FPGA学习必看

1、FPGA设计基本原则,设计思想,结构 1、硬件设计基本原则 (1)、速度与面积平衡和互换原则：一个设计如果时序余量较大，所能跑的频率远高于设计要求，能可以通过模块复用来减少整个设计消耗的芯片面积，这就是用速度优势换面积的节约；反之，如果一个设计的时序要求很高，普通方法达不到设计频率，那么可以通过数据流串并转换，并行复制多个操作模块，对整个设计采用“乒乓操作”和“串并转换”的思想进行处理，在芯片输出模块处再对数据进行“并串转换”。从而实现了用面积复制换取速度的提高。 (2)、硬件原则：理解HDL本质 (3)、系统原则：整体把握 (4)、同步设计原

2、则：设计时序稳定的基本原则   2、Verilog作为一种HDL语言，对系统行为的建模方式是分层次的。比较重要的层次有系统级（system）、算法级（Algorithm）、寄存器传输级（RTL）、逻辑级（Logic）、门级（Gate）、电路开关级（Switch）。   3、实际工作中，除了描述仿真测试激励（Testbench）时使用for循环语句外，极少在RTL级编码中使用for循环，这是因为for循环会被综合器展开为所有变量情况的执行语句，每个变量独立占用寄存器资源，不能有效的复用硬件逻辑资源，造成巨大的浪费。一般常用case语句代

3、替。   4、ifelse和case在嵌套描述时是有很大区别的，ifelse是有优先级的，一般来说，第一个if的优先级最高，最后一个else的优先级最低。而case语句是平行语句，它是没有优先级的，而建立优先级结构需要耗费大量的逻辑资源，所以能用case的地方就不要用ifelse语句。 补充：1.也可以用if; if; if;描述不带优先级的“平行”语句。   5、FPGA一般触发器资源比较丰富，而CPLD组合逻辑资源更丰富。   6、FPGA和CPLD的组成： FPGA基本有可编程I

4、/O单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等6部分组成。 CPLD的结构相对比较简单，主要由可编程I/O单元、基本逻辑单元、布线池和其他辅助功能模块组成。   7、Block RAM: 3种块RAM结构，M512 RAM（512bit）、M4K RAM（4Kbit）、M-RAM(64Kbit). M512 RAM:适合做一些小的Buffer、FIFO、DPRAM、SPRAM、ROM等； M4K RAM: 适用于一般的需求 M-RAM: 适合做大块

5、数据的缓冲区。 Xlinx 和 Lattice FPGA的LUT可以灵活配置成小的RAM、ROM、FIFO等存储结构，这种技术被称为分布式RAM。 补充：但是在一般的设计中，不提倡用FPGA/CPLD的片内资源配置成大量的存储器，这是处于成本的考虑。所以尽量采用外接存储器。   8、善用芯片内部的PLL或DLL资源完成时钟的分频、倍频率、移相等操作，不仅简化了设计，并且能有效地提高系统的精度和工作稳定性。   9、异步电路和同步时序电路的区别 异步电路: 电路核心逻辑有用组合

6、电路实现；        异步时序电路的最大缺点是容易产生毛刺；        不利于器件移植；        不利于静态时序分析（STA）、验证设计时序性能。 同步时序电路:        电路核心逻辑是用各种触发器实现；    

7、;    电路主要信号、输出信号等都是在某个时钟沿驱动触发器产生的；        同步时序电路可以很好的避免毛刺；        利于器件移植； 利于静态时序分析（STA）、验证设计时序性能。   10、同步设计中，稳定可靠的数据采样必须遵从以下两个基本原则： (1)、在有效时钟沿到达前，数据输入至少已经稳定了采样寄存器的Setup时间之久，这条

8、原则简称满足Setup时间原则； (2)、在有效时钟沿到达后，数据输入至少还将稳定保持采样寄存器的Hold时钟之久，这条原则简称满足Hold时间原则。   11、同步时序设计注意事项： 异步时钟域的数据转换。 组合逻辑电路的设计方法。 同步时序电路的时钟设计。 同步时序电路的延迟。同步时序电路的延迟最常用的设计方法是用分频或者倍频的时钟或者同步计数器完成所需的延迟，对比较大的和特殊定时要求的延时，一般用高速时钟产生一个计数器，根据计数产生延迟；对于比较小的延迟，可以用D触发器打一下，这样不仅可以使信号延时了一个时钟

