FPGA技术教程(通俗易懂)
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《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入门培训教材共45张PPT课件
# STEP#2: run synthesis, report utilization and timing synth_design -top bft -part xc7k70tfbg484-2 write_checkpoint -force $outputDir/post_synth report_timing_summary -file $outputDir/post_synth_timing_summary.rpt report_power -file $outputDir/post_synth_power.rpt # STEP#3: run placement and logic optimzation, report utilization and timingestimates, write checkpoint design opt_design place_design phys_opt_design write_checkpoint -force $outputDir/post_place report_timing_summary -file $outputDir/post_place_ti家！
# STEP#4: run router, report actual utilization and timing, write checkpoint design, run drc, write verilog and xdc out route_design write_checkpoint -force $outputDir/post_route report_timing_summary -file $outputDir/post_route_timing_summary.rpt report_timing -sort_by group -max_paths 100 -path_type summary -file $outputDir/post_route_timing.rpt report_clock_utilization -file $outputDir/clock_util.rpt report_utilization -file $outputDir/post_route_util.rpt report_power -file $outputDir/post_route_power.rpt report_drc -file $outputDir/post_imp_drc.rpt write_verilog -force $outputDir/bft_impl_netlist.v write_xdc -no_fixed_only -force $outputDir/bft_impl.xdc
# STEP#4: run router, report actual utilization and timing, write checkpoint design, run drc, write verilog and xdc out route_design write_checkpoint -force $outputDir/post_route report_timing_summary -file $outputDir/post_route_timing_summary.rpt report_timing -sort_by group -max_paths 100 -path_type summary -file $outputDir/post_route_timing.rpt report_clock_utilization -file $outputDir/clock_util.rpt report_utilization -file $outputDir/post_route_util.rpt report_power -file $outputDir/post_route_power.rpt report_drc -file $outputDir/post_imp_drc.rpt write_verilog -force $outputDir/bft_impl_netlist.v write_xdc -no_fixed_only -force $outputDir/bft_impl.xdc
FPGA学习步骤
FPGA学习步骤FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程的数字逻辑设备，具有强大的计算能力和灵活性。
学习FPGA涉及多个方面的知识和技能，以下是一个学习FPGA的步骤。
1.学习数字电路基础知识：学习数字逻辑、组合逻辑、时序逻辑、时钟域等基础知识。
了解逻辑门、多路选择器、编码器、解码器等基础组件的工作原理和常见应用。
2. 学习HDL语言：FPGA设计通常使用硬件描述语言（HDL）进行，如VHDL或Verilog。
学习HDL语言的基本语法、数据类型、运算符以及模块化设计方法。
掌握HDL语言的基本语法和常用语句，能够编写简单的模块。
同时，了解设计模块之间的连接和通信方式。
3. 熟悉开发工具：选择一款FPGA开发工具，如Xilinx ISE、Altera Quartus等，并熟悉其使用方法。
掌握工具的安装、项目的创建、仿真、烧写等基本操作。
了解工具中提供的IP核和库函数，以及如何使用这些资源来简化设计过程。
4.学习FPGA体系结构：了解FPGA的基本组成元件和工作原理，包括可编程逻辑单元（PLU）、片上存储器（BRAM）和片上时钟管理等。
熟悉FPGA的时序特性和时钟域设计方法，掌握时钟驱动设计的原则和技巧。
5.设计简单的数字逻辑电路：从简单的数字逻辑电路开始，如全加器、加法器、乘法器等。
通过HDL语言编写这些电路的设计和仿真测试，然后在FPGA上实现并验证电路功能。
通过不断实践，加深对数字逻辑电路设计和FPGA实现的理解。
6.学习FPGA高级应用：掌握FPGA高级应用的设计方法，如时序逻辑设计、状态机设计、数据通路设计等。
了解时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、空分复用（SDM）等常用数据传输方式的原理。
