原创 我的fpga学习笔记

1word摘录

2笔记本

3文档注释

 

以下是word，摘录：

1     FPGA的工作原理

即查找表（Look-Up-Table)的原理与结构

查找表结构的FPGA逻辑实现原理

A,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到到LUT，LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。该电路中D触发器是直接利用LUT后面D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图3所示电路的功能。（以上这些步骤都是由软件自动完成的，不需要人为干预）

 

这个电路是一个很简单的例子，只需要一个LUT加上一个触发器就可以完成。对于一个LUT无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑。

 

由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。也有少数FPGA采用反熔丝或Flash工艺，对这种FPGA，就不需要外加专用的配置芯片。

 

 

 

 

 

DCM的例化

 

 

DCM_BASE组件可以通过Xilinx的IP Wizard向导产生，也可以直接通过下面的例化代码直接使用。其Verilog的例化代码模板为：

 

// DCM_BASE: 基本数字时钟管理电路（Base Digital Clock Manager Circuit）

// 适用芯片：Virtex-4/5

// Xilinx HDL库向导版本，ISE 9.1

DCM_BASE #(

.CLKDV_DIVIDE(2.0),

// CLKDV分频比可以设置为: 1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5

// 7.0,7.5,8.0,9.0,10.0,11.0,12.0,13.0,14.0,15.0 or 16.0

.CLKFX_DIVIDE(1), // Can be any integer from 1 to 32

// CLKFX信号的分频比，可为1到32之间的任意整数

.CLKFX_MULTIPLY(4),

// CLKFX信号的倍频比，可为2到32之间的任意整数

.CLKIN_DIVIDE_BY_2("FALSE"),

// 输入信号2分频的使能信号，可设置为TRUE/FALSE

.CLKIN_PERIOD(10.0),

// 指定输入时钟的周期，单位为ns，数值范围为1.25~1000.00。

.CLKOUT_PHASE_SHIFT("NONE"),

// 指定移相模式，可设置为NONE或FIXED

.CLK_FEEDBACK("1X"),

// 指定反馈时钟的频率，可设置为NONE、1X或2X。相应的频率关系都是针对CLK0而言的。

.DCM_PERFORMANCE_MODE("MAX_SPEED"),

// DCM模块性能模式，可设置为 MAX_SPEED 或 MAX_RANGE

.DESKEW_ADJUST("SYSTEM_SYNCHRONOUS"),

// 抖动调整，可设置为源同步、系统同步或0~15之间的任意整数

.DFS_FREQUENCY_MODE("LOW"),

// 数字频率合成模式，可设置为LOW或HIGH 两种频率模式

.DLL_FREQUENCY_MODE("LOW"),

// DLL的频率模式，可设置为LOW、HIGH或HIGH_SER

.DUTY_CYCLE_CORRECTION("TRUE"),

// 设置是否采用双周期校正，可设为TRUE或FALSE

.FACTORY_JF(16'hf0f0),

// 16比特的JF因子参数

.PHASE_SHIFT(0),

// 固定相移的数值，可设置为 -255 ~ 1023之间的任意整数

.STARTUP_WAIT("FALSE")

// 等DCM锁相后再延迟配置DONE管脚，可设置为TRUE/FALSE

) DCM_BASE_inst (

.CLK0(CLK0), // 0度移相的DCM时钟输出

.CLK180(CLK180), // 180度移相的DCM时钟输出

.CLK270(CLK270), // 270度移相的DCM时钟输出

.CLK2X(CLK2X), // DCM模块的2倍频输出

.CLK2X180(CLK2X180), // 经过180度相移的DCM模块2倍频输出

.CLK90(CLK90), // 90度移相的DCM时钟输出

.CLKDV(CLKDV), // DCM模块的分频输出，分频比为CLKDV_DIVIDE

.CLKFX(CLKFX), // DCM合成时钟输出，分频比为(M/D)

.CLKFX180(CLKFX180), // 180度移相的DCM合成时钟输出

.LOCKED(LOCKED), // DCM锁相状态输出信号

.CLKFB(CLKFB), // DCM模块的反馈时钟信号

.CLKIN(CLKIN), // DCM模块的时钟输入信号

.RST(RST) // DCM 模块的异步复位信号

);

