FPGA全面介绍PPT
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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入门学习》课件
时序控制。
LED闪烁设计
总结词
通过LED闪烁设计，掌握FPGA的基本控制功能和数字逻辑设计。
详细描述
LED闪烁设计是FPGA入门学习的基本项目之一，通过该设计，学习者可以了解FPGA的基本控制功能 ，掌握数字逻辑设计的基本原理和方法。LED闪烁设计通常涉及到LED灯的驱动和控制，需要学习者 掌握基本的数字逻辑门电路和时序控制。
FPGA具有并行处理和高速计算的优点，适 用于数字信号处理中的实时信号处理和算 法加速。
数字滤波器设计
频谱分析和正交变换
FPGA可以实现高性能的数字滤波器，如 FIR滤波器和IIR滤波器，用于信号降噪和特 征提取。
FPGA可以高效地实现FFT等正交变换算法 ，用于频谱分析和信号频率成分的提取。
图像处理应用
优化设计技巧
时序优化
讲解如何通过布局布线、时序分析等手段优化 FPGA设计，提高时序性能。
资源共享
介绍如何通过资源共享减少FPGA资源占用，提 高设计效率。
流水线设计
讲解如何利用流水线设计技术提高系统吞吐量。
硬件仿真与调试技术
仿真工具使用
介绍常用HDL仿真工具（如ModelSim）的使用方法 。
03
CATALOGUE
FPGA开发实战
数字钟设计
总结词
通过数字钟设计，掌握FPGA的基本开发流程和硬件描述语言的应用。
详细描述
数字钟设计是FPGA入门学习的经典项目之一，通过该设计，学习者可以了解FPGA开 发的基本流程，包括设计输入、综合、布局布线、配置下载等。同时，数字钟设计也涉 及到硬件描述语言（如Verilog或VHDL）的应用，学习者可以掌握基本的逻辑设计和
基础语言。
FPGA开发流程
LED闪烁设计
总结词
通过LED闪烁设计，掌握FPGA的基本控制功能和数字逻辑设计。
详细描述
LED闪烁设计是FPGA入门学习的基本项目之一，通过该设计，学习者可以了解FPGA的基本控制功能 ，掌握数字逻辑设计的基本原理和方法。LED闪烁设计通常涉及到LED灯的驱动和控制，需要学习者 掌握基本的数字逻辑门电路和时序控制。
FPGA具有并行处理和高速计算的优点，适 用于数字信号处理中的实时信号处理和算 法加速。
数字滤波器设计
频谱分析和正交变换
FPGA可以实现高性能的数字滤波器，如 FIR滤波器和IIR滤波器，用于信号降噪和特 征提取。
FPGA可以高效地实现FFT等正交变换算法 ，用于频谱分析和信号频率成分的提取。
图像处理应用
优化设计技巧
时序优化
讲解如何通过布局布线、时序分析等手段优化 FPGA设计，提高时序性能。
资源共享
介绍如何通过资源共享减少FPGA资源占用，提 高设计效率。
流水线设计
讲解如何利用流水线设计技术提高系统吞吐量。
硬件仿真与调试技术
仿真工具使用
介绍常用HDL仿真工具（如ModelSim）的使用方法 。
03
CATALOGUE
FPGA开发实战
数字钟设计
总结词
通过数字钟设计，掌握FPGA的基本开发流程和硬件描述语言的应用。
详细描述
数字钟设计是FPGA入门学习的经典项目之一，通过该设计，学习者可以了解FPGA开 发的基本流程，包括设计输入、综合、布局布线、配置下载等。同时，数字钟设计也涉 及到硬件描述语言（如Verilog或VHDL）的应用，学习者可以掌握基本的逻辑设计和
基础语言。
FPGA开发流程
FPGA基础ppt课件
Synplify pro 界面
Synplify Pro Features
Synplify Premier 界面
Synplify Premier Features
Quartus II 的界面
Quartus II Features
主要功能
1)可利用原理图、结构框图、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成电路 描述，并将其保存为设计实体文件； 2) 功能强大的逻辑综合工具； 3)完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具； 4)定时/时序分析与关键路径延时分析； 5)可使用SignalTap II逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析； 6)支持软件源文件的添加和创建，并将它们链接起来生成编程文件； 7)使用组合编译方式可一次完成整体设计流程； 8)自动定位编译错误； 9)高效的期间编程与验证工具； 10)可读入标准的EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog网表文件； 13)能生成第三方EDA软件使用的VHDL网表文件和Verilog网表文件。
内容
什么是FPGA? 实验室现有的FPGA型号 Altera FPGA 的使用和相关软件介绍 FPGA开发板操作演示
FPGA开发板操作演示
以下进行FPGA开发的具体操作演示
5）时序验证，其目的是保证设计满足时序要求，即setup/hold time符合要求，以便 数据能被正确的采样。时序验证的主要方法包括STA（Static TimingAnalysis）和后 仿真。在后仿真中将布局布线的时延反标到设计中去，使仿真既包含门延时，又包含 线延时信息。这种后仿真是最准确的仿真，能较好地反映芯片的实际工作情况。仿真 工具与综合前仿真工具相同。
FPGA的结构特点