学习高级FPGA设计技术，如流水线设计、多周期设计、并行设计等。
7.学习FPGA外设接口：了解FPGA的外设接口标准，如UART、SPI、I2C、PCIe等，以及各种外设的工作原理和接口电路设计。
FPGA开发入门教程
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。
fpga的编程方法
fpga的编程方法FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程的逻辑器件，能够根据用户的需求进行编程，实现各种不同的功能。
FPGA的编程方法有多种，包括硬件描述语言和图形化编程工具。
本文将介绍几种常用的FPGA编程方法，并对其特点和应用进行详细阐述。
一、硬件描述语言（HDL）硬件描述语言是一种用于描述数字电路的语言，常用的HDL有VHDL （VHSIC Hardware Description Language）和Verilog。
这种编程方法将硬件电路抽象为逻辑门、寄存器等基本元素，并通过编写代码来描述它们之间的连接关系和功能。
HDL具有描述精确、灵活性强的特点，适用于复杂的电路设计和开发。
使用HDL进行FPGA编程的过程大致包括以下几个步骤：1. 设计电路结构：根据需求和功能设计电路的逻辑结构，包括各个模块的功能和连接关系。
2. 编写HDL代码：使用VHDL或Verilog编写描述电路结构和功能的代码，包括模块实例化、信号赋值、时序控制等。
3. 综合与布局：将HDL代码综合为门级网表，然后进行布局布线，生成可配置的FPGA逻辑电路。
4. 下载与调试：将生成的逻辑电路下载到FPGA芯片中，并进行功能验证和调试。
二、图形化编程工具除了使用HDL进行编程，FPGA的编程方法还包括使用图形化编程工具，如LabVIEW FPGA和Xilinx System Generator等。
这些工具提供了可视化的界面，用户只需通过拖拽和连接图形元件，即可完成对FPGA的编程。
图形化编程工具的使用过程相对简单，适合初学者或对硬件电路编程不熟悉的人。
用户只需选择所需的功能模块，将其拖入工作区域，并通过连接线将各个模块连接起来。
然后，通过配置模块的参数和时序，即可生成对应的FPGA逻辑电路。
三、特殊领域的FPGA编程方法除了传统的HDL和图形化编程工具，还有一些特殊领域的FPGA编程方法。
FPGA的基本原理(详细+入门)
十、 FPGA的集成度
门阵等效门：一个门阵等效门定义为一个两输入端的“与非”门。 系统门：是芯片上门的总数，是厂家指定给器件的一个门数。
十一、FPGA的封装
1、引脚数：FPGA芯片总的引脚数。 2、用户I/O数：指除了电源引脚、特殊功能引脚外的引脚，这些引脚可根据用户的需要进行配置。 3、 I/O驱动电流：8mA 或10mA。 4、时钟网络数：FPGA芯片可能包含1个、2个或4个时钟网络。 5、封装：PLCC，PQFP，CPGA等封装形式。 6、工作温度范围：FPGA芯片一般有商用、工业用及军用等不同的工作温度范围。 7、工作环境：一般分普通工作环境和航天工作环境。
ACT1模块是如何实现三输入与门的？
2、查表型FPGA结构 两输入与门： 4 X 1 RAM 表：
A
B
C
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
A1
A0
（二）、 什么是FPGA？ FPGA是英语（Field programmable Gate Array）的缩写，即现场可编程门阵。它的结构类似于掩膜可编程门阵（MPGA），由可编程逻辑功能块和可编程I/O模块排成阵列组成，并由可编程的内部连线连接这些逻辑功能块和I/O模块来实现不同的设计。 1、FPGA与MPGA的区别： MPGA利用集成电路制造过程进行编程来形成金属互连，而FPGA利用可编程的电子开关实现逻辑功能和互连。 2、FPGA与CPLD的区别： 1) 结构不同：FPGA是由可编程的逻辑模块、可编程的分段互连线和I/O模块组成，而CPLD是由逻辑阵列块、可编程连线阵列和I/O模块组成。 2) CPLD延时可预测（Predictable），FPGA的延时与布局布线情况有关。 3) CPLD 组合逻辑多而触发器较少，而FPGA触发器多。
门阵等效门：一个门阵等效门定义为一个两输入端的“与非”门。 系统门：是芯片上门的总数，是厂家指定给器件的一个门数。
十一、FPGA的封装
1、引脚数：FPGA芯片总的引脚数。 2、用户I/O数：指除了电源引脚、特殊功能引脚外的引脚，这些引脚可根据用户的需要进行配置。 3、 I/O驱动电流：8mA 或10mA。 4、时钟网络数：FPGA芯片可能包含1个、2个或4个时钟网络。 5、封装：PLCC，PQFP，CPGA等封装形式。 6、工作温度范围：FPGA芯片一般有商用、工业用及军用等不同的工作温度范围。 7、工作环境：一般分普通工作环境和航天工作环境。
ACT1模块是如何实现三输入与门的？
2、查表型FPGA结构 两输入与门： 4 X 1 RAM 表：
A
B
C
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
A1
A0
（二）、 什么是FPGA？ FPGA是英语（Field programmable Gate Array）的缩写，即现场可编程门阵。它的结构类似于掩膜可编程门阵（MPGA），由可编程逻辑功能块和可编程I/O模块排成阵列组成，并由可编程的内部连线连接这些逻辑功能块和I/O模块来实现不同的设计。 1、FPGA与MPGA的区别： MPGA利用集成电路制造过程进行编程来形成金属互连，而FPGA利用可编程的电子开关实现逻辑功能和互连。 2、FPGA与CPLD的区别： 1) 结构不同：FPGA是由可编程的逻辑模块、可编程的分段互连线和I/O模块组成，而CPLD是由逻辑阵列块、可编程连线阵列和I/O模块组成。 2) CPLD延时可预测（Predictable），FPGA的延时与布局布线情况有关。 3) CPLD 组合逻辑多而触发器较少，而FPGA触发器多。
FPGA开发入门教程
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_ALTERA_Quartus_II__和_XILINX___ISE_CPLD入门教程_教案_VHDL_Verilog_例程讲解
广州邦讯信息系统有限公司 FPGA培训教程
2011-8
FPGA介绍
何为FPGA?
