《FPGA基础教程》课件

《基础教程》FPGA欢迎来到基础教程！本课程将带您深入了解技术，从基础原理FPGA FPGA到实际应用，帮助您掌握设计开发的技能FPGA简介FPGA什么是？的特点FPGA FPGA（）是一种可编程逻辑具有灵活、可重构、高速、低功耗等特点，广泛应用于FPGA Field-Programmable GateArray FPGA器件，可以通过用户编程来实现不同的数字电路功能它允许数字信号处理、通信系统、工业控制、医疗电子等领域用户在芯片上配置逻辑门、存储单元和互连结构，从而构建定制化的数字电路工作原理FPGA可编程逻辑块可编程互连结构配置存储器CLB123是的基本单元，包含逻可编程互连结构连接，允许用配置存储器存储用户的设计CLB FPGA CLB FPGA辑门、触发器等，可以实现不同户根据设计需求定制数据路径和配置信息，在启动时加载配置信的逻辑功能控制信号路径息到芯片中FPGA体系结构FPGA结构触发器输入输出模块LUT是中最常用触发器用于存储数据，实现时序逻辑功输入输出模块连接芯片外部电路，LUT Look-Up TableFPGA FPGA的逻辑实现结构，可以实现任何布尔函能实现数据和控制信号的输入输出数编程语言FPGAVHDL Verilog是一种硬件描述语言，VHDL VeryHigh SpeedVerilog类似于语言，易于学习和使用Integrated CircuitHardware C是一种Description Language硬件描述语言，用于描述数字电路行为和结构语法基础VHDL关键字变量与常量中包含许多关键字，用于描允许用户定义变量和常量，VHDL VHDL述不同的逻辑操作和数据类型用于存储和操作数据信号信号用于描述数字电路中数据传输和变化数据类型VHDL位类型整数类型BIT INTEGER位类型用于表示单个二进制位，可以取值为0或1整数类型用于表示整数，可以取值为正数、负数和0123标准逻辑类型STD_LOGIC标准逻辑类型包含9种状态，用于表示逻辑信号的各种状态，例如高电平、低电平、高阻抗等流程控制语句VHDL语句IF1语句用于根据条件执行不同的代码块IF语句CASE2语句用于根据多个条件执行不同的代码块CASE语句LOOP3语句用于重复执行一段代码LOOP组合逻辑电路VHDL与门1与门实现逻辑与操作，只有当所有输入信号都为高电平时，输出信号才为高电平“”或门2或门实现逻辑或操作，只要有一个输入信号为高电平，输出信号就为高电平“”异或门3异或门实现逻辑异或操作，当输入信号中只有一个为高电“”平时，输出信号才为高电平时序逻辑电路VHDL12触发器计数器触发器用于存储数据，实现时序逻辑计数器用于计数，可以实现上升沿触功能，包括D触发器、JK触发器等发、下降沿触发等功能3移位寄存器移位寄存器用于数据移位，可以实现串行输入、并行输出等功能设计实例VHDL控制电路时钟分频电路LED实现一个控制电路，根据输入信号控制的亮灭实现一个时钟分频电路，将输入时钟信号频率降低到目标频率LED LED语法基础Verilog数据类型Verilogwire1数据类型用于表示连接线，可以传递逻辑信号wirereg2数据类型用于表示寄存器，可以存储数据reginteger3数据类型用于表示整数，可以用于计数等操作integer流程控制语句Verilog语句if-else1语句用于根据条件执行不同的代码块if-else语句case2语句用于根据多个条件执行不同的代码块case语句for3语句用于重复执行一段代码，可以指定循环次数for组合逻辑电路Verilog与门1与门实现逻辑与操作，只有当所有输入信号都为高电平时，输出信号才为高电平“”或门2或门实现逻辑或操作，只要有一个输入信号为高电平，输出信号就为高电平“”异或门3异或门实现逻辑异或操作，当输入信号中只有一个为高电“”平时，输出信号才为高电平时序逻辑电路Verilog12触发器计数器触发器用于存储数据，实现时序逻辑计数器用于计数，可以实现上升沿触功能，包括D触发器、JK触发器等发、下降沿触发等功能3移位寄存器移位寄存器用于数据移位，可以实现串行输入、并行输出等功能设计实例Verilog控制电路时钟分频电路LED实现一个控制电路，根据输入信号控制的亮灭实现一个时钟分频电路，将输入时钟信号频率降低到目标频率LED LED开发工具简介FPGAQuartus IIVivado是公司推出的是公司推出的Quartus IIAltera VivadoXilinx开发工具，提供全面的设开发工具，功能强大，支FPGA FPGA计流程，包括代码编写、综合、持最新的芯片和设计流程FPGA编译、仿真和调试等软件安装与配置Quartus II安装步骤配置步骤下载软件安装包，运行安装程序，选择安装目录和设置环境变量，选择目标芯片，配置仿真器和Quartus IIQuartus