Altera FPGA和CPLD 设计学习笔记(特权完善)

FPGA\CPLD设计学习笔记

题记：这个笔记不是特权同学自己整理的，特权同学只是对这个笔记做了一下完善，也忘了是从那DOWNLOAD来的，首先对整理者表示感谢。这些知识点确实都很实用，这些设计思想或者也可以说是经验吧，是很值得每一个有志于FPGA/CPLD方面发展的工程师学习的。

1、硬件设计基本原则

(1)、速度与面积平衡和互换原则：一个设计如果时序余量较大，所能跑的频率远高于设计要求，能可以通过模块复用来减少整个设计消耗的芯片面积，这就是用速度优势换面积的节约；反之，如果一个设计的时序要求很高，普通方法达不到设计频率，那么可以通过数据流串并转换，并行复制多个操作模块，对整个设计采用“乒乓操作”和“串并转换”的思想进行处理，在芯片输出模块处再对数据进行“并串转换”。从而实现了用面积复制换取速度的提高。

(2)、硬件原则：理解HDL本质

(3)、系统原则：整体把握

(4)、同步设计原则：设计时序稳定的基本原则

2、Verilog作为一种HDL语言，对系统行为的建模方式是分层次的。比较重要的层次有系统级（system）、算法级（Algorithm）、寄存器传输级（RTL）、逻辑级（Logic）、门级（Gate）、电路开关级（Switch）。

3、实际工作中，除了描述仿真测试激励（Testbench）时使用for循环语句外，极少在RTL级编码中使用for循环，这是因为for循环会被综合器展开为所有变量情况的执行语句，每个变量独立占用寄存器资源，不能有效的复用硬件逻辑资源，造成巨大的浪费。一般常用case语句代替。

4、if…else…和case在嵌套描述时是有很大区别的，if…else…是有优先级的，一般来说，第一个if的优先级最高，最后一个else的优先级最低。而case语

句是平行语句，它是没有优先级的，而建立优先级结构需要耗费大量的逻辑资源，所以能用case的地方就不要用if…else…语句。

补充：1.也可以用if…; if…; if…;描述不带优先级的“平行”语句。

5、FPGA一般触发器资源比较丰富，而CPLD组合逻辑资源更丰富。

6、FPGA和CPLD的组成：

FPGA基本有可编程I/O单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等6部分组成。

CPLD的结构相对比较简单，主要由可编程I/O单元、基本逻辑单元、布线池和其他辅助功能模块组成。

7、Block RAM:

3种块RAM结构，M512 RAM（512bit）、M4K RAM（4Kbit）、M-RAM(64Kbit).

M512 RAM:适合做一些小的Buffer、FIFO、DPRAM、SPRAM、ROM等；

M4K RAM: 适用于一般的需求

M-RAM: 适合做大块数据的缓冲区。

Xlinx 和 Lattice FPGA的LUT可以灵活配置成小的RAM、ROM、FIFO等存储结构，这种技术被称为分布式RAM。

补充：但是在一般的设计中，不提倡用FPGA/CPLD的片内资源配置成大量的存储器，这是处于成本的考虑。所以尽量采用外接存储器。

8、善用芯片内部的PLL或DLL资源完成时钟的分频、倍频率、移相等操作，不仅简化了设计，并且能有效地提高系统的精度和工作稳定性。

9、异步电路和同步时序电路的区别

异步电路:

电路核心逻辑有用组合电路实现；

异步时序电路的最大缺点是容易产生毛刺；

不利于器件移植；

不利于静态时序分析（STA）、验证设计时序性能。

同步时序电路:

电路核心逻辑是用各种触发器实现；

电路主要信号、输出信号等都是在某个时钟沿驱动触发器产生的；

同步时序电路可以很好的避免毛刺；

利于器件移植；

利于静态时序分析（STA）、验证设计时序性能。

10、同步设计中，稳定可靠的数据采样必须遵从以下两个基本原则：

(1)、在有效时钟沿到达前，数据输入至少已经稳定了采样寄存器的Setup 时间之久，这条原则简称满足Setup时间原则；

(2)、在有效时钟沿到达后，数据输入至少还将稳定保持采样寄存器的Hold 时钟之久，这条原则简称满足Hold时间原则。

11、同步时序设计注意事项：

异步时钟域的数据转换。

组合逻辑电路的设计方法。

同步时序电路的时钟设计。

同步时序电路的延迟。同步时序电路的延迟最常用的设计方法是用分频或者倍频的时钟或者同步计数器完成所需的延迟，对比较大的和特殊定时要求的延时，一般用高速时钟产生一个计数器，根据计数产生延迟；对于比较小的延迟，可以用D触发器打一下，这样不仅可以使信号延时了一个时钟周期，而且完成了信号与时钟的初次同步。在输入信号采样和增加时序约束余量中使用。另外，还有用行为级方法描述延迟，如“#5 a<=4’0101;”这种常用于仿真测试激励，但是在电路综合时会被忽略，并不能起到延迟作用。

Verilog 定义的reg型，不一定综合成寄存器。在Verilog代码中最常用的两种数据类型是wire和reg型，一般来说，wire型指定的数据和网线通过组合逻辑实现，而reg型指定的数据不一定就是用寄存器实现。

12、常用设计思想与技巧

(1)、乒乓操作；

(2)、串并转换；

(3)、流水线操作；

(4)、异步时钟域数据同步。是指如何在两个时钟不同步的数据域之间可靠地进行数据交换的问题。数据时钟域不同步主要有两种情况：

两个域的时钟频率相同，但是相差不固定，或者相差固定但是不可测，简称为同频异相问题。

两个时钟频率根本不同，简称异频问题。

两种不推荐的异步时钟域操作方法：一种是通过增加Buffer或者其他门延时来调整采样；另一种是盲目使用时钟正负沿调整数据采样。

13、模块划分基本原则：

(1)、对每个同步时序设计的子模块的输出使用寄存器（用寄存器分割同步时序模块原则）。

(2)、将相关逻辑和可以复用的逻辑划分在同一模块内（呼应系统原则）。

(3)、将不同优化目标的逻辑分开。

(4)、将送约束的逻辑归到同一模块。

(5)、将存储逻辑独立划分成模块。

(6)、合适的模块规模。

(7)、顶层模块最好不进行逻辑设计。

14、组合逻辑的注意事项

(1)、避免组合逻辑反馈环路（容易毛刺、振荡、时序违规等）。

解决：

A、牢记任何反馈回路必须包含寄存器；

B、检查综合、实现报告的warning信息，发现反馈回路（combinational loops）后进行相应修改。

(2)、替换延迟链。

解决：用倍频、分频或者同步计数器完成。

(3)、替换异步脉冲产生单元（毛刺生成器）。

解决：用同步时序设计脉冲电路。

(4)、慎用锁存器。

解决：

A、使用完备的if…else语句；

B、检查设计中是否含有组合逻辑反馈环路；

C、对每个输入条件，设计输出操作，对case语句设置default操作。特别是在状态机设计中，最好有一个default的状态转移，而且每个状态最好也有一个default的操作。