9、周期，而且完成了信号与时钟的初次同步。在输入信号采样和增加时序约束余量中使用。另外，还有用行为级方法描述延迟，如“#5 a<=40101;”这种常用于仿真测试激励，但是在电路综合时会被忽略，并不能起到延迟作用。 Verilog 定义的reg型，不一定综合成寄存器。在Verilog代码中最常用的两种数据类型是wire和reg型，一般来说，wire型指定的数据和网线通过组合逻辑实现，而reg型指定的数据不一定就是用寄存器实现。   12、常用设计思想与技巧 (1)、乒乓操作； (2)、串并转换； (3)、流水线操

10、作； (4)、异步时钟域数据同步。是指如何在两个时钟不同步的数据域之间可靠地进行数据交换的问题。数据时钟域不同步主要有两种情况： 两个域的时钟频率相同，但是相差不固定，或者相差固定但是不可测，简称为同频异相问题。 两个时钟频率根本不同，简称异频问题。 两种不推荐的异步时钟域操作方法：一种是通过增加Buffer或者其他门延时来调整采样；另一种是盲目使用时钟正负沿调整数据采样。   13、模块划分基本原则： (1)、对每个同步时序设计的子模块的输出使用寄存器（用寄存器分割同步时序模块原则）。 (2)、将相关逻

11、辑和可以复用的逻辑划分在同一模块内（呼应系统原则）。 (3)、将不同优化目标的逻辑分开。 (4)、将送约束的逻辑归到同一模块。 (5)、将存储逻辑独立划分成模块。 (6)、合适的模块规模。 (7)、顶层模块最好不进行逻辑设计。   14、组合逻辑的注意事项 (1)、避免组合逻辑反馈环路（容易毛刺、振荡、时序违规等）。 解决： A、牢记任何反馈回路必须包含寄存器； B、检查综合、实现报告的warning信息，发现反馈回路（combinational loops）后进行相应修改。

12、 (2)、替换延迟链。 解决：用倍频、分频或者同步计数器完成。 (3)、替换异步脉冲产生单元（毛刺生成器）。 解决：用同步时序设计脉冲电路。 (4)、慎用锁存器。 解决： A、使用完备的ifelse语句； B、检查设计中是否含有组合逻辑反馈环路； C、对每个输入条件，设计输出操作，对case语句设置default操作。特别是在状态机设计中，最好有一个default的状态转移，而且每个状态最好也有一个default的操作。 D、如果使用case语句时，特别是在设计状态机时，尽量附加综合约束属性，综

13、合为完全条件case语句。 小技巧：仔细检查综合器的综合报告，目前大多数的综合器对所综合出的latch都会报“warning”，通过综合报告可以较为方便地找出无意中生成的latch。   15、时钟设计的注意事项 (1)、同步时序电路推荐的时钟设计方法： 时钟经全局时钟输入引脚输入，通过FPGA内部专用的PLL或DLL进行分频/倍频、移相等调整与运算，然后经FPGA内部全局时钟布线资源驱动到达芯片内所有寄存器和其他模块的时钟输入端。 FPGA设计者的5项基本功 佟林传里，佟林练的基本功是“绕大树、解皮绳”，然后才练

14、成了什么“鬼影随行、柳叶绵丝掌”。     在我看来，成为一名说得过去的FPGA设计者，需要练好5项基本功：仿真、综合、时序分析、调试、验证。     对于FPGA设计者来说，练好这5项基本功，与用好相应的EDA工具是同一过程，对应关系如下：     1. 仿真：Modelsim, Quartus II(Simulator Tool)     2. 综合：Quartus II

15、(Compiler Tool, RTL Viewer, Technology Map Viewer, Chip Planner)     3. 时序：Quartus II (TimeQuest Timing Analyzer, Technology Map Viewer, Chip Planner)     4. 调试：Quartus II (SignalTap II Logic Analyzer, Virtual JTAG, Assignment Editor) 

16、    5. 验证：Modelsim, Quartus II(Test Bench Template Writer)     掌握HDL语言虽然不是FPGA设计的全部，但是HDL语言对FPGA设计的影响贯穿于整个FPGA设计流程中，与FPGA设计的5项基本功是相辅相成的。     对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的可综合子集”可以完成FPGA设计50%的工作设计编码。     练好仿真、综

17、合、时序分析这3项基本功，对于学习“HDL语言的可综合子集”有如下帮助：     1. 通过仿真，可以观察HDL语言在FPGA中的逻辑行为。     2. 通过综合，可以观察HDL语言在FPGA中的物理实现形式。     3. 通过时序分析，可以分析HDL语言在FPGA中的物理实现特性。     对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的验证子集”，可以完成FPGA设

