FPGA门电路

fpga开发的理解fpga开发是指将一组逻辑电路（即一组门电路）用硬件实现的过程。

它能够实现复杂的功能，并且可以得到更高的流水线效率、更低的延迟、更好的可重构性和可缩放性。

由于fpga采用可编程逻辑器件，因此在设计中可以充分利用可编程逻辑器件的特性，实现多种功能。

FPGA开发包括三个主要过程：设计、集成和测试。

在设计阶段，需要完成fpga的原理图设计、描述语言编写、编程语言编写和仿真工具使用等步骤。

在集成阶段，将设计的电路进行集成，并对所有模块进行组装。

在测试阶段，需要对集成的电路进行功能测试，保证各部分模块的正常工作，并完成系统测试。

在fpga开发过程中，需要考虑到一些因素，例如电路的性能、功耗、延迟、灵活性等。

比如，如果要设计一个高速电路，就需要考虑到电路的延迟，以及如何优化电路，减少延迟；如果要设计一个低功耗的电路，就需要考虑如何减少电路的功耗，以及如何优化电路，增加能效比。

此外，还要考虑电路可重构性和可缩放性的要求，以便在未来的应用中做出相应的变化。

在fpga开发过程中，需要仔细分析需求，根据需求定义系统架构，然后按照设计流程完成设计、集成和测试。

比如，在设计阶段，首先需要分析需求，定义功能和接口，然后再进行原理图设计、描述语言编写、编程语言编写和仿真工具使用等步骤。

在集成阶段，将设计的电路进行集成，并对所有模块进行组装。

在测试阶段，需要对集成的电路进行功能测试，保证各部分模块的正常工作，并完成系统测试。

最后，fpga开发也需要考虑到产品的可靠性。

可靠性是衡量fpga开发产品质量的一个重要指标，需要考虑到热损伤、ESD、EMI等因素，并采取相应的措施来确保产品的可靠性。

总之，fpga开发是一项复杂而又技术含量很高的工作，需要综合分析客户需求，根据客户需求定义系统架构，进行设计、集成和测试，并考虑到产品的可靠性。

fpga开发能够实现复杂的功能，并具有更高的流水线效率、更低的延迟、更好的可重构性和可缩放性，在一定程度上提高了产品的性能，是当前技术发展的必然趋势。

fpga的基本工作原理FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑芯片，它可以被编程成各种逻辑电路，具有高度的灵活性和可重构性。

FPGA在数字信号处理、图像处理、视频处理和通信等领域得到广泛应用。

本文将介绍FPGA的基本工作原理，包括FPGA的逻辑资源结构、FPGA的编程方式和FPGA的工作过程。

一、FPGA的逻辑资源结构FPGA的逻辑资源主要包括逻辑单元（Logic Units）、查找表（Look-Up Tables）和存储器单元（Memory Units）。

逻辑单元是FPGA中最基本的逻辑单元，它由逻辑门电路组成，包括与门、或门、非门等。

逻辑单元的输出可以直接与其他逻辑单元或存储器单元相连，也可以与查找表的输入相连。

逻辑单元还可以实现复杂的逻辑函数，如加法器、乘法器等。

查找表是FPGA中一个重要的组成部分，它用于存储逻辑函数的真值表，并将真值表与逻辑单元相连。

在FPGA中，查找表通常由4位或5位输入和1位输出组成。

查找表的真值表由程序员编写的逻辑函数确定，并存储在FPGA的寄存器中。

存储器单元是FPGA中另一种重要的逻辑资源，用于存储数据和程序。

FPGA中的存储器单元包括RAM、ROM和寄存器。

其中RAM和寄存器用于存储数据，ROM用于存储程序。

二、FPGA的编程方式通常，FPGA的编程方式分为两种：硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）和原理图编程。

硬件描述语言是一种用于描述数字电路的语言，它由一系列的语句组成，其中包括组合逻辑电路描述和时序逻辑电路描述。

常见的硬件描述语言有Verilog和VHDL等。

原理图编程是一种通过绘制逻辑图来编程的方式。

在原理图中，每个组件都是以图形的形式表示的，例如逻辑门、查找表和存储器单元等。

这些组件可以通过连接线连接起来，从而组成一个完整的数字电路。

在FPGA的工作过程中，程序员先使用硬件描述语言或原理图编写程序，并将程序编译成可被FPGA识别的字节码，然后通过编程器将字节码下载到FPGA中。

学习有关FPGA方面的知识，在看一些FPGA的datasheet时，看到fan-out和fan-in这样的字眼，乍一看还真不知所云，继续往下看还是云里雾里，于是用Google在线翻译了一下，上面赫然是扇入扇出，不用想，电子设计方面怎么会有这么俗的词，还“扇”呢。