D、如果使用case语句时，特别是在设计状态机时，尽量附加综合约束属性，综合为完全条件case语句。

小技巧：仔细检查综合器的综合报告，目前大多数的综合器对所综合出的latch都会报“warning”，通过综合报告可以较为方便地找出无意中生成的latch。

15、时钟设计的注意事项

(1)、同步时序电路推荐的时钟设计方法：

时钟经全局时钟输入引脚输入，通过FPGA内部专用的PLL或DLL进行分频/倍频、移相等调整与运算，然后经FPGA内部全局时钟布线资源驱动到达芯片内所有寄存器和其他模块的时钟输入端。

FPGA设计者的5项基本功

《佟林传》里，佟林练的基本功是“绕大树、解皮绳”，然后才练成了什么“鬼影随行、柳叶绵丝掌”。

在我看来，成为一名说得过去的FPGA设计者，需要练好5项基本功：仿真、综合、时序分析、调试、验证。

对于FPGA设计者来说，练好这5项基本功，与用好相应的EDA工具是同一过程，对应关系如下：

○1. 仿真：Modelsim, Quartus II(Simulator Tool)

○2. 综合：Quartus II (Compiler Tool, RTL Viewer, Technology Map Viewer, Chip Planner)

○3. 时序：Quartus II (TimeQuest Timing Analyzer, Technology Map Viewer, Chip Planner)

○4. 调试：Quartus II (SignalTap II Logic Analyzer, Virtual JTAG, Assignment Editor)

○5. 验证：Modelsim, Quartus II(Test Bench Template Writer)

掌握HDL语言虽然不是FPGA设计的全部，但是HDL语言对FPGA设计的影响贯穿于整个FPGA设计流程中，与FPGA设计的5项基本功是相辅相成的。

对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的可综合子集”可以完成FPGA设计50%的工作——设计编码。

练好仿真、综合、时序分析这3项基本功，对于学习“HDL语言的可综合子集”有如下帮助：

1. 通过仿真，可以观察HDL语言在FPGA中的逻辑行为。

2. 通过综合，可以观察HDL语言在FPGA中的物理实现形式。

3. 通过时序分析，可以分析HDL语言在FPGA中的物理实现特性。

对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的验证子集”，可以完成FPGA设计另外50%的工作——调试验证。

1. 搭建验证环境，通过仿真的手段可以检验FPGA设计的正确性。

2. 全面的仿真验证可以减少FPGA硬件调试的工作量。

3. 把硬件调试与仿真验证方法结合起来，用调试解决仿真未验证的问题，用仿真保证已经解决的问题不在调试中再现，可以建立一个回归验证流程，有助于FPGA设计项目的维护。

FPGA设计者的这5项基本功不是孤立的，必须结合使用，才能完成一个完整的FPGA设计流程。反过来说，通过完成一个完整的设计流程，才能最有效地练习这5项基本功。对这5项基本功有了初步认识，就可以逐个深入学习一些，然后把学到的知识再次用于完整的设计流程。如此反复，就可以逐步提高设计水平。采用这样的循序渐进、螺旋式上升的方法，只要通过培训入了门，就可以自

学自练，自我提高。

市面上出售的有关FPGA设计的书籍为了保证结构的完整性，对FPGA设计的每一个方面分开介绍，每一方面虽然深入，但是由于缺少其他相关方面的支持，读者很难付诸实践，只有通读完全书才能对FPGA设计获得一个整体的认识。这样的书籍，作为工程培训指导书不行，可以作为某一个方面进阶的参考书。

对于新入职的员工来说，他们往往对FPGA的整体设计流程有了初步认识，5项基本功的某几个方面可能很扎实。但是由于某个或某几个方面能力的欠缺，限制了他们独自完成整个设计流程的能力。入职培训的目的就是帮助他们掌握整体设计流程，培养自我获取信息的能力，通过几个设计流程来回的训练，形成自我促进、自我发展的良性循环。在这一过程中，随着对工作涉及的知识的广度和深度的认识逐步清晰，新员工的自信心也会逐步增强，对个人的发展方向也会逐步明确，才能积极主动地参与到工程项目中来。

UART IP设计

UART IP设计文档 1，主要特征； UART采用的是一种起止式异步协议，特点是一个字符一个字符地传输，并且传送一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。一个字符传送完成后，奇偶校验位之后的停止位和空闲位都规定为高电平，而起始位为低电平，这样就保证起始位开始处一定有个下降沿，这个下降沿用来界定一个字符传输的开始，它的到来就表示下面是数据位，要准备接收；而停止位标志一个字符的结束，它的出现表示一个字符传送完毕，这样就为通信双方提供了何时开始收发和何时结束的标志。 2，整体框图 图2.1 UART IP整体框图 UART IP的整体框图如图2.1所示。它有控制电路模块、发送控制模块和接收控制模块三部分组成。CPU通过对控制电路模块中的寄存器进行设置达到对内部电路的控制和管理，从而实现UART和CPU以及其它UART模块间的数据收发功能。3，整个模块的外部接口 图3.1 UART IP外部接口 4，子模块说明 （一）控制电路模块 该模块的主要功能为：a、与CPU接口，将CPU对内部控制寄存器的写操作转化

为对发送控制器和接收控制器的控制信号；b、将CPU写入到内部数据发送寄存器的数据进行锁存并提供给发送控制器；c、将接收控制器接收的数据提交给CPU,同时提交接收数据的状态信息；d、对收、发控制器的中断进行管理。对于中断寄存器的读操作同时对寄存器清零，以避免重复产生中断，这需要专门的电路进行维护和管理。 （二）发送控制模块 该模块的主要功能为：a、根据clk_div_ctl给出的时钟分频比将xmt_data上的数据按照从低位到高位的顺序依次发出。在数据发送过程中需要根据规范插入起始位、奇偶校验位和停止位。b、发送控制器在xmt_en为高电平时开始向线路方向发送数据。完成当前字节发送后通过xmt_over通知控制电路当前发送完成，由控制电路负责产生中断和进行中断管理。 发送控制模块的仿真波形如下： 图4.1发送控制模块仿真波形 a.当发送状态机处于idle状态时，如果xmt _en有效则产生一个clk_cnt_clr 信号，用于对时钟计数器清零，同时进入start状态，见图4.1中“1”处。 b.在start状态下，如果sample有效则输出起始位，同时进入data状态，见图 4.1中“2”处。 c.在data状态下，在sample有效时连续输出8位数据。最后一个比特开始输出后进入parity状态，准备输出奇偶校验位，，见图4.1中“3”处。 d.在parity状态下，如果出现sample则进入stop状态，在stop状态下如果sample有效则输出截止位，并进入waiting状态，见图4.1中“4”处。 e.在waiting状态下，截止位保持有效，并在sample有效时进入idle状态，sdout 持续为1，见图4.1中“5”处。 f在由waiting进入idle状态时，输出xmt_over信号，通知控制电路当前数据发送完成。注意这里的xmt_over信号只是在一个时钟周期内保持有效，见图4.1中“6”处. （三）接收控制模块 该模块的主要功能为：a、检测接收数据中的起始位，并完整地接收数据。b、根

