FPGA的基本工作原理 Xilinx和Altera对比
fpga工程师基础知识
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的基本工作原理
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。
三大FPGA芯片公司的主要产品系列和特点
Altera、Xilinx、ActelAltera作为世界老牌可编程逻辑器件的厂家，是可编程逻辑器件的发明者，开发软件MAX+PLUSII和QuartusII。
Altera 的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如Cyclone，CycloneII；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如Startix，StratixII等，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。
在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件。
* Cyclone（飓风）：Altera中等规模FPGA，2003年推出，0.13um工艺,1.5v内核供电，与Stratix结构类似，是一种低成本FPGA系列，是目前主流产品，其配置芯片也改用全新的产品。
简评：Altera最成功的器件之一，性价比不错，是一种适合中低端应用的通用FPGA，推荐使用。
* CycloneII：Cyclone的下一代产品，2005年开始推出，90nm工艺，1.2v内核供电，属于低成本FPGA，性能和Cyclone相当，提供了硬件乘法器单元简评：刚刚推出的新一代低成本FPGA，目前市场零售还不容易买到，估计从2005年年底开始，将逐步取代Cyclone器件，成为Altera在中低FPGA市场中的主力产品。
* Stratix ：altera大规模高端FPGA,2002年中期推出，0.13um工艺，1.5v内核供电。
集成硬件乘加器,芯片内部结构比Altera以前的产品有很大变化。
简评：Startix芯片在2002年的推出，改变了Altera在FPGA市场上的被动局面。
该芯片适合高端应用。
随着2005年新一代StratixII器件的推出，将被StratixII逐渐取代。
* StratixII: Stratix的下一代产品，2004年中期推出，90nm工艺，1.2v内核供电，大容量高性能FPGA。
简评：性能超越Stratix,是未来几年中，Altera在高端FPGA市场中的主力产品。
xilinxfpga开发实用教程——fpga结构
1.2.1 FPGA工作原理与简介如前所述，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架构及原理
fpga架构及原理FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以用来实现数字电路的硬件设计。
它的架构和工作原理相对于其他定制芯片来说，具有更高的灵活性和可编程性。
FPGA的架构主要包括可编程逻辑单元（Configurable Logic Blocks，CLBs）、可编程输入输出单元（I/O Blocks）、时钟管理器、数据通路、配置存储器等组件。
首先，CLBs是FPGA的核心部件，通常由可编程查找表（Look-Up Tables，LUTs）和触发器构成。
LUTs是一个小规模的存储器，能够存储不同输入组合的输出结果。
通过编程，可以将逻辑功能映射到LUTs中，并通过连接不同的LUTs实现更复杂的逻辑功能。
触发器用于存储逻辑电路的状态信息。
其次，I/O Blocks用于连接FPGA芯片与外部设备。
每个I/O Block通常包括输入输出缓冲器和电压电平转换器等，可以将外部信号转化为FPGA内部可以处理的信号，并将FPGA内部信号传递给外部设备。
时钟管理器用于产生和分配时钟信号，确保各个部件的同步性。
它可以控制时钟的分频、相位等，提供统一的时钟信号给FPGA内部的各个组件。
数据通路是连接不同组件的路径，用于传递数据和控制信号。
数据通路可以根据特定应用需求进行优化设计，以提高性能和效率。
配置存储器是FPGA的重要组成部分，用于存储FPGA的配置位流（Configuration Bitstream）。
配置位流是一种描述FPGA内部连接的数据流，通过配置存储器可以实现重新配置FPGA芯片。
基于配置位流，可以实现不同的逻辑功能，并随时更新。
FPGA的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：首先，根据设计需求，使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）完成设计代码。
然后，将设计代码通过综合工具转换为门级网表，表示设计中的逻辑门和它们之间的连接关系。
接下来，使用布局和布线工具将门级网表映射到FPGA芯片上的实际硬件资源上，并生成配置位流。
简谈XilinxFPGA原理及结构
简谈XilinxFPGA原理及结构FPGA是在PAL、PLA和CPLD等可编程器件的基础上进一步发展起来的一种更复杂的可编程逻辑器件。
它是ASIC领域中的一种半定制电路，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，而只能釆用一种易于反复配置的结构，查找表-Look Up Table,LUT，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/熔丝/反熔丝工艺的查找表结构。
1查找表结构及功能由布尔代数理论可知，对于一个n输入的逻辑运算，最多产生2^n个不同的组合。
所以，如果预先将相应的结果保存在一个存储单元中，就相当于实现了与非门电路的功能。
