第三章FPGA结构与工作原理新

fpga寄存器的工作原理FPGA寄存器是在FPGA芯片内部用来存储数据的硬件单元。

FPGA寄存器在数字电路设计中具有非常重要的作用，下面我们将详细地介绍FPGA寄存器的工作原理。

1. FPGA的架构首先，需要了解FPGA芯片的基本架构。

FPGA芯片由可编程逻辑单元（PL）和可编程输入输出单元（IO）组成。

PL是由LUT（Lookup Table）和触发器（flip-flop）组成的逻辑单元，而IO则负责与外部设备进行数据的输入输出。

在FPGA的PL中，可编程器件的逻辑工作原理是先将设计逻辑翻译成一个数码逻辑网表，最后将这个网表解析成逻辑单元，得到FPGA的物理实现。

2. FPGA寄存器的结构在FPGA中，触发器是用来存储数据的最基本的单元，而FPGA寄存器就是由触发器组成的。

FPGA寄存器的结构和普通的寄存器类似，由一个存储单元和一个控制单元构成。

存储单元由触发器构成，控制单元则由时钟信号、清零信号和读写控制信号等组成。

3. FPGA寄存器的工作原理FPGA寄存器的工作原理是将存储单元的数据进行输入输出。

在读写数据时，需要对控制单元进行相应的操作，以下是具体的工作原理：当写数据时，需要将数据输入到存储单元。

此时，将逻辑电路输出的数据信号通过寄存器的数据输入端口，输入到寄存器的存储单元中。

同时，控制单元接收到写数据的信号后，将数据进行缓存，等待写操作的触发。

（2）清零数据当需要清零存储单元中的数据时，可以通过发送清零信号来实现。

清零信号会将存储单元中的数据全部清零。

（3）读数据当需要读取存储单元中的数据时，需要通过读数据的信号来触发操作。

此时，控制单元将存储单元中的数据读出，并输出到逻辑电路中。

（4）时钟信号在FPGA的系统中，时钟信号扮演着至关重要的角色。

时钟信号会周期性地发出，以确定系统中的所有操作的时间。

当时钟信号发出时，控制单元会执行相应的操作，读写存储单元中的数据。

4. FPGA寄存器的特性FPGA寄存器具有以下几个特性：（1）可重置FPGA寄存器中的数据可以通过外部信号进行清零操作，这意味着FPGA寄存器具有可重置的特性。

FPGA芯片结构工作原理与软核硬核固核详解FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它以其灵活性和可配置性在数字电路设计中广泛应用。

FPGA的结构和工作原理涉及到软核、硬核和固核等概念，下面将对这些内容进行详解。

首先，我们来看FPGA的结构。

FPGA通常包含三个主要的部分：可编程逻辑单元（PLU）、可编程的开关矩阵（Switch Matrix）和输入/输出资源（IOs）。

PLU是FPGA的核心部分，它由可编程的逻辑单元（Look-Up Tables，LUTs）和触发器（Flip-Flops）组成。

LUTs可以通过编程来实现特定逻辑功能，而Flip-Flops用于存储状态信息。

Switch Matrix 用于连接PLU中的逻辑单元，实现不同逻辑单元之间的信号传输。

IOs用于与外部设备进行数据输入和输出。

FPGA的工作原理基于可编程逻辑单元和开关矩阵的组合。

开发者可以使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编写逻辑电路的描述，并通过设计软件将其映射到FPGA上。

软件工具会将逻辑电路的描述翻译成FPGA的配置位流（Configuration Bitstream），然后通过JTAG或其他方式将配置位流加载到FPGA中。

一旦配置完成，FPGA开始执行逻辑电路的功能，通过开关矩阵和PLU来实现信号的传输和处理。

通过重新编程可以改变FPGA中的逻辑电路功能，实现动态的功能更新。

接下来，我们来介绍软核、硬核和固核的概念。

软核（soft core）是指在FPGA芯片上实现的软件模拟的处理器。

软核是通过编程实现的，不同的开发者可以根据自己的需求来编写软核的代码。

软核具有灵活性，可以根据应用的要求进行修改和定制，但其性能通常低于硬核。

硬核（hard core）是指在FPGA芯片设计过程中由厂商提供的硬件IP核。

硬核是由硬件描述语言编写的，具有高性能和低功耗的特点。

fpga查找表结构的工作原理
FPGA查找表是一种常用的数字逻辑电路结构，其工作原理如下：首先，FPGA查找表由多个输入端和一个输出端组成，每个输入端都可以取0或1两种状态。

