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1、 官 方 淘 宝 店 ： h t t p : / / d a x i g u a f p g a . t a o b a o . c o m 2012 大西瓜 FPGA 开发板 入门基础教程 Jim 大西瓜团队 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 目录 第一章 开发板介绍 . 3 第二章 FPGA 的简介 . 5 2.1 可编程逻辑器件的发展史 . 5 2.2 FPGA 概述 . 5 2.3 FPGA 运用领域 7 2.4 FPGA 发展前景 . 8 第三章 配套软件的安装和使用 . 10 第四章 FPGA 芯片资源的介绍 . 20 第五章 FPGA 芯片内部硬件介绍 . 2

2、3 第六章 FPGA 的设计流 程 . 32 第七章 数字基础实验 . 51 7.1 分频器的设计 . 51 7.2 计数器的设计 . 59 7.3 D 触发器 61 7.4 三态门 . 63 7.5 8-3 编码器 . 64 7.6 8-3 优先编码器 . 66 7.7 3-8 译码器 . 70 7.8 移位寄存器 . 72 7.9 多路选择器 . 74 7.10 串行加法器 . 76 7.11 简单运算单元 ALU . 78 第八章 开发基础实验 . 81 8.1 LED 流水灯 81 8.2 PWM 控制灯的亮暗 . 83 8.3 数码管的动态显示 88 8.4 秒表数码管显示 89 8

3、.5 时钟数码管显示 93 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 8.6 测頻计的设计 99 8.7 蜂鸣器唱歌 105 8.8 按键计数器 106 8.9 串口通信 111 8.10 液晶 1602 显示 118 8.11 DSS 与嵌入式逻辑分析仪的调用 125 8.11.1 DDS 的原理 125 8.11.2 ROM 的调用 . 128 8.11.3 嵌入式逻辑分析仪的使用 . 131 8.12 按键消抖 . 135 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 第一章 开发板介绍 欢迎进入 FPGA的学习殿堂，也祝贺你踏出学习 EDA的第一步。在这里，我们的目

4、标是零基础也能学会 EDA技术，让你领略 EDA设计和并行设计的魅力。为此，我们的开发板配套的基础资源有： LED、数码管、蜂鸣器、按键、串口等，进阶实验的资源有： LCD、 IIC-AT24C04、数模转换芯片 TLC5615、模数转换芯片 TLC549、 PS2接口、 VGA接口，同时，采用Cyclone II系列高性价比的 FPGA芯片。为方便外扩，我们将所有 IO引出。 为了让你更好的学习，开发板配备了相关的例程和电子书籍、资料，以及 LPM宏功能模块和 IP核的 调用，让你掌握在 FPGA上跑 51核，熟悉在 FPGA上嵌入 NiosII软核。相信你在掌握了各个模块后，就能领略 FP

5、GA的设计思想，熟练掌握硬件描述语言的设计方法和EDA的设计软件。大西瓜 FPGA第一代开发板实物图如下图： 5 V 电源接口L E D 灯AS 下载接口JT A G 下载接口蜂呜器D A C -T L C 5615A D C -T L C 549独立按键L C D 12864 / 1602 接口8 位共阳数码管5 V 、 3 .3 V 外接输出PS 2串口F P G A 芯片EP 2 C 5 T 144C 8 NV G A 接口其中： LED 灯： 8 个红色高亮 LED 灯，用户自定义显示。 AS 下载接口： FPGA 的 ASP 模式下载接口。 EPCS1：用于 ASP 模式下的程序烧录

6、。 IIC-AT24C04：用 IIC 驱动 EPROM。 JTAG 下载接口： 用于 JTAG 方式下载接口。 蜂鸣器： 用户自定义，根据编程可以发出各种声音。 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 DAC-TLC5615： 14M10 位 串行数模转换芯片。 ADC-TLC549： 4M8 位 串行模数转换芯片。 独立按键： 用户自定义，根据需要设定按键功能。 VGA： 用户自定义，用来驱动液晶屏。 串口： 用户自定义，用来和 PC 通讯。 PS2： 用户自定义，用来驱动基于 PS2 接口的鼠标或者键盘等设备。 8 位共阳数码管： 用户自定义显示。 LCD1602/1286