刚开始不以为然，后来在求知欲的驱使下，就以扇入扇出为关键字在网上开始艰难搜寻。

别说这一找，还真找到不少资料呢，看了网上那些大侠们的解释，我才恍然大悟，原来Google并没有翻译错，而是自己太孤陋寡闻了。

下面我将给出我所找到的关于扇入扇出的解释，以下都是来自网络，并非原创：扇入、扇出系数扇入系数是指门电路允许的输入端数目。

一般门电路的扇入系数为1—5，最多不超过8。

扇出系数是指一个门的输出端所驱动同类型门的个数，或称负载能力。

一般门电路的扇出系数为8，驱动器的扇出系数可达25。

扇出系数体现了门电路的负载能力。

灌电流、拉电流当逻辑门输出端是低电平时，灌入逻辑门的电流称为灌电流，灌电流越大，输出端的低电平就越高。

当逻辑门输出端是高电平时，逻辑门输出端的电流是从逻辑门中流出，这个电流称为拉电流。

简单的理解就是逻辑门的输入（灌电流）和输出电流（拉电流）。

上、下拉电阻上拉电阻就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平（即拉电流），来增加高电平输出时的驱动能力，以解决总线驱动能力不足时提供电流；下拉电阻就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在低电平，是用来吸收电流的，也就是灌电流。

负载效应当输出负载大于它的扇出能力的时候，就会有如下的效应：1、输出低态时，输出电压V OL可能高于V OLmax。

2、输出高态时，输出电压V OH可能高于V OLmin。

3、输出的传播延迟可能大于规格说明的延迟值。

4、输出的上升和下降时间可能大于规格说明的延迟值。

5、器件工作温度可能升高，从而降低其可靠性，最终引起器件失效。

1.原意：The number of circuits that can be fed input signals from an output device.扇出，输出可从输出设备输入信号的电路的数量。

FPGA轻松学习用QuartusII通过原理图完成与门电路设计打开QuartusII软件，程序主界面如下：1，新建一个工程点击File——>New Project Wizard，打开创建新工程向导，这里你将完成工程的基本设定选项。

1，Project name and directory——工程的名称与目录2，Name of the top-level design entity——顶层设计实体的名称3，Project files and libraries——项目文件与库4，Target device family and device——目标设备的族类5，EDA tool settings——EDA工具设定这里一般设定好工程名称和目录，顶层设计实体名称以及目标设备族类就可以了，其他的暂时直接使用默认项就可以了。

2，新建一个设计文件通过点击File——>New打开新建文件选择框，由于我们这里使用原理图描述实现的，则文件类型选择Design Files——>Block Diagram/Schematic File，就新建了一个原理图文件，将其保存起来，注意命名要跟前面设置的顶层设计实体名称相同。

3，编写设计文件接下来开始在文件中绘制原理图，这里首先完成与门的添加，点击左侧工具栏中的Symbol Tool按钮，打开Symbol选择框，选择primitives——>logic——>and2，点击OK后即可在原理图中添加一个2输入的与门了。

在同样通过Symbol Tool中的加入和primitives——>pin——>output加入输入和输出引脚，然后在原理图中把他们用Orthogonal Node Tool即导线连接起来，双击输入输出引脚，为他们设定好名字，pinA，pinB，pinC，就完成了原理图中的设计。

4，编译（分析综合）点击Processing——>Start——>Start Analysis & Synthesis，进行分析综合，就好像是对程序进行编译，等待片刻，如果没有错误，编译报告会输出出来。

摘要FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

目前以硬件描述语言（Verilog 或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA 上进行测试，是现代IC 设计验证的技术主流。

这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。

在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。

系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，一个出厂后的成品FPGA的逻辑块的连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

本文设计的实验板目的就是验证所设计的电路的逻辑功能。

实验板以EP1C6Q240C8为主，配以存储器、数据配置、复位、实时时钟、I/O口分配、扩展接口、独立按键及LED、液晶显示、数码管显示、蜂鸣器和电源等功能电路。

