需要cpld和fpga的详细说明

Posted 2023-04-20

需要cpld和fpga的详细说明，越详细越好。高高给分。

CPLD
[编辑本段]简介
CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。
发展历史及应用领域：
20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件--PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件--CPLD。目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。
器件特点：
它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。
如何使用：
CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
这里以抢答器为例讲一下它的设计（装修）过程，即芯片的设计流程。CPLD的工作大部分是在电脑上完成的。打开集成开发软件(Altera公司 Max+pluxII)→画原理图、写硬件描述语言（VHDL，Verilog）→编译→给出逻辑电路的输入激励信号，进行仿真，查看逻辑输出结果是否正确→进行管脚输入、输出锁定（7128的64个输入、输出管脚可根据需要设定）→生成代码→通过下载电缆将代码传送并存储在CPLD芯片中。7128这块芯片各管脚已引出，将数码管、抢答开关、指示灯、蜂鸣器通过导线分别接到芯片板上，通电测试，当抢答开关按下，对应位的指示灯应当亮，答对以后，裁判给加分后，看此时数码显示加分结果是否正确，如发现有问题，可重新修改原理图或硬件描述语言，完善设计。设计好后，如批量生产，可直接复制其他CPLD芯片，即写入代码即可。如果要对芯片进行其它设计，比如进行交通灯设计，要重新画原理图、或写硬件描述语言，重复以上工作过程，完成设计。这种修改设计相当于将房屋进行了重新装修，这种装修对CPLD来说可进行上万次。
家庭成员：经过几十年的发展，许多公司都开发出了CPLD可编程逻辑器件。比较典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大权威公司的产品，这里给出常用芯片： Altera EPM7128S (PLCC84)
Lattice LC4128V (TQFP100)
Xilinx XC95108 (PLCC84)
[编辑本段]FPGA与CPLD的辨别和分类
FPGA与CPLD的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作原理。通常的分类方法是：
将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为CPLD，如Lattice的ispLSI系列、Xilinx的XC9500系列、Altera的MAX7000S系列和Lattice(原Vantis)的Mach系列等。
将以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为FPGA，如Xilinx的SPARTAN系列、Altera的FLEX10K或ACEX1K系列等。

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FPGA目录
【FPGA工作原理】
【FPGA配置模式】
【FPGA主要生产厂商介绍】
FPGA与CPLD的辨别和分类
FPGA的应用

FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
[编辑本段]【FPGA工作原理】
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：
1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。
4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。
加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。
[编辑本段]【FPGA配置模式】
FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。
如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。
例如，领先FPGA厂商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工艺，可提供高达33万个逻辑单元、1,200个I/O和大量硬IP块。超大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测，由此带来更严重的时序收敛问题。此外，针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、DSP、嵌入式处理和接口模块，也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。
幸运地是，FPGA厂商、EDA工具供应商正在通力合作解决65nm FPGA独特的设计挑战。不久以前，Synplicity与Xilinx宣布成立超大容量时序收敛联合工作小组，旨在最大程度帮助地系统设计工程师以更快、更高效的方式应用65nm FPGA器件。设计软件供应商Magma推出的综合工具Blast FPGA能帮助建立优化的布局，加快时序的收敛。
最近FPGA的配置方式已经多元化！
[编辑本段]【FPGA主要生产厂商介绍】
1、Altera
2、Xilinx
3、Actel
4、Lattice
其中Altera和Xilinx主要生产一般用途FPGA，其主要产品采用RAM工艺。Actel主要提供非易失性FPGA，产品主要基于反熔丝工艺和FLASH工艺。
FPGA设计的注意事项
不管你是一名逻辑设计师、硬件工程师或系统工程师，甚或拥有所有这些头衔，只要你在任何一种高速和多协议的复杂系统中使用了FPGA，你就很可能需要努力解决好器件配置、电源管理、IP集成、信号完整性和其他的一些关键设计问题。不过，你不必独自面对这些挑战，因为在当前业内领先的FPGA公司里工作的应用工程师每天都会面对这些问题，而且他们已经提出了一些将令你的设计工作变得更轻松的设计指导原则和解决方案。
I/O信号分配
可提供最多的多功能引脚、I/O标准、端接方案和差分对的FPGA在信号分配方面也具有最复杂的设计指导原则。尽管Altera的FPGA器件没有设计指导原则(因为它实现起来比较容易)，但赛灵思的FPGA设计指导原则却很复杂。但不管是哪一种情况，在为I/O引脚分配信号时，都有一些需要牢记的共同步骤：
1. 使用一个电子数据表列出所有计划的信号分配，以及它们的重要属性，例如I/O标准、电压、需要的端接方法和相关的时钟。
2. 检查制造商的块/区域兼容性准则。
3. 考虑使用第二个电子数据表制订FPGA的布局，以确定哪些管脚是通用的、哪些是专用的、哪些支持差分信号对和全局及局部时钟、哪些需要参考电压。
4. 利用以上两个电子数据表的信息和区域兼容性准则，先分配受限制程度最大的信号到引脚上，最后分配受限制最小的。例如，你可能需要先分配串行总线和时钟信号，因为它们通常只分配到一些特定引脚。
5. 按照受限制程度重新分配信号总线。在这个阶段，可能需要仔细权衡同时开关输出(SSO)和不兼容I/O标准等设计问题，尤其是当你具有很多个高速输出或使用了好几个不同的I/O标准时。如果你的设计需要局部/区域时钟，你将可能需要使用高速总线附近的管脚，最好提前记住这个要求，以免最后无法为其安排最合适的引脚。如果某个特定块所选择的I/O标准需要参考电压信号，记住先不要分配这些引脚。差分信号的分配始终要先于单端信号。如果某个FPGA提供了片内端接，那么它也可能适用于其他兼容性规则。
6. 在合适的地方分配剩余的信号。
在这个阶段，考虑写一个只包含端口分配的HDL文件。然后通过使用供应商提供的工具或使用一个文本编辑器手动创建一个限制文件，为I/O标准和SSO等增加必要的支持信息。准备好这些基本文件后，你可以运行布局布线工具来确认是否忽视了一些准则或者做了一个错误的分配。
这将使你在设计的初始阶段就和布局工程师一起工作，共同规划PCB的走线、冗余规划、散热问题和信号完整性。FPGA工具可能可以在这些方面提供帮助，并协助你解决这些问题，因此你必须确保了解你的工具包的功能。
你咨询一位布局专家的时间越晚，你就越有可能需要去处理一些复杂的问题和设计反复，而这些可能可以通过一些前期分析加以避免。一旦你实现了满意的信号分配，你就要用限制文件锁定它们。
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基于CMOS的设计主要消耗三类切率：内部的（短路）、漏电的（静态的）以及开关的（电容）。当门电路瞬变时，VDD与地之间短路连接消耗内部功率。漏电功耗是CMOS工艺普遍存在的寄生效应引起的。而开关功耗则是自负载电容,放电造成的。开关功耗与短路功耗合在一起称为动态功耗。下面介绍降低静态功耗和动态功耗的设计技巧。
降低静态功耗
虽然静态电流与动态电流相比可以忽略不计，然而对电池供电的手持设备就显得十分重要，在设备通电而不工作时更是如此。静态电流的因素众多，包括处于没有完全关断或接通的状态下的I/O以及内部晶体管的工作电流、内部连线的电阻、输入与三态电驱动器上的拉或下拉电阻。在易失性技术中，保持编程信息也需一定的静态功率。抗熔断是一种非易失性技术，因此信息存储不消耗静态电流。