FPGA与CPLD

FPGA（Field－Programmable Gate Array），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。 CPLD与FPGA的关系 早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可以编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。 CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让它可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。 CPLD和FPGA另外一个区别是大多数的FPGA含有高层次的内置模块（比如加法器和乘法器）和内置的记忆体。一个因此有关的重要区别是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。一些FPGA可以让设备的一部分重新编辑而 FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，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 1）采用FPGA设计ASIC电路(特定用途集成电路)，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

UART串口通信设计实例

2.5 UART串口通信设计实例（1） 接下来用刚才采用的方法设计一个典型实例。在一般的嵌入式开发和FPGA设计中，串口UART是使用非常频繁的一种调试手段。下面我们将使用Verilog RTL编程设计一个串口收发模块。这个实例虽然简单，但是在后续的调试开发中，串口使用的次数比较多，这里阐明它的设计方案，不仅仅是为了讲解RTL编程，而且为了后续使用兼容ARM9内核实现嵌入式开发。 串口在一般的台式机上都会有。随着笔记本电脑的使用，一般会采用USB转串口的方案虚拟一个串口供笔记本使用。图2-7为UART串口的结构图。串口具有9个引脚，但是真正连接入FPGA开发板的一般只有两个引脚。这两个引脚是：发送引脚TxD和接收引脚RxD。由于是串行发送数据，因此如果开发板发送数据的话，则要通过TxD线1 bit接着1 bit 发送。在接收时，同样通过RxD引脚1 bit接着1 bit接收。 再看看串口发送/接收的数据格式（见图2-8）。在TxD或RxD这样的单线上，是从一个周期的低电平开始，以一个周期的高电平结束的。它中间包含8个周期的数据位和一个周期针对8位数据的奇偶校验位。每次传送一字节数据，它包含的8位是由低位开始传送，最后一位传送的是第7位。

这个设计有两个目的：一是从串口中接收数据，发送到输出端口。接收的时候是串行的，也就是一个接一个的；但是发送到输出端口时，我们希望是8位放在一起，成为并行状态（见图2-10）。我们知道，串口中出现信号，是没有先兆的。如果出现了串行数据，则如何通知到输出端口呢？我们引入“接收有效”端口。“接收有效”端口在一般情况下都是低电平，一旦有数据到来时，它就变成高电平。下一个模块在得知“接收有效”信号为高电平时，它就明白：新到了一个字节的数据，放在“接收字节”端口里面。

CPLD与FPGA区别

CPLD和FPGA区别 可编程逻辑器件主要包括FPGA和CPLD，FPGA是Field Programmable Gate Array缩写，CPLD是Complex Promrammable Logic Device的缩写。 从可编程逻辑器件的发展历史上来讲，CPLD一般是指采用乘积相结构的基于EEPROM的器件，所以具 有非挥发的,不需要外部配置ROM,具有保密性和有限次编程次数(根据不同的结构，从100次到1万次不等)等特点，适合用在胶合逻辑(glue logic，如DSP芯片外围的译码逻辑),IO扩展，IO电平转换，FPGA 芯片配置等应用场合。如Altera的MAX7000和MAX3000系列芯片，Xilinx的XC9500和CoolRunner/II 系列芯片，Lattice的ispMACH4000/Z系列芯片都是CPLD器件，容量从32宏单元到512宏单元不等。 FPGA主要是指采用四输入查找表(LUT4)的基于SRAM的器件，因为SRAM是挥发的，掉电丢失数据， 所以FPGA需要外部配置ROM，上电的时候，从外部的ROM把FPGA的配置数据导入到FPGA芯片内部后工作。具有SRAM的FPGA采用标准的CMOS制造工艺，可以随着最新的工艺而更新还代，给用户带来了实惠；衡量FPGA容量的一个基本指标是逻辑单元(Logic cell或者Logic element),由一个可编程得LUT4和一个可编程的DFF组成，LUT4完成组合逻辑功能， 而DFF用来实现时序功能。FPGA的容量从几千的逻辑单元到几十万的逻辑单元不等。如Altera的Cyclone/II/III和Stratix/II/III系列芯片，Xilinx Spartan3/3E/3A/3AN和Virtex4/5系列芯片都是FPGA器件。 随着芯片技术的发展，CPLD和FPGA的概念已经模糊在一起，如Altera和Lattice公司把小容量(小于2K 左右逻辑单元)非挥发的可编程器件归到CPLD里，如Altera的MAXII系列和Lattice的MACH XO系列芯片，把基于SRAM的FPGA和FLASH的储存单元做到一个芯片里面，以及跟传统的CPLD不一样了； 总之，我们可以简单的区分FPGA和CPLD，CPLD：小容量(<2K左右LE)的非挥发的可编程器件；其它 的可编程器件都可归到FPGA。 系统的比较： 尽管ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ都是可编程ＡＳＩＣ器件，有很多共同特点，但由于ＣＰＬＤ和ＦＰＧＡ结 构上的差异，具有各自的特点: ①ＣＰＬＤ更适合完成各种算法和组合逻辑，ＦＰＧＡ更适合于完成时序逻辑。换句话说，ＦＰＧＡ更适合于触发器丰富的结构，而ＣＰＬＤ更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。 ②ＣＰＬＤ的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的，而ＦＰＧＡ的分段式布线结 构决定了其延迟的不可预测性。 ③在编程上ＦＰＧＡ比ＣＰＬＤ具有更大的灵活性。ＣＰＬＤ通过修改具有固定内连电路的逻辑功能 来编程，ＦＰＧＡ主要通过改变内部连线的布线来编程；ＦＰＧＡ可在逻辑门下编程，而ＣＰＬＤ是在逻辑块下编程。 ④ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 ⑤ＣＰＬＤ比ＦＰＧＡ使用起来更方便。ＣＰＬＤ的编程采用Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＡＳＴＦＬＡＳＨ技术，无需外部存储器芯片，使用简单。而ＦＰＧＡ的编程信息需存放在外部存储器上，使用方法复杂。 ⑥ＣＰＬＤ的速度比ＦＰＧＡ快，并且具有较大的时间可预测性。这是由于ＦＰＧＡ是门级编程，并 且ＣＬＢ之间采用分布式互联，而ＣＰＬＤ是逻辑块级编程，并且其逻辑块之间的互联是集总式的。