查找表的内部结构是一个由多个存储单元组成的数组，每个存储单元中存储着一个布尔函数的值。

当输入信号到达查找表时，每个输入信号的状态会被映射到相应的存储单元上，存储单元中存储的布尔函数的值就会被取出，并根据输入信号的状态进行逻辑运算。

最终的运算结果就是查找表的输出信号。

例如，一个2输入的查找表，其内部结构为一个2x1的数组，存储单元中的布尔函数如下：
00 -> 1
01 -> 0
10 -> 0
11 -> 1
当输入信号为00时，查找表的输出信号为1；当输入信号为01或10时，输出信号为0；当输入信号为11时，输出信号为1。

FPGA查找表的优点是其具有较快的运算速度和灵活的配置能力。

不过，查找表的大小是有限的，因此在设计复杂的数字电路时，需要考虑使用多个查找表并联或级联的方式来实现。

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FPGA与CPLD的结构原理FPGA结构原理：FPGA是一种可重构器件，它由大量的可编程逻辑单元（Logic Element，LE）组成，每个LE都包含查找表（Look-Up Table，LUT）、寄存器以及可编程连接资源。

FPGA的结构原理可以分为三个关键组件：查找表、可编程连接资源和I/O资源。

1.查找表：FPGA中的查找表是其最基本的单元，通常由4-6个输入信号和1个或多个输出信号组成。

查找表中包含一个存储器单元和一组可编程拨码开关。

存储器单元中存储了一组真值表，根据输入信号的组合来选择对应的输出信号。

这种基于查找表的逻辑实现既灵活又高效。

2.可编程连接资源：FPGA中的连接资源是一个非常重要的部分，它可以实现片上资源之间的任意连接。

通常，FPGA中的连接资源采用可编程互连点（Programmable Interconnect Point，PIP）的方式实现。

每个PIP可以通过可编程电路来控制是否对其中一对逻辑单元进行连接。

3.I/O资源：FPGA的I/O资源用于与外部世界进行交互。

每个I/O资源通常包含输入/输出引脚、输入/输出缓冲器以及可编程的电平转换电路。

通过对I/O资源的编程，可以根据实际需求来设置引脚的输入/输出电平以及输出驱动能力。

CPLD结构原理：CPLD是一种较小规模的可编程逻辑器件，它通常由若干个宏单元（Macrocell）组成，每个宏单元都包含与FPGA相似的逻辑资源和可编程连接资源。