下面介绍几种降低静态功耗的设计方法：
•驱动输入应有充分的电压电平，因而所有晶体管都是完全通导或关闭的。
•由于I/O线上的上拉或下拉电阻要消耗一定的电流，因此尽量避免使用这些电阻。
•少用驱动电阻或双极晶体管，这些器件需维持一个恒定电流，从而增加了静态电流。
•将时钟引脚按参数表推荐条件连接至低电平。悬空的时钟输入会大大增加静态电流。
•在将设计划分为多个器件时，减少器件间I/O的使用。
eX器件LP方式引脚的使用
Actel eX系列设计了特殊的低功率“休眠”模式。在该引脚驱动至高电平800ns后，器件进入极低功率待机模式，待机电流小于100μA。在低功率模式下，所有I/O（除时钟输入外）都处于三态，而内核全部断电。由于内核被断电，触发器中存储的信息会丢失，在进入工作模式（在引脚驱动至低平200ms后）时，用户需再次对器件初始化。同样，用户也应关闭所有通过CLKA、CLKB以及HCLK输入的时钟。然而这些时钟并不处于三态，时钟就可进入器件，从而增加功耗，因此在低功率模式下，时钟输入必须处于逻辑0或逻辑1。
有时用户很难阻止时钟进入器件。在此场合，用户可使用与CLKA或CLKA相邻的正常输入引脚并在设计中加进CLKINT。这样，时钟将通过靠近时钟引脚的正常输入进入器件，再通过CLKINT向器件提供时钟资源。
采用这种输入电路后，由于常规I/O是三态的，因此用户不必担心时钟进入器件。当然，增加一级门电路会产生0.6ns的较大时钟延时，幸好这在多数低功率设计中是可以接受的。注意应将与CLKINT缓冲器相关的CLKA或CLKB引脚接地。
此外还要注意，CLKINT只可用作连线时钟，HCLK并不具备将内部走线网连接到HCLK的能力，因而HCLK资源不能被常规输入驱动。换句话说，如果使用LP引脚就不能使用HCLK；使用HCLK时就应在外部截断时钟信号。
降低动态功耗
动态功耗是在时钟工作且输入正在开关时的功耗。对CMOS电路，动态功耗基本上确定了总功耗。动态功耗包括几个成分，主要是电容负载充电与放电（内部与I/O）以及短路电流。多数动态功率是内部或外部电容向器件充、放电消耗的。如果器件驱动多个I/O负载，大量的动态电流构成总功耗的主要部分。
对设计中给定的驱动器，动态功耗由下式计算
p=CL×V 2 DD×f
式中，CL是电容负载，VDD是电源电压，f则是开关频率。总功耗是每个驱动器功耗之总和。
由于VDD是固定的，降低内部功耗就要降低平均逻辑开关频率，减少每个时钟沿处的逻辑开关总数、减少连线网络，特别是高频信号连线网络中的电容值。对低功率设计，需要从系统至工艺的每个设计级别中采取相应预防措施，级别越高，效果越好。
[编辑本段]FPGA与CPLD的辨别和分类
FPGA与CPLD的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作原理。通常的分类方法是：
将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为CPLD，如Lattice的ispLSI系列、Xilinx的XC9500系列、Altera的MAX7000S系列和Lattice(原Vantis)的Mach系列等。
将以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为FPGA，如Xilinx的SPARTAN系列、Altera的FLEX10K或ACEX1K系列等。
[编辑本段]FPGA的应用
FPGA的应用可分为三个层面：电路设计，产品设计，系统设计1．电路设计中FPGA的应用
连接逻辑，控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石．事实上在电路设计中应用FPGA的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识（电路知识）和软件应用能力（开发工具）这方面的人才总是紧缺的，往往都从事新技术，新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来，通用和专用IP的设计将成为一个热门行业！搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬件知识．在这个层面，干重于学，当然，快速入门是很重要的，越好的位子越不等人电路开发是黄金饭碗．
2．产品设计
把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯，视频，信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是FPGA技术和专业技术的结合问题，另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品，前者重点在性能，后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的，FPGA技术是一个实现手段在这个领域，FPGA因为具备接口，控制，功能IP，内嵌CPU等特点有条件实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统产品设计将是FPGA技术应用最广大的市场，具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的要求比较高，路途也比较漫长不过现在整个行业正处在组建”首发团队”的状态，只要加入，前途光明产品设计是一种职业发展方向定位，不是简单的爱好就能做到的！产品设计领域会造就大量的企业和企业家，是一个近期的发展热点和机遇
3．系统级应用
