发工具和开发板。

常用的FPGA开发工具有Xilinx的Vivado和Altera的Quartus等。

这些工具提供了图形化界面以及一些示例代码，方便用户进行开发和调试。

开发板是用户在FPGA开发中搭建硬件平台的重要部分，通过开发板可以将FPGA芯片与其他外设相连接，进行实际的验证和测试。

选择开发工具和开发板时要考虑到自己的需求和预算。

第三步：学习HDL编程语言HDL（Hardware Description Language）是用于描述数字电路的编程语言，FPGA开发中常用的HDL有Verilog和VHDL。

要掌握FPGA开发，我们必须学习和熟悉HDL编程语言。

HDL语言可以描述数字电路的结构、功能和时序等信息，通过HDL编写的代码可以被FPGA开发工具转化成对应的硬件电路。

学习HDL编程语言需要掌握其语法规则和基本概念，理解时序逻辑和组合逻辑的原理，并通过练习和实践进行巩固。

第四步：学习FPGA开发流程第五步：完成第一个FPGA项目通过以上几个步骤的学习和实践，我们已经具备了进行FPGA开发的基本能力。

接下来我们可以尝试完成一个简单的FPGA项目，例如实现一个LED闪烁的功能。

我们可以使用HDL语言编写一个简单的计数器，将计数值输出到FPGA开发板上的LED灯，通过改变计数值的频率实现LED的闪烁。

完成这个项目可以加深对FPGA开发流程的理解，并为后续更复杂的项目奠定基础。

总结FPGA开发入门需要掌握FPGA的基本概念和工作原理，选择合适的开发工具和开发板，学习HDL编程语言，了解FPGA开发流程，并通过实践完成一个简单的FPGA项目。

FPGA入门教程FPGA入门教程1．数字电路设计入门2．FPGA简介3．FPGA开发流程4．RTL设计5．QuartusⅡ设计实例6.ModelSim和Testbench1.数字电路设计入门1.1数字电路设计数字电路设计的核心是逻辑设计。

通常，数字电路的逻辑值只有‘1’和‘0’，表征的是模拟电压或电流的离散值，一般‘1’代表高电平，‘0’代表低电平。

高低电平的含义可以理解为，存在一个判决电平，当信号的电压值高于判决电平时，我们就认为该信号表征高电平，即为‘1’。

反之亦然。

当前的数字电路中存在许多种电平标准，比较常见的有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVDS、HSTL、SSTL等。

这些电平的详细指标请见《补充教程1：电平标准》。

数字电路设计大致可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。

一般的数字设计的教材中对组合逻辑电路和时序逻辑电路的定义分别为：组合逻辑电路的输出仅与当前的输入有关，而时序逻辑电路的输出不但与输入有关，还和系统上一个状态有关。

但是在设计中，我们一般以时钟的存在与否来区分该电路的性质。

由时钟沿驱动工作的电路为时序逻辑电路。

大家注意，这两种电路并不是独立存在的，他们相互交错存在于整个电路系统的设计中。

1.1.1组合逻辑电路组合逻辑电路由任意数目的逻辑门电路组成，一般包括与门、或门、非门、异或门、与非门、或非门等。

一般的组合逻辑电路如下图：其中A,B,C,D,E,F为输入，G为输出。

1.1.2时序逻辑电路时序逻辑电路由时钟的上升沿或下降沿驱动工作，其实真正被时钟沿驱动的是电路中的触发器（Register），也称为寄存器。

触发器的工作原理和参数如下图：Register的原理和参数DClkQDQClktc-qtholdTtsutsu:建立时间，在时钟有效沿到来之前触发器数据输入应保持稳定的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟沿被打入触发器。

它间接约束了组合逻辑的最大延时。

FPGA开发板快速教程（一）－－-基础知识FPGA开发板作者：古文章来源：本站原创点击数：2284 更新时间：2007-5-24前言FPGA在复杂逻辑电路以及数字信号处理领域中扮演者越来越重要的角色，SOC（片上系统）以其低功耗，高性能，低成本，高可靠性等优点成为嵌入式系统的发展趋势。