FPGA通常包含三类可编程资源：可编程逻辑功能 块、可编程I/O块和可编程互连。可编程逻辑功能 块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成 一个阵列，散布于整个芯片；可编程I/O块完成芯 片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列排 列于芯片四周；可编程内部互连包括各种长度的 连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可 编程逻辑块或I/O块连接起来，构成特定功能的电 路。
FPGA全面介绍 ppt课件
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
9
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
30
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
7
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
21
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
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
9
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
30
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
21
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
FPGA开发流程介绍及实例讲解.pptx
6、Almost any situation---good or bad---is affected by the attitude we bring to. ----Lucius Annaus Seneca差不多任何一种处境---无论是好是坏---都受到我们对
待处境态度的影响。11时3分11时3分5-Aug-208.5.2020
4、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不
行8.5.20208.5.202011:0311:0311:03:1011:03:10
5、You have to believe in yourself. That's the secret of success. ----Charles Chaplin人必须相信自己，这是成功的秘诀。-Wednesday, August 5, 2020August
20Wednesday, August 5, 20208/5/2020
3、Patience is bitter, but its fruit is sweet. (Jean Jacques Rousseau , French thinker)忍耐是痛苦的，但它的果实是甜蜜的。
11:038.5.202011:038.5.202011:0311:03:108.5.202011:038.5.2020
7、Although the world is full of suffering, it is full also of the overcoming of it.----Hellen Keller, American writer虽然世界多苦难，但是苦难总是能战胜的。
FPGA设计与应用ppt课件
8
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。
33
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。
30
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
31
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
32
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
25
设计输入
26
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
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。
33
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。
30
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
31
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
32
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
25
设计输入
26
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
FPGA硬件加速技术ppt课件
需求。
3、FPGA 加速模块
FPGA加速模块
• 高性能 面向领域，相对于传统服务器实现10倍至100倍加速
比； • 低功耗
功耗低至75w，相对于CPU和GPU加速，具备最高的 每瓦性能。 • 高密度
每个加速器高度集成2到4片Xilinx 最新的Virtex-7 系 列FPGA芯片，提供无与伦比的加速性能； • PCI-E接口
CAPP PCIe POWER8 Processor
CAPI FPGA
IBM-Supplied POWER Service Layer
