FPGA开发：初识FPGA

news2024/12/23 6:03:13

FPGA是什么？

FPGA的全称是现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array），一种以数字电路为主的集成芯片，属于可编程逻辑器件PLD的一种。简单来说，就是能用代码编程，直接修改FPGA芯片中数字电路的逻辑功能。

那这样就怎么了呢？因为早期芯片生产出来后，电路就固定好不会改变了，于是功能也就固定了，这种芯片就是ASIC（专用集成电路，Application Specific Integrated Circuit）。

而要想改变电路结构就需要重新设计芯片、重新“流片”、测试等，整个过程非常的耗钱耗时间。那突然间FPGA横空出世，支持通过修改软件代码来改变硬件电路结构，是不是就非常具有开创性！😎

半定制电路

电路分类

集成电路就是我们常说的IC，它就是把一定数量的电子元件（电容、电阻、晶体管、二极管、MOS管等）以及这些元件之间的连线通过半导体工艺把它们集成到一起，使它们具有特定的功能。

按照应用领域，可将集成电路分为通用集成电路和专用集成电路。这两者的区别，可理解为前者为大众版，后者为私人定制版。

专业集成电路又可向下分，分为全定制电路和半定制电路。区别为用户在使用过程中能否更改内部电路（能更改即为半定制）。而FPGA就是属于半定制电路。

发展历程

1970年：PLD 是第一款进入人们视野的可编程逻辑器件，采用PROM结构，输入接口少。

1978年：可编程逻辑阵列PAL和通用阵列逻辑GAL采用了反熔丝技术、EPROM和EEPROM技术，结构功能仍然相对简单。

1984年：Altera公司于发明了基于CMOS和EPROM技术相结合的CPLD，可以胜任复杂性较高、速度也较快的逻辑功能。

1985年：Xilinx创始人之一Ross Freeman发明了现场可编程门阵列FPGA，开启了可编程逻辑的“高速”发展时代。Freeman先生发明的FPGA是一块全部由“开放式门”组成的计算机芯片。可灵活编程，添加各种新功能，以满足不断发展的协议标准或规范，甚至可以在设计的最后阶段对它进行修改和升级。

开发环境搭建

FPGA的开发环境主要包括：Quartus II开发软件、ModelSim仿真软件、Visio绘图软件、NotePad++代码编辑器的安装。

Quartus II开发软件是对FPGA代码进行编译，通过综合、布局布线将FPGA代码转化为硬件电路。可实现程序的下载以及固化。
ModelSim仿真软件主要是对编写的FPGA代码进行仿真验证，验证代码的正确性。
Visio绘图软件主要是对我们的程序框图以及波形图进行绘制，方便我们对模块功能的理解以及代码的编写。
NotePad++代码编辑器就是实现FPGA代码的编写。

1、Quartus II开发软件

软件简介

Quartus II是Altera公司（已被Intel收购）开发的综合性CPLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、Verilog HDL以及ADHL等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。

【注意】使用Altera公司开发的FPGA或CPLD芯片，就得使用其开发的Quartus II软件。

USB Blaster

USB Blaster通过USB接口将计算机与FPGA开发板连接起来，使得工程师能够使用计算机上的设计工具（如Quartus II或Intel Quartus Prime IDE）对FPGA进行编程、调试和硬件验证。

驱动程序负责在计算机和USB Blaster硬件设备之间建立稳定、高效的数据传输通道，确保设计文件能够顺利下载到FPGA板卡上。且USB Blaster支持多种工作电压，包括1.8V、2.5V、3.3V和5.0V，满足不同FPGA和CPLD器件的编程需求。

【注意】通常在Quartus II软件安装的过程中就已经将USB Blaster驱动写入安装文件，我们只需要更新一些驱动文件即可。

器件库

Quartus II器件库是一个包含多种电子元器件和模型的集合，专为数字电路设计和FPGA（现场可编程门阵列）开发而设计。这个库是Quartus II软件的重要组成部分，为设计师提供了丰富的资源，以便他们能够快速、高效地创建和验证电路设计。

Quartus II器件库包含多种类型的电子元器件和模型，包括但不限于：

逻辑元件：如逻辑门（与门、或门、非门等）、触发器（D触发器、JK触发器等）、计数器等。
算术电路：用于执行算术运算的电路，如加法器、乘法器等。
存储元件：如RAM（随机存取存储器）、ROM（只读存储器）等，用于存储数据和指令。
I/O接口：包括各种输入输出接口，如UART、SPI、I2C等，用于与外部设备通信。
时钟电路：用于生成和管理时钟信号的电路，是时序逻辑电路的重要组成部分。
复合器件：集成了多个功能的复杂器件模型。