如何从零设计一颗简单的FPGA芯片?

Posted 2023-03-20

我们买来的FPGA都是Altera、Xilinx设计好的，编程后即可使用。
自行设计从哪里入手? 查找表、逻辑块、IO块 的结构是怎样的?
使用比特流编程，后续自行设计编译器 (替代Quartus、ISE等)。

FPGA是一种可编程逻辑设备，可以被用于实现各种电子电路。要从零设计一颗简单的FPGA芯片，需要经过以下步骤：

确定需求：首先，需要确定FPGA芯片需要实现什么功能。这将有助于确定芯片的规格，包括芯片大小、输入/输出接口和逻辑资源数量等。

选择开发工具：选择一种FPGA开发工具，例如Xilinx Vivado或Altera Quartus，以便开始设计。

设计原理图：使用开发工具，设计FPGA芯片的原理图。原理图是一种图形化表示电路的方式，其中包含连接元件的线和元件的符号。

编写HDL代码：HDL是硬件描述语言，类似于软件编程语言，可以用于描述电路行为。使用HDL编写代码来实现芯片的逻辑功能。

模拟和验证：使用开发工具提供的仿真工具来验证设计的正确性。这可以帮助检查逻辑是否正确，并找出任何问题。

约束设计：设计约束是一种方法，可将设计约束到可靠的时序，电气和物理要求。它还可以确保电路实现的高性能和可靠性。

实现设计：一旦确认设计的正确性，将HDL代码合成为FPGA的bit流。这个过程可以将代码翻译成FPGA可以理解的语言。

下载并验证：最后，将bit流下载到FPGA芯片中，验证设计是否按预期工作。

需要注意的是，FPGA设计是一项复杂的任务，需要深入了解电路设计和计算机科学的基础知识。此外，需要掌握FPGA开发工具的使用方法。

参考技术A

设计一颗FPGA芯片需要以下步骤：

1.需求分析：确定所需的功能，以及对性能的要求。

2.架构设计：根据需求分析，制定FPGA芯片的架构。

3.布线：将各个部分布置在芯片上。

4.电路设计：使用电路设计软件（如VHDL或Verilog），编写电路模型。

5.模拟仿真：使用仿真软件验证电路模型的正确性。

6.配置文件生成：使用FPGA芯片供应商提供的工具，生成配置文件。

7.烧写：将配置文件烧写到FPGA芯片中，完成设计。

FPGA的逻辑块包括逻辑单元（LUT）和寄存器，他们提供了芯片的逻辑功能。

查找表（LUT）是一种逻辑函数生成器，用于实现输入数据的逻辑运算。

IO块则用于接收外部信号，并通过逻辑块与其他电路模块连接。

对于想要设计自己的FPGA芯片的初学者来说，可以先尝试编写一些简单的电路模型并使用仿真软件进行验证，以熟悉FPGA芯片的设计流程。当您对芯片设计有了足够的了解和经验后，您就可以考虑着手设计更复杂的芯片。

在设计芯片时，建议您向FPGA供应商寻求帮助和支持，并使用他们提供的资源，如开发工具和文档，以提高设计效率和质量。

总的来说，设计FPGA芯片需要很高的技术水平，对电路设计和软件开发有深入的了解，并且需要大量的时间和精力。希望这些信息对您有所帮助。

追问

有没有什么关于FPGA器件设计的书籍、教程?
使用比特流编程，后续自行设计编译器(替代Quartus、ISE等)。

参考技术B

设计一颗简单的FPGA芯片需要掌握一些基础知识，包括数字电路、Verilog/VHDL等硬件描述语言、FPGA架构、编译综合等。下面简要介绍一下自行设计FPGA的一些入门知识：

数字电路基础：理解数字电路基础概念，包括布尔代数、逻辑门、时序电路等。

硬件描述语言：学习一种硬件描述语言，如Verilog或VHDL，用于描述电路结构和行为。通过语言的模块化组合，实现大规模电路的设计。

FPGA架构：了解FPGA的硬件结构，包括查找表(LUT)、触发器、IO块、逻辑块等组成部分。学习FPGA的架构可以帮助我们更好地理解硬件描述语言和设计电路。

编译综合：编写硬件描述语言代码后，需要通过编译综合工具将代码翻译为FPGA可以识别的比特流文件。在此过程中，需要了解综合规则、综合结果分析和优化等内容。

如果你想从零开始设计一颗简单的FPGA芯片，需要先确定其具体功能和结构。可以按照以下步骤进行设计：

确定功能需求，例如实现一个简单的计数器电路。

用硬件描述语言(如Verilog或VHDL)编写代码，实现所需功能。

将代码输入到FPGA开发软件中进行综合和布局，得到比特流文件。

将比特流文件下载到FPGA芯片中，即可实现设计功能。

在自行设计FPGA芯片的过程中，需要不断学习和实践，掌握更多的知识和技能。同时，也可以借助相关书籍、课程和社区等资源来加强学习和交流。

参考技术C

设计一颗FPGA芯片是一项复杂的任务，需要涵盖多个领域的知识，包括电子学、数字电路设计、VLSI设计、芯片布局等。如果您想从零开始设计FPGA芯片，您需要了解以下内容：

数字电路基础：了解数字电路的基本概念和原理，如门电路、计数器、寄存器等。

VLSI设计：了解如何将数字电路设计转化为可实现的芯片，包括芯片布局、逻辑实现、验证等。

FPGA技术：了解FPGA的基本架构，包括逻辑单元、查找表、IO块等。

高级语言：学习高级语言如Verilog或VHDL，用于编写FPGA程序。

推荐您首先学习数字电路的基本知识，然后可以通过学习书籍或参加在线课程了解更多关于FPGA的知识。还可以考虑参加一些开源项目，通过研究项目代码来加深对FPGA设计的理解。此外，建议您向专业FPGA设计人员寻求帮助，以了解更多关于FPGA设计的实际经验。

参考技术D 设计FPGA芯片需要先了解FPGA的基本原理和构成，才能更好地进行设计。
步骤如下：
需求分析：根据需求分析，确定需要的资源和功能，比如：存储器，数据通路，逻辑门等。
架构设计：根据需求，设计芯片的骨架，比如：配置存储器，设计通路，构造主系统。
基础元件设计：设计各种基础元件，如：LUT，D-FF，全加器等。
验证和测试：对芯片进行验证，检查其功能和性能是否正确。
表，逻辑块和IO块是FPGA的基本元素。
表：是FPGA的核心，是实现逻辑门的基本单元，被组合在一起实现更多的功能。
逻辑块：是一组逻辑门的集合，可以实现复杂的逻辑功能。
IO块：是芯片与外界接口的关键部件，用于接收或发送数据。
请注意，设计一个FPGA芯片是非常复杂的，需要深入了解相关知识和技能，还需要强大的编程能力。

[从零开始学习FPGA编程-49]：视野篇 - 芯片是如何被设计出来的？

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前言：什么是芯片

一颗芯片就是一个城市