7、4 接口： LCD1602 和 12864 的共用接口。 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 第二章 FPGA 的简介 2.1 可编程逻辑器件的发展史 起源： 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以后总新型逻辑器件。 主要特点： 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，并且可以反复擦写。 常见 PLD产品： 可编程只读存储器 (PROM)、现场可编程逻辑阵列 (FPLA)、可编程阵列逻辑 (PAL)、复杂可编程逻辑器件 (CPLD)、和现

8、场可编程门阵列 (FPGA)等类型。它们的内部结构和表现方法各不相同 。 可编程逻辑器件 的发展史 (4 个阶段 ) 第一阶段： (20世纪 70年代初到 70年代中 ) 只有简单的 PROM、紫外线可擦除只读存储器 (EPROM）和电可擦除只读存储器(EEPROM） 3种。只能完成简单的数字逻辑功能。 第二阶段： (20世纪 70年代中到 80年代中 ) 结构上稍微复杂的可编程阵列逻辑 (PAL)和通用阵列逻辑 (GAL)器件，正式被称为PLD,能够完成各种逻辑运算功能。 第三阶段： (20世纪 80年代中到 90年代末 ) Xilinx和 Altera 公司分别推出了与标准门阵列雷似的 F

9、PGA 以及类似于 PAL结构的扩展性 CPLD。提高了逻辑运算速度，逻辑单元灵活、集成度高、适用范围宽、编程灵活。 第四阶段： (20世纪 90年代末至今 ) 出现了可编程片上系统 (SOPC)和片上系统 (SOC）技术。涵盖了实时化数字信号处理、高速数据收发器、复杂计算以及嵌入式系统设计技术的全部内容。 Xilinx 和Altera公司也 推 出了相应的 SOC FPGA产品。 2.2 FPGA 概述 FPGA是 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

10、（ 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 。 FPGA是 Ross Freema 于 1985年发明的，当时第一个 FPGA采用 2 m工艺，包含 64个逻辑模块和 85000 个晶体管，门数量不超过 1000 个，当时他所创造的 FPGA 被认为是一项不切实际的技术，他的同事 Bill Carter曾说：“这种理念需要很多晶体管，但那时晶体 管是非常珍贵的东西。”所以人们认为 Ross 的想法过于脱离现实。但是 Ross预计：根据摩尔定律（每 18 个月晶体管密度翻一翻），晶体管肯定会越来越便宜，因此它必将成为未来不可或缺

11、的技术。在短短的几年时间内，正如 Ross 所预言的，出现了数十亿美元的现场可编程门阵列（ FPGA）市场。但可惜的是，他已经无法享受这一派欣大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 欣向荣的景象， Ross Freeman 在 1989年已经与世长辞了，但是它的发明却持续不断地促进电子行业的进步与发展。 FPGA状况 FPGA市场占有率最高的两大公司 Xilinx和 Altera。 Xilinx 作为 FPGA 的发明者， Xilinx FPGA 主要分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如 Spartan 系列；还有一种侧重于高性能应用，容量

12、大，性能能满足各类高端应用，如 Virtex 系列，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。 在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件 。 Xilinx 官网： http:/ Altera 的主流 FPGA 分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如 Cyclone， CycloneII；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如 Startix， StratixII 等，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件。 Altera 官网： http:/ Cyclone（飓风） ： Altera 中等规模

13、FPGA， 2003 年推出， 0.13um 工艺， 1.5v 内核供电，与 Stratix 结构类似，是一种低成本 FPGA 系列 ，是目前主流产品，其配置芯片也改用全新的产品。 简评： Altera 最成功的器件之一，性价比不错，是一种适合中低端应用的通用 FPGA，推荐使用。 CycloneII： Cyclone 的下一代产品， 2005 年开始推出， 90nm 工艺， 1.2v 内核供电，属于低成本 FPGA，性能和 Cyclone 相当，提供了硬件乘法器单元 简评：刚刚推出的新一代低成本 FPGA，目前市场零售还不容易买到，估计从 2005年年底开 始，将逐步取代 Cyclone 器

