《FPGA入门学习》课件

入门学习FPGA入门学习FPGA是一种可编程逻辑器件，允许用户通过配置来实现定制电路FPGA简介FPGA是现场可编程门阵列，一种可重新配置的数字电路它包FPGA含了可编程逻辑块和可编程互连资源用户可以根据自己的需要，使用硬件描述语言（）进行编程，以实现特定的逻辑功能HDL具有高灵活性、可重复配置的特点，可以满足各种应用FPGA场景的需要的工作原理FPGA配置1将设计代码加载到FPGA逻辑电路2内部包含可编程逻辑块，实现逻辑功能FPGA互连3可编程互连资源连接逻辑块，完成电路互联工作原理基于可编程逻辑和可编程互连资源，实现灵活的设计和配置通过配置，可以模拟各种逻辑电路，完成复杂的功FPGA FPGA能设计人员可以通过编程语言编写逻辑功能，并将其配置到中，实现电路功能FPGA与传统的区别FPGA IC可重构性灵活性是可重构的，可以根据需可以实现各种逻辑功能，FPGA FPGA要重新配置，而传统是固定的而传统通常是针对特定应用设IC IC，一旦设计完成就无法更改计的，灵活性较低开发周期成本的开发周期通常比传统短的成本通常比传统高，特FPGA ICFPGA IC，因为不需要进行芯片制造别是对于小批量生产的应用领域FPGA数字信号处理通信系统数字信号处理应用广泛，例如FPGA在通信系统中用于构建高语音识别、图像压缩和视频编速数据传输和无线通信系统，码实现高带宽和低延迟工业自动化人工智能用于工业自动化系统中，可以加速机器学习算法，FPGA FPGA例如机器人控制、电机驱动和例如神经网络训练和图像识别过程控制，实现更高效的AI计算的发展历程FPGA早期阶段1世纪年代，可编程逻辑阵列（）诞生，奠定了的基础2070PLA FPGA第一代FPGA2世纪年代，推出了第一款，采用技术实现可编程性2080Xilinx FPGASRAM第二代FPGA3世纪年代，采用更先进的工艺技术，性能和密度大幅提升2090FPGA第三代FPGA4世纪，开始应用于各种领域，包括通信、航空航天、医疗等21FPGA技术不断发展，已成为数字电路设计中不可或缺的一部分FPGA的体系结构FPGA可编程逻辑块可编程互连资源输入输出模块辅助功能模块FPGA的核心组件，由多个逻辑连接可编程逻辑块和输入输出与外部电路进行数据交互，负提供时钟信号、存储单元、控门组成，可实现各种逻辑功能模块，实现灵活的数据传输责数据进出FPGA制逻辑等支持功能，提升FPGA性能可编程逻辑块基本单元逻辑门可配置性FPGA的核心组成部分，用于实现各种逻辑每个逻辑块包含多个逻辑门，例如与门、通过编程配置逻辑块的功能，实现不同的功能或门、非门等逻辑电路可编程互连资源灵活连接可编程互连资源是的核心，它提供了一种灵活的方式来连FPGA接逻辑块这些连接可以根据需要进行配置，以实现不同的逻辑功能输入输出模块/外部接口信号转换通过输入输出模块与外部世界交互，连接各种传感器输入输出模块可以将外部信号转换为内部可识别的FPGA//FPGA、执行器、存储设备等电平，反之亦然灵活配置保护电路输入输出模块的配置灵活，支持多种协议和接口标准，满输入输出模块通常包含保护电路，防止外部信号损坏//足不同应用需求FPGA器件辅助功能模块嵌入式存储器定时器计数器串行通信接口数字信号处理单元/FPGA芯片通常集成有块状提供精确的计时功能，用于支持SPI、I2C、UART等通为音频、视频等信号处理提RAM和ROM，用于存储程控制系统时序、执行延时操信协议，实现与外部设备的供专用硬件加速，提高处理序代码、数据或配置信息作或生成特定频率的信号低速数据传输效率的设计流程FPGA需求分析明确项目目标，确定功能需求和性能指标，例如处理速度、数据吞吐量、功耗等系统设计将系统分解为模块，并设计模块之间的连接方式，确定FPGA架构和资源分配RTL设计使用硬件描述语言HDL对各个模块进行逻辑设计，编写代码描述电路行为和逻辑关系综合与布局布线将HDL代码转换为FPGA可识别的配置信息，并根据资源分配进行布局布线下载与调试将配置信息下载到FPGA芯片，并进行仿真和测试，确保电路功能和性能符合预期需求分析功能需求性能指标资源约束接口定义明确设计的功能目标，例确定设计所需的性能指标考虑目标芯片的资源限制定义与外部设备的接口方FPGA FPGA FPGA FPGA如信号处理、图像识别、通信，例如速度、精度、功耗、延，例如逻辑单元数量、存储器式，例如数据格式、传输速率协议等迟等容量、I/O引脚数量等、协议类型等系统设计功能需求系统架构时序分析资源分配确定FPGA实现的功能，例如数设计FPGA的整体架构，包括模分析系统时序要求，例如时钟根据系统需求分配FPGA资源，据处理、信号处理等块划分、数据流和控制流频率、延迟时间等例如逻辑单元、存储器等设计RTL代码编写模块化设计RTL使用Verilog或VHDL语言描述硬将复杂的系统分解成多个功能模件电路行为块，提高代码可读性和可维护性时序逻辑设计组合逻辑设计使用寄存器和触发器实现时序逻使用逻辑门和运算符实现组合逻辑，例如计数器、状态机等辑，例如加法器、乘法器等综合与布局布线综合1将Verilog HDL代码转换为FPGA的硬件描述，生成网表文件布局布线2将网表文件映射到FPGA的具体器件结构，完成逻辑单元和互连资源的分配优化3在综合和布局布线过程中，优化时序、面积和功耗，提高FPGA性能下载与调试下载1将设计的比特流文件下载到芯片中FPGA FPGA仿真调试2通过仿真工具验证设计的功能和时序是否满足要求逻辑分析仪3使用逻辑分析仪观察内部信号FPGA现场测试4在实际应用环境中测试系统FPGA设计流程最后一步是下载和调试首先将设计的比特流文件下载到目标芯片中，之后使用仿真工具验证设计的逻辑功能和时序是否符合FPGA FPGA要求常用开发工具FPGA