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
Verilog HDL 的抽象级别
语言本身提供了各种层次抽象的表述，可以用详细 程度有很大差别的的多层次模块组合来描述一个 电路系统。 行为级：技术指标和算法的Verilog描述 RTL关级：具体的晶体管物理器件的描述
Verilog HDL 的抽象级别
设计复杂数字系统的工具 和手段
两种硬件描述语言 ： Verilog VHDL
有哪几种硬件描述语言？ 各有什么特点？
Verilog HDL - 较多的第三方工具的支持 - 语法结构比VHDL简单 - 学习起来比VHDL容易 - 仿真工具比较好使 - 测试激励模块容易编写
Verilog HDL 的发展历史
两者建模能力的比较
行为级 的抽象
系统级
SystemVerilo g
算法级
VHDL Verilog
寄存器传输级
逻辑门级 VITAL
开关电路级
VerilogHDL 与 VHDL 建 模 能 力 的 比 较
Verilog HDL有什么用处？
在各种抽象层次上描述数字电路
测试各种层次数字电路的行为 设计出正确有效的复杂电路结构
数字信号处理系统的实现
非实时系统： 通用的计算机和利用通用计算机改装的设备，主要 工作量是编写 “C” 程序。输入/输出数据大多为文 本 。 实时系统： 信号处理专用的微处理器为核心的设备，主要工作 量是编写汇编程序。输入/输出数据大多为数据流， 直接用于控制 。
2011-8
FPGA介绍
何为FPGA?
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
Verilog HDL 的抽象级别
语言本身提供了各种层次抽象的表述，可以用详细 程度有很大差别的的多层次模块组合来描述一个 电路系统。 行为级：技术指标和算法的Verilog描述 RTL关级：具体的晶体管物理器件的描述
Verilog HDL 的抽象级别
设计复杂数字系统的工具 和手段
两种硬件描述语言 ： Verilog VHDL
有哪几种硬件描述语言？ 各有什么特点？
Verilog HDL - 较多的第三方工具的支持 - 语法结构比VHDL简单 - 学习起来比VHDL容易 - 仿真工具比较好使 - 测试激励模块容易编写
Verilog HDL 的发展历史
两者建模能力的比较
行为级 的抽象
系统级
SystemVerilo g
算法级
VHDL Verilog
寄存器传输级
逻辑门级 VITAL
开关电路级
VerilogHDL 与 VHDL 建 模 能 力 的 比 较
Verilog HDL有什么用处？
在各种抽象层次上描述数字电路
测试各种层次数字电路的行为 设计出正确有效的复杂电路结构
数字信号处理系统的实现
非实时系统： 通用的计算机和利用通用计算机改装的设备，主要 工作量是编写 “C” 程序。输入/输出数据大多为文 本 。 实时系统： 信号处理专用的微处理器为核心的设备，主要工作 量是编写汇编程序。输入/输出数据大多为数据流， 直接用于控制 。
《FPGA入门学习》课件
的结构测试工具， 用于验证FPGA设计的正确性。
FPGA基础知识
硬件描述语言HDL FPGA的逻辑单元 FPGA的时钟网络
使用HDL编写硬件描述，描述FPGA的功能和 逻辑。
FPGA由大量逻辑单元（Look-Up Tables）和 触发器组成，用于实现各种逻辑功能。
时钟网络是FPGA中一种重要的信号分发网络， 用于同步各个逻辑单元的操作。
FPGA在医疗器械中实现数据 采集、信号处理和控制等关 键功能。
FPGA在军事装备中 的应用
FPGA可用于军事雷达、通信 设备、导航系统等关键领域， 在高可靠性和性能要求下发 挥作用。
总结
FPGA的未来发展
FPGA技术将随着科技的进步不断发展，将在更 多领域发挥重要作用。
FPGA入门学习路线图
通过按照学习路线图逐步学习，您可以掌握 FPGA开发的核心知识和技能。
FPGA的优缺点
FPGAs具有高度灵活性和 可重配置性，但其资源利 用率和功耗可能相对较高。
FPGA的应用领域
FPGAs广泛应用于通信、 嵌入式系统、信号处理、 图像处理等领域。
开发环境准备
FPGA开发板
选择适合您需求的FPGA开发 板以进行实验和项目开发。
Quartus Prime软件 安装
安装Intel提供的Quartus Prime软件用于FPGA的设计 和编程。
《FPGA入门学习》PPT课 件
FPGA入门学习是介绍Field-Programmable Gate Array（可编程门阵列）的 课程。本课件将帮助你了解FPGA的基础知识、开发环境准备以及FPGA的应 用领域。
简介
什么是FPGA
FPGA是一种可编程硬件， 可以根据需要被重新编程 和配置以执行不同的功能。
FPGA基础知识
硬件描述语言HDL FPGA的逻辑单元 FPGA的时钟网络
使用HDL编写硬件描述，描述FPGA的功能和 逻辑。
FPGA由大量逻辑单元（Look-Up Tables）和 触发器组成，用于实现各种逻辑功能。
时钟网络是FPGA中一种重要的信号分发网络， 用于同步各个逻辑单元的操作。
