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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。
fpga芯片的种类FPGA芯片的种类FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它具有灵活可塑性和高性能，被广泛应用于数字电路设计和嵌入式系统开发领域。
随着技术的不断发展，FPGA芯片也呈现出多样化的种类和功能，本文将介绍几种常见的FPGA芯片。
1. Xilinx Virtex系列Xilinx Virtex系列是业界最强大的FPGA产品系列之一。
它以其卓越的性能和丰富的资源而受到广泛关注。
Virtex系列采用了最新的FPGA架构，具有高达数百万个可编程逻辑单元（LUT）和丰富的高速IO接口，可满足复杂系统设计的需求。
此外，Virtex系列还提供了丰富的硬核IP（Intellectual Property），如处理器核、高速串行收发器等，使其在高性能计算和通信领域具有重要应用。
2. Altera Cyclone系列Altera Cyclone系列是一种低成本、低功耗的FPGA芯片，广泛用于嵌入式系统和消费电子产品中。
Cyclone系列采用了先进的工艺技术，具有较高的逻辑密度和丰富的资源。
该系列芯片在功耗控制上表现出色，可满足对低功耗需求较高的应用场景。
Cyclone系列还支持多种外围接口和通信协议，如CAN、SPI、I2C等，方便与其他设备进行通信和互联。
3. Lattice iCE系列Lattice iCE系列是一种超低功耗的FPGA芯片，适用于移动设备和便携式电子产品。
iCE系列采用了极小的封装和低功耗设计，能够在极端环境下提供可靠的性能。
该系列芯片具有快速启动和低功耗特性，适合应用于电池供电的场景。
iCE系列还具有较高的集成度和资源利用率，可满足对系统复杂度和成本要求较高的应用。
4. Intel Stratix系列Intel Stratix系列是一种高性能、高密度的FPGA芯片，由英特尔（Intel）公司推出。
Stratix系列采用了英特尔的最新工艺技术，具有卓越的性能和可靠性。
1.第一章：FPGA/CPLD简介●FPGA一般是基于SRAM工艺的，其基于可编程逻辑单元通常是由查找表（LUT，look up table）和寄存器（register）组成。
其中内部的查找表通常是4输入的，查找表一般完成纯组合逻辑功能；●Xilinx可编程逻辑单元叫做slice，它由上下两部分组成，每部分都由一个register加上一个LUT组成，被称为LC（logic cell，逻辑单元），两个LC之间有一些共用逻辑，可以完成LC之间的配合工作与级连；●Altera可编程逻辑单元叫做LE（Logic Element，逻辑单元），由一个register加上一个LUT构成；Lattice的底层逻辑单元叫做PFU（programmable Function unit，可编程功能单元），它由8个LUT和9个register组成。
●Ram和dpram/spram/伪双口RAM，CAM（content addressable memory）。
Fpga中其实没有专业的rom硬件资源，实现ROM是对RAM赋初置，并且保存此初值●CAM，即内容地址储存器，在其每个存储单元都包含了一个内嵌的比较逻辑，写入cam的数据会和其内部存储的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所以内部数据的地址。
总结：RAM是一种根据地址读/写数据的存储单元；而CAM 和RAM恰恰相反，它返回的是与端口数据相匹配的内部地址。
使用很广，比如路由器中的地址交换表等等●Xilinx块ram大小是4kbit和18kbit两种结构。
Lattice块ram是9kbit●分布式ram适合用于多块小容量的ram的设计；●Dll（delay-locked loop）延迟锁定回环或者pll（phase locked loop）锁相环，可以用以完成时钟的高精度，地抖动的倍频/分频/占空比调整/移相等功能。
Xilinx主要集成的是DLL，叫做CLKDLL，在高端的FPGA中，CLKDLL的增强型模块为DCM （digital clock manager，数字时钟管理模块）。
目前FPGA芯片仍是基于查找表技术的，但其概念和性能已经远远超出查找表技术的限制，并且整合了常用功能的硬核模块（如块RAM、时钟管理和DSP）。
图1-1所示为Xilinx公司FPGA的内部结构示意图（由于不同系列的应用场合不同，所以内部结构会有一定的调整），从中可以看出FPGA芯片主要由 6部分组成：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。
图1-1 FPGA芯片的内部结构每个模块的功能如下：1．可编程输入输出单元（IOB）可编程输入/输出单元简称I/O单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求，提供输入缓冲、输出驱动、接口电平转换、阻抗匹配以及延迟控制等功能，其一般示意结构如图1-2所示。
FPGA内的I/O按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O标准。
通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/O物理特性，可以调整驱动电流的大小，可以改变上、下拉电阻。
目前，I/O口的频率也越来越高，一些高端的FPGA 通过DDR寄存器技术可以支持高达2Gbps的数据速率。
外部输入信号可以通过IOB模块的存储单元输入到FPGA的内部，也可以直接输入FPGA 内部。
当外部输入信号经过IOB模块的存储单元输入到FPGA内部时，其保持时间（Hold Time）的要求可以降低，通常默认为0。
为了便于管理和适应多种电器标准，FPGA的IOB被划分为若干个组（bank），每个bank的接口标准由其接口电压VCCO决定，一个bank只能有一种VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。
只有相同电气标准的端口才能连接在一起，VCCO 电压相同是接口标准的基本条件。
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4或6个输入、一些选型电路（多路复用器等）和触发器组成。