11.Xilinx Vivado

22.Intel Quartus Prime是推出的集成开是推出的Vivado XilinxQuartusPrimeIntel发环境，支持最新的架开发工具，支持FPGA FPGAAltera构和功能，提供了丰富的工具的FPGA产品，具有高效的编和库，功能强大，使用方便译器，支持多种硬件描述语言，以及完善的调试功能

33.Lattice Diamond

44.Microsemi Libero SoC是推出的是推Diamond LatticeLibero SoCMicrosemi开发工具，支持出的开发工具，支持FPGA Lattice FPGA的产品，界面简洁，操的和FPGA MicrosemiFPGA SoC作方便，适合入门学习和简单产品，提供了强大的系统级设项目开发计功能，支持混合信号设计Xilinx Vivado功能强大用户友好提供全面的设计流程，从系统级设计到物理实现提供图形化界面，方便用户进行设计、仿真、综合、布Vivado FPGAVivado支持多种设计语言，包括Verilog和VHDL局布线等操作还提供丰富的工具和库，方便用户进行调试和分析Intel QuartusPrime图形化界面硬件支持仿真功能优化工具提供直观的界面，方便用户进支持多种Intel FPGA器件，并内置强大的仿真器，帮助用户提供多种优化工具，提升FPGA行FPGA的设计、调试和验证提供丰富的开发板和工具验证设计的正确性的设计性能和效率Lattice Diamond功能强大易于使用Lattice Diamond是一款功能强大的FPGA开发软件，提供综合、该软件界面简洁直观，易于学习和使用，适合初学者和经验丰富布局布线、仿真等功能，支持多种Lattice FPGA芯片的工程师资源丰富支持多种芯片提供丰富的开发资源，包括示例项目、文档、教该软件支持公司的多种芯片，包括、、Lattice DiamondLatticeFPGAECP ECP2程等，方便用户快速上手iCE40等系列芯片Microsemi Libero SoC公司平台集成开发环境硬件设计Microsemi SoCMicrosemi公司是全球领先的LiberoSoC是Microsemi公司该环境提供全面的工具链，包LiberoSoC支持多种硬件设计半导体供应商之一，提供广泛为其SoC器件提供的集成开发括硬件设计、软件开发、调试语言，例如Verilog和VHDL，的FPGA产品和解决方案环境和验证功能并提供图形化设计工具语言概述Verilog HDL是一种用于描述硬件设计的语言它被广泛用于和的设计中Verilog HDLHardware DescriptionLanguage FPGAASIC是一种硬件描述语言，它允许您以文本形式描述硬件电路使用，您可以创建模拟电路行为的模型，这些模型可以使用仿真器进行测Verilog Verilog试和验证行为级1描述电路的功能寄存器传输级2描述电路的逻辑结构门级3描述电路的逻辑门支持三种抽象级别行为级、寄存器传输级和门级行为级描述了电路的功能，而寄存器传输级描述了电路的逻辑结构，门级描述了电路的Verilog逻辑门基础语法Verilog关键字运算符标识符注释Verilog语言中一些具有特殊意用于执行各种操作，例如算用户定义的变量、模块、信号用于解释代码，提高可读性，义的单词，例如module、术运算符、逻辑运算符、关系等名称，由字母、数字、下划分为单行注释和多行注释endmodule、input、output、运算符、位运算符等线组成，第一个字符必须为字wire、reg、always、assign等母或下划线数据类型与运算符数据类型运算符12语言支持多种数据类型语言支持各种算术、逻Verilog Verilog，包括整数、实数、逻辑值、辑、比较、位运算等运算符字符串等常量与变量数据类型转换34常量在设计过程中保持不变，Verilog语言支持不同数据类型而变量可以在设计过程中改变之间的转换，例如整数与逻辑值值之间的转换逻辑电路建模组合逻辑电路建模方法组合逻辑电路的输出只取决于当前的输入，没有记忆功能•与门Verilog HDL提供了丰富的语法和语句，可以方便地描述各种逻辑电路•或门•行为级描述•非门•结构级描述•异或门•数据流级描述123时序逻辑电路时序逻辑电路的输出不仅取决于当前的输入，还取决于电路的过去状态•触发器•计数器•移位寄存器时序电路建模触发器建模使用中的语句，描述触发器的时序逻辑Verilog