在硬件设计中采用FPGA的基本要点
fpga硬件设计注意事项
fpga硬件设计注意事项FPGA硬件设计注意事项FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，广泛应用于数字电路设计、嵌入式系统和数字信号处理等领域。
在进行FPGA硬件设计时，有许多注意事项需要考虑，以确保设计的正确性、可靠性和性能。
本文将从不同的角度介绍一些FPGA硬件设计的注意事项。
一、设计规范与原则1. 时钟设计：合理规划时钟域，避免时钟冲突和时序问题。
确保时钟信号的稳定性和时钟分配的合理性，防止时钟抖动和时钟偏移。
2. 信号的同步与异步：减少异步信号的使用，尽量采用同步信号。
异步信号可能引发时序问题和数据不一致性。
3. 电源与地线设计：合理规划电源和地线，避免电源噪声和地线回流问题。
注意电源的稳定性和电源线的阻抗匹配。
4. 状态机设计：合理设计状态机，减少状态数量和状态转移的复杂性。
状态机的设计应简洁清晰，易于理解和维护。
二、资源利用与性能优化1. 逻辑资源利用：合理利用FPGA芯片的逻辑资源，避免资源浪费和资源冲突。
优化逻辑电路的结构，减少逻辑门数量。
2. 存储资源利用：合理规划存储资源，包括寄存器、RAM和ROM等。
避免存储资源的过度使用和冲突。
3. 时序优化：通过合理的时序约束和时序分析，优化电路的时序性能。
减少时序路径的延迟，提高电路的工作频率。
4. 时钟域划分：合理划分时钟域，减少时钟域之间的转换和同步问题。
避免时钟域跨越过多的逻辑。
三、可靠性与稳定性设计1. 异常处理与容错设计：考虑到硬件设计可能遇到的异常情况，合理设计异常处理机制和容错设计。
保证系统的可靠性和稳定性。
2. 时序分析与时序约束：进行时序分析，确保电路的时序约束满足要求。
避免时序问题导致的功能错误和不稳定性。
3. 时钟和复位信号的处理：合理设计时钟和复位信号的处理逻辑。
确保时钟和复位信号的稳定性和可靠性。
四、仿真与验证1. 仿真环境搭建：搭建适合的仿真环境，对设计进行全面的仿真验证。
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。
fpga技术要求
fpga技术要求FPGA技术要求1. 硬件设计能力熟悉FPGA结构与原理熟悉FPGA的内部结构和工作原理，包括查找表（Look-Up Table, LUT）、触发器（Flip-Flop）、时钟分配网络等。
了解FPGA中逻辑门的实现方法和时序控制的原理。
掌握硬件描述语言熟练掌握至少一种硬件描述语言，如VHDL（VHSIC Hardware Description Language）或Verilog。
能够根据需求编写出可综合到FPGA的硬件描述代码，包括设计各种逻辑电路、状态机、时钟域处理等。
信号处理能力具备信号处理的基础知识，能够对各种类型的输入信号进行采样、滤波、时域/频域转换等处理。
能够设计和实现基于FPGA的信号处理算法，例如数字滤波器、快速傅里叶变换等。
2. 软件工具熟悉FPGA开发平台具备对FPGA开发平台的熟悉程度，如Xilinx的Vivado或Altera的Quartus。
能够使用开发平台进行FPGA的开发、综合、仿真和下载。
能力应用软件工具进行仿真与调试具备使用软件工具进行FPGA设计的仿真和调试能力，例如ModelSim等仿真工具，能够准确验证设计的正确性，并对可能存在的问题进行调试和优化。
熟悉高级综合工具熟悉高级综合工具，如Xilinx的Vivado HLS或Altera的HLS工具。
能够通过高级综合工具，将C/C++等高级语言代码转换为FPGA硬件描述代码，提高设计效率和可移植性。
3. 项目经验具备项目管理经验具备项目管理经验，能够在有限的时间和资源下，组织和管理FPGA项目的开发和验证工作。
能够根据项目要求，合理规划开发进度和资源分配，保证项目高质量地完成。
有FPGA设计实践经验具备一定的FPGA设计实践经验，能够独立完成FPGA设计任务。
能够根据需求，完成FPGA硬件设计、仿真验证、性能优化等工作。
参与过复杂FPGA项目参与过复杂FPGA项目的开发，有从0到1完成复杂功能模块的经历。
试论FPGA技术在电子设计中的运用
试论FPGA技术在电子设计中的运用作者：侯李军来源：《消费电子·理论版》2013年第06期摘要：FPGA（现场可编程门阵）在数字信号处理系统及电子设计自动化中的运用越来越广泛了。
FPGA是基于PAL、GAL、PLD等逻辑编程系统发展起来的一种综合性的可编程器件。
其自07年开始投入市场以来，在电子设计中的运用是极为广泛和深入的，在电子设计领域担任着各级设计基础的重要角色。