14、件，成为 Altera 在中低 FPGA 市场中的主力产品。 Stratix ： altera 大规模高端 FPGA,2002 年中期推出， 0.13um 工艺， 1.5v 内核供电。大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 集成硬件乘加器，芯片内部结构比 Altera 以前的产品有很大变化。 简评： Startix 芯片在 2002 年的推出，改变了 Altera 在 FPGA 市场上的被动局面。该芯片适合高端应用。随着 2005 年新一代 StratixII 器件的推出，将被 StratixII 逐渐取代。 StratixII: Stratix 的下一代产品， 2004 年中期

15、推出， 90nm 工艺， 1.2v 内核供电，大容量高性能 FPGA。 简评：性能超越 Stratix，是未来几年中， Altera 在高端 FPGA 市场中的主力产品。 StrtratixV 为 altera 目前的高端产品，采用 28-nm 工艺，提供了 28G 的收发器件，适合高端的 FPGA 产品开发 。 2.3 FPGA 运用领域 汽车电子 在发现可编程逻辑器件（ PLD）非常有利于系统供应商和汽车生产商 （原始设备生产商） 获得成功之后，汽车行业开始大量采用这些器件。 PLD 的质量是同类最佳的，成本结构适合大批量消费类应用，系统性能也在不断提高，因此，和其他半导体产品相比， PL

16、D能够更迅速地进入汽车市场领域。与 ASSP和微控制器解决方案不同， PLD的灵活性和产品迅速面市特性越来越成为汽车行业的关键需求。 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、 夜视和胎压监控系统等。 PLD具有较低的芯片成本结构、丰富的知识产权（ IP）内核、参考设计以及较长的产品在市时间，是汽车电子市场发展的理想选择。 消费电子 发展迅速的消费类电子市场各式新产品层出不穷，让人耳目一新，例如平面显示器、便携式媒体播放器以及家庭联网产品等。这些产品的功能不断丰富，每年都有很大的改进。对采用最

17、新技术的消费类电子生产商而言，如此迅速地发展给他们在时间带来了很大的竞争压力。 计算机与存储 计算机存储发展迅速。在传统的 IT应用中，服务器和存储器直接互联，而现在已经进展为联网存储体系结构，即 存储区域网（ SAN）。 SAN很容易实现存储扩展，以前受内部存储能力限制的服务器可以在现有条件以外扩容。除了容易扩展存储之外，服务器也发展到能够迅速高效地实现数据处理。 创新的存储和服务器技术需要灵活的平台来迅速实现各种解决方案，而大批量应用市场更需要低成本方案。在计算机和存储设备中使用 Altera 的低成本可编程逻辑和结构化 ASIC 可以保证无风险地快速提高产量。在这些存储网络的推动下，流量

18、和数据处理的迅猛增长导致迫切需要高性能芯片和接口技术 Stratix III FPGA在体系结构上突出了丰富的存储器 和串行接口，非常适合高端存储应用。 军事与航空航天 军事商用（ COTS）计划的前提是军事项目能够采用商用元件、电路板和系统，充分发挥新技术和 规模经济的优势。 虽然 COTS 获得了一定的成功，但是还需要进行改进。商用供应商必须能够更好 地满足军事和航空航天市场的需求 医疗 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 大部分医疗产品都采用了某种类型的半导体器件。实际上，半导体器件在这些产品中的应用越来越广泛。可编程逻辑器件（ PLD）的普及率要远远高于其他类型的半导

