第2章_FPGA结构原理2015

第二章FPGA/CPLD基本概念本章介绍可编程逻辑器件、FPGA的基本概念。

节2.1简单介绍可编程逻辑器件的基本概念，对CPLD和FPGA两类不同结构的可编程逻辑器件的工作原理和结构进行比较。

节2.2以EP2C35F672C6为代表，较为详细地介绍了Cyclone II系列FPGA 的原理、结构及器件的资源。

2.1可编程逻辑器件1、可编程逻辑器件概述数字电子领域中三种基本的器件类型为存储器、微处理器和逻辑器件。

存储器用来存储程序代码等随机信息；微处理器通过执行软件指令来完成各种任务。

逻辑器件提供器件间的接口、数据通信、信号处理、数据显示、时序和控制操作以及系统运行等各种特定功能。

逻辑器件可分为两大类，即固定逻辑器件和可编程逻辑器件（PLD）。

固定逻辑器件中的电路是永久性的，用于完成一种或一组功能。

固定逻辑器件一旦制造完成，就无法改变，专用集成电路（ASIC）就是其中的一种。

可编程逻辑器件作为一类标准成品部件，能够为用户提供各种逻辑能力、速度和电压特性，而且可以在任何时候对此类器件进行修改，以完成多种不同的功能。

对于可编程逻辑器件，设计人员可利用价格低廉的软件工具快速开发、仿真和测试其设计，然后将设计快速编程到器件中，并立即在实际运行的电路中对设计进行测试。

原型中使用的PLD器件与正式生产最终设备时所使用的PLD器件完全相同，最终的设计也比采用定制固定逻辑器件完成得更快。

采用PLD的另一个关键优点是在设计阶段客户可根据需要不断地修改电路，直到对设计工作感到满意为止，这是因为PLD的结构是基于可重写的存储器技术，当要改变设计时，只需要简单地对器件进行重新编程即可。

一旦设计完成，客户可立即投入生产，即利用最终的软件设计文件简单地对PLD器件进行编程。

可编程逻辑器件的两种主要类型是现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD），这两类可编程逻辑器件的结构不同。