作为一个简明的教程，主要宗旨是让初学者快速地了解FPGA/SOPC （可编程片上系统）开发的流程。

目前IT技术的发展可以说是一日千里，以本人的观点来讲，如果希望在电子设计领域有所作为，则必须具备快速掌握新技术的能力。

电子设计最重要的是实践的积累，我们只要具备了一定的基础，应当马上投入实践，否则很多概念都无法真正理解。

有不少人包括我，当下决心要成为一个合格的电子设计工程师的时候，总是想如果把有关电路方面的理论都掌握了才能所向披靡，有底气参加实际项目设计。

当然如果能做到“把有关理论都掌握了”这样的境界，我想应该是很理想的，但经验发现这并不实际。

据我所知，我所认识的不少电子设计牛人，他们的理论知识可能都比不上我们的本科生，但很多不错的产品都是从他们的手中开发出来的，有了实践的经验后，他们掌握新技第二节基于Q u a r t u s I I的实例…………………………………………………………………………………实验一实验板上的K E Y1按钮控制F P G A核心板上的第一个L E D灯介绍………………………………实验二7段数码管实验…………………………………………………………………………………实验三用F P G A设计串口数据收发…………………………………………………………………………第三章S O P C的基本开发流程…………………………………………………………………………………第一节第一节S O P C v s M C U、D S P和F P G A………………………………………………………………………第二节第二节基于QuantusII和NiosII的SOPC基本开发流程……………………………………………………第三节第三节基于Q u a n t u s I I和N i o s I I的S O P C实例……………………………………………………………实验一核心板上的两个L E D交替闪烁…………………………………………………………………实验二4位7段数码管I P c o r e设计以及f l a s h的烧写教程…………………………………实验三L C D设备驱动开发………………………………………………………………………实验四A L L_T E S T综合设计……………………………………………………………………………第四章FPGA开发板中嵌入Uclinux的步骤和方法……………………………………………………第一章 CPLD/FPGA的基本知识（二）FPGA、CPLD 概述FPGA(现场可编程门阵列)与 CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件，它们是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。

fpga基础课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解FPGA的基本概念、结构和原理，掌握FPGA在数字系统设计中的应用；2. 学会使用硬件描述语言（HDL）进行数字电路设计和仿真；3. 了解FPGA开发流程，掌握FPGA开发工具的使用。

技能目标：1. 能够运用所学知识，设计简单的数字系统，并进行FPGA实现；2. 培养学生的动手能力，使其具备独立进行FPGA程序编写、调试和验证的能力；3. 提高学生的团队协作能力，能够在小组合作中发挥各自优势，共同完成设计任务。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对FPGA技术的兴趣，激发学生主动探索新技术的热情；2. 培养学生严谨、细致、负责的学习态度，养成良好的学术道德；3. 增强学生的创新意识，鼓励学生勇于尝试，提高解决问题的能力。

课程性质：本课程为实践性较强的课程，结合理论教学和实验操作，培养学生的实际操作能力和创新能力。

学生特点：学生具备一定的电子技术基础知识，对FPGA技术有一定了解，但实际操作能力较弱。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，通过课程学习，使学生能够掌握FPGA基础知识和技能，具备实际应用能力。

在教学过程中，注重启发式教学，引导学生主动思考，提高分析问题和解决问题的能力。

同时，关注学生的情感态度价值观培养，激发学生的学习兴趣，提高综合素质。

二、教学内容1. FPGA基本概念：介绍FPGA的发展历程、基本结构、工作原理及其在数字系统设计中的应用。

教材章节：第一章 FPGA概述2. 硬件描述语言（HDL）：讲解Verilog和VHDL两种硬件描述语言的基本语法、数据类型、运算符和结构。

教材章节：第二章 硬件描述语言基础3. FPGA开发工具：介绍FPGA开发流程，学习使用ModelSim进行仿真，掌握Quartus II或Vivado等开发工具的使用。

教材章节：第三章 FPGA开发工具与环境4. 数字电路设计：学习组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法，进行FPGA 实现。

FPGA开发基本流程FPGA的设计流程就是利⽤EDA开发软件和编程⼯具对FPGA芯⽚进⾏开发的过程。

典型FPGA的开发流程⼀般如图1所⽰，包括功能定义/器件选型、设计输⼊、功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现、布线后仿真、板级仿真以及芯⽚编程与调试等主要步骤。

