数字逻辑电路实践教程-基于FPGA和Verilog 课件 第1章 概述

第1章概述1.逻辑器件概述集成电路：按照处理信号的类型可以分为数字IC、模拟IC和数模混合IC。数字IC：用于产生、放大和处理各种数字信号；模拟IC：用于处理模拟信号，包括放大器、滤波器、ADC、DAC等；数模混合IC：将数字系统和模拟系统集中在同一芯片上，能够同时处理数字信号和模拟信号，并实现数字与模拟信号之间的转换。

数字IC：从用途上可以简单地划分为存储芯片和逻辑芯片两大类。逻辑芯片：包括固定逻辑芯片和可编程逻辑芯片。1.逻辑器件概述1.1固定逻辑芯片固定逻辑器件中的电路是永久性的，生产出来后功能就被固定，不能再进行改变。常见的固定逻辑芯片有：中小规模集成电路、通用处理器（CPU、GPU、MCU等）、专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC）等。中小规模集成电路功能相对单一，有很多标准单元电路；通用处理器芯片虽然电路结构固定，但可以通过编写软件程序实现相对复杂的事务，通常与各种芯片结合起来实现系统级的开发；ASIC是为解决特定应用问题而定制设计的集成电路，不具备通用性；1.逻辑器件概述1.2可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）是一种用户可通过编程自定义逻辑功能的通用集成电路，其逻辑功能由内部电路的可编程特性决定，而非传统固定逻辑器件的永久性设计。PLD分类典型PLD结构1.逻辑器件概述1.2可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）简单可编程逻辑器件（SPLD）集成度较低，内部门电路规模小，包括PROM、PLA、PAL和GAL等几种类型。PAL基本结构PROM基本结构PLA基本结构1.逻辑器件概述1.2可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）2.复杂可编程逻辑器件（CPLD）由可编程逻辑块、可编程I/O模块和可编程内部连线3大部分组成。典型CPLD结构1.逻辑器件概述1.2可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）现场可编程门阵列(FPGA)配置灵活、可重构，在一个芯片内就可以实现包括逻辑电路、时序电路、存储器等在内的各种数字电路，且可以根据设计需求进行定制和优化。FPGA基本结构1.逻辑器件概述1.2可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）现场可编程门阵列(FPGA)FPGA是通过PLB中的查找表（LookUpTable，LUT）来实现可编程的。LUT的基本思想是：将逻辑函数全部输入组合对应的输出值存入一个由存储器构成的表中，用输入变量的值作地址，从表中取出的值即为对应的逻辑结果。四输入查找表实现的四人表决器当用一个LUT无法实现逻辑功能时，可通过进位逻辑将多个LUT相连，实现更复杂的逻辑；目前商用FPGA中的查找表多使用4~6个输入；2.主流FPGA平台概述

FPGA厂商的创立与并购2.主流FPGA平台概述2.1IntelFPGA产品概况

IntelFPGA主要有5个系列，分别为MAX、Cyclone、Arria、Stratix和Agilex。系列名称特点定位应用MAX容量中等，性价比高侧重低成本应用电源管理、配置逻辑控制Cyclone容量中等，低功耗侧重低成本应用消费电子、物联网、汽车电子Arria中高性能，中等功耗中端市场工业控制、边缘计算、通信场景Stratix容量大，高性能高端产品应用数据中心、云计算、基站Agilex容量大，高性能高端产品应用数据中心，网络与通信，机器人2.主流FPGA平台概述2.1IntelFPGA产品概况

IntelFPGA命名规则以IntelCyclone系列为例：2.主流FPGA平台概述2.2XilinxFPGA产品概况

XilinxFPGA产品常见的系列有Spartan、Arix、Kintex、Vitex和ZynqSOC等。

系列名称特点定位应用Spartan低功耗，逻辑资源有限低成本，入门级产品嵌入式控制，传感器接口，简单信号处理Arix中等逻辑资源，增加了串行收发器和DSP功能中低端产品应用视频处理（如HDMI接口），工业自动化，通信协议桥接Kintex更大逻辑容量，高性能收发器，丰富DSP资源中高端产品应用5G基站，雷达信号处理，机器视觉Vitex超大逻辑容量，超高性能收发器，高级互联高端产品应用数据中心加速，AI推理，高性能计算，航空航天ZynqSOC结合ARM处理器，丰富外设嵌入式系统和混合信号处理自动驾驶，工业物联网，嵌入式视觉处理2.主流FPGA平台概述2.2XilinxFPGA产品概况

XilinxFPGA命名规则：3.FPGA开发软硬件平台3.1硬件平台选择考虑项目成员对技术的熟练程度或偏好；根据项目需求、技术要求和项目预算确定器件的系列；收集并仔细阅读厂商相关技术资料，选择合适的型号；尽可能选择产品成熟度高的器件，并评估所选型号的可用性、产品生命周期、技术难点，器件封装等；对于初学者来说，需关注所选平台的通用性；选择FPGA开发板时要重点考虑开发板上的外设资源是否丰富。3.FPGA开发软硬件平台3.2软件开发平台根据所用的硬件平台选择对应的开发工具；IntelFPGA芯片的开发工具是Quartus；XilinxFPGA的开发工具是ISE和Vivado；4.基于FPGA的数字逻辑实验4.1实验预习实验预习思路4.基于FPGA的数字逻辑实验4.2实验过程实验过程中，认真记录各种非正常现象，并对记录结果进行分析，找出故障原因，寻找解决的方法；实验中出现故障时，要按照设计流程，逐级查找。在排除故障和错误的过程中，应对错误现象、查找错误的方法、修改后的设计方案等做出详细记录；培养团队合作能力、安全意识。4.基于FPGA的数字逻辑实验4.3实验报告封面：包括课程名称、实验名