18、计另外50%的工作调试验证。     1. 搭建验证环境，通过仿真的手段可以检验FPGA设计的正确性。     2. 全面的仿真验证可以减少FPGA硬件调试的工作量。     3. 把硬件调试与仿真验证方法结合起来，用调试解决仿真未验证的问题，用仿真保证已经解决的问题不在调试中再现，可以建立一个回归验证流程，有助于FPGA设计项目的维护。     FPGA设计者的这5

19、项基本功不是孤立的，必须结合使用，才能完成一个完整的FPGA设计流程。反过来说，通过完成一个完整的设计流程，才能最有效地练习这5项基本功。对这5项基本功有了初步认识，就可以逐个深入学习一些，然后把学到的知识再次用于完整的设计流程。如此反复，就可以逐步提高设计水平。采用这样的循序渐进、螺旋式上升的方法，只要通过培训入了门，就可以自学自练，自我提高。 市面上出售的有关FPGA设计的书籍为了保证结构的完整性，对FPGA设计的每一个方面分开介绍，每一方面虽然深入，但是由于缺少其他相关方面的支持，读者很难付诸实践，只有通读完全书才能对FPGA设计获得一个整体的认识。这样的书籍，作为工程培训指导

20、书不行，可以作为某一个方面进阶的参考书。 对于新入职的员工来说，他们往往对FPGA的整体设计流程有了初步认识，5项基本功的某几个方面可能很扎实。但是由于某个或某几个方面能力的欠缺，限制了他们独自完成整个设计流程的能力。入职培训的目的就是帮助他们掌握整体设计流程，培养自我获取信息的能力，通过几个设计流程来回的训练，形成自我促进、自我发展的良性循环。在这一过程中，随着对工作涉及的知识的广度和深度的认识逐步清晰，新员工的自信心也会逐步增强，对个人的发展方向也会逐步明确，才能积极主动地参与到工程项目中来。 fpga设计思想原文：本文讨论的四种常用 FPGA/CPLD 设计思想与技巧

21、：乒乓操作、串并转换、流水线操作、数据接口同步化，都是 FPGA/CPLD 逻辑设计的内在规律的体现，合理地采用这些设计思想能在FPGA/CPLD 设计工作种取得事半功倍的效果。          FPGA/CPLD 的设计思想与技巧是一个非常大的话题，由于篇幅所限，本文仅介绍一些常用的设计思想与技巧，包括乒乓球操作、串并转换、流水线操作和数据接口的同步方法。希望本文能引起工程师们的注意，如果能有意识地利用这些原则指导日后的设计工作，将取得事半功倍的效果！  乒乓操作 

22、60;“乒乓操作”是一个常常应用于数据流控制的处理技巧，典型的乒乓操作方法如图 1 所示。             乒乓操作的处理流程为：输入数据流通过“输入数据选择单元”将数据流等时分配到两个数据缓冲区，数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元为双口 RAM(DPRAM)、单口 RAM(SPRAM)、FIFO 等。在第一个缓冲周期，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块 1”；在第 2 个缓冲周期，通过“输入数据选择单元”的切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块 2

23、”，同时将“数据缓冲模块 1”缓存的第1 个周期数据通过“输入数据选择单元”的选择，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理；在第 3 个缓冲周期通过“输入数据选择单元”的再次切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块 1”，同时将“数据缓冲模块 2”缓存的第 2 个周期的数据通过“输入数据选择单元”切换，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理。如此循环。           乒乓操作的最大特点是通过“输入数据选择单元”和“输出数据选择单元”按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有停顿地送到“

24、数据流运算处理模块”进行运算与处理。把乒乓操作模块当做一个整体，站在这个模块的两端看数据，输入数据流和输出数据流都是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合对数据流进行流水线式处理。所以乒乓操作常常应用于流水线式算法，完成数据的无缝缓冲与处理。          乒乓操作的第二个优点是可以节约缓冲区空间。比如在 WCDMA 基带应用中，1 个帧是由 15个时隙组成的，有时需要将 1 整帧的数据延时一个时隙后处理，比较直接的办法是将这帧数据缓存起来，然后延时 1 个时隙进行处理。这时缓冲区的长度是1 整帧数据

25、长，假设数据速率是 3.84Mbps，1 帧长 10ms，则此时需要缓冲区长度是 38400 位。如果采用乒乓操作，只需定义两个能缓冲 1 个时隙数据的 RAM(单口 RAM 即可)。当向一块 RAM 写数据的时候，从另一块 RAM 读数据，然后送到处理单元处理，此时每块 RAM 的容量仅需 2560 位即可，2 块 RAM 加起来也只有 5120 位的容量。         另外，巧妙运用乒乓操作还可以达到用低速模块处理高速数据流的效果。如图 2所示，数据缓冲模块采用了双口 RAM，并在 DPRAM 后引入了一级