19、体器件。在医疗设备开发中， PLD是功能强大而且切实可行的 ASIC和 ASSP替代方案。在设计过程中， 根据需要对 PLD重新编程，避免了前端流片（ NRE）成本，减少了与 ASIC相关的订量，降低了芯片多次试制的巨大风险。 和 ASSP 相比， PLD 在设计上非常灵活，可实现电路板级集成，从而使产品在众多的竞争医疗设备生产商中脱颖而出。此外，随着标准的发展或者当需求出现变化时，还可以在现场更新 PLD。而且，设计人员能够反复使用公共硬件平台，在一个基本设计基础上，建立不同的系统，支持各种功能，从而大大降低了生成成本。不论是设计 CT 还是病人监控设备，可编程逻辑器件都能够成功实现系统设计

20、，非常灵活，没有风险 和其他医疗设备生产商相比，不但性价比高，而且更能突出产品增值优势。 无线通信 近十年来互联网的爆炸性增长导致对大众化高速互联网接入 技术的需求越来越大。无线互联网接入技术在家庭和办公室之外提供网络接入，满足了这种不断增长的需求。目前有很多无线应用方案，能够满足各种不 同 宽带无线接入技术具有很大的市场潜力，使得微波接入全球互通（ WiMAX）技术越来越流行。 WiMAX 802.16e-2005支持城域网（ MAN）范围内的移动高速互联网接入，使用正交频分复用接入（ OFDMA）和多输入多输出（ MIMO）技术等高级信号处理方案。 WiMAX 802.16e-2005 作

21、为一种固定无线技术，将在新网络实施以及新兴市场上扮演重要角色。随着半导体技术和信号处 理技术的进步，无线标准和系统本身也在不断发展。这就需要一个可以提供较宽处理带宽，具有产品及时面市优势的灵活硬件平台来满足这些需求 。 工业 灵活、可靠，并且能够在同一平台上支持多种标准， Altera FPGA帮助您在工业自动化和过程控制产品中开发适应性强而且不会过时的设计方法。从可编程逻辑控制器（ PLC）到运动 /电机控制器、 I/O模块、人机接口（ HMI)/操作面板和智能驱动器，在开发过程中甚至在现场，您都可以对产品重新进行配置。而且，您还降低了总成本，进一步提高了效能。 Altera 器件在工业温度

22、范围内完全能够 正常工作，极冷或者极热都不会影响性能，您还可以将知识产权（ IP)/解决方案移植到未来的产品系列中。 2.4 FPGA 发展前景 据市场调研公司 Gartner Dataquest 预测， 2010 年 FPGA和其它可编程逻辑器件 (PLD)市将从 2005 年的 32 亿美元增长到 67 亿美元，未来还将有不断增长的趋势。 FPGA 及 PLD产业发展的最大机遇是替代 ASIC和专用标准产品 (ASSP)，由 ASIC和 ASSP 构成的数字逻辑市场规模大约为 350 亿美元。由于用户可以迅速地对 PLD 进行编程，按照需求实现特殊功能，与 ASIC和 ASSP相比， PL

23、D在灵活性、开发成本、产品快速上市方面更具优势，所以未来 FPGA将会是一个非常有前景的行业。 由于 FPGA 结构的特殊性，可以重复编程，开发周期较短，越来越受到人们的青睐，它的特点也更接近 ASIC， ASIC比 FPGA最大的优势是低成本，但是 FPGA的价格现在也越来越低，例如， Actel 的 Nano 系列更是打破了 FPGA 的价格屏障，提供超过 50 种低于 1 美金的FPGA，在一定程度上已经可以与 ASIC相抗衡。 根据当前发展的趋势，未来的 FPGA势必将会取代大部分 ASIC的市场，虽然根据摩尔定律 (Moore s Law)：每 18至 24个月能在相同的单位面积内多

24、集成一倍的晶体管数目，也就大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 意味着每 18 至 24个月后芯片成本将减半，但这只是指裸晶 (Die)的成本，并不表示整个芯片的成本减半，这是由于晶圆制造前端的掩膜 (Mask)成本、晶圆制造后端的封装 (也称为：构装、包装 )成本、人力成本等都不会随摩尔定律 而变化，反而芯片的成本有上升的趋势，所以过去许多中、小用量的芯片无法用先进的工艺来生产，对此不是持续使用旧工艺来制造，或是必须改用 FPGA 芯片来生产 未来的趋势告诉我们， FPGA 将成为 21 世纪最重要的高科技产业之一，特别是国内的FPGA 市场，更是一个“未完全开垦的处女地”，