FPGA在医疗器械中实现数据 采集、信号处理和控制等关 键功能。
FPGA在军事装备中 的应用
FPGA可用于军事雷达、通信 设备、导航系统等关键领域， 在高可靠性和性能要求下发 挥作用。
总结
FPGA的未来发展
FPGA技术将随着科技的进步不断发展，将在更 多领域发挥重要作用。
FPGA入门学习路线图
通过按照学习路线图逐步学习，您可以掌握 FPGA开发的核心知识和技能。
FPGA的优缺点
FPGAs具有高度灵活性和 可重配置性，但其资源利 用率和功耗可能相对较高。
FPGA的应用领域
FPGAs广泛应用于通信、 嵌入式系统、信号处理、 图像处理等领域。
开发环境准备
FPGA开发板
选择适合您需求的FPGA开发 板以进行实验和项目开发。
Quartus Prime软件 安装
安装Intel提供的Quartus Prime软件用于FPGA的设计 和编程。
《FPGA入门学习》PPT课 件
FPGA入门学习是介绍Field-Programmable Gate Array（可编程门阵列）的 课程。本课件将帮助你了解FPGA的基础知识、开发环境准备以及FPGA的应 用领域。
简介
什么是FPGA
FPGA是一种可编程硬件， 可以根据需要被重新编程 和配置以执行不同的功能。
fpga现代数字系统设计教程——基于xilinx可编程逻辑
fpga现代数字系统设计教程——基于xilinx可编程逻辑在当今的数字系统设计领域中，基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）技术的应用日益普遍。
Xilinx是其中一家领先的FPGA厂商，其可编程逻辑芯片被广泛应用于各个领域。
本教程旨在介绍FPGA现代数字系统设计的基本概念与技术，重点关注基于Xilinx可编程逻辑的实践应用。
一、引言FPGA是一种可重构的硬件平台，具有高度的灵活性与可定制性。
通过不同的配置，FPGA可以实现各种数字电路功能，比如逻辑运算、数字信号处理、嵌入式系统等等。
Xilinx提供了一套完整的开发工具与设计流程，使得FPGA的设计与实现更加高效与简便。
二、FPGA基础知识介绍1. FPGA的基本结构与工作原理在FPGA中，逻辑资源（如逻辑门、寄存器）通过可编程的内部连接资源相互连接，形成不同的数字电路。
FPGA采用按位编程的方式，通过配置存储器将逻辑连接进行设定，从而实现不同的功能实现。
2. Xilinx系列FPGA概述Xilinx公司生产的FPGA主要分为Artix、Kintex、Virtex等系列，每个系列有不同的性能与资源规模适用于不同的应用场景。
本节将介绍主要的Xilinx系列FPGA及其特点。
三、FPGA设计实践1. 集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）概述设计FPGA系统需要使用特定的软件工具，例如Xilinx提供的Vivado开发环境。
本节将介绍Vivado的基本功能与使用方法。
2. 基于Xilinx可编程逻辑的数字电路设计通过Vivado IDE，我们可以使用硬件描述语言（HDL）如VHDL或Verilog来描述数字电路。
本节将介绍如何使用HDL进行FPGA设计，包括逻辑门设计、时序控制、状态机设计等。
3. FPGA系统集成设计除了单个模块的设计，FPGA设计还需要进行系统级集成。
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FPGA技术 FPGA技术
1.可编程逻辑器件发展历程 1.可编程逻辑器件发展历程 2.CPLD/FPGA概述 2.CPLD/FPGA概述 3.CPLD/FPGA基本原理 3.CPLD/FPGA基本原理 4.FPGA设计方法 4.FPGA设计方法 5.FPGA设计流程 5.FPGA设计流程 6.Verilog HDL语言简介 HDL语言简介 7.PLD/FPGA发展趋势 7.PLD/FPGA发展趋势
FPGA技术 FPGA技术
4.FPGA的设计方法 4.FPGA的设计方法
FPGA的常用设计方法包括“自顶向下”和“自下而上”,目前大规模 的常用设计方法包括“自顶向下” 目前大规模FPGA设 的常用设计方法包括 自下而上” 目前大规模 设 计一般选择“自顶向下”的设计方法。 计一般选择“自顶向下”的设计方法。 所谓“自顶向下”设计方法 简单地说,就是采用可完全独立于芯片厂商及其产 所谓“自顶向下”设计方法, 简单地说 就是采用可完全独立于芯片厂商及其产 品结构的描述语言,在功能级对设计产品进行定义 并结合功能仿真技术,以确 在功能级对设计产品进行定义, 品结构的描述语言 在功能级对设计产品进行定义 并结合功能仿真技术 以确 保设计的正确性,在功能定义完成后 利用逻辑综合技术,把功能描述转换成某一 在功能定义完成后,利用逻辑综合技术 保设计的正确性 在功能定义完成后 利用逻辑综合技术 把功能描述转换成某一 具体结构芯片的网表文件,输出给厂商的布局布线器进行布局布线。布局布线 具体结构芯片的网表文件 输出给厂商的布局布线器进行布局布线。 输出给厂商的布局布线器进行布局布线 结果还可反标回同一仿真器, 进行包括功能和时序的后验证,以保证布局布线所 结果还可反标回同一仿真器 进行包括功能和时序的后验证 以保证布局布线所 带来的门延时和线延时不会影响设计的性能。 带来的门延时和线延时不会影响设计的性能。