关键词：现场可编程门阵列（FPGA）；电子设计；可编程片上系统中图分类号：TN409 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 12-0000-01FPGA即现场可编程门阵，是一种半定制专用集成电路（ASIC），这个可编程器件的研发主要是为了解决ASIC的不足和PLD电路数的缺点。
其包含了可配置逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分。
由于其新的特点和高的运用价值，所以在电子设计中得到了十分广泛的运用。
本文就基于FPGA的一些特点结合电子设计的运用进行探讨，得出FPGA在电子设计中的运用方面的结论。
一、FPGA的简介和特点FPGA是以可编程阵列逻辑、通用阵逻辑、可编程逻辑器件为基础发展起来的，从简单的接口电路设计到复杂的状态机，甚至系统级芯FPGA都扮演着十分重要的角色。
其主要的特色就是现场可编程序性，这一点运用到电子设计中，可以灵活地进行控制，缩短产品上市的时间。
其采用了逻辑单元阵列的概念，与传统的编辑电路和门列阵相对比而言，FPGA具有不同的结构，它运用的是小型的查找表实现了组合逻辑的编辑，每一个表对应一个D触发器，而这个触发器正好驱动相匹配的I/O，这样的组合模式正好完成了既可实现组合编辑又可以进行时序编辑的功能，这些每一个相邻模块运用金属线连接。
通过内部静态存储单元和编程数据，实现逻辑编辑的功能。
FPGA的特点：（1）FPGA特有的可编程片上的特点，就是指设计专用的集成电路的时候，用户不需要投片生产，可直接合成芯片；（2）FPGA以其可由简单接口到复杂接口的设计特点可以作为全定制或者半定制的专用集成电路的中试样片；（3）就其特殊的结构而言，其内部含有极为丰富的触发器和I/O引脚；（4）设计周期短，开发费用低，风险小。
FPGA设计的八个重要知识点,你都会吗
FPGA设计的八个重要知识点，你都会吗1. 面积与速度的平衡与互换这里的面积指一个设计消耗/的规律资源的数量，对于FPGA可以用消耗的FF（触发器）和LUT（查找表）来衡量，更普通的衡量方式可以用设计所占的等价规律门数。
面积和速度这两个指标贯通FPGA/CPLD设计的时钟，是设计质量的评价的终极标准——面积和速度是一对对立统一的冲突体。
要求一个同时具备设计面积最小、运行频率最高是不现实的。
更科学的设计目标应当是在满足设计时序要求（包括对设计频率的要求）的前提下，占用最小的芯片面积。
或者在所规定的面积下，是设计的时序余量更大、频率跑的更高。
这两种目标充分体现了面积和速度的平衡的思想。
作为冲突的两个组成部分，面积和速度的地位是不一样的。
相比之下，满足时序、工作频率的要求更重要一些，当两者矛盾时，采纳速度优先的准则。
从理论上讲，假如一个设计时序余量较大，所能跑的速度远远高于设计要求，那么就通过功能模块的复用来削减囫囵设计消耗的芯片面积，这就是用速度的优势换取面积的节省。
反之，假如一个设计的时序要求很高，一般办法达不到设计频率，那么普通可以通过将数据流串并转换，并行复制多个操作模块，对囫囵设计实行乒乓操作和串并转换的思想运行。
2. 硬件原则硬件原则主要针对HDL代码编写而言：是采纳了C语言形式的硬件的抽象，它的本质作用在于描述硬件，它的终于实现结果是芯片内部的实际。
所以评判一段HDL代码的优劣的终于标准是：其描述并实现的硬件电路的性能，包括面积和速度两个方面。
评价一个设计的代码水平较高，仅仅是说这个设计是由硬件想HDL代码这种表现形式的转换越发流畅、合理。
而一个设计终于性能，在更大程度上取决于设计工程师所构想的硬件实现计划的效率以及合理性。
（HDL代码仅仅是硬件设计的表达形式之一）初学者片面追求代码的干净、简短，是错误的，是与HDL的标准南辕北辙的。
正确的编码办法，首先要做到对所需实现的硬件电路心中有数，对该部分的硬件的结构和衔接非常清楚，然后再用适当的HDL语句表达出来即可。
FPGA和ASIC设计特点及应用
1FPGA和ASIC设计特点及应用1.1FPGA 设计FPGA 是一种可编程阵列逻辑电路器件。
一般的FPGA采用基于SRAM的查找表逻辑形成结构，就是用SRAM来构成逻辑函数发生器，这种结构每次系统上电时需要加载编程数据。
也有通过熔丝或反熔丝方式实现编程的，但这种实现方式只能编程一次。
FPGA 设计最终是产生出所需功能电路的编程数据。
在完成一个项目的设计规范制订和总体方案设计工作后，采用FPGA设计实现方式一般由以下流程来完成。
⑴设计输入：利用电路图或硬件描述语言等工具完成设计电路的输入；⑵功能验证：通过对设计电路的功能仿真，证明输入电路的功能达到确定目标；⑶设计综合：将用高级语言描述的电路转换成低级的，基于设计库的基本结构相映射的网表文件或程序；⑷门级仿真：包含门延时信息的仿真。
仿真就是让计算机根据一定的算法和一定的仿真库对设计进行模拟，以验证设计，排除错误；⑸布局布线：将由设计综合产生的网表文件配置于指定的目标器件中；⑹后仿真：布局布线后提取出的元件和走线延时信息加载到设计电路所进行的仿真；⑺产生用于编程的下载文件，编程下载和硬件测试。