系统级的应用是FPGA与传统的计算机技术结合，实现一种FPGA版的计算机系统如用Xilinx V-4, V-5系列的FPGA，实现内嵌POWER PC CPU, 然后再配合各种外围功能，实现一个基本环境，在这个平台上跑LINIX等系统这个系统也就支持各种标准外设和功能接口（如图象接口）了这对于快速构成FPGA大型系统来讲是很有帮助的。这种”山寨”味很浓的系统早期优势不一定很明显，类似ARM系统的境况但若能慢慢发挥出FPGA的优势，逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。若在系统级应用中，开发人员不具备系统的扩充开发能力，只是搞搞编程是没什么意义的，当然设备驱动程序的开发是另一种情况，搞系统级应用看似起点高，但不具备深层开发能力，很可能会变成爱好者，就如很多人会做网页但不能称做会编程类似以上是几点个人开发，希望能帮助想学FPGA但很茫然无措的人理一理思路。这是一个不错的行业，有很好的个人成功机会。但也肯定是一个竞争很激烈的行业，关键看的就是速度和深度当然还有市场适应能力。 参考技术A CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。
发展历史及应用领域：
20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件--PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件--CPLD。目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。
器件特点：
它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。
如何使用：
CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
这里以抢答器为例讲一下它的设计（装修）过程，即芯片的设计流程。CPLD的工作大部分是在电脑上完成的。打开集成开发软件(Altera公司 Max+pluxII)→画原理图、写硬件描述语言（VHDL，Verilog）→编译→给出逻辑电路的输入激励信号，进行仿真，查看逻辑输出结果是否正确→进行管脚输入、输出锁定（7128的64个输入、输出管脚可根据需要设定）→生成代码→通过下载电缆将代码传送并存储在CPLD芯片中。7128这块芯片各管脚已引出，将数码管、抢答开关、指示灯、蜂鸣器通过导线分别接到芯片板上，通电测试，当抢答开关按下，对应位的指示灯应当亮，答对以后，裁判给加分后，看此时数码显示加分结果是否正确，如发现有问题，可重新修改原理图或硬件描述语言，完善设计。设计好后，如批量生产，可直接复制其他CPLD芯片，即写入代码即可。如果要对芯片进行其它设计，比如进行交通灯设计，要重新画原理图、或写硬件描述语言，重复以上工作过程，完成设计。这种修改设计相当于将房屋进行了重新装修，这种装修对CPLD来说可进行上万次。
家庭成员：经过几十年的发展，许多公司都开发出了CPLD可编程逻辑器件。比较典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大权威公司的产品，这里给出常用芯片： Altera EPM7128S (PLCC84)
Lattice LC4128V (TQFP100)
Xilinx XC95108 (PLCC84)
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：
1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。
4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。
加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。
[编辑本段]【FPGA配置模式】
FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。
如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。
例如，领先FPGA厂商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工艺，可提供高达33万个逻辑单元、1,200个I/O和大量硬IP块。超大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测，由此带来更严重的时序收敛问题。此外，针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、DSP、嵌入式处理和接口模块，也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。
幸运地是，FPGA厂商、EDA工具供应商正在通力合作解决65nm FPGA独特的设计挑战。不久以前，Synplicity与Xilinx宣布成立超大容量时序收敛联合工作小组，旨在最大程度帮助地系统设计工程师以更快、更高效的方式应用65nm FPGA器件。设计软件供应商Magma推出的综合工具Blast FPGA能帮助建立优化的布局，加快时序的收敛。
最近FPGA的配置方式已经多元化！
[编辑本段]【FPGA主要生产厂商介绍】
1、Altera
2、Xilinx
3、Actel
4、Lattice
其中Altera和Xilinx主要生产一般用途FPGA，其主要产品采用RAM工艺。Actel主要提供非易失性FPGA，产品主要基于反熔丝工艺和FLASH工艺。
FPGA设计的注意事项
不管你是一名逻辑设计师、硬件工程师或系统工程师，甚或拥有所有这些头衔，只要你在任何一种高速和多协议的复杂系统中使用了FPGA，你就很可能需要努力解决好器件配置、电源管理、IP集成、信号完整性和其他的一些关键设计问题。不过，你不必独自面对这些挑战，因为在当前业内领先的FPGA公司里工作的应用工程师每天都会面对这些问题，而且他们已经提出了一些将令你的设计工作变得更轻松的设计指导原则和解决方案。