26、数据预处理模块，这个数据预处理可以根据需要的各种数据运算，比如在 WCDMA 设计中，对输入数据流的解扩、解扰、去旋转等。假设端口 A 的输入数据流的速率为 100Mbps，乒乓操作的缓冲周期是 10ms。以下分析各个节点端口的数据速率。            A 端口处输入数据流速率为 100Mbps，在第1 个缓冲周期 10ms 内，通过“输入数据选择单元”，从 B1 到达 DPRAM1。B1 的数据速率也是 100Mbps，DPRAM1 要在 10ms 内写入 1Mb 数据。同理

27、，在第 2 个 10ms，数据流被切换到 DPRAM2，端口 B2 的数据速率也是 100Mbps，DPRAM2在第 2 个 10ms 被写入 1Mb 数据。在第3 个 10ms，数据流又切换到 DPRAM1，DPRAM1 被写入1Mb 数据。          仔细分析就会发现到第3个缓冲周期时，留给DPRAM1读取数据并送到“数据预处理模块1”的时间一共是 20ms。有的工程师困惑于 DPRAM1 的读数时间为什么是 20ms，这个时间是这样得来的：首先，在在第 2 个缓冲周期向 DPRAM2 写数据

28、的 10ms 内，DPRAM1 可以进行读操作；另外，在第 1 个缓冲周期的第 5ms 起(绝对时间为 5ms 时刻)，DPRAM1 就可以一边向 500K 以后的地址写数据，一边从地址 0 读数，到达 10ms 时，DPRAM1 刚好写完了 1Mb 数据，并且读了 500K 数据，这个缓冲时间内 DPRAM1 读了 5ms；在第 3 个缓冲周期的第 5ms 起(绝对时间为 35ms 时刻)，同理可以一边向 500K 以后的地址写数据一边从地址0 读数，又读取了5 个ms，所以截止 DPRAM1 第一个周期存入的数据被完全覆盖以前，DPRAM1 最多可以读取 20ms时间，而所需读取的数据为

29、1Mb，所以端口 C1 的数据速率为：1Mb/20ms=50Mbps。因此，“数据预处理模块 1”的最低数据吞吐能力也仅仅要求为 50Mbps。同理，“数据预处理模块 2”的最低数据吞吐能力也仅仅要求为 50Mbps。换言之，通过乒乓操作，“数据预处理模块”的时序压力减轻了，所要求的数据处理速率仅仅为输入数据速率的 1/2。         通过乒乓操作实现低速模块处理高速数据的实质是：通过 DPRAM 这种缓存单元实现了数据流的串并转换，并行用“数据预处理模块 1”和“数据预处理模块 2”处理分流的数据，是面积与

30、速度互换原则的体现！  串并转换设计技巧           串并转换是 FPGA 设计的一个重要技巧，它是数据流处理的常用手段，也是面积与速度互换思想的直接体现。串并转换的实现方法多种多样，根据数据的排序和数量的要求，可以选用寄存器、RAM 等实现。前面在乒乓操作的图例中，就是通过 DPRAM 实现了数据流的串并转换，而且由于使用了 DPRAM，数据的缓冲区可以开得很大，对于数量比较小的设计可以采用寄存器完成串并转换。如无特殊需求，应该用同步时序设计完成串并之间的转换。比如

31、数据从串行到并行，数据排列顺序是高位在前，可以用下面的编码实现：  prl_temp<=prl_temp,srl_in;  其中，prl_temp 是并行输出缓存寄存器，srl_in 是串行数据输入。对于排列顺序有规定的串并转换，可以用 case 语句判断实现。对于复杂的串并转换，还可以用状态机实现。串并转换的方法比较简单，在此不必赘述。  流水线操作设计思想          首先需要声明的是，这里所讲述的流水线是指一种处理流程和顺序操作

32、的设计思想，并非FPGA、ASIC 设计中优化时序所用的“Pipelining”。          流水线处理是高速设计中的一个常用设计手段。如果某个设计的处理流程分为若干步骤，而且整个数据处理是“单流向”的，即没有反馈或者迭代运算，前一个步骤的输出是下一个步骤的输入，则可以考虑采用流水线设计方法来提高系统的工作频率。           流水线设计的结构示意图如图 3 所示。其基本结构为：将适当划分的