通常PFGA器件设计采用生产厂家提供的专用设计开发工具（见表），完成所有的设计流程，最后输出可编程或下载的数据文件。
常用的FPGA器件有XILINX，ALTERA，ACTEL 等公司的产品。
随着微电子技术的发展，FPGA 的可用逻辑门数已超过了百万门级，同时内部可嵌入各种复杂功能模块实现SOPC（System on Programmable Chip）功能。
用户可根据实际设计需求选择不同规格和配置的器件。
1.2ASIC设计ASIC 是定制的专用电路芯片，大致可分为数字、模拟和数模混合ASIC。
对于数字ASIC，按版图结构及制造方法分为半定制和全定制两种实现方法。
全定制方式是一种基于半导体管级，使用全定制版图设计工具通过手工设计版图的制造方法；半定制方法是一种约束性设计方式，其目的是简化设计，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计正确率。
FPGA的基础知识
第一章FPGA概述1、数字集成电路的发展数字集成电路由最初的电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路（VLSIC）发展到专用集成电路（ASIC），专用集成电路的出现降低了设计的成本、提高了可靠性、缩小了物理尺寸，但ASIC的设计周期长、改版投资大、灵活性差。
例如0.18um的芯片，如果集成的芯片超过100万门，其成本超过200万元人民币以上，其风险是显而易见的。
为了避免这种风险，就出现了可编程逻辑器件，包括现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）器件和复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device），可编程逻辑器件能够在实验室中进行设计、更改、研制并马上投入使用。
和ASIC相比，PLD 的集成度更高，设计的个性化更浓，且具有可修改性，开发成本也较低。
FPGA由Xilinx公司在1985年首家推出，采用CMOS-SRAM工艺制作。
FPGA的结构一般分为三部分：可编程逻辑块CLB（configurable Logic Block）、可编程I/O模块（I/O Block）和可编程内部连线，FPGA出现后受到电子设计工程师的普遍欢迎，发展十分迅速。
Xilinx、Altera和Actel等公司都提供高性能的FPGA芯片。
2、FPGA技术的发展现状及发展趋势FPGA在1985年由Xilinx公司首家推出至今已有近30年的历史，不过过去十多年时间内FPGA都未受到太多的重视，原因是FPGA的功耗用电、电路密度、频率效能、电路成本等都不如ASIC，在这十多年时间内，FPGA多半只用在一些特殊领域，例如芯片业者针对新产品测试市场反应，即便初期产品未达量产规模，也能先以FPGA制成产品测试。
或者有些芯片设计公司承接了小型的设计项目，在量产规模不足下也一样使用FPGA，或如政府、军方的特殊要求，不期望使用开放、标准性的芯片与电路，也会倾向使用FPGA。
FPGA开发板硬件设计方案070516
引言在FPGA 选型报告中，我们阐明了产品用途和设计目标，列出了具体的规格需求并最终选定了AlterastratixIIEP2S180F-1020作为FPGA 器件，本文将详细说明FPGA 整体设计方案。
一、器件布局1、器件总体布局图[ri SYNERTOIME LJ 协同航因FP GA咼速A/D RJ45以太网 咼速A/D 扩展口24PinRS-232 RS-232咼速A/D 咼速A/D 咼速D/A 咼速D/A 咼速D/A咼速D/AFPGA EP2S180音频A/D程控逻 辑芯片音频A/D高密connector音频D/ASharpLCD体布局考像因并口LCD串口LCD音频D/A POWERSUPPLY:16V 大电流开关稳压器：5V 、3.3V 、1.8V 、1.2V LDO:2.8V DC/DC:12V DC/DC:-5VSDCard SDCard键盘4XPCI-Express :妾口ng口展扩尹山而性：将各种使用接口布置在板边方便使用，包括高速A/DD/A 的SMA A/DD/A 的RCA 端子、摄像头Connector 、LCDConnector 、键盘接口、RJ-45、RS-232接口、USB2.0OTG 接口、CFCard （可选）、SDCard 、Powersupply 口展扩端子、扩展口；PCI-e 和DDR 存储器接口可放置于板内。
> 电磁兼容：将电源集中放置在右上角区域，做好接地和滤波设计；将高速A/D 、D/A 器件集中放置在左侧，尽量缩短信号线的走线距离并避免交叉线。