与CPLD相比，FPGA可提供更高的逻辑密度、更丰富的特性和更高的性能。

FPGA结构与原理FPGA（现场可编程门阵列）是一种可以通过编程配置的硬件设备，可以实现数字逻辑电路的功能。

它使用大量的逻辑门、寄存器和可编程的连线资源，可以实现各种复杂的数字逻辑电路，如处理器、通信接口、图像处理等。

本文将介绍FPGA的结构与原理。

一、FPGA的结构FPGA的主要结构由三个部分组成：逻辑单元（Logic Element，LE）、可编程内部连接资源和输入/输出资源。

1. 逻辑单元（Logic Element，LE）逻辑单元是FPGA的基本计算单元，用于实现数字逻辑功能。

每个逻辑单元由一个或多个可编程逻辑元素（PLE）组成，PLE包括逻辑门（如与门、或门、非门等）、选择器和触发器（如D触发器或JK触发器）。

逻辑单元中的PLE经过编程配置后，可以实现各种逻辑功能，如布尔运算、复杂的控制逻辑等。

2.可编程内部连接资源可编程内部连接资源是FPGA中用于连接逻辑单元的资源，通过编程配置可以将逻辑单元连接起来。

它通常由多层的可编程互连网络构成，可以通过编程来控制信号的传输路径。

内部连接资源可以实现各种逻辑电路的连接，如寄存器、加法器、乘法器、存储器等。

3.输入/输出资源输入/输出资源用于与FPGA外部环境进行通信，包括输入和输出引脚以及输入/输出接口电路。

FPGA可以通过输入引脚接收外部数据，并将输出数据通过输出引脚发送到外部环境。

输入/输出引脚可以通过编程配置来控制数据的传输方向和数据的格式。

二、FPGA的原理FPGA的工作原理可以概括为编程配置、逻辑运算和时序控制。

1.编程配置FPGA的编程配置是将逻辑单元和可编程内部连接资源设置为特定的状态，使其能够实现特定的逻辑功能。

编程配置通常使用设计工具通过硬件描述语言（HDL）或图形化界面进行。

编程配置可以通过厂商提供的评估板、开发工具或JTAG接口等进行。

2.逻辑运算FPGA的逻辑运算是通过逻辑单元实现的。

逻辑单元可以根据编程配置的逻辑功能来执行相应的逻辑运算。

FPGA结构与原理
FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它具有高度灵活性和可重构性。

FPGA的基本结构由查找表（LUT）、触发器和可编程互连资源组成。

1. 查找表（LUT）
查找表是FPGA最基本的逻辑单元，它可以实现布尔逻辑运算，如与、或、非、异或等。

查找表是由存储器和多路选择器组成，可以通过编程改变其输出结果。

2. 触发器
触发器是一种可以存储电信号的电路，常用于时序电路中，如时钟控制、计数器等。

FPGA 中常用的触发器有D触发器和JK触发器等。

3. 可编程互连资源
可编程互连资源用于连接FPGA中的逻辑单元，实现灵活可重构的电路结构。

FPGA中的可编程互连资源包括线缆和开关，通过编程可以改变它们之间的连接关系。

FPGA的原理是通过对逻辑单元和互连资源的编程来实现不同的电路功能。

在设计FPGA电路时，可以通过硬件描述语言（HDL）进行设计，然后经过编译、综合和实现等步骤生成最终的硬件电路。

FPGA的特点是具有高度的灵活性和可重构性，可以根据需要实现不同的电路功能，适用于各种应用领域。

FPGA工作原理
FPGA（现场可编程门阵列）是一种基于可靠硬件的集成电路。

与其他集成电路（如ASIC）相比，它提供了更大的灵活性和
可编程性。

FPGA的工作原理主要基于其内部的可编程逻辑单元（PL）和可编程连接资源（CLB）。

PL由一系列可编程的逻辑门组成，可以根据需要进行任意配置，从而实现不同的逻辑功能。

CLB 是一组可编程的互连资源，可以通过将逻辑单元之间的线缆连接起来，将它们相互链接以实现所需的连接关系。

FPGA的配置是通过加载一个特定的位流文件来完成的。

该文
件描述了在FPGA中应该配置的逻辑功能和连接关系。

当位
流文件加载到FPGA时，PL和CLB中的逻辑门和连接资源被
相应地配置。

通过重新加载不同的位流文件，FPGA可以实现不同的功能和
连接配置。

这使得FPGA可以应对不同的应用需求，而无需
进行硬件级的更改。

FPGA的可编程性使得它在许多应用领域中广泛使用。

例如，
它可以用于数字信号处理、计算加速、通信协议处理等。

此外，在原型开发和验证过程中，FPGA也经常被用作快速验证和验
证的平台。

总结起来，FPGA通过可编程逻辑单元和可编程连接资源的配置，实现了不同的逻辑功能和连接关系。

通过加载不同的位流
文件，FPGA可以在不同的应用场景中灵活适应需求，具有广泛的应用前景。

FPGA原理及芯片结构介绍FPGA (Field-Programmable Gate Array)是一种可编程逻辑芯片，其原理和芯片结构是现代电子设备中非常重要的一部分。