33、n 个操作步骤单流向串联起来。流水线操作的最大特点和要求是，数据流在各个步骤的处理从时间上看是连续的，如果将每个操作步骤简化假设为通过一个 D 触发器(就是用寄存器打一个节拍)，那么流水线操作就类似一个移位寄存器组，数据流依次流经 D 触发器，完成每个步骤的操作。流水线设计时序如图 4 所示。             流水线设计的一个关键在于整个设计时序的合理安排，要求每个操作步骤的划分合理。如果前级操作时间恰好等于后级的操作时间，设计最为简单，前级的输出直接汇入后

34、级的输入即可；如果前级操作时间大于后级的操作时间，则需要对前级的输出数据适当缓存才能汇入到后级输入端；如果前级操作时间恰好小于后级的操作时间，则必须通过复制逻辑，将数据流分流，或者在前级对数据采用存储、后处理方式，否则会造成后级数据溢出。          在 WCDMA 设计中经常使用到流水线处理的方法，如 RAKE 接收机、搜索器、前导捕获等。流水线处理方式之所以频率较高，是因为复制了处理模块，它是面积换取速度思想的又一种具体体现。  数据接口的同步方法  &#

35、160;       数据接口的同步是 FPGA/CPLD 设计的一个常见问题，也是一个重点和难点，很多设计不稳定都是源于数据接口的同步有问题。          在电路图设计阶段，一些工程师手工加入 BUFT 或者非门调整数据延迟，从而保证本级模块的时钟对上级模块数据的建立、保持时间要求。还有一些工程师为了有稳定的采样，生成了很多相差 90 度的时钟信号，时而用正沿打一下数据，时而用负沿打一下数据，用以调整数据的采样位置。这两种做法都十分不可取

36、，因为一旦芯片更新换代或者移植到其它芯片组的芯片上，采样实现必须从新设计。而且，这两种做法造成电路实现的余量不够，一旦外界条件变换(比如温度升高)，采样时序就有可能完全紊乱，造成电路瘫痪。  下面简单介绍几种不同情况下数据接口的同步方法：   1. 输入、输出的延时(芯片间、PCB布线、一些驱动接口元件的延时等)不可测，或者有可能变动的条件下，如何完成数据同步？           对于数据的延迟不可测或变动，就需要建立同步机制，可以用一个同步使

37、能或同步指示信号。另外，使数据通过 RAM 或者 FIFO 的存取，也可以达到数据同步目的。          把数据存放在RAM或FIFO的方法如下：将上级芯片提供的数据随路时钟作为写信号，将数据写入 RAM 或者 FIFO，然后使用本级的采样时钟(一般是数据处理的主时钟)将数据读出来即可。这种做法的关键是数据写入 RAM 或者 FIFO 要可靠，如果使用同步 RAM 或者 FIFO，就要求应该有一个与数据相对延迟关系固定的随路指示信号，这个信号可以是数据的有效指示，也可以是上级模块将数据打出来的时钟。

38、对于慢速数据，也可以采样异步 RAM 或者 FIFO，但是不推荐这种做法。          数据是有固定格式安排的，很多重要信息在数据的起始位置，这种情况在通信系统中非常普遍。通讯系统中，很多数据是按照“帧”组织的。而由于整个系统对时钟要求很高，常常专门设计一块时钟板完成高精度时钟的产生与驱动。而数据又是有起始位置的，如何完成数据的同步，并发现数据的“头”呢？          数据的同步方法完全可以采用上面的方法

39、，采用同步指示信号，或者使用 RAM、FIFO 缓存一下。找到数据头的方法有两种，第一种很简单，随路传输一个数据起始位置的指示信号即可，对于有些系统，特别是异步系统，则常常在数据中插入一段同步码(比如训练序列)，接收端通过状态机检测到同步码后就能发现数据的“头”了，这种做法叫做“盲检测”。  上级数据和本级时钟是异步的，也就是说上级芯片或模块和本级芯片或模块的时钟是异步时钟域的。          前面在输入数据同步化中已经简单介绍了一个原则：如果输入数据的节拍和本级芯片的处理时钟同频，可以直接

40、用本级芯片的主时钟对输入数据寄存器采样，完成输入数据的同步化；如果输入数据和本级芯片的处理时钟是异步的，特别是频率不匹配的时候，则只有用处理时钟对输入数据做两次寄存器采样，才能完成输入数据的同步化。需要说明的是，用寄存器对异步时钟域的数据进行两次采样，其作用是有效防止亚稳态(数据状态不稳定)的传播，使后级电路处理的数据都是有效电平。但是这种做法并不能保证两级寄存器采样后的数据是正确的电平，这种方式处理一般都会产生一定数量的错误电平数据。所以仅仅适用于对少量错误不敏感的功能单元。  为了避免异步时钟域产生错误的采样电平，一般使用 RAM、FIFO 缓存的方法完成异步时钟域的数据转换。最