UART原理及接受模块设计

2 UART 原理 2.1 UART 的通信原理 UART 即通用异步收发器，是一种串行通信方式。数据在传输过程中是通过一位一位地进行传输来实现通信的，串行通信方式具有传输线少，成本底等优点，缺点是速度慢。串行通信分为两种类型：同步通信方式和异步通信方式。但一般多用异步通信方式，主要因为接受和发送的时钟是可以独立的这样有利于增加发送与接收的灵活性。异步通信是一个字符接着一个字符传输，一个字符的信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。每一个字符的传输靠起始位来同步，字符的前面一位是起始位，用下降沿通知收方开始传输，紧接着起始位之后的是数据位，传输时低位在前高位在后，字符本身由5～8位数据位组成。数据位后面是奇偶校验位，最后是停止位，停止位是用高电平来标记一个字符的结束，并为下一个字符的传输做准备。停止位后面是不同长度的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平，这样可以保证起始位有一个下降沿。UART 的帧格式如图2.1所示。 图2.1 UART 的帧格式 Figure 2.1 The frame format of UART UART 的帧格式包括线路空闲状态（idle ，高电平）、起始位(start bit ，低电平)、5～8位数据位(data bits)、校验位(parity bit ，可选)和停止位(stop bit ，位数可为1、1.5、2位)。 在串口的异步通信中，数据以字节为单位的字节帧进行传送。发送端和接收端必须按照相同的字节帧格式和波特率进行通信。其中字节帧格式规定了起始位、数据位、寄偶效验位、停止位。起始位是字节帧的开始。使数据线处于逻辑0状态 ，用于向接收端表明开始发送数据帧，起到使发送和接收设备实现同步。停止位是字节帧的终止，使数据线处于逻辑1状态。用于向接收端表明数据帧发送完毕。波特率采用标准速度9600bit/s 。

FPGA、CPLD、ASIC、DSP、单片机的区别

1. FPGA FPGA（Field－Programmable Gate Array），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。以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA 上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。 什么是FPGA? 简单来说，FPGA就是“可反复编程的逻辑器件”。FPGA取自 Field Programmable Gate Array的首个字母，代表现场(Field)可编程(Programmable)逻辑阵列(Gate Array)。 由于在产品发售后您仍然可以对产品设计作出修改，因此我们可以顺利地对产品进行更新以及针对新的协议标准作出相应改进。相对于对售后产品设计无法进行修改的ASIC和ASSP来说，这是FPGA特有的一个优势。由于FPGA 可编程的灵活性以及近年来科技的快速发展，FPGA也正向高集成，高性能，低功耗，低价格的方向发展，并具备了与ASIC和ASSP 同等的性能，被广泛地使用在各行各业的电子及通信设备里。 FPGA与CPLD的区别 尽管很多人听说过CPLD，但是关于CPLD与FPGA之间的区别，了解的人可能不是很多。虽然FPGA与CPLD都是“可反复编程的逻辑器件”，但是在技术上却有一些差异。简单地说，FPGA就是将CPLD的电路规模，功能，性能等方面强化之后的产物。 一般而言，CPLD与FPGA之间的区别的如下所示（当然也有例外）。

FPGA的UART完整设计

第三章UART设计 3、1 UART得帧格式 在UART 中,数据位就是以字符为传送单位,数据得前、后要有起始位、停止位,另外可以在停止位得前面加上一个比特(bit)得校验位。其帧格式如图所示。 文章通过分析UART得功能,利用有限状态机来描述UART核心控制逻辑得方法,将其核心功能集成,从而使整个设计更加稳定、可靠。基本得UART通信只需要两条信号线就可以完成数据得相互通信。UART得功能模块如图3_2所示。

3、2 UART模块 在大规模电路得设计中,广泛采用层次化,结构化得设计方法。它将一个完整得硬件设计任务从系统级开始,划分为若干个可操作得模块,编制出相应得模型并进行仿真验证,最后在系统级上进行组合。这样在提高设计效率得同时又提高了设计质量,就是目前复杂数字系统实现得主要手段,也就是本文设计思想得基础。其系统模块可划分为4个部分,如波特发生器,控制器,接收器,发送器,如图3-3所示: 3 Data_in:并行输入data_out:并行输出 Cs:通知cpu接收数据位ks:通知cpu发送准备位 Reset:重启输入state:uart状态输入 Clk:48M时钟输入

3、2、2UART主体程序 `timescale 1ns/1ns module gs_opt( input wire read, input wire clk, input wire reset, input wire state, input wire [7:0] dat_in, output wire send, output wire cs, output wire ks, output wire [7:0] dat_out ); wire send_enable; wire read_enable; wire clk_enable3; wire clk_enable4; wire clear3 ; wire clear4 ; wire clk_enable; wire [7:0] counters; wire clear ; wire t1; /* read,send,cs,ks,reset,state,clk,dat_in,dat_out); //module uart(read,send,cs,ks,reset,state,clk,dat_in,dat_out); input read,clk,reset,state; //read为串行输入,clk为时钟输入50MHZ,reset为重启键input[7:0] dat_in;//并行数据输入 output send,cs,ks; //send为串行输出,cs为通知cpu接收数据位,ks为发送准备位output[7:0] dat_out;//并行数据输出 wire clear,clk_enable,read_enable,clear3,send_enable,clear4,t1; wire[7:0] counters,dat_in;*/

