FPGA开发实用教材.doc

FPGA开发实用教程去年10月份，作者有幸聆听了Xilinx公司全球CTO Ivo Bolsens先生在清华大学题为“FPGA: The future platform for transforming, transporting and computing”的演讲，感触颇深。IVO先生指出了FPGA的三大应用领域：数字处理中的信号变换、高速交换中的数据收发以及求解中的复杂计算。作者本人虽然已有多年的FPGA开发经验，但还是第一次听到如此精辟的总结，随即想到深入了解并推广这种实用且精辟的FPGA开发理念。考察了许久发现市场上没有此类相关书籍，且已有书籍比较偏重于单一软件的操作和HDL语言的讲解，因此就萌生了编写一本书从系统开发角度，以软、硬件结合的方式来阐述先进的FPGA开发理念，于是经过半年的思索、查阅资料、和相关专家的大量讨论以及反复修改，便有了这本书的诞生，以期达到抛砖引玉的作用。 ??????? Xilinx公司是最早也是最大的FPGA生产商，其芯片设计技术、开发软件和相关解决方案在业界属于顶级水平，拥有广泛的客户群。本书主要讲述了Xilinx FPGA的开发知识，包括FPGA基础知识、VerilogHDL语言基础、基于Xilinx芯片的HDL语言高级进阶、ISE开发环境使用指南、FPGA配置电路及软件操作、在线逻辑分析仪ChipScope的使用、基于FPGA的数字信号处理技术、基于System Generator的DSP系统开发技术、基于FPGA的可编程嵌入式开发技术、基于FPGA的高速数据连接技术以及时序分析原理和时序分析器的使用等11章内容，涵盖了FPGA开发的主要方面。期望本书能够提高读者的工程开发能力。全书各章由田耘、徐文波完成，孙霏菲参与了第7章的编写工作。作者在成书过程中，参考了较多的书籍、论文和网络文献，向其作者表示深深谢意。 ??????? 本书适合从事FPGA设计和开发领域的工程师，以及相关专业的研究生和高年级本科生使用。 ??????? FPGA技术博大精深且发展迅猛，不可能通过一本书进行全方位的详细介绍，更多还需要读者自己动手实践。由于作者水平有限，加上时间比较仓促，书中不妥之处，敬请指正。 ? 第1章 FPGA开发简介 本章主要介绍FPGA的起源、发展历史、芯片结构、工作原理、开发流程以及Xilinx公司的主要可编程芯片，为读者提供FPGA系统设计的基础知识。 第1节 可编程逻辑器件基础 1.1.1 可编程逻辑器件概述 可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）起源于20世纪70年代，是在专用集成电路（ASIC）的基础上发展起来的一种新型逻辑器件，是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级PLD时，不需额外地改变PCB电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本，因此获得了广大硬件工程师的青睐，形成了巨大的PLD产业规模。?目前常见的PLD产品有：编程只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM），现场可编程逻辑阵列（Field Programmable Logic Array，FPLA），可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL），通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL），可擦除的可编程逻辑器件（Erasable Programmable Logic Array，EPLA），复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）和现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等类型。PLD器件从规模上又可以细分为简单PLD（SPLD）、复杂PLD（CPLD）以及FPGA。它们内部结构的实现方法各不相同。?可编程逻辑器件按照颗粒度可以分为3类：小颗粒度（如：“门海（sea of gates）”架构），中等颗粒度（如：FPGA），大颗粒度（如：CPLD）。按照编程工艺可以分为四类：熔丝（Fuse）和反熔丝（Antifuse）编程器件，可擦除的可编程只读存储器（UEPROM）编程器件，电信号可擦除的可编程只读存储器（EEPROM）编程器件（如：CPLD），SRAM编程器件（如：FPGA）。在工艺分类中，前3类为非易失性器件，编程后，配置数据保留在器件上；第4类为易失性器件，掉电后配置数据会丢失，因此在每次上电后需要重新进行数据配置。 1.1.2 可编程逻辑器件的发展历史 可编程逻辑器件的发展可以划分为4