FPGA开发设计

news2024/10/1 3:26:05

一、概述

FPGA是可编程逻辑器件的一种，本质上是一种高密度可编程逻辑器件。
FPGA的灵活性高、开发周期短、并行性高、具备可重构特性，是一种广泛应用的半定制电路。

FPGA的原理

采用基于SRAM工艺的查位表结构（LUT），LUT用于实现实际逻辑电路的功能，LUT本质上是一个RAM，事先将相应的结果存放于一个存储单元，输入信号进行逻辑计算就等于输入一个地址进行查表，将地址对应内容输入。
FPGA综合工具完成Verilog语言描述、逻辑网表到LUT实现的过程。即用户通过原理图或者HDL语言描述一个逻辑电路后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（结果）事先写入LUT的RAM中，EDA工具生成的烧进FPGA的bitstream文件。

FPGA的结构

FPGA内部有多中部件，如DSP、Memory(BLOCK RAM/BLOCK ROM)、布线资源、可编程输入单元等，但最基本单元式CLB逻辑块，CLB的组成有查找表LUT，寄存器Flip-flop，多路选择器Mux。
在这里插入图片描述

CLB

在这里插入图片描述

LUT是FPGA用于实现组合逻辑电路的器件，具体作用是存储组合逻辑电路计算的所有结果通过LUT代替组合逻辑，而LUT中的值只和输入有关，因此FPGA中组合逻辑的功能由输入决定，不再和复杂度有关；LUT实现的组合逻辑的延迟是固定的

Mux
多路选择，配合LUT实现根据输入选择结果

FPGA中全局时钟资源

大型设计一般推荐使用同步时序电路。同步时序电路基于时钟触发沿设计，对时钟的周期、占空比、延时和抖动提出了更高的要求。为了满足同步时序设计的要求，一般在FPGA设计中采用全局时钟资源驱动设计的主时钟，以达到最低的时钟抖动和延迟。与全局时钟资源相关的原语常用的与全局时钟资源相关的Xilinx器件原语包括：IBUFG、IBUFGDS、BUFG、BUFGP、BUFGCE、BUFGMUX、BUFGDLL和DCM

IBUFG：输入全局缓冲，是与专用全局时钟输入管脚相连接的首级全局缓冲。所有从全局时钟管脚输入的信号必须经过IBUF元，否则在布局布线时会报错。 IBUFG支持AGP、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVTTL、PCI、PCIX和 SSTL等多种格式的IO标准。

IBUFGDS：IBUFG的差分形式，当信号从一对差分全局时钟管脚输入时，必须使用IBUFGDS作为全局时钟输入缓冲。

BUFG：全局缓冲，它的输入是IBUFG的输出，BUFG的输出到达FPGA内部的IOB、CLB、选择性块RAM的时钟延迟和抖动最小。

BUFGCE：带有时钟使能端的全局缓冲。它有一个输入I、一个使能端CE和一个输出端O。只有当BUFGCE的使能端CE有效(高电平)时，BUFGCE才有输出。

BUFGMUX：全局时钟选择缓冲，它有I0和I1两个输入，一个控制端S，一个输出端O。当S为低电平时输出时钟为I0，反之为I1。需要指出的是BUFGMUX的应用十分灵活，I0和I1两个输入时钟甚至可以为异步关系

BUFGP：相当于IBUG加上BUFG。

BUFGDLL：全局缓冲延迟锁相环，相当于BUFG与DLL的结合。BUFGDLL在早期设计中经常使用，用以完成全局时钟的同步和驱动等功能。随着数字时钟管理单元(DCM)的日益完善，目前BUFGDLL的应用已经逐渐被DCM所取代。

DCM：数字时钟管理单元，主要完成时钟的同步、移相、分频、倍频和去抖动等。DCM与全局时钟有着密不可分的联系，为了达到最小的延迟和抖动，几乎所有的DCM应用都要使用全局缓冲资源。DCM可以用Xilinx ISE软件中的Architecture Wizard直接生成。

FPGA工作流程

逻辑设计验证 =》综合 =》实现 =》编程与调试

综合

将高层次FPGA设计转化为逻辑链接网表的过程。
综合过程将会检查代码语法并分析设计层次结构，并针对用户选定的器件进行优化，综合结束产生硬件资源估算，但不一定准确

实现

通过翻译、映射、布局布线等过程将逻辑设计进一步转译为可以下载烧录到FPGA器件的特定物理文件格式的过程。
翻译过程是将所有的输入网表和约束条件组合成一个逻辑设计文件，这些信息被保存为NGD文件
映射是将带有逻辑原酸的整个电路划分为子块，一遍可以被装入到FPGA逻辑块中。该过程将NGD文件定义的逻辑适用于FPGA，并生成一个NCD文件。
布局布线是确定FPGA中逻辑单元的位置，确定单元间的连线。