FPGA入门教程

Uqzalq · 发表于 2022-3-23 15:40

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FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列），正如其名，FPGA内部有大量的可编程逻辑功能块，使用verilog HDL（硬件描述语言）实现设计。

　　玩过单片机的小伙伴刚接触FPGA可能会有点困惑，其实FPGA与单片机最大的区别就在于：FPGA设计的是电路，单片机设计的是程序。单片机只有一个CPU在工作时钟的驱动下顺序的执行程序（取指、译码、执行），所以工作速度较慢，而FPGA设计出来的是整个电路逻辑系统，根本不需要单片机这么复杂，所以FPGA的工作速度自然很快，在两者各有各的优势下，单片机主要用于进行相关控制，FPGA多用于信号处理相关。

　　典型的FPGA原理和结构如下图（注：以Cyclone IV E FPGA芯片为例），主要包括三类基本资源：

　　　

可编程逻辑功能块（Altera-LE(Logic Element) / Xlinx-Slice）
是实现用户功能的基本单元，多个逻辑功能块通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片；

可编程内部互连资源
　　　　包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或输入/输出块连接起来，构成特定功能的电路。用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互连关系，从而实现所需的逻辑功能。

可编程输入/输出(I/O)块
　　完成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；

　　

　　FPGA从简单的逻辑粘合，发展到现在的可编程片上系统，FPGA厂家也在基本的FPGA架构上加入了一些扩展资源，比如时钟管理单元（PLL、DLL）、嵌入式存储器单元和硬件乘法器单元，DSP单元一些高端器件还加入了高速收发器、甚至嵌入式硬核处理器，让FPGA的应用领域更广阔，Cyclone IV E器件加入的扩展资源有：

PLL锁相环
　　　　模拟电路，将输入的周期信号进行分频和倍频，或改变相位，输出一个或多个稳定的时钟信号；

M9K存储器
　　　　嵌入式块RAM，容量大小9Kbit，这些存储器可以被配置成单端口、简单双端口、真双端口RAM、FIFO缓冲器、ROM

18*18硬件乘法器
　　　　快速进行运算

　　FPGA中除了三类基本资源和一些扩展资源外，由图中可以看到，FPGA中资源分布也是很精致的：

　　　　1、逻辑阵列和M9K存储器交替分布，这样做的优点是缩短数据的传输路径，以获得更优的时序性能；

　　　　2、IOEs和PLL单元分布在器件的四周，数据流一般从左侧IO流入，经过处理、运算、存储，通过右侧IO流出，控制信号通过上下IO输入输出；有时候系统需要高质量时钟（比如软核所需工作时钟）通常由PLL单元产生，而这些分布在四周的PLL可以最短时钟源产生工作时钟，另外，PLL属于模拟电路，放在周围更利于生产；

　　两种主流FPGA的资源情况如下：

　　Altera Cyclone IV E系列FPGA常见硬件资源详情列表：

　