Accelerator Function Unit (AFU)
Mem Mem
Acc
Acc
CAPI
CPU
CPU
(P8)
(P8)
EI
CPU
CPU
(P8)
(P8)
PCIe bridge
…… 加速比 550倍
330倍
200倍
……
4、产品展望
• UltraScale架构FPGA芯片 • 与POWER服务器紧密集成
P&P服务器 CAPI技术
. CAPI: Coherent Accelerator Processor Interface(一致性加速处理器接口)
. 允许用户自行设计加速硬件，但在CPU上看做似乎是自己的一部分，与CPU共享内 存地址空间
16GB 40 GB/s 75w/150w 板上内存ECC保护 温度监测及过热保护
应用领域
大数据处理
• 数据清洗 • No SQL键值存取 • 数据压缩解压 • EC编解码
密码安全
生物特征识 别
图像、音视频 处理
• 密码加密算法 • 密码解密算法
3、FPGA 加速模块
FPGA加速模块
• 高性能 面向领域，相对于传统服务器实现10倍至100倍加速
比； • 低功耗
功耗低至75w，相对于CPU和GPU加速，具备最高的 每瓦性能。 • 高密度
每个加速器高度集成2到4片Xilinx 最新的Virtex-7 系 列FPGA芯片，提供无与伦比的加速性能； • PCI-E接口
CAPP PCIe POWER8 Processor
CAPI FPGA
IBM-Supplied POWER Service Layer
Accelerator Function Unit (AFU)
Mem Mem
Acc
Acc
CAPI
CPU
CPU
(P8)
(P8)
EI
CPU
CPU
(P8)
(P8)
PCIe bridge
…… 加速比 550倍
330倍
200倍
……
4、产品展望
• UltraScale架构FPGA芯片 • 与POWER服务器紧密集成
P&P服务器 CAPI技术
. CAPI: Coherent Accelerator Processor Interface(一致性加速处理器接口)
. 允许用户自行设计加速硬件，但在CPU上看做似乎是自己的一部分，与CPU共享内 存地址空间
16GB 40 GB/s 75w/150w 板上内存ECC保护 温度监测及过热保护
应用领域
大数据处理
• 数据清洗 • No SQL键值存取 • 数据压缩解压 • EC编解码
密码安全
生物特征识 别
图像、音视频 处理
• 密码加密算法 • 密码解密算法
《FPGA技术介绍》PPT课件
精选PPT
15
北航
电子信息 工程学院
Altera 公司的NIOSII解决方案
Nios II CPU Debug
On-Chip ROM
On-Chip RAM
Cache Avalon Switch Fabric
UART
GPIO
Timer SPI
SDRAM Controller
FPGA
精选PPT
16
北航
•硬件集成性 •设计个性化 •可修改性 •快速性 •低开发成本
精选PPT
4
北航
电子信息 工程学院
FPGA技术概念
❖ CPLD (Complex Programmable Logic Device) ❖ FPGA (Field Programmable Gate Array) ❖ EDA技术——高密度逻辑器件、EDA工具、HDL
精选PPT
5
北航
电子信息 工程学院
可编程逻辑器件的优点
❖ 集成度高
❖ 缩短研制时间
❖ 体积小
❖ 性能高
❖ 可靠性高
❖ 保密性好
❖ 设计灵活(可编程、可再编程、系统内可再 编程)
❖ 通用性好
❖ JTAG板级和芯片级的测试
精选PPT
6
北航
电子信息 工程学院
可编程逻辑器件的种类
❖ PROM（Programmable ROM）可编程只读存储 器，单次写入，不能修改。
电子信息 工程学院
一个典型的复杂应用系统
I/O
Flash
CPU
SDRAM
I/O
I/O I/O I/O
I/O
DSP
FPGA
CPU
《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
《FPGA培训》PPT课件
2019年5月14日星期二
全国大学生电子设计竞赛----FPGA培训
10
FPGA/CPLD比较
2019年5月14日星期二
全国大学生电子设计竞赛----FPGA培训
11
什么是Verilog HDL？
Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象 设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门 和完整的电子数字系统之间。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显 式地进行时序建模。 Verilog HDL语言提供了编程语言接口，通过该接口可以在模拟、验证期间从设 计外部访问设计，包括模拟的具体控制和运行。Verilog HDL语言不仅定义了语 法，而且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、仿真语义。因此，用这种语言 编写的模型能够使用Ve r i l o g仿真器进行验证。语言从C编程语言中继承了 多种操作符和结构。Verilog HDL语言的核心子集非常易于学习和使用，完整的 硬件描述语言足以对从最复杂的芯片到完整的电子系统进行描述。 Verilog – “Tell me how your circuit should behave and I will give you the hardware that does the job.”