单片机、DSP、PLC、CPLD、FPGA、嵌入式的区别

所谓嵌入式，专指嵌入到其它系统内部，满足特定需求的专用计算机系统。它的概念非常广泛，只要是具有包含软硬件等计算机专有属性的系统都可以称之为嵌入式系统。 单片机是指把CPU、存储器、输入输出设备或接口集成到一片芯片内，加少量的外围电路就可以构成计算机系统的器件，目前常用的有MCS-51系列、PIC系列等器件，生产厂家很多、以8位、16位为主，一般没有操作系统，主要满足简单的控制需求。 目前以ARM为代表的32位CPU严格意义上说是一个单板机系统，可以加载Linux、WinCE等复杂的操作系统，可以满足复杂的需求。 PLC是可编程控制器，也是嵌入式系统的一种，但是一般用于电气控制，已经预制了很多程序，用梯形图等简单的编程语言就能构成系统。PLC价格昂贵、应用简单、容易上手，一般用来实现工业现场复杂情况下的控制，应用领域有限。 CPLD和FPGA以往大多用于可编程数字电路的实现，使数字电路设计趋于简单和可更改设计。这几年随之FPGA的发展，内部可以嵌入微控制器核，来构建SoC（System on Chip），但是开发难度相当大。 DSP的优势在于信号处理，运算能力强大，但控制能力一般，一般往往用于视频分析等需要进行信号复杂运算的场合。 DSP：数字信号处理器，处理器采用哈弗结构，工作频率较高，能大幅度提高数字信号处理算法的执行效率。 MCU：微控制器，主要用于控制系统，工作频率一般来说比DSP低，硬件上具有多个IO 端口，同时也集成了多个外设，主要是便于在控制系统中的应用。至于ARM处理器，个人认为是MCU的高级版本，ARM本身只是一个内核，目前已经有多个版本。 CPLD：复杂可编程逻辑器件 FPGA：现场可编程门阵列 后两者都是可编程器件，CPLD目前一半采用FLASH技术，而FPGA采用SRAM技术，这就决定了FPGA需要采用特定的配置技术。同时FPGA的规模要比CPLD大得多，但CPLD应用起来相对要简单的多

认清CPLD和FPGA

认清CPLD和FPGA CPLD和FPGA都是我们经常会用到的器件。有的说有配置芯片的是FPGA，没有的是CPLD;有的说逻辑资源多的是FPGA，少的是CPLD;有的直接就不做区分，把他们都叫做FPGA。那么两者到底有什么区别呢?下面我们就以Altera公司的CPLD和FPGA为例来说说两者的区别。 首先我们看一下CPLD的芯片结构，搞清楚CPLD是由哪几部分组成的。下图是MAX 系列CPLD的芯片结构图： 从图中可以清楚的看出来CPLD主要由三部分组成：Macro cell(宏单元)，PIA(可编程连线)，和IO Control Block(IO控制块)。每个宏单元都与GCLK(全局时钟)OE(输出使 能)GCLR(清零)等控制信号直接相连，并且延时相同。各宏单元之间也由固定长度的金属线互连，这样保证逻辑电路的延时固定。其中宏单元模块是CPLD的逻辑功能实现单元，是器件的基本单元，我们设计的逻辑电路就是由宏单元具体实现的。下面我们再来看看宏单元的具体结构：

一个宏单元主要包括了LAB Local Array(逻辑阵列)，Product-Term Select Matrix(乘积项选择矩阵)和一个可编程D触发器组成。其中逻辑阵列的每一个交叉点都可以通过编程实现导通从而实现与逻辑，乘积项选择矩阵可实现或逻辑。这两部分协同工作，就可以实现一个完整的组合逻辑。输出可以选择通过D触发器，也可以对触发器进行旁路。通过这个结构可以发现，CPLD非常适合实现组合逻辑，再配合后面的触发器也能够实现一定的时序逻辑。 我们再来以cyclone系列为例看看FPGA的内部结构：

UART收发器设计实例

11.5U A R T收发器设计实例 U A R T（U n i v e r s a l A s y n c h r o n o u s R e c e i v e r T r a n s m i t t e r，通用异步收发器）是广泛使用的异步串行数据通信协议。下面首先介绍U A R T硬件接口及电平转换电路，分析U A R T的传输时序并利用V e r i l o g H D L语言进行建模与仿真，最后通过开发板与P C相连进行R S-232通信来测试U A R T收发器的正确性。 1.5.111.5.1U A R T界面介绍 本节所介绍的U A R T即美国电子工业协会定义的R S-232C，简称R S-232。R S-232的接口一般有9针的D B9和25针的D B25，这里以9针为例，它的各个引脚的定义如表11-8所示。 表11-8D B9的引脚定义 引脚功能缩写 1资料载波检测D C D 2接收数据R X D 3发送数据T X D 4数据终端准备就绪D T R 5信号地G N D 6数据准备就绪D S R 7发送请求R T S 8清除发送C T S 9振铃提示R I 由于R S-232的电气特性与F P G A引脚不相同，因此它们之间不能直接相连，对于R S-232的数据线，当为逻辑“1”时，对应电平是-15V~-3V；当为逻辑“0”时，对应电平是15V~3V。因此，与F P G A相连之前必须进行电平转换，转换原理图如图11-39所示。

图11-39R S-232电平转换原理图 1.5.211.5.2U A R T传输时序 U A R T传输时序如图11-40所示。 图11-40U A R T传输时序 发送数据过程：空闲状态，线路处于高电位；当收到发送数据指令后，拉低线路一个数据位的时间T，接着数据按低位到高位依次发送，数据发送完毕后，接着发送奇偶校验位和停止位（停止位为高电位），一帧资料发送结束。 接收数据过程：空闲状态，线路处于高电位；当检测到线路的下降沿（线路电位由高电位变为低电位）时说明线路有数据传输，按照约定的波特率从低位到高位接收数据，数据接收完毕后，接着接收并比较奇偶校验位是否正确，如果正确则通知后续设备准备接收数据或存入缓存。 由于U A R T是异步传输，没有传输同步时钟。为了能保证数据传输的正确性， U A R T采用16倍数据波特率的时钟进行采样。每个数据有16个时钟采样，取中

UART原理及接收模块设计原理

UART 原理 2.1 UART 的通信原理 UART 即通用异步收发器，是一种串行通信方式。数据在传输过程中是通过一位一位地进行传输来实现通信的，串行通信方式具有传输线少，成本底等优点，缺点是速度慢。串行通信分为两种类型：同步通信方式和异步通信方式。但一般多用异步通信方式，主要因为接受和发送的时钟是可以独立的这样有利于增加发送与接收的灵活性。异步通信是一个字符接着一个字符传输，一个字符的信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。每一个字符的传输靠起始位来同步，字符的前面一位是起始位，用下降沿通知收方开始传输，紧接着起始位之后的是数据位，传输时低位在前高位在后，字符本身由5～8位数据位组成。数据位后面是奇偶校验位，最后是停止位，停止位是用高电平来标记一个字符的结束，并为下一个字符的传输做准备。停止位后面是不同长度的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平，这样可以保证起始位有一个下降沿。UART 的帧格式如图2.1所示。 图2.1 UART 的帧格式 Figure 2.1 The frame format of UART UART 的帧格式包括线路空闲状态（idle ，高电平）、起始位(start bit ，低电平)、5～8位数据位(data bits)、校验位(parity bit ，可选)和停止位(stop bit ，位数可为1、1.5、2位)。 在串口的异步通信中，数据以字节为单位的字节帧进行传送。发送端和接收端必须按照相同的字节帧格式和波特率进行通信。其中字节帧格式规定了起始位、数据位、寄偶效验位、停止位。起始位是字节帧的开始。使数据线处于逻辑0状态 ，用于向接收端表明开始发送数据帧，起到使发送和接收设备实现同步。停止位是字节帧的终止，使数据线处于逻辑1状态。用于向接收端表明数据帧发送完毕。波特率采用标准速度9600bit/s 。