25、抓住现在的机遇也就意味着为我们的将来提供更强大的竞争力。 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 第三章 配套软件的安装和使用 软件安装 安装流程： 第一步：解压安装文件 执行 90_Quartus_windows.exe 文件，该过程为解压安装文件，因为安装文件 2G 多，所以要等待几分钟。解压完会弹出下面的窗口： C:DOCUME1ADMINI1LOCALS1Temp 这个路径仅仅是一个临时的解压路径，您可以选择的临时其它目录，待安装完毕后方便删除掉此临时目录，接着点击 Install 进入第二步 第二步：安装程序正在解压文件到临时目录中。 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPG

26、A 开发板配套教程 第三步：解压完成后，出现开始安装向导窗口 第四步：出现 QuartusII 9.0 安装界面 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 点击 next 第五步：出现授权窗口点击 I accept the term of the license agreement.后，再点击下一步 next 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 第六步：接下来输入用户名和公司名，如用户名为 FPGA Fans，公司名为 Altera，点击下一步 next 第七步：选择安装目录，可以自由选择安装目录（建议目录名为英文） 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配

27、套教程 第八步：您可以点击 Browse按钮来自行选择安装路径。 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 选择好后，点击确定，再点击 next 进入下一步的安装。 第九步：默认开始菜单的软件名称，默认为 Altera,点击 next 下一步按钮继续安装 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 第十步 :安装类型的选择，我们推荐采用完全安装。 点击 next,进入下一步。 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 确认安装目录，点击 next 进入下一步。 第十一步：开始安装，此步骤需要的时间最多，请耐心等待。 第十二步：安装完成，提示是否要创建快捷方式图

28、标在桌面上，点“是” 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 点击 Finish,完成安装。 破解步骤： 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 （ 1） 用 Quartus_II_9.0 破解器 .exe 破解 C:altera90quartusbin 下的 sys_cpt.dll 和quartus.exe 文件（运行 Quartus_II_9.0 破解器 .exe 后 ,直接点击“应用补丁”，如果出现“未找到该文件。搜索该文件吗？”，点击“是”，（如果直接把该破解器 Copy 到C:altera90quartusbin 下，就不会出现这个对话框，而是直接开始破解

29、！）然后选中 sys_cpt.dll，点击“打开”。安装默认的 sys_cpt.dll 路径是在 C:altera90quartusbin下）。 （ 2） 把 license.dat 用记事本的形式打开，把里面的 XXXXXXXXXXXX 用网卡号替换 (在Quartus II 9.0 的 Tools 菜单下选择 License Setup，下面就有 NIC ID)。 （ 3） 在 Quartus II 9.0 的 Tools 菜单下选择 License Setup，然后选择 License file，最后点击OK。 注意： license 文件存放的路径名称不能包含汉字和空格，空格可以用下划

30、线代替。 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 第四章 FPGA 芯片资源的介绍 Cyclone II FPGA系列简介 : Altera Cyclone II 采用全铜层、低 K值、 1.2伏 SRAM工艺设计，裸片尺寸被尽可能最小的优化。采用 300毫米晶圆，以 TSMC成功的 90nm工艺技术为基础， Cyclone II 器件提供了 4,608到 68,416 个逻辑单元（ LE），并具有一整套最佳的功能，包括嵌入式 18 比特 x18 比特乘法器、专用外部存储器接口电路、 4kbit 嵌入式存储器块、锁相环（ PLL）和高速差分 I/O能力。 Cyclone II 器

