了解、选取FPGA芯片.
FPGA简介
五是ＣＰＬＤ比ＦＰＧＡ使用起来更方便。ＣＰＬＤ的编程采用Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＡＳＴＦＬＡＳＨ技术,无需外部存储器芯片,使用简单。而ＦＰＧＡ的编程信息需存放在外部存储器上,使用方法复杂。
六是ＰＬＤ的速度比ＦＰＧＡ快,并且具有较大的时间可预测性。这是由于ＦＰＧＡ是门级编程,并且ＣＬＢ之间采用分布式互联,而ＣＰＬＤ是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。
八是ＣＰＬＤ保密性好,ＦＰＧＡ保密性差。
九是一般情况下,ＣＰＬＤ的功耗要比ＦＰＧＡ大,且集成度越高越明显
三、FPGA与ASIC、CPLD
1、FPGA和ASIC的比较
ASIC是英文的Application Specific Integrated Circuits缩写，即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。目前用CPLD（复杂可编程逻辑器件）和FPGA（现场可编程逻辑阵列）来进行ASIC设计是最为流行的方式之一，它们的共性是都具有用户现场可编程特性，都支持边界扫描技术，但两者在集成度、速度以及编程方式上具有各自的特点。ASIC的特点是面向特定用户的需求，品种多、批量少，要求设计和生产周期短，它作为集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比具有体积更小、重量更轻、功耗更低、可*性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。
一、FPGA简介
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在可编程阵列逻辑PAL(Programmable Array Logic)、门阵列逻辑GAL(Gate Array Logic)、可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device)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（Application Specific Integrated Circuit）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能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可*性。PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了电子设计自动化EDA（Electronic Design Automatic）软件和硬件描述语言VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description)的进步。
fpga芯片的种类
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。
fpga资源评估与选型
fpga资源评估与选型
FPGA（Field-ProgrammableGateArray）是一种高度可编程且可重构的硬件芯片，可以用于实现各种复杂的数字电路。
FPGA引入了可编程性的概念，使硬件设计更加灵活、高效。
在FPGA设计过程中，资源评估和选型是非常重要的环节。
资源评估是指根据设计需求，评估所需的FPGA资源，包括片上存储器、LUT（Look-Up Table）等。
在评估时需要考虑以下因素：首先，需要确定设计的复杂度以及所需的资源；其次，需要考虑FPGA 的速度、功耗以及可编程性等因素。
在选型过程中，需要考虑到FPGA的规格、性能、价格等因素。
首先，需要了解FPGA的规格，包括芯片大小、引脚数、逻辑单元数量等。
其次，需要考虑FPGA的性能，例如时钟速度、功耗、温度等因素。
最后，需要考虑FPGA的价格，这是每个设计师都必须考虑的因素之一。
为了选择适合自己的FPGA芯片，设计师可以通过以下渠道了解相关信息：首先，可以查阅FPGA厂商的官方网站了解产品信息；其次，可以参考各种技术论坛、电子书籍、设计手册等资料，以获取更全面、深入的了解。
在实际选型过程中，设计师还需要考虑到FPGA的开发环境，包括开发软件、编程语言、板子等。
此外，设计师还需要仔细评估FPGA 的可靠性、稳定性以及后续技术支持等因素。
总之，FPGA资源评估和选型是一项非常重要的任务，需要设计
师充分了解自己的设计需求和FPGA的规格、性能、价格等因素，以选择最适合自己的芯片。
通过认真评估和选型，设计师可以实现高效、可靠的FPGA设计，提高设计效率和质量。
FPGA介绍
FPGA介绍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、EPLD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公司的Virtex系列、TI公司的TPC系列、ALTERA 公司的Stratix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。
这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。
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。
FPGA芯片介绍
Arria II GX FPGA器件高无忌2012511009Arria®II 器件系列专为易操作性而设计。
