FPGA如何从入门到高手？

FPGA简介



FPGA是英文Field-Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在可编程阵列逻辑PAL（Programmable Array Logic）、门阵列逻辑GAL（Gate Array Logic）、可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）等可编程器件的基础什么是FPGA上进一步发展的产物。



它是作为专用集成电路ASIC（Applica TIon Specific Integrated Circuit）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图什么是输入法，或是硬件描述语言自由设计一个数字系统。



通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了电子设计自动化EDA（Electronic Design Automa TIc）软件和硬件描述语言VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Descrip TIon）的进步。



FPGA的特点



FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽FPGA等特点。兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它ASIC相比，它又具有设计开发什么是周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10,000件以下）之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA。



FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。



FPGA的主要基本特点



一是采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

二是FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

三是FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

四是FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

五是FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。



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。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。









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。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。



3.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。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。



4.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4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。



5.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。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。



6.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。



FPGA与ASIC及CPLD对比



1、FPGA和ASIC的比较



ASIC是英文的Applica TIon Specific Integrated Circuits缩写，即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。目前用CPLD（复杂可编程逻辑器件）和FPGA（现场可编程逻辑阵列）来进行ASIC设计是最为流行的方式之一，它们的共性是都具有用户现场可编程特性，都支持边界扫描技术，但两者在集成度、速度以及编程方式上具有各自的特点。



ASIC的特点是面向特定用户的需求，品种多、批量少，要求设计和生产周期短，它作为集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比具有体积更小、重量更轻、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。



FPGA特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易的由ASIC实现，因此开发风险也大为降低。但ASIC也有它固有的优势，芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低，批量成本低，所以在今后一段时间内ASIC仍然会占据高端芯片市场和大批量应用的成熟中低端市场。



2、FPGA与CPLD的比较



尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件，有很多共同特点，但由于CPLD和FPGA结构上的差异，具有各自的特点：



一是CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA更适合于完成时序FPGA逻辑。换句话说，FPGA更适合于触发器丰富的结构，而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。



二是CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的，而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。



三是在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程，FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程;FPGA可在逻辑门下编程，而CPLD是在逻辑块下编程。



四是FPGA的集成度比CPLD高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现。



五是CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用E2PROM或FASTFLASH技术，无需外部存储器芯片，使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上，使用方法复杂。



六是PLD的速度比FPGA快，并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程，并且CLB之间采用分布式互联，而CPLD是逻辑块级编程，并且其逻辑块之间的互联是集总式的。



七是在编程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程，编程次数可达1万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。FPGA大部分是基于SRAM编程，编程信息在系统断电时丢失，每次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意次，可在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置。



八是CPLD保密性好，FPGA保密性差。



九是一般情况下，CPLD的功耗要比FPGA大，且集成度越高越明显。



FPGA基础入门到高手相关知识



1、FPGA器件有三类配置下载方式：主动配置方式（AS）和被动配置方式（PS）和最常用 的（JTAG）配置方式。



AS由FPGA器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程，EPCS系列。如EPC S1，EPCS4配置器件专供AS模式，目前只支持 Cyclone系列。使用Altera串行配置器件来完成。Cyclone期间处于主动地位，配置期间处于从属地位。配置数据通过DATA0引脚送入 FPGA。配置数据被同步在DCLK输入上，1个时钟周期传送1位数据。



PS则由外部计算机或控制器控制配置过程。通过加强型配置器件（EPC16，EPC8，EPC4）等配置器件来完成，在PS配置期间，配置数据从外部储存部件，通过DATA0引脚送入FPGA。配置数据在DCLK上升沿锁存，1个时钟周期传送1位数据。



JTAG接口是一个业界标准，主要用于芯片测试等功能，使用IEEE Std 1149.1联合边界扫描接口引脚，支持JAM STAPL标准，可以使用Altera下载电缆或主控器来完成。 FPGA在正常工作时，它的配置数据存储在SRAM中，加电时须重新下载。在实验系统中，通常用计算机或控制器进行调试，因此可以使用PS。在实用系统中，多数情况下必须由FPGA主动引导配置操作过程，这时FPGA将主动从外围专用存储芯片中获得配置数据，而此芯片中fpga配置信息是用普通编程器将设计所得的pof格式的文件烧录进去。