>产品升级：将FPGA 开发板分为了基板和核心板两个部分，上图红色框区域为基板，绿色框区域为核心板，板间用高速Connector 连接，向后开发只需重新设计核心板，可节省大量开发时间和费用。
二、功能说明1、FPGA> 742I/OPin> 外接2*64MBDDRSDRAM ，可选MICRON 、INFINEON 和SAMSUNG 任一家产品，另外在基板上再扩展一接口以满足更大容量需求 > 外接128MBFLASH > 外接256KB*16SRAM> 155.52MHz/100MHz/33.3MHz/25MHz 时钟源> 数字程控逻辑芯片 >外接12V 风扇降温高密connectorCrystalDDRSDRAMSRAM> 主要器件：FPGAEP2S180128MbFLASH AM29LV128MH113REI256K*16SRAM IDT71V416510PH64MBDDRSDRAMMT46LC16M16A2数字程控逻辑芯片EPM1270F256C32、电源电源为模拟和数字器件提供稳定可靠的直流电压，设计核心要素包括：> DC16V/3.75A输入端子，Fuse保护> 电源输入端使用共模抑制电感> ESD二极管保护、反向电压保护和滤波钽电解电容> LED指示灯> 选用高效率大电流容量的开关稳压管提供5V、3.3V、1.8V、1.2V> 选用大电流容量1.5A的LDO提供2.8V> DC/DC提供12V/0.5A风扇电源> DC/DC提供-5V运放电源> 使用专用电源电感支持大电流容量> 电源PCBLayout注意点（参考下文说明），还要参考各芯片Datasheet中关于Layout 的说明事项> 主要器件：开关稳压管LM2678LTC3728LTC17781.8VLDOLT196312VDC/DCLTC1872-5VDC/DCLTC3704电源电感TOKO919AS系列电解电容—180UF\100UF\10UF\56UF等三极管和场效应管ESD二极管、保险管、Zenar二极管、肖特基二极管、LED直流风扇12V/0.2A3、高速A/D高速A/D用于数字通信接收机IF采样功能，将模拟信号转化为数字信号供给FPGA 做处理，设计核心要素包括：> 四路125Msps,12bit高速A/D,推荐使用AD9233BCPZ-125> 输入电压：1.8V（模拟），3.3V（数字），其中1.8V耗电220mA，四路要880mA,要使用大电流容量稳压管供电，因为是高速芯片，每个供电管脚接0.1uF去耦电容> RF/IF输入，经Transformer转换为两路信号，2Vp-p输入，Transformer后端RC网络要根据输入信号的频率而变换> 125MHz有源晶振时钟，经Transformer转换为差分信号CLK+/CLK-,—个晶振可负载两个A/D芯片> 利用肖特基二极管对输入的模拟和时钟信号电平进行钳制> I2C控制指令（SCLK/SDIO）> A/DData输出经Buffer进入FPGA，前后加20~100欧姆电阻有助于减少overshooting 和ringing> 主要器件：A/DConverterAD9233BCPZ-125125MHzCrystalCB3LV-3CTransformerADT1-1WT/ETC1-1-13Buffer74VCX162244SchottkyDiodeHSMS28124、高速D/A高速D/A用于数字宽带通信，将数字信号转化为模拟信号供给下一级做处理，设计核心要素包括：> 四路125Msps，12bit高速D/A,推荐使用AD9752> 输入电压：5V（模拟\数字），0.1uF去耦、1uF滤波电容> 125MHz有源晶振时钟，单端输入，一个晶振可负载两个D/A芯片> 模拟差分信号输出，电阻网络调整输出共模电压> 数字信号输入端接上拉和下拉电阻（可选）> 主要器件：D/AConverterAD9752125MHzCrystalCB3LV-3CTransformerADT1-1WT5、AudioA/DAudioA/D用于数字音频接收机采样功能，将模拟信号转化为数字信号供给FPGA做处理，设计核心要素包括：> 两路Stereo,16bitAudioD/A,推荐使用AD1877> 输入电压：5V（模拟\数字），0.1uF、10nF去耦、1uF滤波电容> 12.288MHz有源晶振时钟，单端输入，一个晶振可负载两个A/D芯片> 左右两声道模拟输入> TTL串行数据输出> 主要器件：AudioA/DConverterAD187712.288MHzCrystal6、AudioD/AAudioD/A用于将数字音频信号转化为模拟信号，设计核心要素包括：> 两路Stereo，24bitAudioA/D,推荐使用AD1853> 输入电压：5V（模拟\数字），0.1uF滤波电容> 12.288MHz有源晶振时钟，单端输入，一个晶振可负载两个A/D芯片> 