// 结束DCM_BASE模块的例化过程

在综合结果分析时，DCM系列原语的RTL结构如图3-36所示。

 

图3-36 DCM模块的RTL级结构示意图

 

 

 

buffer,bufif

一.结构描述的概念

所谓结构描述就是通过调用逻辑元件、描述它们之间的连接来建立逻辑电路的Verilog HDL模型。

逻辑元件——Verilog HDL内置逻辑门、自主开发的已有模块、商业IP模块。

 

详见Verilog HDL的结构描述pdf

 

 

FPGA学习的一些误区

 

1、   不熟悉FPGA的内部结构，不了解可编程逻辑器件的基本原理。

FPGA内部主要三块：可编程的逻辑单元、可编程的连线和可编程的IO模块。可编程的逻辑单元是什么？其基本结构某种存储器（SRAM、FLASH等）制成的4输入或6输入1输出地“真值表”加上一个D触发器构成。任何一个4输入1输出组合逻辑电路，都有一张对应的“真值表”，同样的如果用这么一个存储器制成的4输入1输出地“真值表”，只需要修改其“真值表”内部值就可以等效出任意4输入1输出的组合逻辑。这些“真值表”内部值是什么？就是那些01编码而已。如果要实现时序逻辑电路怎么办？这不又D触发器嘛，任何的时序逻辑都可以转换为组合逻辑+D触发器来完成。但这毕竟只实现了4输入1输出的逻辑电路而已，通常逻辑电路的规模那是相当的大哦。那怎么办呢？这个时候就需要用到可编程连线了。在这些连线上有很多用存储器控制的链接点，通过改写对应存储器的值就可以确定哪些线是连上的而哪些线是断开的。这就可以把很多可编程逻辑单元组合起来形成大型的逻辑电路。最后就是可编程的IO，这其实是FPGA作为芯片级使用必须要注意的。任何芯片都必然有输入引脚和输出引脚。有可编程的IO可以任意的定义某个非专用引脚（FPGA中有专门的非用户可使用的测试、下载用引脚）为输入还是输出，还可以对IO的电平标准进行设置。总归一句话，FPGA之所以可编程是因为可以通过特殊的01代码制作成一张张“真值表”，并将这些“真值表”组合起来以实现大规模的逻辑功能。不了解FPGA内部结构，就不能明白最终代码如何变到FPGA里面去的。也就无法深入的了解如何能够充分运用FPGA。现在的FPGA，不单单是有前面讲的那三块，还有很多专用的硬件功能单元，如何利用好这些单元实现复杂的逻辑电路设计，是从菜鸟迈向高手的路上必须要克服的障碍。而这一切，还是必须先从了解FPGA内部逻辑及其工作原理做起。

2hdl

在阅读或编写HDL语言，尤其是可综合的HDL，不应该看到的是语言本身，而是要看到语言背后所对应的硬件电路结构。如果看到的HDL始终是一条条的代码，那么这种人永远摆脱不了菜鸟的宿命。假如哪一天看到的代码不再是一行行的代码而是一块一块的硬件模块，那么恭喜脱离了菜鸟的级别，进入不那么菜的鸟级别。

目前FPGA的应用主要是三个方向：

第一个方向，也是传统方向主要用于通信设备的高速接口电路设计，这一方向主要是用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。这类应用通常要求采用具备高速收发接口的FPGA，同时要求设计者懂得高速接口电路设计和高速数字电路板级设计，具备EMC/EMI设计知识，以及较好的模拟电路基础，需要解决在高速收发过程中产生的信号完整性问题。FPGA最初以及到目前最广的应用就是在通信领域，一方面通信领域需要高速的通信协议处理方式，另一方面通信协议随时在修改，非常不适合做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的FPGA就成为首选。到目前为止FPGA的一半以上的应用也是在通信行业。

