《FPGA结构与配置》课件

结构与配置FPGAFPGA是一种可编程逻辑器件，可以根据需要进行配置结构灵活，可以实现各种功能，可以应用于各种领域的基本概念FPGA可编程逻辑器件集成电路FPGA是现场可编程门阵列，是FPGA包含大量的可编程逻辑块一种可重构硬件设备，允许用户和互连资源，这些资源可以通过自定义逻辑功能配置实现不同的逻辑电路功能硬件描述语言应用领域用户可以使用硬件描述语言FPGA应用广泛，包括数字信号（HDL）来描述电路逻辑，然后处理、图像处理、通信系统、人将其转换成FPGA的配置信息工智能等领域的发展历程FPGA早期120世纪70年代，Xilinx公司推出了首款基于可编程逻辑阵列（PLA）的FPGA芯片，这标志着FPGA技术的诞生发展阶段220世纪80年代，FPGA技术迅速发展，出现了基于SRAM、EEPROM和Flash的FPGA现代FPGA320世纪90年代以后，FPGA技术逐渐成熟，应用领域不断扩展，出现了基于更先进工艺和结构的FPGA芯片，并开始应用于各种领域的核心组成结构FPGAFPGA的核心组成结构主要包含以下几个部分可编程逻辑块（CLB）、可编程互连资源、可编程输入/输出块（IOB）、时钟管理模块、内部存储器等这些部分共同组成了FPGA芯片，并可通过用户自定义的逻辑功能实现各种复杂的功能可编程逻辑块（）的结构CLB查找表LUT触发器FF多路复用器MUX查找表是CLB的核心，用于实现逻辑函触发器用于存储数据，并根据时钟信号更多路复用器用于选择多个输入信号中的一数LUT通过存储真值表来实现各种逻辑新状态它们提供了存储和延迟功能个，用于控制数据流和连接功能可编程互连资源FPGA中的可编程互连资源是指连接各个逻辑块、输入/输出块以及其他资源的专用布线网络，可以根据设计需求灵活地实现不同模块之间的连接这些布线网络通常由可编程开关矩阵、可编程路由、可编程延迟单元等组成，可以实现信号的布线、延迟控制以及信号转换等功能可编程输入输出块/可编程输入/输出块（I/O块）是FPGA芯片与外部电路连接的桥梁，负责数据的输入和输出I/O块通常包含多个I/O引脚，可根据设计需求配置为输入、输出或双向模式，并支持多种电压等级和信号类型编程技术

11.硬件描述语言

22.配置过程FPGA编程主要使用硬件描述HDL代码被编译成配置数据，语言（HDL），例如VHDL和写入FPGA内部的存储单元，Verilog，来描述电路行为实现特定功能