CPLD和FPGA的区别

《CPLD和FPGA的区别》 1).两者的区别: 最大的区别，就是CPLD进行一次下载编程（写入操作）后，其逻辑门组合方式就保存下来，不管什么时候断电，通电，他都可以执行上一次的逻辑功能。FPGA不能保存上次逻辑功能，断电后，FPGA就失去所有配置。因此FPGA通常需要带一块配置芯片，在通电后，对FPGA进行重新配置，恢复功能（重配置需要时间，CPLD通电后，马上就可以执行相应逻辑）。 CPLD的擦写次数非常有限，经过100～1000次左右的反复擦写就报废了。而FPGA可以反复擦写无限次（当然，实际上是有限的。但是在通常使用中，就算你反复擦写，大概你挂了，它还没有挂）。FPG的配置芯片擦写次数有限，而且常常只能烧写一次（OTP)。CPLD的容量一般比较小，FPGA容量很大。 综合上面所有的情况，结论是这样的，你在学习阶段，或者开发阶段，最好使用FPGA，因为可以反复擦写，不对马上重新烧写。只要不断电，你烧写下去的逻辑功能是一直可用的。定型后可以使用CPLD，可以免去FPGA。但是当你的配置容量非常大的时候，CPLD装不下，你又必须采用FPGA了，这个时候，在最后成品上需要加配置芯片（当然也用单片机模拟配置芯片，具体这个地方不介绍）。 市面上尤其是学校里面可以看到Xilinx公司或者Altera公司各种不同的开发板，其实只有两个大类，CPLD开发板和FPGA开发板。尽管ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ都是可编程ＡＳＩＣ器件,有很多共同特点,但由于ＣＰＬＤ和ＦＰＧＡ结构上的差异,具有各自的特点: ①ＣＰＬＤ更适合完成各种组合逻辑,ＦＰＧＡ更适合于完成时序逻辑。换句话说,ＦＰＧＡ更适合于触发器丰富的结构,而ＣＰＬＤ更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。 ②ＣＰＬＤ的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而ＦＰＧＡ的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。 ③在编程上ＦＰＧＡ比ＣＰＬＤ具有更大的灵活性。ＣＰＬＤ通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,ＦＰＧＡ主要通过改变内部连线的布线来编程;ＦＰＧＡ可在逻辑门下编程,而ＣＰＬＤ是在逻辑块下编程。 ④ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 ⑤ＣＰＬＤ比ＦＰＧＡ使用起来更方便。ＣＰＬＤ的编程采用Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＡＳＴＦ

单片机,DSP和FPGA区别以及发展前景

单片机、dsp、FPGA/CPLD的分析、比较 硬件天地2009-02-15 11:54:39 阅读367 评论0 字号：大中小订阅 引言 信息技术正在快速发展，其应用已经深入到各个领域各个方面。如今越来越多的电子产品向着智能化、微型化、低功耗方向发展，其中有的产品还需要实时控制和信号处理。电子系统的复杂性在不断增加，它迫切要求电子设计技术也有相应的变革和飞跃。使用纯SSI 数字电路设计系统工作量大，灵活性低，而且系统可靠性差。广泛使用单片机(MCU) 设计系统克服了纯SSI 数字电路系统许多不可逾越的困难，是一个具有里程碑意义的飞跃。而DSP 以其极强的信号处理功能赢得了广阔的市场，得到了广泛地应用。近年来，PLD 器件迅速发展，尤其是CPLD/ FPGA 向深亚微米领域进军，PLD 器件得到了广泛应用，以CPLD/ FPGA 为物质基础的EDA 技术诞生了。它具有电子技术高度智能化、自动化的特点，打破了软硬件最后的屏障，使得硬件设计如同软件设计一样简单。它作为一种创新技术正在改变着数字系统的设计方法、设计过程和设计观念。单片机，DSP ，PLD/ EDA 以其各自的特点满足了各种需要，正从各个领域各个层面改变着世界，它们已经成为数字时代的核心动力，推动着信息技术的快速发展。 以下，我们将对单片机，DSP ，PLD/ EDA 分别加以介绍，并作比较和分析。 单片机 单片机是集成了CPU ，ROM ，RAM 和I/ O 口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器(MCU) 。它与通用处理器不同，它是以工业测控对象、环境、接口等特点出发，向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性、灵活方便地构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。所以，单片机有着自己的特点。 品种齐全，型号多样 自从INTEL 推出51 系列单片机，许多公司对它做出改进，发展成为增强型51 系列，而且新的单片机类型也不断涌现。如MOTOROLA 和PHIL IPS 均有几十个系列，几百种产品。CPU 从8 ，16 ，32 到64 位，多采用RISC 技术，片上I/O 非常丰富，有的单片机集成有A/ D ，“看门狗”，PWM ，显示驱动，函数发生器，键盘控制等，它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的

CPLD与FPGA性能特点差异

CPLD与FPGA区别 转载了网上的文章，帮大家了解下基本概念问题！ 尽管ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ都是可编程ＡＳＩＣ器件,有很多共同特点,但由于ＣＰＬＤ和ＦＰＧＡ结构上的差异,具有各自的特点: ①ＣＰＬＤ更适合完成各种算法和组合逻辑,ＦＰＧＡ更适合于完成时序逻辑。换句话说,ＦＰＧＡ更适合于触发器丰富的结构,而ＣＰＬＤ更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。 ②ＣＰＬＤ的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而ＦＰＧＡ的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。 ③在编程上ＦＰＧＡ比ＣＰＬＤ具有更大的灵活性。ＣＰＬＤ通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,ＦＰＧＡ主要通过改变内部连线的布线来编程;ＦＰＧＡ可在逻辑门下编程,而ＣＰＬＤ是在逻辑块下编程。 ④ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 ⑤ＣＰＬＤ比ＦＰＧＡ使用起来更方便。ＣＰＬＤ的编程采用Ｅ2Ｐ