专用配置器件：epc型号的存储器

常用配置器件：epc2，epc1，epc4，epc8，epc1441（现在好象已经被逐步淘汰了）等



对于cyclone cycloneII系列器件，ALTERA还提供了针对AS方式的配置器件，EPCS系列。如EPCS1，EPCS4配置器件也是串行配置的。注意，他们只适用于cyclone系列。 除了AS和PS等单BIT配置外，现在的一些器件已经支持PPS，FPS等一些并行配置方式，提升配置了配置速度。当然所外挂的电路也和PS有一些区别。还有处理器配置比如JRUNNER 等等，如果需要再baidu吧，至少不下十种。



比如Altera公司的配置方式主要有Passive Serial（PS），Active Serial（AS），Fast Passive Parallel（FPP），Passive Parallel Synchronous（PPS），Passive Parallel Asynchronous（PPA），Passive Serial Asynchronous（PSA），JTAG等七种配置方式，其中Cyclone支持的配置方式有PS，AS，JTAG三种。



2、对FPGA芯片的配置中，可以采用AS模式的方法，如果采用EPCS的芯片，通过一条下载线进行烧写的话，那么开始的‘nCONFIG，nSTATUS’应该上拉，要是考虑多种配置模式，可以采用跳线设计。让配置方式在跳线中切换，上拉电阻的阻值可以采用10K。



3、在PS模式下tip：如果你用电缆线配置板上的FPGA芯片，而这个FPGA芯片已经有配置芯片在板上，那你就必须隔离缆线与配置芯片的信号。（祥见下图）。一般平时调试时不会把配置芯片焊上的，这时候用缆线下载程序。只有在调试完成以后，才把程序烧在配置芯片中， 然后将芯片焊上。或者配置芯片就是可以方便取下焊上的那种。这样出了问题还可以方便地调试。

在AS模式下tip： 用过一块板子用的AS下载，配置芯片一直是焊在板子上的，原来AS方式在用线缆对配置芯片进行下载的时候，会自动禁止对FPGA的配置，而PS方式需要电路上隔离。



4、一般是用jtag配置epc2和flex10k，然后 epc2用ps方式配置flex10k.这样用比较好。（这是我在网上看到的，可以这样用吗？怀疑中）望达人告知。



5、下载电缆，Altera下的下载电缆分为byteblaster和byteblasterMV，以及ByteBlaster II，现在还推出了基于USB-blaster.由于BB基本已经很少有人使用，而USB-Blaster现在又过于昂贵，这里就说一下BBII和 BBMV的区别。

BBII支持多电压供电5.5v，3.3v，2.5v，1.8v;BBII支持三种下载模式：AS，可对Altera的As串行配置芯片（EPCS系列）进行编程 PS，可对FPGA进行配置 JTAG，可对FPGA，CPLD，即Altera配置芯片（EPC系列）编程 而BBMV只支持PS和JTAG



6、一般在做FPGA实验板，（如cyclone系列）的时候，用AS+JTAG方式，这样可以用JTAG方式调试，而最后程序已经调试无误了后，再用 AS模式把程序烧到配置芯片里去，而且这样有一个明显的优点，就是在AS模式不能下载的时候，可以利用Quartus自带的工具生成JTAG模式下可以利用的jic文件来验证配置芯片是否已经损坏。



7、Altera的FPGA可以通过单片机，CPLD等加以配置，主要原理是满足datasheet中的时序即可，这里我就不多说了，有兴趣的朋友可以看看下面几篇文章，应该就能够明白是怎么回事了。



8、配置时，quartus软件操作部分：



（1）assignment--》device--》device&pin options--》选择configuration scheme，configuaration mode，configuration device，注意在不支持远程和本地更新的机器中configuration mode不可选择，而configuration device中会根据不同的配置芯片产生pof文件， 如果选择自动，会选择最小密度的器件和适合设计。

（2）可以定义双口引脚在配置完毕后的作用，在刚才的device&pin option--》dual-purpose pins--》，可以在配置完毕后继续当I/O口使用

（3）在general菜单下也有很多可钩选项，默认情况下一般不做改动，具体用法参见alter a configuration handbook，volume2，sectionII.