I/O信号分配
可提供最多的多功能引脚、I/O标准、端接方案和差分对的FPGA在信号分配方面也具有最复杂的设计指导原则。尽管Altera的FPGA器件没有设计指导原则(因为它实现起来比较容易)，但赛灵思的FPGA设计指导原则却很复杂。但不管是哪一种情况，在为I/O引脚分配信号时，都有一些需要牢记的共同步骤：
1. 使用一个电子数据表列出所有计划的信号分配，以及它们的重要属性，例如I/O标准、电压、需要的端接方法和相关的时钟。
2. 检查制造商的块/区域兼容性准则。
3. 考虑使用第二个电子数据表制订FPGA的布局，以确定哪些管脚是通用的、哪些是专用的、哪些支持差分信号对和全局及局部时钟、哪些需要参考电压。
4. 利用以上两个电子数据表的信息和区域兼容性准则，先分配受限制程度最大的信号到引脚上，最后分配受限制最小的。例如，你可能需要先分配串行总线和时钟信号，因为它们通常只分配到一些特定引脚。
5. 按照受限制程度重新分配信号总线。在这个阶段，可能需要仔细权衡同时开关输出(SSO)和不兼容I/O标准等设计问题，尤其是当你具有很多个高速输出或使用了好几个不同的I/O标准时。如果你的设计需要局部/区域时钟，你将可能需要使用高速总线附近的管脚，最好提前记住这个要求，以免最后无法为其安排最合适的引脚。如果某个特定块所选择的I/O标准需要参考电压信号，记住先不要分配这些引脚。差分信号的分配始终要先于单端信号。如果某个FPGA提供了片内端接，那么它也可能适用于其他兼容性规则。
6. 在合适的地方分配剩余的信号。
在这个阶段，考虑写一个只包含端口分配的HDL文件。然后通过使用供应商提供的工具或使用一个文本编辑器手动创建一个限制文件，为I/O标准和SSO等增加必要的支持信息。准备好这些基本文件后，你可以运行布局布线工具来确认是否忽视了一些准则或者做了一个错误的分配。
这将使你在设计的初始阶段就和布局工程师一起工作，共同规划PCB的走线、冗余规划、散热问题和信号完整性。FPGA工具可能可以在这些方面提供帮助，并协助你解决这些问题，因此你必须确保了解你的工具包的功能。
你咨询一位布局专家的时间越晚，你就越有可能需要去处理一些复杂的问题和设计反复，而这些可能可以通过一些前期分析加以避免。一旦你实现了满意的信号分配，你就要用限制文件锁定它们。
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基于CMOS的设计主要消耗三类切率：内部的（短路）、漏电的（静态的）以及开关的（电容）。当门电路瞬变时，VDD与地之间短路连接消耗内部功率。漏电功耗是CMOS工艺普遍存在的寄生效应引起的。而开关功耗则是自负载电容,放电造成的。开关功耗与短路功耗合在一起称为动态功耗。下面介绍降低静态功耗和动态功耗的设计技巧。
降低静态功耗
虽然静态电流与动态电流相比可以忽略不计，然而对电池供电的手持设备就显得十分重要，在设备通电而不工作时更是如此。静态电流的因素众多，包括处于没有完全关断或接通的状态下的I/O以及内部晶体管的工作电流、内部连线的电阻、输入与三态电驱动器上的拉或下拉电阻。在易失性技术中，保持编程信息也需一定的静态功率。抗熔断是一种非易失性技术，因此信息存储不消耗静态电流。
下面介绍几种降低静态功耗的设计方法：
•驱动输入应有充分的电压电平，因而所有晶体管都是完全通导或关闭的。
•由于I/O线上的上拉或下拉电阻要消耗一定的电流，因此尽量避免使用这些电阻。
•少用驱动电阻或双极晶体管，这些器件需维持一个恒定电流，从而增加了静态电流。
•将时钟引脚按参数表推荐条件连接至低电平。悬空的时钟输入会大大增加静态电流。
•在将设计划分为多个器件时，减少器件间I/O的使用。
eX器件LP方式引脚的使用
Actel eX系列设计了特殊的低功率“休眠”模式。在该引脚驱动至高电平800ns后，器件进入极低功率待机模式，待机电流小于100μA。在低功率模式下，所有I/O（除时钟输入外）都处于三态，而内核全部断电。由于内核被断电，触发器中存储的信息会丢失，在进入工作模式（在引脚驱动至低平200ms后）时，用户需再次对器件初始化。同样，用户也应关闭所有通过CLKA、CLKB以及HCLK输入的时钟。然而这些时钟并不处于三态，时钟就可进入器件，从而增加功耗，因此在低功率模式下，时钟输入必须处于逻辑0或逻辑1。
有时用户很难阻止时钟进入器件。在此场合，用户可使用与CLKA或CLKA相邻的正常输入引脚并在设计中加进CLKINT。这样，时钟将通过靠近时钟引脚的正常输入进入器件，再通过CLKINT向器件提供时钟资源。
采用这种输入电路后，由于常规I/O是三态的，因此用户不必担心时钟进入器件。当然，增加一级门电路会产生0.6ns的较大时钟延时，幸好这在多数低功率设计中是可以接受的。注意应将与CLKINT缓冲器相关的CLKA或CLKB引脚接地。
此外还要注意，CLKINT只可用作连线时钟，HCLK并不具备将内部走线网连接到HCLK的能力，因而HCLK资源不能被常规输入驱动。换句话说，如果使用LP引脚就不能使用HCLK；使用HCLK时就应在外部截断时钟信号。
降低动态功耗
动态功耗是在时钟工作且输入正在开关时的功耗。对CMOS电路，动态功耗基本上确定了总功耗。动态功耗包括几个成分，主要是电容负载充电与放电（内部与I/O）以及短路电流。多数动态功率是内部或外部电容向器件充、放电消耗的。如果器件驱动多个I/O负载，大量的动态电流构成总功耗的主要部分。
对设计中给定的驱动器，动态功耗由下式计算
p=CL×V 2 DD×f
式中，CL是电容负载，VDD是电源电压，f则是开关频率。总功耗是每个驱动器功耗之总和。
由于VDD是固定的，降低内部功耗就要降低平均逻辑开关频率，减少每个时钟沿处的逻辑开关总数、减少连线网络，特别是高频信号连线网络中的电容值。对低功率设计，需要从系统至工艺的每个设计级别中采取相应预防措施，级别越高，效果越好。