左右两声道模拟差分输出> 运放和低通滤波，采用±5V供电，如果声音效果不佳，还可采用外接直流电源土15V 供电> 喇叭和耳机两种音频输出方式> 主要器件：AudioD/AConverterAD185312.288MHzCrystalOP275运放器LA4525喇叭功放LA4536A耳机功放三、接口说明1、RS-232> 两路RS-232Transceiver，9Pin标准RS-232接口，接口定义为DCD\RXD\TXD\DTR\GND\DSR\RTS\CTS\RI> 一路选用MAX3380,2TX/2RX普通Transceiver，传输速率460kbps，连接RXD\CTS\TXD\RTS\GND> 一路选用MAX3245，3TX/5RX高速Transceiver，传输速率1Mbps，全部连接2、RJ-45> 一路以太网控制器，ISABUS接口，推荐使用CS8900A> 输入电压：3.3V（模拟\数字），0.1uF去耦电容> 20MHz无源晶振时钟，双端输入> TX/RX差分信号输出> 双向buffer> 主要器件：以太网控制器CS8900ABuffer74VCX16324520MHzCrystalNVRAMAT93C46A内部集成X'FMR的RJ-45接口3、USB2.0OTG> 两路高速（全速）USB2.0OTGTransceiver，推荐使用ISP1504A> 输入电压：5V\3.3V\2.8V\1.8V,0.1uF滤波电容，利用电源分配开关提供5V电压给USB 接口> 19.2MHz无源晶振时钟，双端输入> 一路标准USB接口，接口定义为5V\D-\D+\GND> 一路MiniUSB接口，接口定义为5V\D-\D+\ID\GND,ID连接TransceiverID引脚，标准USB接口没有该功能，TransceiverID引脚经1K电阻接地> 主要器件：高速（全速）USB2.0OTGTransceiverISP1504A19.2MHzCrystal双路USB电源分配开关MIC2536ESDFilterIP4059（可选）4、CMOS摄像头> CMOS摄像头接口没有固定标准，可以采用48PinCSIConnector，包括CSI数据传输（MCLK\FV\LV\PIXCLK\DATA[15:0]）、GPIO传感器控制（RESET\POWD）、I2C（SDA\SCLK）和电源供电四个部分> 输入电压：2.8V\1.8V（模拟\数字），0.1uF滤波电容> 一般摄像头都是8bit数据> 信号接上拉电阻，最好都通过buffer驱动和FPGA通信> 我们现在有一个Freescale的CMOS摄像头，48PinCSIConnector接口，只需安装驱动程序即可5、CF&SDCard> CF&SD都可作为外设存储器，SD卡可兼容MMC卡，3.3V输入电压> SD9Pin结构，接口定义为Data2\Data3\CMD\gnd\3.3V\CLK\gnd\DataO\Data1，FPGA输出的Data可直接连接外设存储器> MMC7Pin结构，两侧比SD卡各少一个Datapin> CF50Pin结构较复杂，从功能上说，SD可以实现大容量存储，个人认为不需要再在板上设计CF接口> 接口选择：CFSAMTECCFT-150（可选）6、JTAG> JTAG有20Pin和14Pin两种标准接口，两者电气特性一致，没有本质差别> 为TRST\TDI\TMS\NRST可接不高于10K上拉电阻防止误触发> TCK\RTCK可接不高于10K下拉电阻防止误触发> VCC3.3V供电，Vref也可直接连接3.3V7、键盘> 外接键盘采用20PIN接口> 接口定义如下图8、LCD接口>配合我们目前有的一套34PINSHARPLCD接口，接口定义如下:vcc1•2GNDOE_ACD34FLM_VSYNG_SPSLP_HYSYNC5«6LSGLKLD5_B57■8LD4_B4LD3_B39■10LD2_B2LD11_G51112LD10_G4LD9_G31314LD8_G2LD17_R515«16LD16_R4LD15.R317«18LD14_R2 CONTRAST19•20LCDON SPL.SPR21«22REVPS23«24GLSLD1_B125■26LDO_BOLD7_G127■28LD6_G0LD13_R12930LD12_R0TOP31«32BOTTOMLEFT33«34RIGHT >40PIN并口LCD,接口定义如下图DVDD_1.8V IPU_SD_CLK SERLCD_CS LGDRST2GNDLED_AD1LED_AD2GPIO13V3IPU_SD_D_IOIPU_SER_RSTIPU_SD_D_ICVDD_£775VPM_VBLITELED L