CPLD的结构原理可以分为三个关键组件：宏单元、可编程连接资源和I/O资源。

1.宏单元：宏单元是CPLD的核心单元，通常由多个查找表、寄存器和触发器组成。

宏单元中的查找表用于实现逻辑功能，寄存器用于存储中间结果或控制信号，触发器用于实现时序逻辑。

一个CPLD可以包含多个宏单元，各个宏单元可以通过可编程连接资源相互连接。

2.可编程连接资源：CPLD中的可编程连接资源通常采用矩阵交叉开关（Crosspoint Switch）的方式实现。

FPGA结构与原理FPGA（现场可编程门阵列）是一种可以通过编程配置的硬件设备，可以实现数字逻辑电路的功能。

它使用大量的逻辑门、寄存器和可编程的连线资源，可以实现各种复杂的数字逻辑电路，如处理器、通信接口、图像处理等。

本文将介绍FPGA的结构与原理。

一、FPGA的结构FPGA的主要结构由三个部分组成：逻辑单元（Logic Element，LE）、可编程内部连接资源和输入/输出资源。

1. 逻辑单元（Logic Element，LE）逻辑单元是FPGA的基本计算单元，用于实现数字逻辑功能。

每个逻辑单元由一个或多个可编程逻辑元素（PLE）组成，PLE包括逻辑门（如与门、或门、非门等）、选择器和触发器（如D触发器或JK触发器）。

逻辑单元中的PLE经过编程配置后，可以实现各种逻辑功能，如布尔运算、复杂的控制逻辑等。

2.可编程内部连接资源可编程内部连接资源是FPGA中用于连接逻辑单元的资源，通过编程配置可以将逻辑单元连接起来。

它通常由多层的可编程互连网络构成，可以通过编程来控制信号的传输路径。

内部连接资源可以实现各种逻辑电路的连接，如寄存器、加法器、乘法器、存储器等。

3.输入/输出资源输入/输出资源用于与FPGA外部环境进行通信，包括输入和输出引脚以及输入/输出接口电路。

FPGA可以通过输入引脚接收外部数据，并将输出数据通过输出引脚发送到外部环境。

输入/输出引脚可以通过编程配置来控制数据的传输方向和数据的格式。

二、FPGA的原理FPGA的工作原理可以概括为编程配置、逻辑运算和时序控制。

1.编程配置FPGA的编程配置是将逻辑单元和可编程内部连接资源设置为特定的状态，使其能够实现特定的逻辑功能。

编程配置通常使用设计工具通过硬件描述语言（HDL）或图形化界面进行。

编程配置可以通过厂商提供的评估板、开发工具或JTAG接口等进行。

2.逻辑运算FPGA的逻辑运算是通过逻辑单元实现的。

逻辑单元可以根据编程配置的逻辑功能来执行相应的逻辑运算。

FPGA工作原理
FPGA（现场可编程门阵列）是一种基于可靠硬件的集成电路。

与其他集成电路（如ASIC）相比，它提供了更大的灵活性和
可编程性。

FPGA的工作原理主要基于其内部的可编程逻辑单元（PL）和可编程连接资源（CLB）。

PL由一系列可编程的逻辑门组成，可以根据需要进行任意配置，从而实现不同的逻辑功能。

CLB 是一组可编程的互连资源，可以通过将逻辑单元之间的线缆连接起来，将它们相互链接以实现所需的连接关系。

FPGA的配置是通过加载一个特定的位流文件来完成的。

该文
件描述了在FPGA中应该配置的逻辑功能和连接关系。

当位
流文件加载到FPGA时，PL和CLB中的逻辑门和连接资源被
相应地配置。

通过重新加载不同的位流文件，FPGA可以实现不同的功能和
连接配置。

这使得FPGA可以应对不同的应用需求，而无需
进行硬件级的更改。

FPGA的可编程性使得它在许多应用领域中广泛使用。

例如，
它可以用于数字信号处理、计算加速、通信协议处理等。

此外，在原型开发和验证过程中，FPGA也经常被用作快速验证和验
证的平台。

总结起来，FPGA通过可编程逻辑单元和可编程连接资源的配置，实现了不同的逻辑功能和连接关系。

通过加载不同的位流
文件，FPGA可以在不同的应用场景中灵活适应需求，具有广泛的应用前景。

FPGA原理及芯片结构介绍FPGA (Field-Programmable Gate Array)是一种可编程逻辑芯片，其原理和芯片结构是现代电子设备中非常重要的一部分。

本文将介绍FPGA的原理和芯片结构。

FPGA的原理是基于集成电路技术，它利用可编程逻辑单元和可编程互连资源来实现任意逻辑功能的构建。

FPGA的核心是一个有大量逻辑单元的矩阵，每个逻辑单元可以执行各种逻辑操作。

这些逻辑单元通过互连资源连接在一起，以实现特定的功能。

与固定逻辑电路不同，FPGA的逻辑单元和互连资源可以根据需要进行编程，从而实现不同的设计。

FPGA的芯片结构主要由三个部分组成：可编程逻辑单元阵列（CLB）和可编程交换网络（switching network），以及输入/输出资源（IOB）。

可编程逻辑单元阵列（CLB）是FPGA的主要组成部分。

它由一系列的逻辑门和触发器组成，可以实现各种逻辑操作。

逻辑门用于实现布尔逻辑功能，如与、或、非等。

触发器用来存储数据，通常用于时序电路的设计。

CLB中的逻辑单元可以根据需要进行编程，以实现特定的功能。

可编程交换网络是FPGA中的重要部分，用于连接逻辑单元和输入/输出资源。

它由一系列的可编程开关和连接线组成，可以根据需要进行编程，以实现逻辑信号的传输。

交换网络通常采用分层结构，每一层都有一组开关和连接线，可以实现不同层之间的通信。

输入/输出资源（IOB）是FPGA与外部设备进行数据交换的接口。

它通常包括输入引脚、输出引脚和时钟引脚等。

输入引脚用于接收外部电路传输的数据，输出引脚用于向外部电路传输数据，时钟引脚用于同步数据传输。

IOB还可以包括输入/输出缓冲器、电平转换器等电路，以实现与外部设备的接口转换。

总之，FPGA是一种可编程逻辑芯片，它的原理和芯片结构是基于可编程逻辑单元和互连资源来实现任意逻辑功能的构建。

通过编程，FPGA 可以实现不同的逻辑功能，并可以根据需要进行重新编程。

fpga的基本工作原理和特点
FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，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。

FPGA 采用了逻辑单元数组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 的基本工作原理是：通过编程将逻辑功能配置到FPGA 芯片中，然后使用这些逻辑功能来实现特定的电路设计。