经过成本优化的40-nm 器件系列体系结构具有低功耗、可编程逻辑引擎、以及一体化的收发器和I/O 等特性。
像PhyscialInterface for PCIExpress®(PCIe®)、Ethernet 和DDR3 存储器这样的公共接口在您的设计中可以很容易地通过Quartus®II 软件、SOPC Builder 设计软件以及Altera 所提供的多种硬/ 软知识产权(IP) 解决方案来实现。
对于要求收发器运行在高达6.375 Gbps的应用程序设计而言，Arria II GX FPGA 器件系列能够使设计变得更快更容易。
Arria II GX FPGA器件特性Arria II GX FPGA器件的关键特性如下：■40-nm 低功耗FPGA 引擎■自适应逻辑模块(ALM) 实现了业界最高的逻辑效率■八输入分段查找表(LUT)■存储器逻辑阵列模块(MLAB)，用于小型FIFO 的有效实现■高达550 MHz 的高性能数字信号处理(DSP)■可配置成9 x 9 位、12 x 12 位、18 x 18 位和36 x 36 位全精度乘法器，以及18 x 36 位高精度乘法器■硬编码的加法器、减法器、累加器和求和功能■通过Altera 的MATLAB 和DSP Builder 软件实现的完全集成的设计流程■最大系统带宽■多达24个基于全双工时钟数据恢复(CDR)的收发器，支持600 Mbps到6.375 Gbps的数据速率■专用电路，支持用于常用串行协议的物理层功能，这些串行协议包括：PCIeGen1 与PCIe Gen2、Gbps Ethernet、Serial RapidIO®(SRIO)、通用公共无线电接口(CPRI)、OBSAI、SD/HD/3G/ASI 串行数字接口(SDI), XAUI 和ReducedXAUI(RXAUI)、HiGig/HiGig+、SATA/ 串行附加SCSI(SAS)、GPON、SerialLite II、光纤通道、SONET/SDH、Interlaken、串行数据转换器(JESD204) 和SFI-5。
FPGA简介
IDEA Confidential
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FPGA的优势
稳定性
软件工具提供了编程环境，FPGA电路是真正的编程“硬”执行过 程。 基于处理器的系统往往包含了多个抽象层，可在多个进程之间 计划任务、共享资源。 驱动层控制着硬件资源，而操作系统管理内 存和处理器的带宽。 对于任何给定的处理器内核，一次只能执行一 个指令，且基于处理器的系统时刻面临着严格限时的任务相互取占 的风险。 而FPGA不使用操作系统，拥有真正的并行执行和专注于 每一项任务的确定性硬件，可减少稳定性方面出现问题的可能。
IDEA Confidential
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FPGA开发流程
配置下载 通过编程器（programmer）将布局布线后的配置文件下载至FPGA中， 对其硬件进行编程。配置文件一般为.pof或.sof文件格 式，下载方式包 括Active Serial Programming（主动）、Passive Serial（被动）、 JTAG等方式。
IDEA Confidential
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FPGA开发流程
RTL级HDL描述
设计方法：自下而上与自上而下两种方式。 自下而上：由最底层的元器件开始，从基本子系统去构建大系统的 电路设计模式是我们最初进行电路设计的一种基本方法。这种由底向 上的设计方式是电子线路初期频频采用的方法，在电路不太复杂、层 次比较简单的设计中，它是一种非常行之有效的方法。但随着电路越 来越复杂，这种方法则会存在着较大的弊病。这就是，纵然每个子系 统的设计分别满足各自的要求，系统的整体性能指标却往往得不到保 障。
20
FPGA开发流程
综合
将RTL级HDL语言翻译成由与、或、非门等基本逻辑单元组成的门级 连接（网表），并根据设计目标与要求（约束条件）优化所生成的逻 辑连接，输出门级网表文件。
FPGA原理及芯片结构介绍
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。
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3综合过程
VHDL语言源程序综合过程较复杂，几乎不能直接控制门电路的生成； 而Verilog和ABEL语言源程序综合过程较简单，易于控制电路资源；
4对综合器的要求
VHDL描述语言层次较高，不易控制底层电路，因而对综合器的性能要 求较高，Verilog和ABEL语言对综合器的性能要求较低。
5支持的EDA工具
支持VHDL和Verilog的EDA工具较多，但支持ABEL的综合器仅DATAIO一家。
6国际化程度
VHDL和Verilog已成为IEEE标准，而ABEL正朝国际化标准努力。
3.利用VHDL语言的硬件 电路设计方法
硬件描述语言设计的特点：
1.采用自上至下的设计方法
3.利用VHDL语言的硬件 电路设计方法
的重要保证；②VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设
计早期就能验证设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟；
③VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的
分解和已有设计的再利用功能。
4.利用VHDL语言设计硬件