EDA课设 FPGA开发板 VHDL实现串口通信

一、设计概述

1. UART串口通信设计目的

随着 FPGA/CPLD 器件在控制领域的广泛使用，开发嵌于 FPGA/CPLD 器件内部的通用异步收发器，以实现 FPGA/CPLD 开发系统与 PC 机之间的数据通信是很有实际意义的。FPGA/CPLD与单片机、ARM等器件不同，它内部并没有集成UART，因此要实现串行通信必须要独立开发UART模块。

通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, 简称为UART）由于具有数据通信时需要的连线少，具有相关工业标准提供的标准的接口电平规范等优点，在工业控制领域被广泛采用。近年来，FPGA器件逐渐开始广泛使用，开发基于 FPGA/CPLD 器件内部的通用异步收发器，以实现 FPGA/CPLD 开发系统与 PC 机或其它外设之间的数据通信引起了 FPGA/CPLD 领域研究人员的关注。为此，本设计基于 FPGA 器件设计了符合 RS232 标准的UART，实现开发板与计算机串口助手之间的收发，并能够自行调节波特率。

2. UART串口通信设计目的

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)是一种异步收发传输器，其在数据发送时将并行数据转换成串行数据来传输，在数据接收时将接收到的串行数据转换成并行数据，可以实现全双工传输和接收。它包括了 RS232、RS449、RS423、RS422 和 RS485 等接口标准规范和总线标准规范。换句话说，UART是异步串行通信的总称。而 RS232、RS449、RS423、RS422 和 RS485 等，是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准，它们规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。RS-232是美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，原始编号全称是 EIA-RS-232（简称232，RS-232），被广泛用于计算机串行接口外设连接。其 DB9 接口的针脚定义如下图所示。