Xilinx的 Xilinx的FPGA
FPGA技术 FPGA技术
Altera： Altera：
•MAX系列（乘积项技术，EEPROM工艺），FLEX系列（查 MAX系列 乘积项技术，EEPROM工艺），FLEX系列 系列（ 工艺）， 系列（ 找表技术，SRAM工艺 都叫作CPLD( 工艺） 找表技术，SRAM工艺）都叫作CPLD(Complex Programable Logic Device)，即复杂PLD(Complex PLD)。 ) 即复杂PLD(Complex PLD)。
FPGA技术 FPGA技术
模块的结构
module module_name (port1, port2, ......) ; // D e c l a r a t i o n s : input, output, inout, reg, wire, parameter, function, task, . . . //S t a t e m e n t s : Initial statement Always statement Module instantiation Gate instantiation Continuous assignment endmodule
FPGA技术 FPGA技术
1.可编程逻辑器件的发展历程 1.可编程逻辑器件 可编程逻辑器件的发展历程
可编程逻辑器件(PLD) 可编程逻辑器件(PLD)
早期 FPGA
可编程阵列逻辑(PAL 可编程阵列逻辑(PAL） (PAL）
可编程逻辑阵列(PLA) 可编程逻辑阵列(PLA)
现在
Altera的 Altera的CPLD
FPGA技术 FPGA技术
宏单元具体结构
与或阵列，每一个交叉点都是 与或阵列， 可编程熔丝， 可编程熔丝，导通实现与逻辑
“或”阵列 可编程D 可编程D触发器
FPGA技术 FPGA技术
乘积项结构的逻辑实现原理
f=(A+B)*C*!D=A*C*!D+B*C*!D f=f1+f2= A*C*!D+B*C*!D
FPGA技术 FPGA技术
Verilog HDL建模概述 HDL建模概述
1.模块 1.模块
Verilog 的基本描述单位，用于描述某个设计的功能或结构及与其他 的基本描述单位， 模块通信的外部端口 加法器实例 module addr (a, b, cin, count, sum); input [2:0] a; input [2:0] b; input cin; output count; output [2:0] sum; assign {count,sum} = a +b + cin; endmodule
FPGA技术 Biblioteka PGA技术典型的PLD框图 典型的PLD框图
I/O控制模块 I/O控制模块 block） （block）
连线资源
逻辑块
FPGA技术 FPGA技术
PLD(CPLD/FPGA)的优点： PLD(CPLD/FPGA)的优点： 的优点
•规模大，能够完成任何数字逻辑的功能，实现系统集成 规模大，能够完成任何数字逻辑的功能， •在投片前验证设计的正确性，开发成本低 在投片前验证设计的正确性， •修改设计而不用改动硬件电路，开发周期短 修改设计而不用改动硬件电路， •减少PCB面积，提高系统可靠性 减少PCB面积 面积，
HDL网表 （netlist）
布尔等式设计，原理图设 计，HDL语言设计 计，HDL语言设计
EDIF网表 SDF文件 EDIF网表 （netlist） （标准延时格式） （netlist） HDL网表 （netlist） FPGA基本单 测试程序 调用模块的 （netlist） RTL代码中引用的由bench） 代码中引用的由 约束条件 元仿真模型 （test 综合模型 厂家提供的宏模块/IP 厂家提供的宏模块 调用模块的 测试程序 行为仿真模型 （test bench） HDL网表 设置布局布线
FPGA技术 FPGA技术
选择FPGA还是 选择FPGA还是CPLD 还是CPLD
CPLD组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解 组合逻辑的功能很强， 组合逻辑的功能很强 十几个甚至20－ 多个组合逻辑输入 多个组合逻辑输入。 十几个甚至 －30多个组合逻辑输入。而FPGA的一 的一 只能处理4输入的组合逻辑 个LUT只能处理 输入的组合逻辑，因此，CPLD适 只能处理 输入的组合逻辑，因此， 适 合用于设计译码等复杂组合逻辑。 合用于设计译码等复杂组合逻辑。 但FPGA的制造工 的制造工 艺确定了FPGA芯片中包含的 芯片中包含的LUT和触发器的数量非 艺确定了 芯片中包含的 和触发器的数量非 常多，往往都是几千上万， 一般只能做到512 常多，往往都是几千上万，CPLD一般只能做到 一般只能做到 个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量， 个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量， FPGA的平均逻辑单元成本大大低于 的平均逻辑单元成本大大低于CPLD。 的平均逻辑单元成本大大低于 。