而其中的独立按键及LED、液晶显示、数码管显示、蜂鸣器就是验证时的直接展现。

关键字：FPGA,硬件原理图，测验ABSTRACTFPGA（Field－Programmable Gate Array），It is based on the further development of the product of PAL、GAL、CPLD etc.. It is in the field of application-specific integrated circuit （ASIC）for a half customize the circuit, it solves the shortage, and custom circuit overcomes original programmable gate device limited number of faults. Now completed the above circuit design by the Hardware description language, can pass by the simple integrated and layout, rapid replication to test on FPGA, it is the mainstream of modern IC design verification. These can edit component can be used to achieve some basic logic gate(such as AND、OR、XOR、NOT ) or, more complex combination of some functions such as decoder or mathematical equations. In most of the FPGA, these can edit component also includes memory devices such as flip-flop or other more complete memory block. According to the system designer, through the FPGA links can edit the internal logic pieces together. One of the products of the factory, logical block of FPGA can be changed according to the designer, so the FPGA can complete the required logic functions.The purpose of this experimental plate is to verify that the logic function of circuit. The primary device is EP1C6Q240C8 on this experimental plate, use with the circuit of memory, Data configuration, reset, real-time clock, I/O port, expand interface, independent buttons and LED, LCD display, digital display, buzzers and power etc.. And that the independent buttons and LED, LCD display, digital display show directly of the checkoutKey Words: FPGA, Hardware diagram, quiz目录第1章绪论 (1)设计背景 (1)设计目的和意义 (2)论文的结构安排 (2)第2章 FPGA开发板原理图分析 (3)FPGA电路 (4)存储电路 (6)Flash存储器 (6)SRSM存储器 (7)SDRAM存储器 (8)配置电路 (9)复位电路 (11)时钟电路 (12)FPGA I/O口分配电路 (13)扩展接口电路 (13)外扩I/O口PACK2 (18)外设PACK接口电路 (18)FPGA扩展接口电路 (19)验证功能电路 (17)按键及LED电路 (17)蜂鸣器电路 (18)七段数码管显示电路 (18)液晶显示电路 (19)实时时钟电路 (19)电源电路 (24)系统电源电路 (24)FPGA电源电路 (25)第3章实验板的测验 (28)读取按键信号 (28)第4章结论 (27)参考文献 (28)致谢 (29)第1章绪论设计背景半导体技术一直遵循著名的摩尔定律持续地发展，回顾半导体的发展历史，当一种技术具有可编程特性时，它就会处于支配的地位。

一个4与门电路的例子来说明LUT实现逻辑功能的原理如前所述，FPGA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等等，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。

表1-1 4输入与门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。

由于基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以。

Xilinx FPGA及应用实验报告（一）实验一全加器一、实验目的1、编写简单门电路的RTL级描述程序；2、创建简单电路的结构级VHDL描述程序；3、实现全加器功能，由半加器组成，以元件方式调用。

二、实验环境1、ISE软件一套；2、PC机一台。

三、实验步骤1、创建一个新的工程(1)选择“开始->所有程序->Xilinx ISE 9.1i”或直接在桌面双击Xilinx ISE 9.1i的图标，打开ISE 9.1i集成环境。

(2)在ISE中，选择菜单栏中的File->New Project 打开创建新工程界面，在Project Name 中填入工程名，在Project Location中填入工程所在文件夹。

2、编写半加器的RTL级描述和全加器的结构级描述半加器源程序为：library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;entity half isPort ( a : in STD_LOGIC;b : in STD_LOGIC;s : out STD_LOGIC;co : out STD_LOGIC);end half;architecture Behavioral of half issignal c,d : STD_LOGIC;beginc <= a or b;d <= a nand b;s <= c and d;co <= not d;end Behavioral;波形仿真结果为：全加器源程序为：library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;entity full isPort ( a : in STD_LOGIC;b : in STD_LOGIC;cin : in STD_LOGIC;s : out STD_LOGIC;co : out STD_LOGIC);end full;architecture Behavioral of full iscomponent halfPORT (a, b: IN std_LOGIC;s,co: OUT std_LOGIC);end component;signal u0_co,u0_s,u1_co:std_logic;beginu0:half port map(a,b,u0_s,u0_co);u1:half port map(u0_s,cin,s,u1_co);co<=u0_co or u1_co;end Behavioral;波形仿真结果为：\ 实验二12进制计数器一、实验目的1、熟悉Xilinx的ISE软件的使用和设计流程；2、初步了解VHDL的编程方法；3、使用VHDL语言创建、仿真并验证12进制计数器。

FPGA开发全攻略——配置电路展开全文配置电路FPGA配置方式灵活多样，根据芯片是否能够自己主动加载配置数据分为主模式、从模式以及JTAG模式。

典型的主模式都是加载片外非易失( 断电不丢数据) 性存储器中的配置比特流，配置所需的时钟信号( 称为CCLK) 由FPGA内部产生，且FPGA控制整个配置过程。

从模式需要外部的主智能终端( 如处理器、微控制器或者DSP等) 将数据下载到FPGA中，其最大的优点就是FPGA 的配置数据可以放在系统的任何存储部位，包括：Flash、硬盘、网络，甚至在其余处理器的运行代码中。