IIFPGA组件，完成软件安装编译器设置工程创建与管理Quartus II工程创建文件管理使用工程向导创建新的工程，在中管理工程文件，包括FPGA Quartus II指定工程名称、芯片型号、顶层模源代码、约束文件、仿真文件等块等信息工程设置配置工程参数，例如时钟频率、IO管脚分配、编译器设置等综合与编译Quartus II综合1综合阶段将或代码转换成逻辑门级网表，并VHDL Verilog将逻辑门分配到芯片的中FPGACLB编译2编译阶段将综合结果生成可编程的配置信息，并将配置信息加载到芯片中FPGA代码编写技巧Quartus II代码风格代码优化调试技巧遵循良好的代码风格，例如使用缩使用提供的代码优化工具，使用提供的调试工具，例Quartus IIQuartus II进、添加注释、命名规范等，提高例如编译器优化选项、时序分析工如仿真器、逻辑分析仪等，帮助您代码可读性和可维护性具等，提高代码效率和性能发现和解决代码错误仿真与调试Quartus II功能仿真时序仿真功能仿真用于验证设计逻辑的正确性，确保设计能够按照预期时序仿真用于验证设计的时序性能，确保设计能够满足时序要工作求设计实例QuartusII控制电路时钟分频电路LED实现一个控制电路，根据输入信号控制的亮灭实现一个时钟分频电路，将输入时钟信号频率降低到目标频率LED LED电路板设计FPGA电路板类型设计流程电路板根据应用需求可以电路板设计需要根据FPGA FPGA分为开发板、评估板、定制板芯片特性、应用需求、信FPGA等号完整性等因素进行规划和设计电路板布局与布线FPGA布局布线布局是指将芯片和其他元器件放置在电路板上的位置布线是指连接芯片和其他元器件之间的信号线FPGA FPGA电路板管脚分配FPGA I/O管脚分配连接器选择将芯片的管脚分配到电路板根据应用需求选择合适的连接器，FPGA IO上的对应接口，并进行必要的信号例如接口、串口、并口等USB转换电路板信号完整性FPGA信号反射1信号在电路板上的传输过程中，由于阻抗不匹配等原因会导致信号反射，影响信号质量信号串扰2多个信号线之间距离过近，会导致信号相互干扰，影响信号质量噪声3电路板上的噪声会影响信号质量，导致误操作或功能异常电路板制作FPGA PCB设计制作测试PCB PCB PCB123使用设计软件进行电路板设将文件发送到制造商，进对制作完成的进行测试，验PCB PCBPCBPCB计，绘制电路板的布局和布线，行电路板的加工制作，包括线路证电路板的连接和功能是否符合生成文件蚀刻、元器件焊接等设计要求PCB电路板调试与测试FPGA功能测试时序测试验证电路板的功能是否正常工作，测试所有功能模块的正确性测试电路板的时序性能，确保电路能够满足时序要求，例如数据传输速率、时钟信号稳定性等应用领域概述FPGA数字信号处理通信系统在数字信号处理领域应用应用于高速数据传输、无FPGA FPGA广泛，例如图像处理、语音识线通信、网络协议处理等方面别、音频处理等工业控制用于工业控制系统，例如运动控制、过程控制、自动化系统等FPGA在数字信号处理中的应用FPGA图像处理音频处理可以实现图像处理算法，例如图像滤波、边缘检测、特征可以实现音频处理算法，例如音频编码、解码、噪声抑制FPGA FPGA提取等等在通信系统中的应用FPGA12高速数据传输无线通信用于实现高速数据传输接口，用于实现无线通信协议，例如FPGA FPGA例如、、等、、等PCIe EthernetSATA GSMLTE Wi-Fi3网络协议处理用于实现网络协议处理，例如FPGA、等TCP/IP UDP在工业控制中的应用FPGA运动控制过程控制用于实现运动控制系统，例如电机控制、伺服控制等用于实现过程控制系统，例如温度控制、压力控制等FPGA FPGA在医疗电子中的应用FPGA医疗影像处理医疗设备控制用于实现医疗影像处理用于实现医疗设备的控FPGA FPGA算法，例如图像增强、噪声制功能，例如呼吸机、心电抑制等监护仪等在军事系统中的应用FPGA雷达信号处理通信加密用于实现雷达信号处理算用于实现通信加密算法，FPGA FPGA法，例如信号检测、目标跟踪例如、等AES DES等武器控制用于实现武器控制系统，例如导弹控制、火炮控制等FPGA在消费电子中的应用FPGA数字音频播放器数字相机用于实现音频解码、音频处理、音频放大等功能用于实现图像处理、图像压缩、图像传输等功能FPGA FPGA发展趋势FPGA芯片技术进步设计工具发展芯片技术不断进步，例设计工具不断发展，例FPGA FPGA如更高的集成度、更快的速如更强大的功能、更友好的度、更低的功耗界面、更完善的开发流程应用领域扩展应用领域不断扩展，例如人工智能、机器学习、云计算等FPGA课程总结与问答本课程介绍了技术的基础知识和应用，希望能够帮助您掌握设FPGA FPGA计开发的技能，并在实际应用中发挥技术的优势课程结束后，我们FPGA将会进行问答环节，请您积极提问，我们将竭诚为您解答。