HDLalways计数器建模利用语句，根据计数器类型和计数方向实现计数功能always状态机建模使用状态机描述电路的行为，包括状态的定义、状态转移和状态输出设计实例FPGA简单计数器设计状态机设计计数器是FPGA中最基本的电路之一可以通过FPGA内部的触发状态机是一种常用的数字电路设计方法，广泛应用于各种数字系器和逻辑门来实现计数功能统中简单计数器可以用于计时、频率测量、数据排序等应用场景通过状态机的设计，可以实现复杂的功能，例如协议解析、数据处理、控制逻辑等简单计数器设计这是一个基础的设计实例，用于学习基本电路设计和时序控制FPGA计数器模块1接收时钟信号，记录计数次数时钟信号2驱动计数器进行计数计数结果3显示当前计数次数复位信号4将计数器复位到初始状态通过设计简单计数器，可以掌握基本的语法和的时序控制方法，为更复杂的设计打下基础Verilog FPGA状态机设计定义状态1识别不同状态描述状态转换2定义状态之间的转换条件设计状态逻辑3实现状态转换逻辑状态机是设计中常用的模块，用于实现复杂的控制逻辑状态机根据当前状态和输入信号，决定下一个状态和输出信号FPGA脉冲计数器设计脉冲计数脉冲计数器用于统计输入信号中的脉冲数量，通常用于测量频率或时间计数器类型根据计数方式，脉冲计数器可分为同步计数器和异步计数器两种计数器设计使用FPGA实现脉冲计数器，需要选择合适的计数器类型，以及设计相应的时序逻辑计数结果输出计数结果通常以二进制或十进制的形式输出，可以通过LED显示或串口传输数字滤波器设计滤波器类型1数字滤波器可分为低通、高通、带通和带阻滤波器它们根据频率特性对信号进行滤波，消除或衰减不需要的频率成分滤波器实现2数字滤波器通常使用有限脉冲响应（）或无限脉冲响应（）滤波器FIR IIR结构实现滤波器具有线性相位特性，而滤波器通常具有更紧凑的实现方式FIR IIR设计流程3数字滤波器设计通常涉及对信号进行分析，确定所需频率特性然后根据所需频率特性选择适当的滤波器类型和结构，并使用工具进行设计和优化硬件调试方法仿真调试逻辑分析仪设计完成后，需要进行仿真测试，验证设计是否符合预逻辑分析仪是一种强大的硬件调试工具，它可以捕获内FPGA FPGA期仿真可以帮助发现设计中的逻辑错误，并及时进行修改部的信号，并进行实时分析逻辑分析仪可以帮助分析信号之间的时序关系，以及识别设计中的逻辑错误芯片烧录现场测试芯片烧录是指将设计文件加载到芯片中烧录之现场测试是指将芯片安装到目标系统中，并进行实际测FPGA FPGA FPGA前需要对设计文件进行综合、布局布线等步骤，将设计文件试现场测试可以帮助验证设计在实际环境下的性能，并识转化为FPGA芯片可识别的格式别设计中的硬件问题仿真调试功能仿真时序仿真硬件调试验证设计的逻辑功能，确保代码符合预期分析电路的时序特性，检查信号延迟、时使用逻辑分析仪、示波器等工具观察实际行为使用仿真软件模拟输入信号，观察钟关系和数据完整性硬件运行情况，排查硬件故障输出结果逻辑分析仪实时信号捕捉信号状态显示逻辑分析仪可以实时捕获FPGA内部的信号，并将其存储在内分析仪可以将捕获到的信号以波形、表格或其他可视化形式存中，以便后续分析显示，帮助开发者分析信号变化趋势触发条件设置时间戳信息开发者可以通过设置触发条件来捕获特定事件发生的信号，逻辑分析仪能够记录每个信号变化的时间戳，帮助开发者分以便更精准地定位问题所在析信号之间的时间关系和时序问题芯片烧录烧录工具烧录文件使用专用的烧录器，如将编译后的配置数据文件FPGA.bit的或的或加载到烧录工具中Xilinx iMPACTAltera.binQuartus IIProgrammer连接目标器件开始烧录将烧录器连接到目标FPGA芯片启动烧录过程，将配置数据写，通常通过接口入芯片的内部存储器JTAG FPGA现场测试实际环境验证问题排查性能评估数据采集与分析将FPGA芯片应用于实际环境，发现并解决设计中的缺陷和错测量FPGA系统在实际环境中的收集现场测试数据，进行分析进行全面测试，验证其功能和误，保证系统的可靠性和稳定性能指标，例如吞吐量、延迟和评估，优化FPGA系统设计性能性和功耗性能优化技巧FPGA资源利用率时序优化功耗优化可靠性提升优化FPGA资源利用率，减少改善信号路径，提高工作频降低FPGA功耗，延长电池续通过优化设计，减少错误，资源浪费，降低成本率，提升系统性能航时间，提高可靠性提高系统稳定性例如，使用更小的数据类型例如，优化关键路径，使用例如，使用低功耗逻辑单元例如，使用错误检测机制，，重用逻辑单元更快的逻辑单元，优化时钟频率添加冗余逻辑资源利用率芯片资源电路板空间代码优化FPGA芯片包含各种可编程逻辑块和互连合理布局设计，减少电路板空间浪费，提编写高效简洁的代码，减少逻辑资源占用资源，优化资源利用率至关重要升整体效率，提升性能时序优化关键路径分析时序约束识别电路中最长的路径，以确定通过添加时序约束，指导综合器时序瓶颈和布局布线器优化时序性能时序库优化策略使用精确的时序库来模拟器件的利用流水线、寄存器重分配等技延迟和时序特性术优化时序，提高系统工作频率功耗优化低功耗设计功耗分析工具选择低功耗器件，优化代码，减少不必使用FPGA厂商提供的功耗分析工具，识要的逻辑操作使用合适的时钟管理策别功耗热点，针对性地进行优化调整略，减少不必要的时钟翻转FPGA的工作电压和频率，降低功耗可靠性提升冗余设计错误检测与纠正