41、常用的缓存单元是 DPRAM，在输入端口使用上级时钟写数据，在输出端口使用本级时钟读数据，这样就非常方便的完成了异步时钟域之间的数据交换。  2. 设计数据接口同步是否需要添加约束？           建议最好添加适当的约束，特别是对于高速设计，一定要对周期、建立、保持时间等添加相应的约束。 这里附加约束的作用有两点：  a. 提高设计的工作频率，满足接口数据同步要求。通过附加周期、建立时间、保持时间等约束可以控制逻辑的综合、映射、布局和布线，

42、以减小逻辑和布线延时，从而提高工作频率，满足接口数据同步要求。  b. 获得正确的时序分析报告。几乎所有的 FPGA 设计平台都包含静态时序分析工具，利用这类工具可以获得映射或布局布线后的时序分析报告，从而对设计的性能做出评估。静态时序分析工具以约束作为判断时序是否满足设计要求的标准，因此要求设计者正确输入约束，以便静态时序分析工具输出正确的时序分析报告。           Xilinx 和数据接口相关的常用约束有 Period、OFFSET_IN_BEFORE、OFFSE

43、T_IN_AFTER、OFFSET_OUT_BEFORE和OFFSET_OUT_AFTER等；Altera与数据接口相关的常用约束有Period、tsu、tH、tco 等 fpga结构:原文：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

44、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L

45、UT，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

46、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。其组成部分主要有可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、内嵌SRAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用单元 等，主要设计和生产厂家有Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic等公司，其中最大的是 Xilinx、Altera、Lattice三家。如前所述，FPGA是由存放在片内的RAM来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内

47、RAM进行编程。用户可根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。FPGA有如下几种配置模式：· 并行模式：并行PROM、Flash配置FPGA；· 主从模式：一片PROM配置多片FPGA；· 串行模式：串行PROM配置FPGA；· 外设模式：将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。目 前，FPGA市场占有率最高的两大公司Xilinx和Altera生产的FPGA都是基于SRAM工艺的，需要在使用时外接一个片外存储器以保存程序。上 电时，FPGA将外部存储器中的数据读入片内RAM，完成配置后，进入工作状态；掉电后FPGA恢复为白片，内部逻辑消失。这样

48、FPGA不仅能反复使用， 还无需专门的FPGA编程器，只需通用的EPROM、PROM编程器即可。Actel、QuickLogic等公司还提供反熔丝技术的FPGA，只能下载 一次，具有抗辐射、耐高低温、低功耗和速度快等优点，在军品和航空航天领域中应用较多，但这种FPGA不能重复擦写，开发初期比较麻烦，费用也比较昂贵。 Lattice是ISP技术的发明者，在小规模PLD应用上有一定的特色。早期的Xilinx产品一般不涉及军品和宇航级市场，但目前已经有Q Pro-R等多款产品进入该类领域。 1.2.2 FPGA芯片结构目前主流的 FPGA仍是基于查找表技术的，已经远远超出了先前版本的基本性

49、能，并且整合了常用功能（如RAM、时钟管理和DSP）的硬核（ASIC型）模块。如图 1-1所示（注：图1-1只是一个示意图，实际上每一个系列的FPGA都有其相应的内部结构），FPGA芯片主要由6部分完成，分别为：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，其示意结构如图1-2所示。 FPGA内的I/O按组分类，每

50、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。图1-2 典型的IOB内部结构示意图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

51、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。 开关矩阵是高度灵活的，可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中，CLB由多个（一般为4个或2个） 相同的Slice和附加逻辑构成，如图

52、1-3所示。每个CLB模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。 图1-3 典型的CLB结构示意图Slice 是Xilinx公司定义的基本逻辑单位，其内部结构如图1-4所示，一个Slice由两个4输入的函数、进位逻辑、算术逻辑、存储逻辑和函数复用器组成。 算术逻辑包括一个异或门（XORG）和一个专用与门（MULTAND），一个异或门可以使一个Slice实现2bit全加操作，专用与门用于提高乘法器的 效率；进位逻辑由专用进位信号和函数复用器（MUXC）组成，用于实现快速的算术加减法操作；4输入函数发生器用于实现4输入LUT、分布式RAM或16 比特