2019年5月14日星期二
全国大学生电子设计竞赛----FPGA培训
2
可编程逻辑器件概述
PLD的发展历程：
2019年5月14日星期二
全国大学生电子设计竞赛----FPGA培训
3
PLD的分类
按集成度分类:
2019年5月14日星期二
全国大学生电子设计竞赛----FPGA培训
4
按结构分类 ������ 乘积项结构：大部分简单PLD和CPLD ������ 查找表结构：大多数FPGA 按编程工艺分类 ������ 熔丝(Fuse)型 ������ 反熔丝(Anti-fuse)型 ������ EPROM型，紫外线擦除电可编程逻辑器件 ������ EEPROM型 ������ SRAM型：大部分FPGA器件采用此种编程工艺 ������ Flash型
《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。
FPGA课件
数字电路与系统东南大学信息科学与工程学院第九章可编程逻辑器件可编程逻辑器件的基本结构和电路表示方法 可编程逻辑阵列PLA可编程阵列逻辑PAL通用阵列逻辑GAL复杂可编程逻辑器件CPLD现场可编程门阵列FPGA9.6.1 FPGA的基本结构◆结构组成：由三个可编程基本模块阵列组成，输入/输出块IOB（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）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。
FPGA的基本结构9.6.2 可编程逻辑块（CLB）结构◆FPGA的CLB一般由数个小型的逻辑单元构成，类似于CPLD中的宏单元。
如图所示为CLB的基本结构图，每个CLB均被可编程互连网络围绕，用于跟其他的CLB相连接。
CLB的基本结构CLB中的逻辑单元可配置为组合逻辑电路、时序逻辑电路或者这二者的混合。
一个典型的基于查找表（LUT，look-up table）的逻辑单元的结构图如图所示。
◆LUT是一种可编程存储器，可以用来产生与或形式的组合逻辑函数，其功能与PAL或PLA类似。
◆LUT通常由2n个内存单元构成，n为输入变量的个数。
◆例如，3个输入变量可以寻址8个内存单元，所以一个有3个输入的变量的LUT可以生成8个与项的与或形式的逻辑函数。
根据输入变量的取值，可以向对应的内存单元内写入0或1，以实现对LUT的编程，如图所示。
◆每一个“1”表示在与或函数式中含有该与项，“0”表示在与或函数式中不包含该与项，因此该图中所示的LUT 对应的逻辑函数式为：在此处键入公式。
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DCM：数字时钟管理模块 内嵌专用硬核：SERDES等
PART 1
FPGA发展概述
1.3 FPGA发展趋势
降低能耗：FP内G部A连的线发方展式分直为接连三接个至阶So段C
FPGA有可能迎来应用于人工智能（AI）的好时机
时延
TTL逻辑集成电路 可编程IO
互联网的普及 路由器及交换器出货量大增
2016年10月11日 首款嵌入服务式器F数P据G中A心诞加生速
1.3 FPGA发展趋势
PART 1
FPGA发展概述
1.1 FPGA三国演义
Wahlstrom Sven Erik于1967年提出FPGA概念
阿尔特拉：1983 PLD发明者
FPGA
赛灵思：1984 FPGA发明者
莱迪思：1983 ISP发明者
PART 1
FPGA发展概述
CPLD的时代
第一款 FLEX 8000 FPGA 反击
DSP：主要实现控制系统启动,对FPGA采样得到的数据进行惯导解算， 得到载体的方位、姿态和速度信息, 并将解算结果通过FPGA 向外传递 显示。
PART 3
FPGA设计实例
系统框架
PART 3