本文将介绍FPGA的原理和芯片结构。

FPGA的原理是基于集成电路技术，它利用可编程逻辑单元和可编程互连资源来实现任意逻辑功能的构建。

FPGA的核心是一个有大量逻辑单元的矩阵，每个逻辑单元可以执行各种逻辑操作。

这些逻辑单元通过互连资源连接在一起，以实现特定的功能。

与固定逻辑电路不同，FPGA的逻辑单元和互连资源可以根据需要进行编程，从而实现不同的设计。

FPGA的芯片结构主要由三个部分组成：可编程逻辑单元阵列（CLB）和可编程交换网络（switching network），以及输入/输出资源（IOB）。

可编程逻辑单元阵列（CLB）是FPGA的主要组成部分。

它由一系列的逻辑门和触发器组成，可以实现各种逻辑操作。

逻辑门用于实现布尔逻辑功能，如与、或、非等。

触发器用来存储数据，通常用于时序电路的设计。

CLB中的逻辑单元可以根据需要进行编程，以实现特定的功能。

可编程交换网络是FPGA中的重要部分，用于连接逻辑单元和输入/输出资源。

它由一系列的可编程开关和连接线组成，可以根据需要进行编程，以实现逻辑信号的传输。

交换网络通常采用分层结构，每一层都有一组开关和连接线，可以实现不同层之间的通信。

输入/输出资源（IOB）是FPGA与外部设备进行数据交换的接口。

它通常包括输入引脚、输出引脚和时钟引脚等。

输入引脚用于接收外部电路传输的数据，输出引脚用于向外部电路传输数据，时钟引脚用于同步数据传输。

IOB还可以包括输入/输出缓冲器、电平转换器等电路，以实现与外部设备的接口转换。

总之，FPGA是一种可编程逻辑芯片，它的原理和芯片结构是基于可编程逻辑单元和互连资源来实现任意逻辑功能的构建。

通过编程，FPGA 可以实现不同的逻辑功能，并可以根据需要进行重新编程。

fpga架构及原理FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以用来实现数字电路的硬件设计。

它的架构和工作原理相对于其他定制芯片来说，具有更高的灵活性和可编程性。

FPGA的架构主要包括可编程逻辑单元（Configurable Logic Blocks，CLBs）、可编程输入输出单元（I/O Blocks）、时钟管理器、数据通路、配置存储器等组件。

首先，CLBs是FPGA的核心部件，通常由可编程查找表（Look-Up Tables，LUTs）和触发器构成。

LUTs是一个小规模的存储器，能够存储不同输入组合的输出结果。

通过编程，可以将逻辑功能映射到LUTs中，并通过连接不同的LUTs实现更复杂的逻辑功能。

触发器用于存储逻辑电路的状态信息。

其次，I/O Blocks用于连接FPGA芯片与外部设备。

每个I/O Block通常包括输入输出缓冲器和电压电平转换器等，可以将外部信号转化为FPGA内部可以处理的信号，并将FPGA内部信号传递给外部设备。

时钟管理器用于产生和分配时钟信号，确保各个部件的同步性。

它可以控制时钟的分频、相位等，提供统一的时钟信号给FPGA内部的各个组件。

数据通路是连接不同组件的路径，用于传递数据和控制信号。

数据通路可以根据特定应用需求进行优化设计，以提高性能和效率。

配置存储器是FPGA的重要组成部分，用于存储FPGA的配置位流（Configuration Bitstream）。

配置位流是一种描述FPGA内部连接的数据流，通过配置存储器可以实现重新配置FPGA芯片。

基于配置位流，可以实现不同的逻辑功能，并随时更新。

FPGA的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：首先，根据设计需求，使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）完成设计代码。

然后，将设计代码通过综合工具转换为门级网表，表示设计中的逻辑门和它们之间的连接关系。

接下来，使用布局和布线工具将门级网表映射到FPGA芯片上的实际硬件资源上，并生成配置位流。

fpga原理和结构FPGA原理和结构。

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种集成电路芯片，它具有可编程的逻辑门阵列和可编程的互连资源，能够根据用户的需求进行灵活的配置和重新编程。