JTAG 模式为调试模式，可将PC 中的比特文件流下载到FPGA中，断电即丢失。

此外，目前赛灵思还有基于Internet 的、成熟的可重构逻辑技术System ACE解决方案。

(1) 主模式在主模式下，FPGA上电后，自动将配置数据从相应的外存储器读入到SRAM中，实现内部结构映射；主模式根据比特流的位宽又可以分为：串行模式( 单比特流) 和并行模式( 字节宽度比特流) 两大类。

如：主串行模式、主SPI Flash 串行模式、内部主SPI Flash串行模式、主BPI 并行模式以及主并行模式，如图5-19所示。

(2) 从模式在从模式下，FPGA 作为从属器件，由相应的控制电路或微处理器提供配置所需的时序，实现配置数据的下载。

从模式也根据比特流的位宽不同分为串、并模式两类，具体包括：从串行模式、JTAG模式和从并行模式三大类，其概要说明如图5-20所示。

(3)JTAG模式在JTAG模式中，PC和FPGA通信的时钟为JTAG接口的TCLK，数据直接从TDI进入FPGA，完成相应功能的配置。

图5-19 常用主模式下载方式示意图图5-20 常用的从模式下载方式示意图目前，主流的FPGA芯片都支持各类常用的主、从配置模式以及JTAG，以减少配置电路失配性对整体系统的影响。

在主配置模式中，FPGA自己产生时钟，并从外部存储器中加载配置数据，其位宽可以为单比特或者字节；在从模式中，外部的处理器通过同步串行接口，按照比特或字节宽度将配置数据送入FPGA芯片。

一个4与门电路的例子来说明LUT实现逻辑功能的原理如前所述，FPGA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等等，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。

表1-1 4输入与门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。

由于基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功能，所以适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。

FPGA_百度百科FPGA（Field-Programmable Gate Array）是可编程逻辑门阵列的缩写，是一种集成电路芯片。

与其他可编程芯片（如微控制器）不同的是，FPGA的结构可以随意配置和重新配置，因此具有极高的灵活性和可编程性。

本文将介绍FPGA的定义、原理、应用以及其在科技领域的前景。

一、FPGA的定义FPGA是一种具备灵活可配置性的集成电路芯片，在设计和制造过程中，其内部逻辑电路结构可以自由配置和重新配置。

这种可变性使得FPGA适用于各种应用，并且能够在实时性要求高、多样化工程任务中发挥出色的性能。

FPGA的芯片内部由大量的可编程逻辑块（Configurable Logic Block，CLB）组成，这些块可以连接成任意的逻辑电路。

二、FPGA的原理FPGA的原理可以简单地描述为：FPGA芯片内部由大量的可编程逻辑块连接而成，这些逻辑块可以自由配置和重配。

在设计过程中，用户可以利用硬件描述语言（HDL）编写逻辑电路的代码，然后使用专门的设计工具将代码映射到FPGA芯片的逻辑块上，从而形成所需的逻辑电路。

一旦配置完成，FPGA芯片即可按照设计要求进行工作。

三、FPGA的应用由于FPGA具备高度的灵活性和可配置性，它在各个领域都有广泛的应用。

以下是FPGA在几个主要领域中的应用示例。

1. 通信和网络FPGA广泛应用于通信和网络领域，可以用于实现各种通信协议和网络协议的硬件加速。

通过配置FPGA芯片，可以提高通信和网络设备的性能和吞吐量，同时降低功耗。

2. 图像处理图像处理是FPGA的另一个主要应用领域。

FPGA可以通过并行处理实现实时的图像处理和图像识别算法。

例如，FPGA可以用于实现实时视频编解码、图像滤波、目标检测等功能。

3. 工业控制FPGA在工业控制领域也有重要的应用。

它可以用于实现各种控制算法和控制系统。

例如，FPGA可以用于实现工业机器人的控制、自动化生产线的控制以及工厂中的传感器和执行器的控制。

什么是FPGA？FPGA是什么意思FPGA 是英文Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、PLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA 采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。

FPGA 的基本特点主要有：1）采用FPGA 设计ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

--2）FPGA 可做其它全定制或半定制ASIC 电路的中试样片。

3）FPGA 内部有丰富的触发器和I／O 引脚。

4）FPGA 是ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5) FPGA 采用高速CHMOS 工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL 电平兼容。

可以说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

目前FPGA 的品种很多，有XILINX 的XC 系列、TI 公司的TPC 系列、ALTERA 公司的FIEX 系列等。

FPGA 是由存放在片内RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM 进行编程。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA 芯片将EPROM 中数据读入片内编程RAM 中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。

掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。

FPGA 的编程无须专用的FPGA 编程器，只须用通用的EPROM、PROM 编程器即可。

当需要修改FPGA 功能时，只需换一片EPROM 即可。