KPGPIO2IPU_VSYNCHO1•«2IPU_LD0IPU_LD134IPU_LD2IPU_LD956IPU_LD4IPU_LD578IPU_LD17IPU_LD8910IPU_LD7IPU_LD61112IPU_FAR_RSTLCDRSTO1314IPU_WRIPU_LD915163V3IPU_LD111718IPU_LD10IPU_LD191920GNDIPU_LD152122IPU_LD12IPU_LCS02324IPU_LD14IPU_RD2526IPU_LD16LED_MD12728PM_VBLITELED_MD22930LED_MD3LED_MD43132NCGND3334CVDD_2.775VLED_KP3536NCDVDD_1.8V3738NVCC7GPIO13940GPIO2>16PIN串口LCD,接口定义如下图> 5V/3.3V/2.8V/1.8V供电，加10uF滤波电容9、MICTOR> TektronixandAgilentlogicanalyzerconnectors> Agilent有90Pin、40Pin两种标准接口，我们选用40Pin接口，3.3V供电> 要和JTAGTRST/TDI/TDO/TCK/TMS五个引脚连接> 数据和时钟引脚可根据Agilent式样书布线> MICTOR选择依赖逻辑分析仪设备厂家的标准，不同的厂家标准不同，也可参考FS2公司的产品说明，对应38PinMictor10、板间高密度高速接口现在还不能确定基板和核心板间有多少线需要连接，SAMTECDPAF-3.0高密接口有184Pin,占用面积合适（1*5cm）,围绕核心板边放置4个高密接口可以有4*184=736Pin应该可以满足设计需求。
面向集成电路的FPGA设计与开发
面向集成电路的FPGA设计与开发FPGA是随着电子电器技术的不断发展而逐渐兴起的一种新技术，在众多的应用领域中，它可以实现从计算机网络、通信、图像处理，甚至到机器人等所需要的极高性能，因此FPGA得到了广泛的应用和重视。
这篇文章主要介绍了面向集成电路的FPGA设计与开发，谈到了FPGA概念、相关技术及FPGA设计流程等方面的问题。
一、FPGA概念FPGA即现场可编程门阵列，也就是一种由可编程逻辑单元、存储器以及外设等组成的可编程逻辑器件。
它具有高度的灵活性和自由度，方便设计人员设计任意的逻辑电路，实现各种功能。
FPGA设计完毕后，程序可以直接下载到FPGA芯片中，不需要借助任何其他集成电路来实现。
二、FPGA相关技术FPGA技术主要包括可编程逻辑单元、时钟树、区域布线、信号引脚等关键技术。
1. 可编程逻辑单元可编程逻辑单元是FPGA设计的核心之一，它具有复杂的逻辑单元和内存单元等。
每个逻辑单元都可以实现与、或、非、与非等基本的逻辑功能。
2. 时钟树时钟树是指FPGA芯片上将晶体振荡器产生的时钟信号分配给各个逻辑单元的网络结构。
在FPGA设计中，时钟树的设计会直接影响到整个FPGA的速度和功耗等方面的性能。
3. 区域布线区域布线是FPGA芯片中用来实现信号传输、电源分配和信号接收等的一系列网络结构。
在设计过程中，设计人员可以通过对区域布线进行合理的设置，提高FPGA的内部通讯带宽，并实现更低的功耗和更快的工作速度。
4. 信号引脚信号引脚是用来控制FPGA芯片输入和输出的逻辑电路。
一般来说，FPGA的总线宽度和速度都会影响它的性能，因此信号引脚的分配与设置具有重要意义。
三、FPGA设计流程在设计FPGA时，需要按照一定的流程进行，具体的设计流程如下：1. 需求分析：在设计之前需要明确所需要实现的功能，并进行综合、确定整个FPGA的设计范围。
2. 硬件设计：在硬件设计过程中，需要根据需求分析所得到的结果，设计出FPGA的硬件框图，并确定各个模块之间的信号传输。
第三讲 FPGA设计的基本原则、技巧与时序电路设计
』
设计模块 的初步预算
输氧 —
择革
龙
ｊ 数冲— 输 ＼ 据 入 ＼缓 Ｊ
竺 流 数 遗 据
择革
兀
ｉ
设计时序初步估算 （ 包括频率、 时钟结构、 可能的关键路径等 ）
数 滚 选 据
Ｍ Ｘ Ｕ
芯片选型 （ 暂定 ）
２ 选 １ 蒲
图２ 乒乓操作流程 ｌ
对相互制 约、影响成 本和性 能的指
硬件原 则
第二个原则 是硬 件原则 。
首先，要注 意 Ｆ ＧＡ的逻辑设计 Ｐ 所 采用的硬 件描述语 言 Ｖ Ｄ Ｈ Ｌ或 Ｖ ｒ ｅｉ －
标， 贯穿 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ设计的始终 。在 Ｆ Ｇ ＰＡ
设 计 中，面积 是 指 一 个 设 计 消 耗 的 ＦＧ Ｐ Ａ内部逻辑资源的数量 ， 可以用消 耗 的触 发器和查找表 的个数或者 是等 效逻辑 门数来衡量 ；速 度是指 一个设 计在 Ｆ ＧＡ上稳定运行 时所能达到 的 Ｐ 最高频率， 由设计 时序状态决定 。 关于面积 和速 度的折衷 ，应 在满 足 设计 时 序 和 工 作 频 率要 求 的前 提 下 ，占用最 小的芯 片面积 ；或 者在所 规定的面积 下 ，使得设 计的 时序 余量 最 大 ，能 够 在 更 高 的 频 率 上 稳 定 运