31、件扩展了 FPGA在成本敏感性、大批量应用领域的影响力，延续了第一代Cyclone器件系列的成功。表 1所示为 Cyclone II FPGA系列的特性和能力。 EP2C5T1448N:“ 2”： Cyclone II系列；“ 5”：逻辑单元 4608个；“ T”：封装类型；“ 144”：管脚数量；“ 8”：速度等级为 8。 表一： Cyclone II FPGA简介 : 表 1. Cyclone II FPGA简介 器件 EP2C5 EP2C8 EP2C15 EP2C20 EP2C35 EP2C50 EP2C70 逻辑单元 4,608 8,256 14,448 18,752 33,216 5

32、0,528 68,416 M4K RAM块 (4 k比特 + 512 校验比特 ) 26 36 52 52 105 129 250 总比特数 119,808 165,888 239,616 239,616 483,840 594,432 1,152,000 嵌入式18x18 乘法器 13 18 26 26 35 86 150 PLLs 2 2 4 4 4 4 4 最 多 用 户I/O管脚 158 182 315 315 475 450 622 差分通道 58 77 132 132 205 193 262 Cyclone II “A“ 快速接通型 (1) 是 (3) 工业 汽车电子 是 (2)

33、工业 汽车电子 N/A N/A N/A 表 1注释： 某些器件的快速接通型号具有较短的上电复位 (POR) 时间。这一特性使 FPGA 能够比普通 Cyclone II 器件更迅速地进入工作状态。这些器件在订购码 (例如， EP2C8 A F256I8N) 中以字母“ A”标出； EP2C15 器件只提供 EP2C15A 快速接通型； EP2C5A 器件提供汽车级版本。 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 表二 : Cyclone II器件封装和用户 I/O管脚数 : 表 2. Cyclone II器件封装和最多用户 I/O管脚 封装尺寸 (mm x mm) EP2C5 EP

34、2C8 EP2C15 EP2C20 EP2C35 EP2C50 EP2C70 144-Pin TQFP (1) (22 x 22) 89 85 - - - - - 208-Pin PQFP (2) (30.6 x 30.6) 142 138 - - - - - 240-Pin PQFP (32 x 32) (3) - - - 142 - - - 256-Pin FineLine BGA (4) (17 x 17) 158 182 152 152 - - - 484-Pin Ultra FineLine BGA (19 x 19) - - - - 322 294 - 484-Pin FineLi

35、ne BGA (23 x 23) - - 315 315 322 294 - 672-Pin FineLine BGA (27 x 27) - - - - 475 450 422 896-Pin FineLine BGA (31 x 31) - - - - - - 622 表二注释： TQFP = 薄四方扁平封装； PQFP = 塑封四方扁平封装； BGA = 球栅阵列封装。 表 3. Cyclone II FPGA的适用配置器件 配置器件 支持 Cyclone II器件 EP2C5 EP2C8 EP2C15 EP2C20 EP2C35 EP2C50 EP2C70 EPCS1 X EPCS4

36、X X X X EPCS16 X X X X X X X EPCS64 X X X X X X X 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 表三： Cyclone II器件的适用配置器件 : Cyclone II 器件系列特性 : Altera的 Cyclone II FPGA 系列是低成本 90-nm解决方案，它前所未有地提高了设计灵活性，实现了高性能系统集成 ( 请参见表四 ) 。 表 1. Cyclone II 特性一览 特性 说明 成本优化的架构 Cyclone II 器件架构为最低的成本而优化，提供多达68,416 个逻辑单元 (LE)，密度超过第一代 Cyclone

37、FPGA的 3倍。 Cyclone II FPGA内部的逻辑资源可以用来实现复杂的应用。 高性能 Cyclone II FPGA要比竞争低成本 90-nm FPGA快 60，是市场上性能最好的低成本 90-nm FPGA。 低功耗 Cyclone II FPGA 功耗只有竞争低成本 90-nm FPGA的一半，大大降低了静态和动态功耗。 工艺技术 Cyclone II FPGA 在 300 毫米晶圆的基础上，采用了TSMC领先的 90nm低电介工艺技术而生产。 嵌入式存储器 Cyclone II FPGA基于流行的 M4K存储器块，提供多达1.1 兆比特的嵌入式存储器，可以支持配置为广泛的操作