FPGA在数字电子系统中扮演着重要的角色，它的原理和结构对于理解和应用FPGA技术至关重要。

FPGA的原理主要基于可编程逻辑器件（PLD）技术，它采用了可编程的逻辑单元和可编程的互连资源。

逻辑单元是FPGA中最基本的功能单元，它由多个可编程逻辑门组成，可以实现各种逻辑功能。

而互连资源则负责连接逻辑单元之间的信号传输，使得逻辑单元能够相互通信和协作。

通过对逻辑单元的配置和对互连资源的编程，用户可以实现对FPGA的灵活控制和定制化设计。

FPGA的结构包括了可编程逻辑单元、可编程互连资源和输入/输出接口。

可编程逻辑单元通常由Look-Up Table（LUT）、寄存器和算术逻辑单元（ALU）组成，它们能够实现各种逻辑功能和运算。

可编程的互连资源包括了可编程的连接盒和可编程的交叉点，它们能够实现逻辑单元之间的灵活连接和通信。

而输入/输出接口则用于与外部系统进行通信和数据交换。

FPGA的原理和结构决定了它具有灵活性和可编程性。

用户可以根据具体的应用需求，对FPGA进行灵活的配置和定制化设计，实现各种复杂的数字电子系统。

与固定功能集成电路相比，FPGA能够在不改变硬件结构的情况下，通过重新编程实现功能的更新和修改，大大提高了系统的灵活性和可维护性。

除此之外，FPGA还具有并行性能强、功耗低、成本低等优点，使得它在数字信号处理、通信系统、图像处理、嵌入式系统等领域得到了广泛的应用。

同时，FPGA的原理和结构也为硬件描述语言（HDL）的应用提供了良好的基础，用户可以通过HDL对FPGA进行高级抽象和描述，实现复杂系统的设计和验证。

总之，FPGA的原理和结构是理解和应用FPGA技术的基础，它的灵活性和可编程性为数字电子系统的设计和实现提供了重要的支持。

3第2章2FPGACPLD基本结构及原理第二章FPGA基本概念2.2CycloneII系列FPGA1、CycloneII系列FPGA概述EP2C35F672C6，是Altera的DE2教育平台选用的CycloneII系列FPGA。

CycloneII系列是低成本的FPGA，它将低成本FPGA的密度扩展到了68416个逻辑单元（LE），从而可以在低成本FPGA上实现复杂的数字系统。

CycloneII系列FPGA采用TSMC（台积电）的90nm工艺，与竞争对手采用的90nm工艺的FPGA相比，其性能高出60%而功耗减低一半，而其价格则几乎可以与ASIC产品竞争。

优异的性价比使CycloneII系列FPGA可以广泛地应用于汽车电子、消费电子、音/视频处理、通信以及测试测量等终端产品市场。

CycloneII系列FPGA支持Altera公司的NioII嵌入式软核处理器。

NioII具有灵活的可配置特性而且可以非常容易地实现各种外设的扩展。

对于并行事务处理，可以在一个FPGA上放置多个NioII软核，大大提高了处理器的效率，也方便多个小组同时开发，进一步加快了新产品的研发速度。

在数字信号处理方面，CycloneII系列FPGA也具有明显的优势。

CycloneII系列FPGA可以内置多达150个18某18的硬件乘法器，片上大容量的M4KRAM以及经过专门优化的对外部存储器的高速存取特性，使它们非常适合于数字信号处理器或协处理器的应用场合。

Altera公司提供的数字信号处理器IP核以及DSPBuilder软件包使数字信号处理产品的开发非常容易。

CycloneII系列主要性能见表2.2。

表2.2CycloneII系列FPGA的性能比较特性EP2C5EP2C8EP2C20EP2C35EP2C50EP2C70LE数量4608825618752332165052868416M4KRAM块数量263652105129250RAM总量/位1198016588823961648384059443211520220内嵌乘法器数量1318263586150锁相环数量224444可用最大I/O口数量158182315475450622图2.6是CycloneII系列FPGA的内部结构排列方式。

FPGA结构与工作原理FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑设备，具有灵活的结构和工作原理。

一、FPGA的结构FPGA通常包含以下几个核心组成部分：1.可编程逻辑单元（PLU）：PLU是FPGA最基本的构建单元，由包含了逻辑门、通用查找表（LUT）等可编程逻辑元件组成。