ＲＯＭ或ＦＡＳＴＦＬＡＳＨ技术,无需外部存储器芯片,使用简单。而ＦＰＧＡ的编程信息需存放在外部存储器上,使用方法复杂。 ⑥ＣＰＬＤ的速度比ＦＰＧＡ快,并且具有较大的时间可预测性。这是由于ＦＰＧＡ是门级编程,并且ＣＬＢ之间采用分布式互联,而ＣＰＬＤ是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。 ⑦在编程方式上,ＣＰＬＤ主要是基于Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。ＣＰＬＤ又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。ＦＰＧＡ大部分是基于ＳＲＡＭ编程,编程信息在系统断电时丢失,每次上电时,需从器件外部将编程数据重新写入ＳＲＡＭ中。其优点是可以编程任意次,可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。 ⑧ＣＰＬＤ保密性好,ＦＰＧＡ保密性差。 ⑨一般情况下,ＣＰＬＤ的功耗要比ＦＰＧＡ大,且集成度越高越明显。

CPLD与FPGA的用途及区别

CPLD与FPGA的用途及区别 FPGA/CPLD能做什么呢？可以毫不夸张的讲，FPGA/CPLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用FPGA/CPLD来实现。FPGA/CPLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用FPGA/CPLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA/CPLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。FPGA/CPLD 还可以做数字IC设计的前端验证，用这种方式可以很大程度上降低IC设计的成本。FPGA/CPLD的这些优点使得FPGA/CPLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言（HDL）的进步。FPGA/CPLD有什么区别呢？1）各个厂家叫法不尽相同：PLD(Programmable Logic Device)是可编程逻辑器件的总称，早期多EEPROM工艺，基于乘积项（Product Term）结构。FPGA (Field Programmable Gate Arry)是指现场可编程门阵列，最早由Xilinx公司发明。多为SRAM 工艺,基于查找表（Look Up Table）结构，要外挂配置用的EPROM。Xilinx把SRAM工艺,要外挂配置用的EPROM的PLD叫FPGA,把Flash工艺（类似EEPROM工艺）,乘积项结构的PLD叫CPLD; Altera把自己的PLD产品:MAX系列（EEPROM工艺）,FLEX/ACEX/APEX系列（SRAM工艺）都叫作CPLD,即复杂PLD(Complex PLD)。由于FLEX/ACEX/APEX系列也是SRAM工艺,要外挂配置用的EPROM,用法和Xilinx的FPGA一样，所以很多人把Altera的FELX/ACEX/APEX系列产品也叫做FPGA. 2）结构上的主要区别逻辑块的粒度不同逻辑块指PLD 芯片中按结构划分的功能模块,它有相对独立的组合逻辑阵列,块间靠互连系统联系.FPGA 中的CLB 是逻辑块,其特点是粒度小,输入变量为4～8 ,输出为1～2 ,因而只是一个逻辑单元,每块芯片中有几十到近千个这样的单元. CPLD中逻辑块粒度较大,通常有数十个输入端和一、二十个输出端,每块芯片只分成几块. 有些集成度较低的(如ATV2500) 则干脆不分块. 显然,如此粗大的分块结构使用时不如FPGA 灵活. 逻辑之间的互连结构不同CPLD 的逻辑块互连是集总式的,其特点是等延时,任意两块之间的延时是相等的,这种结构给设计者带来很大方便; FPGA 的互连则是分布式的,其延时与系统的布局有关, 3）应用范围也有所不同逻辑系统通常可分两大类型: 1、逻辑密集型: 如高速缓存控制、DRAM 控制和DMA 控制等,它们仅需要很少的数据处理能力,但逻辑关系一般都复杂2、数据密集型: 数据密集型需要大量数据处理能力,其应用多见于通讯领域. 为了选择合适的PLD 芯片,应从速度与性能、逻辑利用率、使用方便性、编程技术等方面进行考查。速度与性能: 数据密集型系统,比如,通讯中对信号进行处理的二维卷积器. 在实现这一算法的逻辑系统中,每个单元所需要的输入端较少,但需要很多这样的逻辑单元. 这些要求与FPGA 的结构相吻合. 因为FPGA 的粒度小,其输入到输出的传输延迟时间很短,因而能获得高的单元速度.而控制密集型系统通常是输入密集型的,逻辑复杂,CLB 的输入端往往不够用,需把多个CLB 串行级联使用,同时CLB 之间的连接有可能通过多级通用PI 或长线,导致速度急剧下降. 因而实际的传输延迟时间要大CPLD. 比如,实现一个DRAM 控制器,它由四个功能块组成:刷新状态机、刷新地址计数器、刷新定时器和地址选择开关,需要的输入端有几十个,显然用CPLD 更合适. 逻辑利用率: 逻辑利用率是指器件中资源被利用的程度. CPLD 逻辑寄存器少,FPGA 逻辑弱而寄存器多,这正好与控制密集型系统与数据密集型系统相对应. 比如, 规模同为6000PLD 门的 is2pLSI1032 有192 个寄存器;而XC4005E 有616 个寄存器. 因此从逻辑利用率角度,对于组合电路较复杂的设计,宜采用颗粒较粗的CPLD ，触发器较多的设计,宜采用用细颗粒的FPGA. (3) 使用方便性: 使用方便首先要考虑性能的可预测性,在这点上CPLD 优于FPGA. 对于CPLD ,通常只要输入、输出端口数,内部门和触发器数目不超过芯片的资源并有

FPGA的UART完整设计说明

第三章UART设计 3.1 UART的帧格式 在UART 中，数据位是以字符为传送单位，数据的前、后要有起始位、停止位，另外可以在停止位的前面加上一个比特(bit)的校验位。其帧格式如图所示。 数据位 起始位D0 D1 D2 D3 ——————D7 校验位停止位 以9600波特率接收或发送，每一位时间为 1/9600秒，或48MHZ晶振5000次计数 图3_1数据帧格式 文章通过分析UART的功能，利用有限状态机来描述UART核心控制逻辑的方法，将其核心功能集成，从而使整个设计更加稳定、可靠。基本的UART 通信只需要两条信号线就可以完成数据的相互通信。UART的功能模块如图3_2所示。

波特发生器 Uart控制器 接收模块发送模块 对象模块 图3_2UART的功能模块图

3.2 UART模块 在大规模电路的设计中，广泛采用层次化，结构化的设计方法。它将一个完整的硬件设计任务从系统级开始，划分为若干个可操作的模块，编制出相应的模型并进行仿真验证，最后在系统级上进行组合。这样在提高设计效率的同时又提高了设计质量，是目前复杂数字系统实现的主要手段，也是本文设计思想的基础。 其系统模块可划分为4个部分，如波特发生器，控制器，接收器，发送器，如图3-3所示： read send clear_check read send Clr3 clr4 ks cs Data_in Data_out clear Read_enable send_enable counters counters reset Counters(control) state T1 clk_enable Clk_clear Clk(波特发生器) clk