电路的优点
优点： 3.VHDL语言可以与工艺无关编程 VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不 必关心最终设计实现的目标芯片是什么，而进行独立的设计。正因为 VHDL的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关，VHDL设计程序的实 现目标器件才具有广阔的选择范围（不同厂家、不同芯片、不同结构） 。 4.VHDL语言标准、规范、易于共享和复用 由于VHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于已完成的设计， 在不改变源程序的条件下，只需改变类属参量或函数，就能轻易地改变 设计的规模和结构。因此任何设计成果都便于共享、复用和交流。
第一讲 了解、选取FPGA芯片
1. 关于EDA技术 2. 传统硬件设计方法 3. 利用VHDL语言的硬件电路设计方法 4. 利用VHDL语言设计硬件电路的优点 5. EDA技术及其发展 6. FPGA/CPLD产品介绍
1.关于EDA技术
1. EDA技术的含义
以大规模可编程逻辑器件为设计载体， 以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达 方式，以计算机为设计工具，在EDA软件平 台上完成设计文件的逻辑编译、逻辑化简、 逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、 逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配编译、 逻辑映射和编程下载等工作。
逻辑综合和优化 目标器件的布线／适配 目标器件的编程／下载 设计过程中的有关仿真 硬件仿真／硬件测试
第一讲 了解、选取FPGA芯片
√1. 关于EDA技术 2. 传统硬件设计方法 3. 利用VHDL语言的硬件电路设计方法 4. 利用VHDL语言设计硬件电路的优点 5. EDA技术及其发展 6. FPGA/CPLD产品介绍
4. 利用VHDL语言设计硬件电路的优点 5. EDA技术及其发展 6. FPGA/CPLD产品介绍
4.利用VHDL语言设计硬件
优点：
电路的优点
1.设计技术齐全、方法灵活、支持广泛
①VHDL语言诞生于1982年，早在1987年12月就已作为IEEE_STD_1076标
准公开发表，因此VHDL语言早已成为事实上的通用硬件描述语言，几乎
1逻辑描述层次（分三个层次，即行为级、RTL级、门级描述）
VHDL语言是一种高级描述语言，适用于行为级和RTL级的描述； Verilog语言和ABEL语言是一种较低级的描述语言，适用于RTL级和门 电路级的描述；
2设计要求
VHDL进行电子系统设计时可以不了解电路的结构细节，设计者所做的 工作较少；Verilog和ABEL语言进行电子系统设计时必须了解电路的结构
• EDA的几个特点：
①用软件的方式设计硬件； ②用软件的方式设计的系统到硬件系统的转换是
由EDA软件自动完成的； ③设计过程中可用软件进行各种仿真； ④系统可现场编程、在线升级； ⑤整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗
低、可靠性高。Байду номын сангаас
2. EDA技术的发展历程
① 20世纪70年代的CAD阶段 ② 20世纪80年代的计算机辅助工程设计CAE阶段 ③ 20世纪90年代电子系统设计自动化EDA阶段
所以EDA工具都支持VHDL语言。②VHDL不同于其它语言，它不仅支持同
步电路的描述，而且支持异步电路、FPGA及其它随机电路的描述。
2.系统硬件描述能力强
具体体现为：①VHDL语言较其它HDL语言具有更强的行为描述能力，从
而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言，因为强大的行为描
述能力是避开具体器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统
2.传统硬件设计方法
2.传统硬件设计方法
主要特征：
1.采用自下而上的设计方法
2.采用通用的数字逻辑器件
3.在系统硬件设计的后期进行仿真和调试
4.主要设计文件是电原理图
第一讲 了解、选取FPGA芯片
√1. 关于EDA技术 √2. 传统硬件设计方法
3. 利用VHDL语言的硬件电路设计方法 4. 利用VHDL语言设计硬件电路的优点 5. EDA技术及其发展 6. FPGA/CPLD产品介绍
2.系统中大量采用ASIC芯片 3.采用系统早期仿真 4.降低了硬件电路设计的难度 5.主要设计文件是HDL源程序
3.利用VHDL语言的硬件 电路设计方法
EDA与传统电子设计方法的比较
第一讲 了解、选取FPGA芯片
√1. 关于EDA技术 √2. 传统硬件设计方法 √3. 利用VHDL语言的硬件电路设计方法
3.利用VHDL语言的硬件 电路设计方法
什么是硬件描述语言
就是可以描述硬件电路的功能、信号连接关系以及定时关系的语言。 它能比电原理图更有效地表示硬件电路的特性。
•VHDL语言只是硬件描述语言家族中的一员
硬件描述语言有数十种之多，常用的有VHDL、 VerilogHDL、ABEL_HDL。
•三种语言的对比：
3. EDA技术的主要内容 大规模可编程逻辑器件 硬件描述语言(HDL) 软件开发工具 实验开发系统
4. EDA软件系统的构成 设计输入子模块 设计数据库子模块 分析验证子模块 综合仿真子模块 布局布线子模块
5. EDA设计流程
源程序的编辑和编译 原理图输入方式 状态图输入方式 VHDL软件程序的文本方式