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3.CPLD/FPGA基本原理 3.CPLD/FPGA基本原理
基于乘积项的PLD的基本结构及逻辑实现原理 ◆基于乘积项的 的基本结构及逻辑实现原理 基于查找表的PLD的基本结构及逻辑实现原理 ◆基于查找表的 的基本结构及逻辑实现原理
FPGA技术 FPGA技术
基于乘积项的PLD的基本结构及逻辑实现原理 ◆基于乘积项的PLD的基本结构及逻辑实现原理
INPUT/GCLK1，INPUT/GCLRn， ， ， INPUT/OE1，INPUT/OE2是全局 ， 是全局 时钟、清零和输出使能信号， 时钟、清零和输出使能信号，这 几个信号有专用连线与器件中每 个宏单元相连， 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。 元的延时相同并且延时最短。
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Xilinx Spartan-II内部结构 Spartan-II内部结构
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Altera的FLEX/ACEX等芯片的内部结构 Altera的FLEX/ACEX等芯片的内部结构
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查找表结构的逻辑实现原理
f=(A+B)*C*!D=A*C*!D+B*C*!D
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自顶向下设计方法学
顶层模块
子模块1 子模块1
子模块2 子模块2
子模块3 子模块3
叶单元
叶单元
叶单元
叶单元
叶单元
叶单元
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RTL代码 调用模块 的黑盒子 接口
设置综合目 标和约束条 件
测试数据
5.FPGA设计流程 5.FPGA设计流程
（1）设计定义 ） （2）设计输入 ） （3）功能仿真 ） （4）逻辑综合 ） （5）前仿真 ） （6）布局布线 ）
逻辑综合器
测试数据
调用模块 的行为仿 真模型
FPGA厂家工具 逻辑仿真器 逻辑仿真器
RTL代码 代码
测试程序 （test bench） ）
测试数据
（9）在系统测试 ）
下载/编程文件
HDL网表 （netlist）
SDF文件 （标准延时格式）
逻辑仿真器 (modelsim) （7）后仿真 ） （8）静态时序分析 ）
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6.Verilog HDL语言简介 HDL语言简介
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形产生机制。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。
主要功能
• • • • • • 基本逻辑门，例如and 、or 和nand 等都内置在语言中 开关级基本结构模型，例如pmos 和nmos 等也被内置在语言中 可采用三种不同方式或混合方式对设计建模 两类数据类型 能够描述层次设计，可使用模块实例结构描述任何层次 能够使用门和模块实例化语句在结构级进行结构描述
1.可编程逻辑器件发展历程 1.可编程逻辑器件发展历程 2.CPLD/FPGA概述 2.CPLD/FPGA概述 3.CPLD/FPGA基本原理 3.CPLD/FPGA基本原理 4.FPGA设计方法 4.FPGA设计方法 5.FPGA设计流程 5.FPGA设计流程 6.Verilog HDL语言简介 HDL语言简介 7.PLD/FPGA发展趋势 7.PLD/FPGA发展趋势
FPGA技术 FPGA技术
4.FPGA的设计方法 4.FPGA的设计方法