FPGA设计实例
电源模块
主要用于系统供电，将外部接插件引入的12V隔离直流电源经DCDC转换成所需的数 字电源
人工智能、5G等需求
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
PART 2
FPGA设计思想与技巧
用于数据流控制
乒乓操作
PART 2
FPGA设计思想与技巧
乒乓操作
处理流程
输入数据流通过“输入数据选择单元”将数据流等时分配到两个数据缓冲区， 数据缓冲模块可以为任何存储 模块，比较常用的存储单元为双口 RAM(DPRAM)、单口 RAM(SPRAM)、FIFO 等。
1996年追赶 销售模式
xc3000/4000
1.1 FPGA三国演义
1996-98把持FPGA市场
我国最早的供应商
Lattice ispLSI 1032/1016
比较的是规模
先组合，后时序
多细电个颗时粒路钟查输找规入表模结构得到 丰富的空寄存前器提资源高 分电段路横路上由电扫布加千线载结军构！
直接集成三态门
PART 2
FPGA设计思想与技巧
➢ 上级数据和本级时钟是异步的
• 输入数据与本级处理时钟同频率 • 输入输入与本级处理时钟异步
✓ 寄存器对异步时钟域的数据进行两次采样； ✓ DPRAM，异步FIFO
数据接口同步方法
3 FPGA设计实例 ——Present by 张亦弛 基于FPGA+DSP架构的最小系统设计
Virtex Spartan3
价格竞争 LatticeSC/M
PART 1
FPGA发展概述
1.2 FPGA结构概述
DCM
IOB IOB
CLB
BRA M
IOB
BRA
IOB
M
IOB：可编程输入输出单元 BRAM：嵌入式块RAM
CLB：可配置逻辑块 丰富的布线资源
底层内嵌功能单元：DLL、PLL、DSP和CPU等软核
PART 2
FPGA设计思想与技巧
数据接口同步方法
➢ 数据有固定格式（帧结构）
• 这种情况在通信系统中非常普遍，因为很多数据是按照“帧”组织的。由于整个系统对时钟 要求很高，常常专门设计一块时钟板完成高精度时钟的产生于驱动 。
• 两个问题：如何完成数据同步，并发现数据的“头”？ ✓ 同步指示信号，或RAM，FIFO缓存一下； ✓ 传输一个数据起始位置的指示信号，或插入同步码
20S1tr5at被ixiCnytcello收n购e3 MAX
2004年推出 LatticeECP/M
03年全球第一款 90nm工艺 FPGA
逻辑规模 存储器尺寸 时钟资源 串并收发器
出其不意 避其锋芒
IPhone7中加入FPGA 2016 被中资公司收购 超20位美国会议员反对
1.1 FPGA三国演义
➢ 正确的数据接口同步方法：
• 输入输出的延时不可测，如何完成数据同步 • 数据有固定格式（帧结构） • 上级数据和本级时钟是异步的
PART 2
FPGA设计思想与技巧
数据接口同步方法
➢ 输入输出的延时不可测，如何完成数据同步
• 建立同步机制：可以用一个同步使能，或者同步指示信号 • 另外数据通过RAM或FIFO存取，也可以达到数据同步的目的
三傻微谈FPGA
目录
CONTENT
1 FPGA发展概述 ——Present by 罗海林
2 设计思想与技巧 ——Present by 谭拢
3 FPGA设计实例 ——Present by 张亦弛
Main idea
1
1.1 FPGA三国演义
FPGA发展概述
——Present by 罗海林
1.2 FPGA结构概述
➢ 在第1个缓冲周期，将输入的数据流缓存到“ 数据缓冲模块 1” ➢ 在第2个缓冲周期，通过“输入数据选择单元”的切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块 2”，同时将“数据缓冲