引脚功能如下表所示。若系统存在多个 UART 接口，则可分别称为 COM1、COM2 等。

UART通信使用前需要做多项设置，常见的设置包括数据位数、波特率大小、奇偶校验类型和停止位数。数据位（Data bits）：该参数定义单个UART数据传输在开始到停止期间发送的数据位数。可选择为：5、6、7或者8（默认）。波特率（Baud）：是指从一设备发送到另一设备的波特率，即每秒钟可以通信的数据比特个数。典型的波特率有4800、9600、19200、38400、57600、115200等。一般通信两端设备都要设为相同的波特率，但有些设备也可设置为自动检测波特率。

奇偶校验类型（Parity Type）：是用来验证数据的正确性。奇偶校验一般不使用，如果使用，则既可以做奇校验（Odd）也可以做偶校验（Even）。在偶校验中，因为奇偶校验位会被相应的置1或0（一般是最高位或最低位），所以数据会被改变以使得所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中“1”的个数为偶数；在奇校验中，所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中“1”的个数为奇数。奇偶校验可以用于接受方检查传输是否发送生错误，如果某一字节中“1”的个数发生了错误，那么这个字节在传输中一定有错误发生。如果奇偶校验是正确的，那么要么没有发生错误，要么发生了偶数个的错误。如果用户选择数据长度为8位，则因为没有多余的比特可被用来作为奇偶校验位，因此就叫做“无奇偶校验”。

停止位（Stop bits）：在每个字节的数据位发送完成之后，发送停止位，来标志着一次数据传输完成，同时用来帮助接收信号方硬件重同步。可选择为：1（默认）、1.5或者2位。在 RS-232 标准中，最常用的配置是8N1(即八个数据位、无奇偶校验、一个停止位)，其发送一个字节时序图如下图所示。

空闲状态为一个高电平，按照一个完整的字节包括一位起始位、8位数据位、一位停止位即总共十位数据来算，要想完整地实现这十位数据的发送，就需要 11 个波特率时钟脉冲，第 1 个高电平脉冲标记一次传输的开始，第 11 个高电平脉冲标记一次传输的结束。

二、顶层设计

在 FPGA 内部实现串口接收与串口发送模块，串口接收模块接收上位机发送的数据，然后通过串口发送模块将数据发回上位机，实现串口数据环回。系统框图如下图所示：

如上图所示，为串口通信的顶层设计原理图。

三、子模块设计

1. 波特率时钟生成模块

本模块的设计是为了保证模块的复用性。当需要不同的波特率时，只需设置不同的波特率时钟计数器的计数初值，使用查找表即可实现。下面的设计代码中包含了针对 7 个波特率的设置，如需要其他波特率可根据实际使用情况自行调节。如下图所示。

波特率生成，用一个定时器来定时，产生频率与对应波特率时钟频率相同的时钟信号，如下图所示。例如，我们使用波特率为115200bps，则我们需要产生一个频率为115200Hz的时钟信号。这里，我们首先将 115200Hz 时钟信号的周期计算出来，1秒钟为1000000000ns，因此波特率时钟的周期Tb=1000000000/115200=8680.6ns，即 115200Hz 时钟信号的一个周期为8680.6ns，那么，我们只需要设定我们的定时器定时时间为8680.6ns，每当定时时间到，产生一个系统时钟周期长度的高电平脉冲信号即可。系统时钟频率为50MHz，即周期为20ns，那么，我们只需要计数 8680/20 个系统时钟，就可获得 8680ns 的定时，bps115200=Tb×Fclk-1=Fclk115200-1。相应的，其它波特率定时值的计算与此相同。为了实现可以自行调节波特率，设计中使用了一个 3 位的波特率选择端口：Baud_Set。通过给此端口不同的值，就能选择不同的波特率，此端口控制不同波特率的原理很简单，就是一个多路选择器，多路选择器通过选择不同的定时器计数最大值来设置不同的比特率时钟频率。Baud_Set的值与各波特率的对应关系如下表所示。