第二个方向，可以称为数字信号处理方向或者数学计算方向，因为很大程度上这一方向已经大大超出了信号处理的范畴。例如早就在2006年就听说老美将FPGA用于金融数据分析，后来又见到有将FPGA用于医学数据分析的案例。在这一方向要求FPGA设计者有一定的数学功底，能够理解并改进较为复杂的数学算法，并利用FPGA内部的各种资源使之能够变为实际的运算电路。目前真正投入实用的还是在通信领域的无线信号处理、信道编解码以及图像信号处理等领域，其它领域的研究正在开展中，之所以没有大量实用的主要原因还是因为学金融的、学医学的不了解这玩意。不过最近发现欧美有很多电子工程、计算机类的博士转入到金融行业，开展金融信号处理，相信随着转入的人增加，FPGA在其它领域的数学计算功能会更好的发挥出来，而我也有意做一些这些方面的研究。不过国内学金融的、学医的恐怕连数学都很少用到，就不用说用FPGA来帮助他们完成数学_运算了，这个问题只有再议了。

第三个方向就是所谓的SOPC方向，其实严格意义上来说这个已经在FPGA设计的范畴之内，只不过是利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发而已。设计对于FPGA本身的设计时相当少的。但如果涉及到需要在FPGA做专门的算法加速，实际上需要用到第二个方向的知识，而如果需要设计专用的接口电路则需要用到第一个方向的知识。

就目前SOPC方向发展其实远不如第一和第二个方向，其主要原因是因为SOPC以FPGA为主，或者是在FPGA内部的资源实现一个“软”的处理器，或者是在FPGA内部嵌入一个处理器核。但大多数的嵌入式设计却是以软件为核心，以现有的硬件发展情况来看，多数情况下的接口都已经标准化，并不需要那么大的FPGA逻辑资源去设计太过复杂的接口。而且就目前看来SOPC相关的开发工具还非常的不完善，以ARM为代表的各类嵌入式处理器开发工具却早已深入人心，大多数以ARM为核心的SOC芯片提供了大多数标准的接口，大量成系列的单片机/嵌入式处理器提供了相关行业所需要的硬件加速电路，需要专门定制硬件场合确实很少。通常是在一些特种行业才会在这方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx将ARM的硬核加入到FPGA里面，相信目前的情况不会有太大改观，不要忘了很多老掉牙的8位单片机还在嵌入式领域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差异而更多的是靠软件的差异来体现价值的。我曾经看好的是cypress的Psoc这一想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想史载SOC芯片里面去嵌入那么一小块FPGA，那这样其实可以满足嵌入式的那些微小的硬件接口差异，比如某个运用需要4个USB，而通常的处理器不会提供那么多，就可以用这么一块FPGA来提供多的USB接口。而另一种运用需要6个UART，也可以用同样的方法完成。对于嵌入式设计公司来说他们只需要备货一种芯片，就可以满足这些设计中各种微小的差异变化。其主要的差异化仍然是通过软件来完成。但目前cypress过于封闭，如果其采用ARM作为处理器内核，借助其完整的工具链。同时开放IP合作，让大量的第三方为它提供IP设计，其实是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好过，Psoc的思想也不知道何时能够发光。

4、数字逻辑知识是根本。

无论是FPGA的哪个方向，都离不开数字逻辑知识的支撑。FPGA说白了是一种实现数字逻辑的方式而已。如果连最基本的数字逻辑的知识都有问题，学习FPGA的愿望只是空中楼阁而已。而这，恰恰是很多菜鸟最不愿意去面对的问题。数字逻辑是任何电子电气类专业的专业基础知识，也是必须要学好的一门课。很多人无非是学习了，考个试，完了。如果不能将数字逻辑知识烂熟于心，养成良好的设计习惯，学FPGA到最后仍然是雾里看花水中望月，始终是一场空的。以上四条只是我目前总结菜鸟们在学习FPGA时所最容易跑偏的地方，FPGA的学习其实就像学习围棋一样，学会如何在棋盘上落子很容易，成为一位高手却是难上加难。要真成为李昌镐那样的神一般的选手，除了靠刻苦专研，恐怕还确实得要一点天赋。