FPGA的常用设计方法包括“自顶向下”和“自下而上”,目前大规模 的常用设计方法包括“自顶向下” 目前大规模FPGA设 的常用设计方法包括 自下而上” 目前大规模 设 计一般选择“自顶向下”的设计方法。 计一般选择“自顶向下”的设计方法。 所谓“自顶向下”设计方法 简单地说,就是采用可完全独立于芯片厂商及其产 所谓“自顶向下”设计方法, 简单地说 就是采用可完全独立于芯片厂商及其产 品结构的描述语言,在功能级对设计产品进行定义 并结合功能仿真技术,以确 在功能级对设计产品进行定义, 品结构的描述语言 在功能级对设计产品进行定义 并结合功能仿真技术 以确 保设计的正确性,在功能定义完成后 利用逻辑综合技术,把功能描述转换成某一 在功能定义完成后,利用逻辑综合技术 保设计的正确性 在功能定义完成后 利用逻辑综合技术 把功能描述转换成某一 具体结构芯片的网表文件,输出给厂商的布局布线器进行布局布线。布局布线 具体结构芯片的网表文件 输出给厂商的布局布线器进行布局布线。 输出给厂商的布局布线器进行布局布线 结果还可反标回同一仿真器, 进行包括功能和时序的后验证,以保证布局布线所 结果还可反标回同一仿真器 进行包括功能和时序的后验证 以保证布局布线所 带来的门延时和线延时不会影响设计的性能。 带来的门延时和线延时不会影响设计的性能。
Xilinx的 Xilinx的FPGA
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Altera： Altera：
•MAX系列（乘积项技术，EEPROM工艺），FLEX系列（查 MAX系列 乘积项技术，EEPROM工艺），FLEX系列 系列（ 工艺）， 系列（ 找表技术，SRAM工艺 都叫作CPLD( 工艺） 找表技术，SRAM工艺）都叫作CPLD(Complex Programable Logic Device)，即复杂PLD(Complex PLD)。 ) 即复杂PLD(Complex PLD)。
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模块的结构
module module_name (port1, port2, ......) ; // D e c l a r a t i o n s : input, output, inout, reg, wire, parameter, function, task, . . . //S t a t e m e n t s : Initial statement Always statement Module instantiation Gate instantiation Continuous assignment endmodule
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1.可编程逻辑器件的发展历程 1.可编程逻辑器件 可编程逻辑器件的发展历程
可编程逻辑器件(PLD) 可编程逻辑器件(PLD)
早期 FPGA
可编程阵列逻辑(PAL 可编程阵列逻辑(PAL） (PAL）
可编程逻辑阵列(PLA) 可编程逻辑阵列(PLA)
现在
Altera的 Altera的CPLD
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宏单元具体结构
与或阵列，每一个交叉点都是 与或阵列， 可编程熔丝， 可编程熔丝，导通实现与逻辑
“或”阵列 可编程D 可编程D触发器
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乘积项结构的逻辑实现原理
f=(A+B)*C*!D=A*C*!D+B*C*!D f=f1+f2= A*C*!D+B*C*!D
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Verilog HDL建模概述 HDL建模概述
1.模块 1.模块
Verilog 的基本描述单位，用于描述某个设计的功能或结构及与其他 的基本描述单位， 模块通信的外部端口 加法器实例 module addr (a, b, cin, count, sum); input [2:0] a; input [2:0] b; input cin; output count; output [2:0] sum; assign {count,sum} = a +b + cin; endmodule
FPGA技术 Biblioteka PGA技术典型的PLD框图 典型的PLD框图
I/O控制模块 I/O控制模块 block） （block）
连线资源
逻辑块
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PLD(CPLD/FPGA)的优点： PLD(CPLD/FPGA)的优点： 的优点
•规模大，能够完成任何数字逻辑的功能，实现系统集成 规模大，能够完成任何数字逻辑的功能， •在投片前验证设计的正确性，开发成本低 在投片前验证设计的正确性， •修改设计而不用改动硬件电路，开发周期短 修改设计而不用改动硬件电路， •减少PCB面积，提高系统可靠性 减少PCB面积 面积，
HDL网表 （netlist）
布尔等式设计，原理图设 计，HDL语言设计 计，HDL语言设计
EDIF网表 SDF文件 EDIF网表 （netlist） （标准延时格式） （netlist） HDL网表 （netlist） FPGA基本单 测试程序 调用模块的 （netlist） RTL代码中引用的由bench） 代码中引用的由 约束条件 元仿真模型 （test 综合模型 厂家提供的宏模块/IP 厂家提供的宏模块 调用模块的 测试程序 行为仿真模型 （test bench） HDL网表 设置布局布线