可以通过编程将PLU的逻辑功能编程为任意数字逻辑功能。

2.开关矩阵：FPGA中的开关矩阵用于连接PLU和其他功能模块，实现不同PLU之间以及PLU与输入/输出（I/O）模块之间的连接。

3.配置存储器：FPGA的配置存储器用于存储FPGA内部电路的编程信息。

一般情况下，FPGA将采用非挥发性的可编程存储技术，如闪存或EEPROM，以保证配置信息在断电后保持。

4.时钟管理单元：时钟管理单元用于产生和分配时钟信号，以同步FPGA内部各个模块的操作。

常见的时钟管理单元包括锁相环（PLL）和时钟分频器等。

5.输入/输出模块：输入/输出模块用于将FPGA和外部环境进行通信。

输入模块用于接收来自外部环境的输入信号，输出模块用于向外部环境输出FPGA处理后的信号。

二、FPGA的工作原理FPGA的工作原理可以分为以下几个步骤：2.逻辑运算：一旦FPGA完成了配置，各个PLU根据其编程信息开始进行逻辑运算。

每个PLU根据其编程的逻辑功能，从输入端口读取相应的输入信号，并执行相应的逻辑计算得到输出信号。

3.内部互联：在逻辑运算过程中，FPGA内部的开关矩阵根据其编程信息，将PLU之间的连接实现。

开关矩阵可以根据需要进行动态重配置，使得不同的PLU可以灵活地连接起来，形成不同的电路结构。

4.时钟同步：FPGA的时钟管理单元产生时钟信号，并将该时钟信号传递到各个PLU中，以确保内部电路的运行是同步的。

时钟同步可以避免由于不同模块之间的时钟差异而导致的数据冲突和不稳定的情况。

5.输入/输出操作：FPGA的输入/输出模块负责与外部环境进行通信。

FPGA结构与原理FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑设备，广泛应用于数字电路设计和嵌入式系统中。

与专用集成电路（ASIC）相比，FPGA具有可重构性和灵活性，可以根据用户的需求进行重新配置和重编程。

本文将介绍FPGA的基本结构和工作原理。

I.FPGA的基本结构FPGA主要由四个功能模块组成：配置存储器、可编程逻辑块（CLB）、可编程互连资源（I/O）和时钟管理资源。

1. 配置存储器（Configuration Memory）：配置存储器存储了FPGA的配置信息，包括逻辑块的位置、连线信息以及组合逻辑和时序元件的初始化配置。

配置存储器通常由SRAM（静态随机存储器）实现，因此FPGA可以在每次上电时重新配置。

2. 可编程逻辑块（CLB）：CLB是FPGA中的基本功能单元，通常由可编程查找表（LUT）或Look-Up Table实现。

一个LUT可以存储多个输入信号的真值表，通过配置LUT的真值表，可以实现任意的组合逻辑功能。

CLB还包括触发器和多路选择器等功能，用于实现时序逻辑和信号选择。

3.可编程互连资源（I/O）：I/O资源用于连接FPGA与外部系统或其他芯片。

I/O资源通常由输入/输出引脚、通用输入/输出（GPIO）和片内总线（如AXI总线）等组成。

通过配置I/O资源，可以实现与其他系统的数据交换和通信。

4.时钟管理资源：时钟管理资源用于生成和分配时钟信号。

FPGA通常需要多个时钟信号，不同的逻辑块和时序元件可能使用不同的时钟频率。

时钟管理资源可以生成和接收不同频率的时钟信号，并确保它们的相位关系和时序要求。

II.FPGA的工作原理FPGA的工作原理主要包括配置过程和运行过程。

1.配置过程：在配置过程中，FPGA从配置存储器中读取配置信息，并将其加载到逻辑块和互连资源中。

配置过程分为静态配置和动态配置两个阶段。

-静态配置：静态配置发生在FPGA上电时，逻辑资源和互连资源的初始化配置会被加载到FPGA中，并保持不变。

fpga原理和结构FPGA（Field-ProgrammableGateArray）是一种高度可编程的现场可编程门阵列，它是由大量能够运行特定功能的可重复使用的可编程电路元件组成。