模块 1” 缓存的第 1 个周期数据通过“ 输入数据选择单元”的选择， 送到“ 数据流运算处理模块” 进行运算处理； ➢ 在第 3 个缓冲周期通过“ 输入数据选择单元” 的再次切换，将输入的数据流缓存到“ 数据缓冲模块 1”，同时将“ 数
据缓冲模块 2”缓存的第2个周期的数据通过“输入数据选择单元”切换，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理。 如此循环。
PART 2
FPGA设计思想与技巧
乒乓操作
优点 ➢ 经过缓冲的数据流没有时间停顿，常常应用于流水线式算法 ➢ 节约缓冲区空间 ➢ 低速模块处理高速数据流
PART 2
FPGA设计思想与技巧
元CP气LD大将伤击开败始FP蛰G伏A
99年收购AMD的 Vantis 01年收购Lucent的ORCA
比较的是规模和速度
PART 1
FPGA发展概述
FPGA腾飞期
201232200I00n012t80eSl全全t的r球a球t1i第第x4一带一nm款嵌款4入三208式栅nnmmD极工S工工P艺艺艺
+12VD 隔离电源
DCDC
接 插
+5.1V电源
422
件 +12VD
隔离电源
DCDC
+3.3VS
+5VD
DCDC
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
传感器
+3.3VD
+1.3VD 处 +2.5VD 理 +1.8VD 器
+1VD
PART 3
FPGA设计实例
某惯导测量芯片
引脚名称 SS# IRQ
MOSI
MISO
SCLK
传感器模块
功能 选择从机 中断请求 主机输出、从机输入 主机输入、从机输出 串行时钟
PART 3
FPGA设计实例
FPGA与DSP间通信
PART 3
FPGA设计实例
串口模块
Thank You for Your Listening
PART 3
FPGA设计实例
FPGA：时序控制能力强 DSP：数字信号处理及算法强
能否将两者的优势互补？
PART 3
FPGA设计实例
微型惯导系统
微型惯导系统
线加速度信号
角加速度信号
温度信号
GPS信号
PART 3
FPGA设计实例
微型惯导系统
FPGA：实现逻辑控制功能，由其处理所有的外围数据并通过事先约定 的方式与DSP通信， 将数据传递给DSP供其进行解算。
PART 1
FPGA发展概述
FPGA发展期
FLEX 10K® FPGA 锁相环(PLL)抗衡 FLEX 10K FPGA 嵌入式RAM抗衡
确定大规模FPGA思路
实现三态门 粗颗粒结构 嵌入式RAM 非对称结构
xc3000/4000
1.1 FPGA三国演义
行业领导者 占据市场 集成三态门 细颗粒结构 分布式RAM 孤岛式结构
乒乓操作
利用乒乓操作降低数据速率
PART 2
FPGA设计思想与技巧
➢ 数据流处理的常用手段 ➢ 面积与速度互换原则
➢ 实现方法：
• 寄存器 • RAM • 排列顺序有规定的串并转换：case • 复杂的串并转换：FSM
串并转换
PART 2
FPGA设计思想与技巧
➢ 一种处理流程和顺序操作的思想
➢ 适用情况：
✓ 前级操作时间 = 后级操作时间，直接相连 ✓ 前级操作时间 > 后级操作时间，缓存 ✓ 前级操作时间 < 后级操作时间，逻辑复制等操作
流水线操作
PART 2
FPGA设计思想与技巧
数据接口同步方法
➢ FPGA设计常见的重要问题，也是设计工作不稳定的重要原因
➢ 错误的数据接口同步方法：
• 手工加入BUFT或非门调整数据延迟 • 相位差90度的时钟信号
PART 3
FPGA设计实例
FPGA
多 路 传 感 器 信 号
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
外部通讯接口
处理器模块
DSP
总
线
解
控
算
制
模
模
块
块
PART 3
FPGA设计实例