八位MCU的UART设计

八位MCU的UART设计 UART是用来将传输数据由并行格式转变成串行格式,或将传输数据由串行 格式转变成并行格式。单片机的功能越来越强大,应用性越来越强,应用范围也越来越广,基于应用过程中通信的需求,现在绝大部分MCU芯片也都集成有UART功能。如果MCU芯片中没有集成UART,通信时则需要软件实现UART功能,这将占用CPU时间而且比硬件实现UART价格高,而且这使得MCU芯片与别的处理器之间进行的数据传输变得比较复杂。 为了使MCU在进行通信时有着很高的灵活性,我们可以在进行MCU的设计时就直接集成UART模块,并能保证可靠性和稳定性。现在数字IC的设计基本上都是采用自顶向下的设计方法,编写硬件描述语言对硬件功能逐层的进行描述,利 用仿真软件对设计进行逐层的功能验证。在前仿真没有问题后,就可以用综合工具将其中需转变为具体电路的模块组合综合到器件库所对应的门级电路网表。 然后,利用自动布局布线工具再将网表转换为需要实现的实际电路布线结构。在进行数据通信时,要遵循数据通信协议,这样才能保证数据通信的正确性与可 靠性。在进行接收数据时,UART对外部串行发送来的数据进行接收,在接收完成 时产生接收中断标志,并将传输数据由串行格式转变成并行格式,还可验证接收 到数据的正确性。 在进行数据的发送时,UART会将从发送缓冲寄存器读取的并行数据转变成 串行格式,并在一帧有效数据前附加上一位起始位,在有效数据位之后加上一位 可选的奇偶校验位和一位停止位,并在发送完成时产生发送中断标志,可以验证 发送数据的正确性。本文所设计的UART是集成在一个8位单片机上一个模块, 拥有高精度的波特率发生器。该UART有四种工作模式可供选择,以满足不同应用

FPGA_CPLD的发展与展望

《EDA技术》结课论文FPGA技术及发展方向 姓名：____________郭阳______ 指导教师：________卢超______ 学号：______1110064081______ 所在学院：___物理与电信工程学院 所在专业：__电子信息科学与技术 论文完成时间：_____2014-6-20___

目录 摘要 (3) 一、 CPLD/FPGA简介 (3) 二、FPGA不断扩大的应用领域 (3) 三、FPGA的发展现状 (4) 1、FPGA的硬件朝向大容量、低电压、低功耗发展 (4) 2、系统级高密度FPGA (4) 3、第三方设计使FPGA更加方便 (5) 3.1、Altium：System-On-FPGA方案 (5) 3.2、Cadence：致力于验证 (5) 3.3、Mentor：具备FPGA全流程方案 (5) 4、FPGA和ASIC出现相互融合 (6) 5、动态可重构FPGA (6) 结论 (6) 参考文献 (6)

[摘要]：CPLD/FPGA的出现为EDA的快速发展做出了巨大的贡献。与传统单片机相比，CPLD/FPGA在高频电子设计上有突出的优势。CPLD/FPGA在很短的时间内得到了空前的发展，同时在电子市场上也得到了广泛的应用。通过对CPLD/FPGA当前现状的分析，可以为其未来的发展奠定基本方向。本篇文章得出CPLD/FPGA器件会向着大容量、低电压、低功耗的方向发展。于此同时IP库也在各大厂商的推动下将得到进一步的发展。另一方面，随着技术的发展，芯片的规模将越来越大，有取代ASIC的可能性。而最新的“动态可重构技术”也为系统设计方法的转变提供了条件。 [关键字]：CPLD/FPGA 技术现状发展方向 [Abstract]: The emergence of the CPLD/FPGA made great contribution to the rapid development of EDA. Compared with the traditional MCU, CPLD/FPGA has prominent advantages in high frequency electronic design. CPLD/FPGA in a very short period of time got unprecedented development, at the same time also has been widely used in the electronic market. Through the analysis of the current status of CPLD/FPGA, to lay the basic direction of future development. This article concludes that CPLD/FPGA device will toward the direction of large capacity, low voltage, low power consumption. At the same time the IP library under the impetus of the major manufacturers will also get further development. , on the other hand, with the development of technology, the size of the chip will be bigger and bigger, have replaced the possibility of an ASIC. The latest "dynamic reconfigurable technique" also provides conditions for the transition of the system design method. [Key words]: CPLD/FPGA technical state development direction 一、 CPLD/FPGA简介 CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（LMC，Logic Macro Cell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中LMC逻辑结构较复杂，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。较常用的有Altera公司的CPLD。 FPGA通常包含三类可编程资源：可编程逻辑功能块、可编程I/O块和可编程互连。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程I/O块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程内部互连包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来，FPGA在可编程逻辑块的规模，内部互连线的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异。FPGA一般用于逻辑仿真。电路设计工程师设计一个电路首先要确定线路，然后进行软件模拟及优化，以确认所设计电路的功能及性能。 随着电路规模的不断增大，电路频率的不断提高，将给电路引入许多分布参数的影响，而这些影响用软件方法较难进行仿真，所以有必要进行硬件仿真。FPGA就可以进行硬件仿真以做成模型机。将软件模拟后的路径下载到FPGA，就可容易的到一个模型机。从改模型机，设计者就可以很直观的测试其逻辑功能以及性能指标。 二、FPGA不断扩大的应用领域 据Gartner Dataquest在去年美国DAC(设计自动化年会)期间公布的数据，每年采用ASIC开始进行设计的数量在逐年下降，取而代之的是ASSP（特殊应用标准产品），由于深亚微米（DSM）制程以后，ASIC的开发成本不断上升，因此标准产品中的FPGA是理想的选择之一。FPGA的应用领域不断扩大，未来，消费电子（例如HDTV、无线路由器）和汽车电子是所有应用中成长最快的。汽车行业一直在密切关注可编程逻辑器件（PLD），发掘PLD怎样帮助系统供应商和汽车制造商（原始设备生产商）获得成功。PLD凭借其较低的成本结构和较高的系统性能，进入了主流汽车市场。与ASSP解决方案不同，PLD所具有的灵活性在汽车行业中受到普遍欢迎。汽车图形处理汽车联网辅助驾驶音频处理汽车行业一直在密切关注可编程逻辑器件（PLD），发掘PLD怎样帮助系统供应商和汽车制造商（原始设备生产商）获得成功。PLD已经在信息娱乐和通信市场上得到了广泛应用，新兴的汽车辅助驾驶设计也采用了PLD。在这一领域中，某些应用发展非常迅速，包括道路偏离报警、夜视和胎压监