2. 发送模块

串口发送模块的整体框图，如下图所示。

其接口列表如下表所示：

从原理部分已知，波特率是 UART 通信中需要设置的参数之一。在波特率时钟生成模块中，系统时钟周期为System_clk_period，这里为20ns。如果接入到该模块的时钟频率为其他值，需要根据具体的频率值修改该参数。

3. 数据输出模块

通过对波特率时钟进行计数，来确定数据发送的循环状态。为了使得模块可以对其他模块进行控制或者调用，这里产生一个 byte 传送结束的信号。一个数据位传输结束后 done 信号输出一个时钟的高电平，如下图所示。

产生数据传输状态信号，如上图所示。即当在正常传输的时候 work_en 信号为高电平，其他情况均为低电平。

4. 数据传输状态控制模块

在模块结构图中还有一个多路选择器，作用是根据 bps_cnt 的值来确定数据传输的状态。不同的波特率时钟计数值时，有不同的传输数据对应。

5. 接收模块

串口接收模块与串口发送模块设计思路类似。串口接收模块整体框图，如下图所示。

如上图所示，为接收模块的关键的 VDHL 代码。

四、系统测试

1. 仿真结果与分析

对该发送模块进行功能仿真。在仿真文件中，生成了复位信号以及使能信号、待传输数据。这里将所有数据变化与系统时钟错开1ns，是为了能更清楚看到输入输出数据与时钟的时序关系。

设置好仿真脚本后用ModelSim进行功能仿真，得到如图所示的波形文件，可以看出在复位信号为高电平以及使能信号有效之前输出信号Rs232_Tx均为 0，在复位结束以及使能后输出信号才开始正常，待发送数据设置为8’haa（MSB），且当开始发送后，输出信号依次为 1、0（起始位）、 8’haa（LSB）、1（停止位）；当输入数据为01010101b（MSB）后，输出信号依次为 1、0（起始位）、10101010b（LSB）、1（停止位）。同时uart_state处于发送状态时为1，即仿真验证结果正确，如下图所示。

对接收模块进行功能仿真，模块输出的Tx连接到接收模块上的Rx，作为接收模块的激励。

设置好仿真脚本后运行 ModelSim 进行功能仿真，得到如下图所示的波形文件。分析可知：每当一个字节发送结束后，数据输出data_byte_r均会更新输出一次，符合设计预期。

2. 管脚安排

我们选用 Cyclone IV E 系列的 EP4CE6E22C8 芯片，最终的管脚安排 Pin Planner 如下图所示。

3. 下载测试

通过 USB 线缆连接 FPGA 开发板和 PC 机， Hardware Setup设置为USB-Blaster [USB-0]，下载 sof 文件到 FPGA 开发板中。如下图所示。

在串口助手中选择与开发板相连接的串口端口，设置波特率为9600，数据位为8，停止位为1，无校验位。通过点击“打开”按钮来打开串口。

如下图所示。串口打开后，在发送文本框中输入数据 abc123 并点击发送，可以看到串口助手中接收到了数据。在接收设置为 ASCII 时，显示abc123；在接收设置为 Hex（十六进制）时，显示61 62 63 31 32 33。分析可知接收到的数据与发送的数据一致，设计验证正确。

在波特率设置为 9600 时，串口调试助手中设置波特率为19200，这时发送数据，接收到的数据会有乱码。这时我们修改顶层设计的 baud_set 为001，此时对应波特率为19200，重新全编译整个项目，再下载 sof 文件到 FPGA 开发板，打开串口调试助手调试，测试结果如上图所示。分析可知，本设计实现了开发板与计算机串口助手之间数据的收发，通信格式正确，并且能自行调节波特率，符合设计预期，并且验证正确。

设计报告+源码+资料：https://download.csdn.net/download/fyfugoyfa/20691109

六、参考资料

• 黄沛昱.EDA技术与VHDL设计实验指导.西安电子科技大学出版社,2012,08.
• 杨英强.一种基于FPGA的UART电路实现[J].现代电子技术,2005,28(12):82-84.
• 郭勇.EDA技术基础(第2版)[M].机械工业出版社,2005.3.14—320.
• 褚振勇.FPGA设计及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社.