FPGA 可以通过重新编程来改变其逻辑功能，从而使其能够适应不同的应用需求。

FPGA 的主要特点包括：
1. 可编程性：FPGA 可以通过编程来实现不同的逻辑功能，而不需要改变硬件电路。

2. 灵活性：FPGA 可以快速地进行重新编程，以适应不同的设计需求。

3. 高性能：FPGA 可以实现高速的逻辑运算，具有较高的性能。

4. 低功耗：FPGA 相对于ASIC 等定制电路来说，功耗较低。

5. 可扩展性：FPGA 可以通过增加芯片数量来扩展系统规模，以满足更大规模的设计需求。

CPLD/FPGA 结构与原理/advance/structures/lut.htm一.基于乘积项（Product-Term)的PLD结构采用这种结构的PLD芯片有：Altera的MAX7000，MAX3000系列（EEPROM工艺）,Xilinx的XC9500系列（Flash工艺）和Lattice,Cypress的大部分产品（EEPROM工艺）我们先看一下这种PLD的总体结构（以MAX7000为例，其他型号的结构与此都非常相似）：图1 基于乘积项的PLD内部结构这种PLD可分为三块结构：宏单元（Marocell)，可编程连线（PIA)和I/O控制块。

宏单元是PLD的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。

图1中蓝色部分是多个宏单元的集合（因为宏单元较多，没有一一画出）。

可编程连线负责信号传递，连接所有的宏单元。

I/O控制块负责输入输出的电气特性控制，比如可以设定集电极开路输出，摆率控制，三态输出等。

图1 左上的INPUT/GCLK1，INPUT/GCLRn,INPUT/OE1,INPUT/OE2 是全局时钟，清零和输出使能信号，这几个信号有专用连线与PLD中每个宏单元相连，信号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。

宏单元的具体结构见下图：图2 宏单元结构左侧是乘积项阵列，实际就是一个与或阵列，每一个交叉点都是一个可编程熔丝，如果导通就是实现“与”逻辑。

后面的乘积项选择矩阵是一个“或”阵列。

两者一起完成组合逻辑。

图右侧是一个可编程D触发器，它的时钟，清零输入都可以编程选择，可以使用专用的全局清零和全局时钟，也可以使用内部逻辑（乘积项阵列）产生的时钟和清零。

如果不需要触发器，也可以将此触发器旁路，信号直接输给PIA或输出到I/O脚。

二.乘积项结构PLD的逻辑实现原理下面我们以一个简单的电路为例,具体说明PLD是如何利用以上结构实现逻辑的，电路如下图：图3假设组合逻辑的输出(AND3的输出)为f，则f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D + B*C*!D ( 我们以!D表示D的“非”）PLD将以下面的方式来实现组合逻辑f:图4A,B,C,D由PLD芯片的管脚输入后进入可编程连线阵列（PIA)，在内部会产生A,A反,B,B反,C,C反,D,D反8个输出。

eda技术及应用第三版课后答案谭会生【篇一：《eda技术》课程大纲】>一、课程概述1.课程描述《eda技术》是通信工程专业的一门重要的集中实践课，是通信工程专业学生所必须具备的现代电子设计技术技能知识。

eda是电子技术的发展方向，也是电子技术教学中必不可少的内容。

本课程主要介绍可编程逻辑器件在电子电路设计及实现上的应用，介绍电路原理图和pcb图的设计技术。

开设该课程，就是要让学生了解大规模专用集成电路fpga和cpld的结构，熟悉一种以上的硬件描述语言，掌握一种以上的开发工具的使用等，掌握电路原理图和pcb图的现代设计技术与方法，从而提高学生应用计算机对电子电路和高速智能化系统进行分析与设计的能力。

2.设计思路本课程坚持“以学生为中心”的原则，以项目任务驱动的方式，采取理论知识与案例相结合的方式授课，提高学生的学习主动性。

通过必要的理论知识讲授、大量的实践训练和案例分析，培养学生的动手设计和实践能力，掌握eda开发的整个流程和基本技巧。

课程采用演示讲授和实践相结合，边讲边练的方法，让学生切身体会并掌握eda开发产品的流程和方法。

本课程集中2周时间开设，注重实践性，边讲边练，让学生切身体会并掌握eda开发技术。

3.实践要求（1）纪律和安全要求①不得将食物带入实验室，每次实训后请将使用后的废弃物带走。

违反者每次扣罚平时分2分。

②实训期间不得做与实训无关的其他事情，不得大声喧哗或做其他影响实训正常进行的事宜。

违反者每次扣罚平时分2分。

③实训期间，若学生有事不能正常参加实训，须提前以书面形式请假，并按指导教师的安排补做实训。

未经指导教师许可，学生不得任意调换实训时间和实训地点。

违反者每次扣罚平时分4分。

④学生不得以任何理由替代他人进行实训，违者直接取消实训成绩。

⑤学生除操作自己所分配的计算机外，不得操作实验室内其他任何设备。

违者每次扣罚平时分2分。

（2）业务要求实训所使用的软件protel和quartus ii，所有数据均通过服务器中转以及储存在服务器上，所以重启自己所用的电脑不会造成数据丢失。