FPGA技术在电子设计自动化（EDA）中发挥着重要作用，可以用来实现特定的硬件逻辑功能。

FPGA最初是由Xilinx公司研发的，从20世纪90年代开始，它就在电子产品中得到了广泛的应用。

目前，FPGA已经开始用于众多电子产品，包括服务器、电信设备、以太网设备、工控设备以及相关的智能设备等。

FPGA的原理是基于硬件特性的，它可以使用定制的片上逻辑来实现特定的功能。

FPGA的芯片上逻辑单元被称为逻辑门，这些门通常由能够实现逻辑运算的门组成，例如AND、NAND、OR等。

逻辑门可以被组合在一起以实现特定的功能，并可以通过特定的软件工具进行编程、配置和实现，完成特定的任务。

FPGA的结构主要是模块化的，它由多个类型的模块组成，其中包括资源模块、逻辑模块、输入/输出模块和配置模块等。

FPGA的资源模块可以用来实现复杂的逻辑功能，这些模块通常由多个逻辑门组成，可以用来实现特定的任务。

逻辑模块可以被用于实现复杂的逻辑表达式或多种模式的判断，而输入/输出模块则可以用于控制和解码外部设备的输入信号和输出信号。

最后，FPGA的配置模块可以用来组合其他模块，使硬件结构更灵活、性能更好。

FPGA的优点在于它可以实现高度可编程的功能，在电子设计中可以替代一些通用芯片和特定应用芯片，从而缩短设计周期，提高了电子设计的可编程和可伸缩性。

另外，FPGA也可以减少电路的延迟，因为它的逻辑门的连接是通过内部的硬件线（不需要时钟信号）来实现的。

总的来说，FPGA具有可编程性、可伸缩性和低延迟性等优点，是一种在电子设计中具有重要作用的技术。

它在服务器、电信设备、工控仪器仪表、以太网设备和智能设备等领域有着广泛的应用，具有巨大的市场前景。

fpga的工作原理
FPGA是一种可编程逻辑器件，它是由大量的逻辑门、存储单元和可编程连接器件组成的。

FPGA的工作原理是基于可编程逻辑的思想，它可以在需要的时候重新配置它的逻辑电路，实现不同的功能。

FPGA的逻辑电路是由可编程逻辑单元（PLU）组成的，每个PLU 都可以完成特定的逻辑操作，例如AND、OR和NOT等。

这些PLU可以通过可编程连接器件连接起来，形成任意的逻辑电路。

在FPGA中，存储单元是用来存储数据的，它可以是寄存器、存储器或FIFO等。

这些存储单元可以根据需要进行配置，以适应不同的应用需求。

FPGA的可编程连接器件可以将逻辑单元和存储单元连接在一起，形成一个完整的逻辑电路。

这些连接器件可以根据需要进行配置，以满足不同的应用需求。

FPGA的配置是通过编程器进行的，编程器可以将设计好的逻辑电路转换成FPGA可以理解的配置文件。

这个配置文件包含了逻辑电路的所有信息，包括逻辑单元和存储单元的类型和位置，以及连接器件的位置和连接方式。

一旦FPGA被配置完成，它就可以开始工作了。

FPGA的工作方式是通过时钟信号来控制的，时钟信号可以让FPGA在特定的时间间隔内执行特定的操作。

在每个时钟周期内，FPGA会根据配置文件中的逻辑电路进行计算，并将结果存储到存储单元中。

总的来说，FPGA的工作原理是通过可编程逻辑单元、存储单元
和连接器件组成可重构的逻辑电路，实现不同的应用功能。

这种可编程性使得FPGA比传统的硬件电路更加灵活、可定制化和易维护。