53、移位寄存器（Virtex-5系列芯片的Slice中的两个输入函数为6输入，可以实现6输入LUT或64比特移位寄存器）；进位逻辑包括两条快速进 位链，用于提高CLB模块的处理速度。图1-4 典型的4输入Slice结构示意图3 数字时钟管理模块（DCM） 业内大多数FPGA均提供数字时钟管理（Xilinx的全部FPGA均具有这种特性）。Xilinx推出最先进的FPGA提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。 4 嵌入式块RAM（BRAM） 大 多数FPGA都具有内嵌的块RAM，这大大拓展了FPGA的应用范围和

54、灵活性。块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器（CAM） 以及FIFO等常用存储结构。RAM、FIFO是比较普及的概念，在此就不冗述。CAM存储器在其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑，写入CAM中的 数据会和内部的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有数据的地址，因而在路由的地址交换器中有广泛的应用。除了块RAM，还可以将FPGA中的 LUT灵活地配置成RAM、ROM和FIFO等结构。在实际应用中，芯片内部块RAM的数量也是选择芯片的一个重要因素。 单片块RAM 的容量为18k比特，即位宽为18比特、深度为1024，可以根据需要改变其位宽和深度，但要

55、满足两个原则：首先，修改后的容量（位宽 深度）不能大于18k比特；其次，位宽最大不能超过36比特。当然，可以将多片块RAM级联起来形成更大的RAM，此时只受限于芯片内块RAM的数量，而 不再受上面两条原则约束。 5 丰富的布线资源 布线资源连通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号 在连线上的驱动能力和传输速度。FPGA芯片内部有着丰富的布线资源，根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为类不同的类别。第一类是全局布线资 源，用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线；第二类是长线资源，用以完成芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线；第三类是短线资

56、源，用 于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；第四类是分布式的布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。在实际中设计者不需要直接选择布线资源，布局布线器可自动地根据输入逻辑网表的拓扑结构和约束条件选择布线资源来连通各个模块单元。从本质上讲，布线资源的使用方法和设计的结果有密切、直接的关系。 6 底层内嵌功能单元 内 嵌功能模块主要指DLL（Delay Locked Loop）、PLL（Phase Locked Loop）、DSP和CPU等软处理核（Soft Core）。现在越来越丰富的内嵌功能单元，使得单片FPGA成为了系统级的设计工具，使其具备了软硬件联合设计的能力，逐

57、步向SOC平台过渡。 DLL 和PLL具有类似的功能，可以完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频，以及占空比调整和移相等功能。Xilinx公司生产的芯片上集成了 DLL，Altera公司的芯片集成了PLL，Lattice公司的新型芯片上同时集成了PLL和DLL。PLL 和DLL可以通过IP核生成的工具方便地进行管理和配置。DLL的结构如图1-5所示。图1-5 典型的DLL模块示意图7. 内嵌专用硬核 内 嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的，指FPGA处理能力强大的硬核（Hard Core），等效于ASIC电路。为了提高FPGA性能，芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。例

58、如：为了提高FPGA的乘法速度，主流的FPGA 中都集成了专用乘法器；为了适用通信总线与接口标准，很多高端的FPGA内部都集成了串并收发器（SERDES），可以达到数十Gbps的收发速度。 Xilinx 公司的高端产品不仅集成了Power PC系列CPU，还内嵌了DSP Core模块，其相应的系统级设计工具是EDK和Platform Studio，并依此提出了片上系统（System on Chip）的概念。通过PowerPC、Miroblaze、Picoblaze等平台，能够开发标准的DSP处理器及其相关应用，达到SOC的开发目 的。1.2.3 软核、硬核以及固核的概念IP（Inte

59、lligent Property）核是具有知识产权核的集成电路芯核总称，是经过反复验证过的、具有特定功能的宏模块，与芯片制造工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺 中。到了SOC阶段，IP核设计已成为ASIC电路设计公司和FPGA提供商的重要任务，也是其实力体现。对于FPGA开发软件，其提供的IP核越丰富， 用户的设计就越方便，其市场占用率就越高。目前，IP核已经变成系统设计的基本单元，并作为独立设计成果被交换、转让和销售。 从IP核的提供方式上，通常将其分为软核、硬核和固核这3类。从完成IP核所花费的成本来讲，硬核代价最大；从使用灵活性来讲，软核的可复用使用性最高。 1 软