11.

22.多个器件并行工作，一个出现通过添加校验码、奇偶校验等故障，其他器件可以接管其工机制，检测并纠正数据传输过作，保证系统正常运行程中的错误..温度补偿严格的测试

33.

44.FPGA器件对温度变化比较敏在设计和开发过程中，需要进感，通过温度补偿电路可以降行严格的测试，以验证设计是低温度变化对性能的影响.否符合要求，并尽早发现潜在问题.行业发展趋势FPGA高性能计算人工智能加速通信汽车电子5G在高性能计算领域具有独在人工智能领域应用广泛在通信系统中扮演着在汽车电子领域应用不断FPGA FPGA FPGA5G FPGA特的优势，可以加速数据处理，可以加速深度学习、图像识重要角色，可以实现高速数据扩展，可以实现ADAS、自动和分析别等任务传输和低延迟驾驶等功能高性能计算并行计算机器学习可用于构建高性能计算系统，加速数据密集型应用，例如的并行处理能力可加速机器学习算法，例如深度学习和神FPGAFPGA天气预报、基因组分析和金融建模经网络，提高训练速度和预测精度人工智能加速神经网络图像处理FPGA可以高效实现深度学习模型中的神经网络加速图像识别、目标检测和视频分析等任务自然语言处理数据分析提升语音识别、机器翻译和文本分类等任务的效率FPGA加速大规模数据集的处理，支持实时分析和预测通信5G高速率，低延迟连接更多设备增强现实应用提供更高数据速率和更低延迟，为用户支持更多设备连接，推动物联网发展支持增强现实应用，例如虚拟现实游戏5G5G5G提供更流畅的体验和远程医疗汽车电子汽车控制系统信息娱乐系统传感器融合照明系统可用于汽车控制系统，可增强汽车信息娱乐系可处理来自各种传感器用于控制汽车照明系统FPGAFPGAFPGAFPGA例如引擎控制、变速箱控制、统功能，例如音频/视频处理、的实时数据，用于高级驾驶辅，例如自适应前照灯和LED照安全系统和车身控制导航和连接性助系统ADAS和自动驾驶明总结与展望技术快速发展，应用范围不断扩大FPGA将继续在高性能计算、人工智能、通信、汽车电子等领域发挥重要作FPGA5G用。