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选择FPGA还是 选择FPGA还是CPLD 还是CPLD
CPLD组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解 组合逻辑的功能很强， 组合逻辑的功能很强 十几个甚至20－ 多个组合逻辑输入 多个组合逻辑输入。 十几个甚至 －30多个组合逻辑输入。而FPGA的一 的一 只能处理4输入的组合逻辑 个LUT只能处理 输入的组合逻辑，因此，CPLD适 只能处理 输入的组合逻辑，因此， 适 合用于设计译码等复杂组合逻辑。 合用于设计译码等复杂组合逻辑。 但FPGA的制造工 的制造工 艺确定了FPGA芯片中包含的 芯片中包含的LUT和触发器的数量非 艺确定了 芯片中包含的 和触发器的数量非 常多，往往都是几千上万， 一般只能做到512 常多，往往都是几千上万，CPLD一般只能做到 一般只能做到 个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量， 个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量， FPGA的平均逻辑单元成本大大低于 的平均逻辑单元成本大大低于CPLD。 的平均逻辑单元成本大大低于 。
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3.CPLD/FPGA基本原理 3.CPLD/FPGA基本原理
基于乘积项的PLD的基本结构及逻辑实现原理 ◆基于乘积项的 的基本结构及逻辑实现原理 基于查找表的PLD的基本结构及逻辑实现原理 ◆基于查找表的 的基本结构及逻辑实现原理
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基于乘积项的PLD的基本结构及逻辑实现原理 ◆基于乘积项的PLD的基本结构及逻辑实现原理
INPUT/GCLK1，INPUT/GCLRn， ， ， INPUT/OE1，INPUT/OE2是全局 ， 是全局 时钟、清零和输出使能信号， 时钟、清零和输出使能信号，这 几个信号有专用连线与器件中每 个宏单元相连， 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。 元的延时相同并且延时最短。
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Xilinx Spartan-II内部结构 Spartan-II内部结构
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Altera的FLEX/ACEX等芯片的内部结构 Altera的FLEX/ACEX等芯片的内部结构
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查找表结构的逻辑实现原理
f=(A+B)*C*!D=A*C*!D+B*C*!D
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自顶向下设计方法学
顶层模块
子模块1 子模块1
子模块2 子模块2
子模块3 子模块3
叶单元
叶单元
叶单元
叶单元
叶单元
叶单元
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RTL代码 调用模块 的黑盒子 接口
设置综合目 标和约束条 件
测试数据
5.FPGA设计流程 5.FPGA设计流程
（1）设计定义 ） （2）设计输入 ） （3）功能仿真 ） （4）逻辑综合 ） （5）前仿真 ） （6）布局布线 ）
逻辑综合器
测试数据
调用模块 的行为仿 真模型
FPGA厂家工具 逻辑仿真器 逻辑仿真器
RTL代码 代码
测试程序 （test bench） ）
测试数据
（9）在系统测试 ）
下载/编程文件
HDL网表 （netlist）
SDF文件 （标准延时格式）
逻辑仿真器 (modelsim) （7）后仿真 ） （8）静态时序分析 ）
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6.Verilog HDL语言简介 HDL语言简介
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形产生机制。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。
主要功能
• • • • • • 基本逻辑门，例如and 、or 和nand 等都内置在语言中 开关级基本结构模型，例如pmos 和nmos 等也被内置在语言中 可采用三种不同方式或混合方式对设计建模 两类数据类型 能够描述层次设计，可使用模块实例结构描述任何层次 能够使用门和模块实例化语句在结构级进行结构描述