FPGA的原理的实质，就是通过配置文件对查找表进行配置，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。
1.1输入查找表结构LUT本质就是一个RAM。
自FPGA诞生以来，多使用4输入的LUT，可以看成一个包含四位地址线的RAM。
当设计者通过原理图或HDL描述了一个逻辑电路后，FPGA厂商提供的集成开发工具就会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表事先写人到RAM中。
这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输人一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出内容即可。
下面用一个4输人逻辑与门电路的例子来说明LUT实现组合逻辑的原理。
LUT描述四输入逻辑与关系如表2.1所示。
表2.1 输入与门的真值表从表2.1可以看到，LUT具有和逻辑电路相同的功能，但是LUT 具有更快的执行速度和更大的规模。
与传统化简真值表构造组合逻辑的方法相比，LUT具有明显的优势，主要表现在：（1）LUT实现组合逻辑的功能由输入决定，而不是由复杂度决定。
（2）LUT实现组合逻辑有固定的传输延迟。
1.2输入查找表新结构在65nm工艺条件下，与其他电路（特别是互连电路）相比，LUT的常规结构大大缩小。
FPGA工作原理
FPGA工作原理FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种集成电路，它的工作原理与传统的固定功能集成电路有所不同。
FPGA的工作原理可以分为配置阶段和运行阶段两个主要部分。
在配置阶段，FPGA通过编程器将用户设计的逻辑电路信息加载到FPGA芯片中。
这些逻辑电路信息包括逻辑门、触发器、存储器单元等。
FPGA内部有大量的可编程逻辑单元和可编程互连资源，这些资源可以根据用户的需求进行灵活的配置和连接，从而实现各种不同的数字电路功能。
用户可以使用硬件描述语言（如Verilog、VHDL）或图形化设计工具（如Quartus II、Vivado）来描述自己的电路设计，并将其编译成适合FPGA的配置文件。
一旦配置完成，FPGA进入运行阶段。
在这个阶段，FPGA根据用户设计的逻辑电路信息，以及外部输入信号，执行特定的功能。
FPGA内部的逻辑单元根据用户的设计进行逻辑运算，存储器单元用于存储中间结果，互连资源用于连接各个逻辑单元和存储单元。
通过这些操作，FPGA可以实现各种复杂的数字信号处理、通信、控制等功能。
FPGA的工作原理可以用一个灵活的数字电路平台来形容。
与固定功能集成电路相比，FPGA具有灵活性强、适应性好、开发周期短等优点。
因此，FPGA在数字系统设计、通信系统、图像处理、工业控制等领域得到了广泛的应用。
总的来说，FPGA的工作原理是基于可编程逻辑和可编程互连资源的灵活配置，以及根据配置实现特定功能的运行。
通过这种工作原理，FPGA可以满足不同应用场景下的灵活性和可定制性需求，是一种非常重要的数字集成电路技术。
AlteraFPGA和Xilinx-FPGA-引脚功能详解解读
ＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡ引脚功能详细介绍注：技术交流用，希望对大家有所帮助。
IO_LXXY_# 用户IO引脚XX代表某个Bank内唯一的一对引脚，Y=[P|N]代表对上升沿还是下降沿敏感，#代表bank号2.IO_LXXY_ZZZ_# 多功能引脚ZZZ代表在用户IO的基本上添加一个或多个以下功能。
Dn：I/O（在readback期间），在selectMAP或者BPI模式下，D[15:0]配置为数据口。
在从SelectMAP读反馈期间，如果RDWR_B=1，则这些引脚变成输出口。
配置完成后，这些引脚又作为普通用户引脚。
D0_DIN_MISO_MISO1：I，在并口模式（SelectMAP/BPI）下，D0是数据的最低位，在Bit-serial模式下，DIN是信号数据的输入；在SPI模式下，MISO是主输入或者从输出；在SPI*2或者SPI*4模式下，MISO1是SPI总线的第二位。
D1_MISO2，D2_MISO3：I，在并口模式下，D1和D2是数据总线的低位；在SPI*4模式下，MISO2和MISO3是SPI总线的MSBs。
An：O，A[25:0]为BPI模式的地址位。
配置完成后，变为用户I/O 口。
AWAKE：O，电源保存挂起模式的状态输出引脚。
SUSPEND是一个专用引脚，AWAKE是一个多功能引脚。
除非SUSPEND模式被使能，AWAKE 被用作用户I/O。
MOSI_CSI_B_MISO0：I/O，在SPI模式下，主输出或者从输入；在SelectMAP模式下，CSI_B是一个低电平有效的片选信号；在SPI*2或者SPI*4的模式下，MISO0是SPI总线的第一位数据。
FCS_B：O，BPI flash 的片选信号。
FOE_B：O，BPI flash的输出使能信号FWE_B：O，BPI flash 的写使用信号LDC：O，BPI模式配置期间为低电平HDC：O，BPI模式配置期间为高电平CSO_B：O，在并口模式下，工具链片选信号。
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FPGA的基本工作原理Xilinx和Altera对比
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。
查找表的原理与结构查找表（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。
下面给出一个四输入与非门电路的例子来说明LUT实现逻辑功能的原理。
表给出一个使用LUT实现四输入与门电路的真值表。
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。
3.1.2查找表结构的FPGA逻辑实现原理。