维普资讯
ｌ技术进座 Ｇ ＴｈＩｅｏ Ｐ Ｃ －— ｌｅｎ ｇ …ＦＡ Ｆ Ａ Ｃ ＣＯ ．Ｆ Ｇ Ｐ — ｏ ｓｒ
为缓解 我 国电子信息产业 快速 发展 与核 心技术 人才紧缺 的矛盾 ，中 电网 （ ｈｎ Ｅ Ｎ ｔ 在信息产业部 的支持 下， Ｃ ｉａ Ｃ ｅ ） 联合 国际著名集成 电路
ＦＧ Ｐ Ａ设计的基本原刚‘ 能指标要 求，在 保证 系统功 能和性 能
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在硬件设计中采用FPGA的基本要点
在硬件设计中采用FPGA的基本要点
Normal07.8磅02false false false EN-US ZH-CN X-NONE
许多工程师认为，只要定义了FPGA的功能，工作就算完成了。
但实际上将FPGA插入PCB时也会面临一系列挑战。
对于许多工程师和项目经理来说，在FPGA中实现功能并实现时序收敛是主要目标，但实际上在印刷电路板上设计FPGA的硬件级工作也会出现很多有趣的挑战，只有解决了这些挑战才能实现成功设计。
一切的起点均在于架构。
硬件开发第一步就是定义解决方案的架构。
架构应该对应于系统要求，并具体明确它们如何在硬件中得到实现。
虽然不同系统的架构各有差异，而且每个系统的具体应用也大相径庭，但很多系统均包含类似的架构模块。
您能够同时也应该对经常需要的硬件模块进行重复利用，就好像您重利用常用的HDL模块一样。
图1和图2分别给出了整体架构和电源架构的实例，而两侧则列出了设计FPGA系统时通常需要考虑的问题。
器件选择
您一开始面临最重要的选择就是在大量可用FPGA中找到最合适的。
FPGA器件的选择涉及许多因素。
首要因素就是该FPGA提供什么可用资源，是否足够用来以所需的工作频率实现您想要的功能。
根据这些参数，您可以很快将选择范围细化到有限数量的器件，这样您就能再进一步细化选择标准，找到适当的FPGA。
另一个重要因素就是您系统可能需要的其它资源，比方说DSP slice或乘法器、嵌入式处理器或高速串行链路等。
是否提供这些资源，可以进一步缩小器件选择的范围。
在许多情况下，根据具体资源需求，您会进一步寻找器件的子系列，比方说如果需要逻辑或高速串行链路，则应选择赛灵思Spartan®-6LX或Spartan-6LXT。
器件所需的输入输出数量会同时影响到器件选择和封装选择，因为一款器件可能提供几种不同的封装选择，每种选择还提供不同数量的用户I/O。
这里通常需要注意的是，您应当考虑今后如何升级，而且要考虑所选系列的各种器件是否具有通用的封装尺寸。
此外，选择器件时您还应考虑工作环境。
举例来说，是不是商业组件就够了，是否需要工业、医疗或汽车级的部件？某些情况下您的系统可能需要军用或航天级的组件。
Normal07.8磅02false false false
EN-US ZH-CN X-NONE
/*Style Definitions*/ table.MsoNormalTable{mso-style-name:普通表格;mso-tstyle-rowband-size:0;mso-tstyle-colband-size:0;m so-style-noshow:yes;mso-style-priority:99;mso-style-paren t:"";mso-padding-alt:0cm 5.4pt0cm 5.4pt;mso-para-margin:0cm;mso-para-margin-bottom:.00 01pt;mso-pagination:widow-orphan;font-size:10.5pt;mso-bidi-font-size:11.0pt;font-family:"Calibri","sans-serif";mso-font-kerning:1.0pt;}
此外，您还必须要考虑到配置架构问题。
基于SRAM的FPGA能否满足应用需求？或者说赛灵思Spartan-3AN系列这样的非易失性解决方案是否更好一些？设计的安全性同样也是一大重要考虑因素。
如果应用需要设计安全性，就应考虑避免读回并对数据流进行加密。
无论应用是进行量产或是作为一次性的定制航天设计，组件成本当然也始终是一个重要因素。
您应制定目标成本预算，并努力确保在成本限度内完成任务。
上述许多参数在系统中其它器件的选择上也很重要。
特别重要的一个标准就是选择的组件要能够在相同的电压轨上工作，这样就能简化电
源架构。
您还应考虑在设计中是否有组件标准降低的问题。
所有制造商的组件数据手册都给出了器件的最大额定值和最大工作电应力。