60、核 软 核在EDA设计领域指的是综合之前的寄存器传输级（RTL）模型；具体在FPGA设计中指的是对电路的硬件语言描述，包括逻辑描述、网表和帮助文档等。软 核只经过功能仿真，需要经过综合以及布局布线才能使用。其优点是灵活性高、可移植性强，允许用户自配置；缺点是对模块的预测性较低，在后续设计中存在发生 错误的可能性，有一定的设计风险。软核是IP核应用最广泛的形式。2 固核 固核在EDA设计领域指的是带有平面规划信息的 网表；具体在FPGA设计中可以看做带有布局规划的软核，通常以RTL代码和对应具体工艺网表的混合形式提供。将RTL描述结合具体标准单元库进行综合优 化设计，形成门级

61、网表，再通过布局布线工具即可使用。和软核相比，固核的设计灵活性稍差，但在可靠性上有较大提高。目前，固核也是IP核的主流形式之一。 3 硬核 硬核在EDA设计领域指经过验证的设计版图；具体在FPGA设计中指布局和工艺固定、经过前端和后端验证的设计， 设计人员不能对其修改。不能修改的原因有两个：首先是系统设计对各个模块的时序要求很严格，不允许打乱已有的物理版图；其次是保护知识产权的要求，不允许 设计人员对其有任何改动。IP硬核的不许修改特点使其复用有一定的困难，因此只能用于某些特定应用，使用范围较窄。 第3节 基于FPGA的开发流程1.3.1 FPGA设计方法概论FP

62、GA是可编程芯片，因此FPGA的设计方法包括硬件设计和软件设计两部分。硬件包括FPGA芯片电路、存储器、输入输出接口电路以及 其他设备，软件即是相应的HDL程序以及最新才流行的嵌入式C程序。硬件设计是基础，但其方法比较固定，本书将在第4节对其进行详细介绍，本节主要介绍软 件的设计方法。目前微电子技术已经发展到SOC阶段，即集成系统（Integrated System）阶段，相对于集成电路（IC）的设计思想有着革命性的变化。SOC是一个复杂的系统，它将一个完整产品的功能集成在一个芯片上，包括核心处 理器、存储单元、硬件加速单元以及众多的外部设备接口等，具有设计周期长、实现成本高等特点，因此其设计

63、方法必然是自顶向下的从系统级到功能模块的软、硬 件协同设计，达到软、硬件的无缝结合。 这么庞大的工作量显然超出了单个工程师的能力，因此需要按照层次化、结构化的设计方法来实施。首 先由总设计师将整个软件开发任务划分为若干个可操作的模块，并对其接口和资源进行评估，编制出相应的行为或结构模型，再将其分配给下一层的设计师。这就允 许多个设计者同时设计一个硬件系统中的不同模块，并为自己所设计的模块负责；然后由上层设计师对下层模块进行功能验证。自顶向下的设计流程从系统级设计开始，划分为若干个二级单元，然后再把各个二级单元划分为下一层次的基本单元，一直下去，直到能够使用基 本模块或者IP核直接实现

64、为止，如图1-6所示。流行的FPGA开发工具都提供了层次化管理，可以有效地梳理错综复杂的层次，能够方便地查看某一层次模块 的源代码以修改错误。  图1-6 自顶向下的FPGA设计开发流程在 工程实践中，还存在软件编译时长的问题。由于大型设计包含多个复杂的功能模块，其时序收敛与仿真验证复杂度很高，为了满足时序指标的要求，往往需要反复修 改源文件，再对所修改的新版本进行重新编译，直到满足要求为止。这里面存在两个问题：首先，软件编译一次需要长达数小时甚至数周的时间，这是开发所不能容 忍的；其次，重新编译和布局布线后结果差异很大，会将已满足时序的电路破坏。因此必须提出一种有效提高设

65、计性能，继承已有结果，便于团队化设计的软件工 具。FPGA厂商意识到这类需求，由此开发出了相应的逻辑锁定和增量设计的软件工具。例如，Xilinx公司的解决方案就是PlanAhead。 Planahead 允许高层设计者为不同的模块划分相应FPGA芯片区域，并允许底层设计者在在所给定的区域内独立地进行设计、实现和优化，等各个模块都正确后，再进行设计 整合。如果在设计整合中出现错误，单独修改即可，不会影响到其它模块。Planahead将结构化设计方法、团队化合作设计方法以及重用继承设计方法三者 完美地结合在一起，有效地提高了设计效率，缩短了设计周期。不过从其描述可以看出，新型的设计方法对系统顶层设计师有很高的要求。在设计初期，他们不仅要评估每个子模块所消耗的资源，还需要给出相应的时序关系；在设计后期，需要根据底层模块的实现情况完成相应的修订。 1.3.2 典型FPGA开发流程FPGA的设计流程就是利用EDA开发软件和编程工具对FPGA芯片进行开发的过程。FPGA的开发流程一般如图1-7所示，包括电路设计、设