（4）关于不同后缀名的文件的适用范围： sof（SRAM Object File）当直接用PS模式下将配置数据下到FPGA里用到，USB BLASTER，MASTERBLASER，BBII，BBMV适用，quartusII会自动生成，所有其他的配置文件都是由sof生成的。 pof（Programmer Object File）也是由quartusII自动生成的，BBII适用，AS模式下将配置数据下到配置芯片中rbf（Raw Binary File）用于微处理器的二进制文件。在PS，FPP，PPS，PPA配置下有用处rpd（Raw Programing Data File）包含bitstream的二进制文件，可用AS模式配置，只能由pof文件生成hex（hexadecimal file）这个就不多说了，单片机里很多ttf（Tabular Text File）适用于FPP，PPS，PPA，和bit-wide PS配置方式sbf（Serial Bitstream File）用PS模式配置Flex 10k和Flex6000的jam（Jam File）专门用于program，verigy，blank-check。



FPGA下载配置学习心得



1、根据FPGA在配置电路中的角色，配置数据可以使用3种方式载入到目标器件中：



（1） FPGA主动方式：由FPGA来主动输出控制和同步信号给FPGA的串行配置芯片（EPCS系列），配置芯片收到命令后，把配置数据发给FPGA，完成配置过程;在AS模式下，FPGA必须与AS串行配置芯片配合使用，它与FPGA的接口为四跟信号线，分别为：串行时钟输入（DCLK），AS控制信号输入 （ASDI），片选信号（nCS），串行数据输出（DATA）。

（2） FPGA被动方式：被动模式下，由系统的其他设备发起并控制配置过程，这些设备可以是配置芯片（EPC系列），或者单板的微处理器、CPLD等。 FPGA在配置过程中完全处于被动地位，只是输出一些状态信号来配合配置过程;在PS模式下，需要配置时钟（DCLK），配置数据（DATA0），配置命令（nCONFIG），状态信号（nSTATUS），配置完成指示（CONF_DONE）这四个信号来完成配置过程。

（3） JTAG模式：使用JTAG进行配置可以使用Altera的下载电缆，或者通过智能主机模拟JTAG的时序来进行配置;JTAG接口由四个必须的信号TDI、TDO、TMS和TCK，以及一个可选的TRST构成。



2、若使用ByteBlasterII下载电缆，支持的配置方式有以下3种：

AS方式：对AS配置芯片（ECPS系列）进行编程；

PS方式：可以对FPGA进行配置；

JTAG方式：可以对FPGA、CPLD以及Altera配置芯片（EPC系列）编程。



3、AS及PS模式下的注意事项

PS 模式：如果你用电缆线配置板上的FPGA芯片，而这个FPGA芯片已经有配置芯片在板上，那你就必须隔离缆线与配置芯片的信号一般平时调试时不会把配置芯片焊上的，这时候用缆线下载程序。只有在调试完成以后，才把程序烧在配置芯片中，然后将芯片焊上。或者配置芯片就是可以方便取下焊上的那种。这样出了问题还可以方便地调试。



AS模式下： 用过一块板子用的AS下载，配置芯片一直是焊在板子上的，原来AS方式在用线缆对配置芯片进行下载的时候，会自动禁止对FPGA的配置，而PS方式需要电路上隔离。



4、一般在做FPGA实验板，（如cyclone系列）的时候，用AS+JTAG方式，这样可以用JTAG方式调试，而最后程序已经调试无误了后，再用AS模式把程序烧到配置芯片里去，而且这样有一个明显的优点，就是在AS模式不能下载的时候，可以利用Quartus自带的工具生成JTAG模式下可以利用的jic文件来验证配置芯片是否已经损坏。

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