如果我们选用的器件刚好在最大额定值以下的电应力工作，那么设计的可靠性就会大幅下降，因为系统一直是在推荐工作条件以外工作的。
根据最终应用的不同，故障可能会导致各种后果，包括导致人员伤亡，破坏工作任务，公司质量声誉下挫等。
为了生产出可靠的设备，您必须在设计中减少电应力。
因此在选择应用器件时，您必须考虑到器件所承受的电应力。
电源架构
器件选择好之后，下一步影响项目成败最关键的部分就是电源架构了。
这个因素往往被忽视。
现代FPGA的核心电压通常介于0.9V到1.5V 之间。
相对于高性能FPGA而言，这种器件需要的静态电流可能很高，而且器件完成配置并开始计时后的动态电流也很大。
设计中的功耗估算非常重要，需要在项目早期进行，以准确评估电源架构。
赛灵思提供功耗估算电子数据表，您可在以下网址下载：/prod-ucts/design_tools/logic_design/xpe.htm。
在电子数据表中，您可根据选定器件的环境参数选择FPGA资源的时钟速率和翻转率。
如果您不确定，宁可做出更谨慎的选择，也就是要对估算做出
悲观考虑而不是过于乐观。
一旦明确了FPGA的电源要求，就能将其整合到系统的整体功耗预算中，并在此基础上明确电源架构。
有的系统需要较大电流，我们建议采用开关DC/DC转换器保持整体效率，确保单元散热设计不是很复杂。
如果需要的电流较低，而且系统必须特别注意避免噪声，也就是说为高速串行链路或敏感型ADC、DAC组件提供电源的话，那么您可采用线性稳压器和额外的滤波机制。
在所有情况下，您都应该仔细阅读具体器件的数据手册。
Normal07.8磅02false false false EN-US ZH-CN X-NONE
/*Style Definitions*/ table.MsoNormalTable{mso-style-name:普通表格;mso-tstyle-rowband-size:0;mso-tstyle-colband-size:0;m so-style-noshow:yes;mso-style-priority:99;mso-style-paren t:"";mso-padding-alt:0cm 5.4pt0cm 5.4pt;mso-para-margin:0cm;mso-para-margin-bottom:.00 01pt;mso-pagination:widow-orphan;font-size:10.5pt;mso-bidi-font-size:11.0pt;font-family:"Calibri","sans-serif";mso-font-kerning:1.0pt;}
一旦完成FPGA设计，您就应该使用赛灵思ISE®设计套件中的
XPower Analyzer获得详细的功耗估算。
这一步骤将帮助您完成电源架构的设计工作。
此外，您还应考虑板上器件的电源去耦问题。
现代器件的开关速度比调节电压的电源快很多倍。
如果不采用去耦电容，这种局面就会导致当稳压器上升时电源轨下降。
理想情况下，应让去耦电容的值在结合PCB层间电容时的阻抗曲线低于0.1Ω，而且可能的话应在100kHz到1GHz之间。
要实现这样的性能，应采用一系列去耦电容值，每个值都有不同的自谐振频率。
这种方法可让电源抑制比（PSRR）值不佳的器件也能实现最佳性能，而PSRR在某些器件上会随工作频率的上升而下降。
最后，要尽可能减少额外电压轨的数量，这有助于降低解决方案的复杂性。
此外，您还应注意到任何电源轨排序或斜坡速率，并确保您的解决方案能够满足这些要求。
时钟和复位树
您的系统需要至少一个时钟工作。
通常让逻辑级振荡器在所需频率上工作。
考虑振荡器时，要注意一系列问题。
其中振荡器所需的输出频率和稳定性是关键参数。
振荡器稳定性单位为PPM（百万分之一），通常为+/-50PPM或+/-100PPM。
驱动高速串行链路或为ADC/DAC提供时钟的振荡器通常还需要低相位噪声和低抖动。
保持低噪声和低抖动非常重要，因为低噪声有助于降低高速链路的误码率，而高噪声和高抖动则会增加ADC和DAC 上的噪声水平，从而降低信噪比。
您还应考虑输出信号标准。
LVDS或LVPECL等差分信号的抗噪性比单端LVCMOS或LVTTL输出要好。
此外，差分信号还能减少EMI 问题，加速上升和下降时间。
不过，差分信号的相位噪声性能比单端输出要差。
高性能系统将采用正弦波振荡器作为主时钟源以减少相位噪声和抖动的影响，这在ADC和DAC计时情况下尤其如此。
由于FPGA可在内部支持多个时钟域，因此目前系统通常采用一个以上的时钟域。
如果不能通过DLL、DCM或PLL等内部时钟资源实现所需的分频，那么设计人员往往会采用高速时钟和低速率时钟相结合。
此外，不同的协议或算法也会需要不同的时钟频率，从而在设计中创建多个时钟和时钟域。
图3给出了典型的时钟树。