33.仿真验证

44.逻辑综合使用仿真工具模拟FPGA行HDL代码被转换为逻辑门级电为，验证设计正确性，确保功路，并映射到FPGA内部的逻能符合预期辑单元编程的主要步骤FPGA设计输入编写HDL代码或使用图形化设计工具创建电路设计，描述硬件行为逻辑综合将HDL代码或图形设计转换成门级网表，实现逻辑功能的映射布局布线将门级网表映射到FPGA的物理结构上，确定每个逻辑单元的位置和连接配置文件生成根据布局布线结果生成可用于配置FPGA的配置文件，用于将设计加载到FPGA芯片中下载配置将配置文件下载到FPGA芯片中，完成硬件配置，使FPGA开始工作语言简介HDL硬件描述语言HDL是用来描述硬件电路结构和行为的一种语言它可以用来设计各种数字电路，包括FPGA和ASICHDL的主要优势是它可以方便地描述复杂电路，并且可以被自动转换为电路设计文件，从而简化设计流程语言语法基础VHDL数据类型运算符VHDL语言中包含多种数据类型，包括标准类VHDL语言提供了丰富的运算符，包括算术运型，如布尔类型、整数类型和实数类型，以及算符、逻辑运算符、关系运算符和位运算符用户自定义类型等语句模块VHDL语言的语句主要包括赋值语句、过程语VHDL语言通过模块结构组织代码，每个模块句、条件语句、循环语句和并行语句代表一个独立的功能单元，模块之间通过端口进行连接语言语法基础Verilog模块定义数据类型12使用module关键字定义模Verilog支持多种数据类型，块，包含端口定义和内部逻包括位向量、整型、逻辑型和辑枚举类型运算符语句34提供算术、逻辑、关系和位运包含赋值语句、条件语句、循算符，用于实现各种逻辑功环语句和过程块，用于描述电能路行为逻辑设计流程行为级描述1用高级语言描述逻辑功能RTL级描述2使用硬件描述语言（HDL）描述逻辑综合3将HDL代码转换成门级电路布局布线4将门级电路映射到FPGA的具体资源上配置下载5将生成的配置数据下载到FPGA逻辑设计流程是一个将抽象的逻辑设计转化为实际可实现的硬件电路的过程设计方法RTL行为级描述寄存器传输级描述描述系统行为，不关注具体实现，重点描述电路的硬件结构，包括寄存器、组在于功能描述合逻辑和时序逻辑抽象层次高，便于理解和修改，适合于抽象层次低，更接近实际硬件，利于电系统级设计路实现和优化时序分析与约束时序分析时序约束时序路径时序分析是FPGA设计中至关重要的步时序约束定义了设计中关键路径的时序要时序路径指的是数据从源寄存器到目标寄骤，它评估设计在目标器件上的时序性求，确保电路满足性能指标存器的信号传递路径，分析时序性能的关能键逻辑综合与映射逻辑综合1将HDL代码转换成门级网络技术映射2将门级网络映射到FPGA的逻辑块优化3优化布局布线，提升性能和效率逻辑综合和映射是FPGA设计流程中的关键步骤逻辑综合将HDL代码转换为门级网络，而技术映射将门级网络映射到FPGA的逻辑块优化步骤则对布局布线进行优化，以提高性能和效率布局布线与优化布局布局是指将逻辑单元（如查找表、触发器等）分配到FPGA芯片上的具体位置布线布线是指将逻辑单元之间的互连线连接起来，以实现设计的逻辑功能优化优化是指通过调整布局和布线来提高电路性能，例如降低功耗、提高速度、减少面积等配置文件生成配置文件格式配置文件生成工具配置文件通常以二进制或文本格FPGA开发工具通常提供配置文式存储，包含FPGA的配置信件生成工具，将设计文件转换为息，例如逻辑块配置、互连资源配置文件，并将其加载到FPGA配置、输入输出端口配置等芯片中配置过程验证配置配置文件生成工具会根据设计文配置完成后，需要进行验证测件生成配置文件，该文件会通过试，以确保FPGA按照预期配置编程硬件设备将配置信息写入到正常工作，并进行逻辑功能验FPGA的存储器中证编程硬件设备FPGAFPGA编程器FPGA编程器是用于将配置文件写入FPGA芯片的专用设备，通过JTAG接口连接到FPGA，实现配置信息的下载编程电缆连接FPGA编程器与计算机的电缆，用于传输编程数据，可用于各种型号FPGA开发平台提供编程软件和开发环境，用于编写HDL代码，生成配置文件，并最终完成FPGA的配置编程方式JTAGJTAG接口边界扫描测试编程器JTAG是一种标准的测试访问端口，用于JTAG允许对FPGA内部进行边界扫描测JTAG编程器通过JTAG接口将配置数据下调试和编程FPGA试，识别和诊断硬件故障载到FPGA内部的存储器串行配置方式串行配置方式使用单个数据线将配置数据这种方式通常使用JTAG协议或类似的串串行配置适用于低成本、低数据量、非实从外部设备传输到FPGA的内部存储器行通信协议，数据传输速度相对较慢时性的FPGA应用场景中并行配置方式并行配置概述特点应用场景并行配置方式速度快，适合•高速度高速数据处理，实时控制应大型FPGA•高带宽用同时使用多个引脚，快速写•成本高需要快速启动和配置的系入配置数据统部分重配置技术动态重配置灵活性和效率12在FPGA运行时，部分逻辑模部分重配置可以根据应用程序块可以被重新配置，无需重新的需求动态调整FPGA的功编程整个芯片，使FPGA更灵能，提高硬件资源的利用率活适应性3部分重配置技术使FPGA能够适应各种应用场景，例如动态适应变化的系统需求和的比较CPLD FPGACPLDFPGACPLD是复杂可编程逻辑器件，FPGA是现场可编程门阵列，结结构相对简单，逻辑单元数量较构灵活，逻辑单元数量多，可实少，适合实现较小的逻辑功能现复杂的逻辑功能主要区别CPLD主要用于实现较小的逻辑功能，而FPGA主要用于实现复杂的逻辑功能，例如数字信号处理、图像处理等和的比较ASIC FPGAASICFPGA定制集成电路，一次性设计，特定功能可编程逻辑器件，可重构配置，灵活应用速度成本ASIC速度更快，FPGA速度略慢ASIC前期投入高，后期成本低，FPGA前期成本低，后期成本高的应用领域FPGA数字信号处理网络和通信人工智能和机器学习工业自动化和控制FPGA适用于各种数字信号处FPGA在网络设备中用于实现FPGA可以用于加速神经网络FPGA在工业自动化和控制系理应用，例如图像处理、语音高速数据包转发、路由和协议和深度学习模型的训练和推统中用于实现定制逻辑和高精识别和无线通信处理理度控制发展趋势FPGA更快的速度更低的功耗FPGA速度不断提高，可以支持更复杂的逻辑功能和更快的信号FPGA功耗降低，这使得它们更适合于便携式和移动设备处理更强的软件支持更高的集成度FPGA开发工具和软件不断改进，提高了开发效率和可维护性FPGA芯片上的逻辑单元和存储单元密度不断增加，可以实现更复杂的功能本课程小结FPGA技术逻辑设计流程FPGA技术是一种强大的硬件可了解FPGA的逻辑设计流程，包编程技术，可用于设计和实现各括RTL设计、综合、布局布线和种数字电路和系统配置等步骤FPGA应用发展趋势FPGA应用于数字信号处理、图FPGA技术不断发展，包括更高像处理、通信、人工智能等领的集成度、更快的速度、更低的域，广泛应用于各种电子产品功耗，以及更灵活的编程方式问答环节本课程内容丰富，涉及FPGA结构、配置和应用等方面大家在学习过程中可能会遇到各种问题，欢迎大家积极提问我们将尽力解答大家的疑惑，并与大家一起探讨FPGA的应用和发展趋势。