图1 FPGA典型设计流程1、功能定义/器件选型在FPGA设计项⽬开始之前，必须有系统功能的定义和模块的划分，另外就是要根据任务要求，如系统的功能和复杂度，对⼯作速度和器件本⾝的资源、成本、以及连线的可布性等⽅⾯进⾏权衡，选择合适的设计⽅案和合适的器件类型。

⼀般都采⽤⾃顶向下的设计⽅法，把系统分成若⼲个基本单元，然后再把每个基本单元划分为下⼀层次的基本单元，⼀直这样做下去，直到可以直接使⽤EDA元件库为⽌。

2、设计输⼊设计输⼊是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，并输⼊给EDA⼯具的过程。

常⽤的⽅法有硬件描述语⾔(HDL)和原理图输⼊⽅法等。

原理图输⼊⽅式是⼀种最直接的描述⽅式，在可编程芯⽚发展的早期应⽤⽐较⼴泛，它将所需的器件从元件库中调出来，画出原理图。

这种⽅法虽然直观并易于仿真，但效率很低，且不易维护，不利于模块构造和重⽤。

更主要的缺点是可移植性差，当芯⽚升级后，所有的原理图都需要作⼀定的改动。

⽬前，在实际开发中应⽤最⼴的就是HDL语⾔输⼊法，利⽤⽂本描述设计，可以分为普通HDL和⾏为HDL。

普通HDL有ABEL、CUR等，⽀持逻辑⽅程、真值表和状态机等表达⽅式，主要⽤于简单的⼩型设计。

⽽在中⼤型⼯程中，主要使⽤⾏为HDL，其主流语⾔是Verilog HDL和VHDL。

这两种语⾔都是美国电⽓与电⼦⼯程师协会(IEEE)的标准，其共同的突出特点有：语⾔与芯⽚⼯艺⽆关，利于⾃顶向下设计，便于模块的划分与移植，可移植性好，具有很强的逻辑描述和仿真功能，⽽且输⼊效率很⾼。

除了这IEEE标准语⾔外，还有⼚商⾃⼰的语⾔。

也可以⽤HDL为主，原理图为辅的混合设计⽅式，以发挥两者的各⾃特⾊。

fpga教程FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它具有可编程的逻辑和存储单元，可以用于实现各种数字电路。

FPGA作为硬件描述语言（HDL）的实现工具，被广泛应用于数字电路设计和嵌入式系统开发。

FPGA教程首先介绍了FPGA的基础知识，包括FPGA的结构和工作原理。

FPGA由一组可编程的逻辑单元（LUT）和寄存器组成，通过配置电路来实现所需的功能。

编程FPGA需要使用硬件描述语言（HDL），如VHDL或Verilog，来描述电路的功能和结构。

接下来的部分讲解了FPGA的开发流程。

首先，需要使用HDL编写电路的逻辑描述，并进行模拟验证。

然后，通过综合和布局布线工具将逻辑描述转换为实际的硬件配置文件。

最后，将配置文件下载到FPGA芯片中，即可进行功能验证和性能测试。

在FPGA教程的后续部分，会介绍FPGA的应用领域和案例。

FPGA广泛用于数字信号处理、通信系统、图像处理、机器学习等领域。

例如，在数字信号处理中，FPGA可以用于实现滤波器、快速傅里叶变换等算法；在通信系统中，FPGA可以用于实现调制解调器、编码解码器等功能。

此外，FPGA教程还会介绍FPGA的开发工具和开发板。

FPGA开发工具提供了编程、仿真、综合等功能，如Xilinx的Vivado和Altera（现在是英特尔子公司）的Quartus。

而FPGA开发板则是一个集成了FPGA芯片和外围接口的开发平台，如Xilinx的Zynq系列和Altera的Cyclone系列。

总的来说，FPGA教程是一个全面介绍FPGA的入门指南，涵盖了FPGA的基础知识、开发流程、应用领域和开发工具。

通过学习FPGA教程，可以掌握FPGA的基本概念和使用方法，为后续的深入学习和应用打下坚实的基础。

FPGA基本教程第一节 FPGA的基本开发流程PLD是可编程逻辑器件（Programable Logic Device）的简称，FPGA是现场可编程门阵列（Field Programable Gate Array）的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。

PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。

PLD能做什么呢？可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。

PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。

通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。

在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。

使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。

PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言（HDL）的进步。

如何使用PLD呢？其实PLD的使用很简单，学习PLD比学习单片机要简单的多，有数字电路基础，会使用计算机，就可以进行PLD的开发。

开发PLD需要了解两个部分：1.PLD开发软件 2.PLD本身由于PLD软件已经发展的相当完善，用户甚至可以不用详细了解PLD的内部结构，也可以用自己熟悉的方法：如原理图输入或HDL语言来完成相当优秀的PLD设计。

所以对初学者，首先应了解PLD开发软件和开发流程。

了解PLD的内部结构，将有助于提高我们设计的效率和可靠性。

下面我们以基于Altera公司的QuantusII软件来简单说明一下FPGA的开发流程。

下图是一个典型的基于QuantusII的FPGA开发流程。

（1）建立工程是每个开发过程的开始，QuantusII（以下简称Q2）以工程为单元对设计过程进行管理。

FPGA开发基础---------格雷码转⼆进制 ⼀、格雷码的特点 格雷码是⼀种循环⼆进制码或者叫作反射⼆进制码。

格雷码的特点是从⼀个数变为相邻的⼀个数时，只有⼀个数据位发⽣跳变，由于这种特点，就可以避免⼆进制编码计数组合电路中出现的亚稳态。

格雷码常⽤于通信，FIFO或者RAM地址寻址计数器中。

经常作为跨市终于处理的⼀种⽅法。

切记在做跨时钟处理的时候要成对的出现。

⼆、⼆进制码转换为格雷码的⽅法⼗进制⼆进制格雷码⼗进制⼆进制格雷码0000000008100011001000100019100111012001000111010101111300110010111011111040100011012110010105010101111311011011601100*************7011101001511111000 从⾃然的⼆进制码到GRAY码，就是GRAY的编码。

具体⽅法是从⼆进制的最低位起（最右边的位数），依次起与左边的⼀位数进⾏异或运算，作为对应格雷码该位的值。

⽽最⾼位保持不变。

如下图所⽰：根据图⽰可以写出的代码：1 g[n] = b[n];//最⾼位不变2 g[i] = b[i] xor b[i+1];//其中g,b 分别对应n位的格雷码和⼆进制码。

其实根据以上图⽰以及，表格中的对⽐，可以发现规律：就是⼆进制码右移⼀位后与⾃⾝异或。

所以可以描述数为：assign gray = binary ^ binary(binary>>1); 三、格雷码转换为⼆进制码 具体的⽅法就是：从格雷码左边第⼆位（次⾼位），将每⼀位与其左边⼀位解码后的值进⾏异或，作为当前格雷码的值，⽽最左边⼀位（最⾼位）的解码结果就是它本⾝。

如下图所⽰：转换成逻辑代码就是：b[n] = g[n] ;//最⾼位，保持不变b[n] = g[i] xor b[i+1];//b和G都是n位的⼆进制码和格雷码。

转换成Verilog 语⾔实现：1// *********************************************************************************2// Project Name :3// weixin : li152********4// Website : https:///lgy-gdeu/5// Create Time : 2020//6// File Name : .v7// Module Name :8// Abstract :9// editor : sublime text 310// *********************************************************************************11// Modification History:12// Date By Version Change Description13// -----------------------------------------------------------------------14// 2020// Liguoyong 1.0 Original15//16// *********************************************************************************17 `timescale 1ns/1ns18module gray2bin #(19parameter N= 620 )(21//system signals22input wire [N-1:0] gray ,23output wire [N-1:0] bin2425 );26//=============================================================================27//**************************** Main Code *******************************28//=============================================================================29assign bin[N-1] = gray[N-1];//最⾼位不发⽣改变30generate31genvar i;32for (i = N-2; i >=0; i = i - 1)33begin:gray_2_bin34assign bin[i] = bin[i+1] ^ gray[i];35end36endgenerate37endmodule在上述，实现中使⽤了generate for语句，现在改⽤平常的for语句，来实现。