38、模式，包括 RAM、 ROM、先入先出（ FIFO）缓冲器以及单端口和双端口模式。 嵌入式乘法器 Cyclone II FPGA提供最多 150个 18x18比特乘法器，是低成本数字信号处理（ DSP）应用的理想方案。这些乘法器可用于实现通用 DSP功能，如有限冲击响应（ FIR）滤波器、 快速傅立叶变换、相关器、编 /解码器以及数控振荡器（ NCO）。 外部存储器接口 Cyclone II 器件提供高级外部存储器接口支持，允许开发人员集成外部单倍数据速率（ SDR）、双倍数据速率（ DDR）、 DDR2 SDRAM 器件以及第二代四倍数据速率（ QDRII） SRAM器件，数据速率最高可达

39、668 Mbps。 差分 I/O支持 Cyclone II 器件提供差分信号支持，包括 LVDS、 RSDS、mini-LVDS、 LVPECL、 SSTL 和 HSTL I/O 标准。 LVDS 标准支持接收端最高 805 Mbps 数据速率，发送端最高 622 Mbps。 单端 I/O支持 Cyclone II器件支持各种单端 I/O 标准，如当前系统中常用的 LVTTL、 LVCMOS、 SSTL、 HSTL、 PCI和 PCI-X标准。 接口和协议支持 Cyclone II 器件支持串行总线和网络接口（如 PCI 和PCI-X），快速访问外部存储器件，同时还支持大量通讯大西瓜团队倾情打

40、造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 第五章 FPGA 芯片内部硬件介绍 FPGA（ Filed programmable gate device）：现场可编程逻辑器件 FPGA 基于查找表加触发器的结构，采用 SRAM 工艺，也有采用 flash 或者反熔丝工艺；主要应用高速、高密度大的数字电路设计 。 协议，包括以太网协议和通用接口。 时钟管理电路 Cyclone II器件支持最多达四个可编程锁相环（ PLL）和最多 16 个全局时钟线，提供强大的时钟管理和频率合成能力，使系统性能最大化。这些 PLL提供的高级特性包括频率合成、可编程占空比、外部时钟输出、可编程带宽、输入时钟扩频、锁定探测

41、以及支持差分输入输出时钟信号。 Nios II 嵌入式处理器 Cyclone II 器件的 Nios II 嵌入式处理器降低了成本，提高了灵活性，给低成本分立式微处理器提供了一个理想的替代方案。 片内匹配 Cyclone II FPGA 支持驱动阻抗匹配和片内串行终端匹配。片内匹配消除了对外部电阻的需求，提高了信号完整性，简化电路板设计。 Cyclone II FPGA通过 外部电阻还可支持并行匹配和差分匹配。 快速接通能力 Cyclone II FPGA 具有快速接通能力，上电后能够迅速工作，是 汽车 等需要快速启动的应用的理想选 择。在器件订购码中以 “ A ” 表示具有较短上电复位 (P

42、OR) 时间的 Cyclone II FPGA (EP2C5A 、 EP2C8A 、 EP2C15A 和 EP2C20A) 。 热插拔及上电顺序 Cyclone II 器件提供强大的片内热插拔以及上电顺序支持，确保器件正确操作不依赖上电顺序。该特性同时实现了上电之前和上电过程中对器件和三态 I/O缓冲的保护，使 Cyclone II 器件成为多电压系统以及具高可靠性和冗余需求的应用的理想方案。 循环冗余码 (CRC) Cyclone II 器件具有 32 比特 CRC自动校验功能。内置的 CRC校验电路简化了校验流程，只需在 Quartus II 软件中单击一下即可。这是 FPGA 中对付单事

43、件干扰（ SEU）问题最有效的解决方案。 Cyclone II 与 Cyclone FPGA的差别 Cyclone II FPGA 提供比 Cyclone FPGA更新更先进的特性。这些特性包括嵌入式乘法器、支持 DDR2 和 QDR II存储器件的外部存储器接口、片内串行匹配，以及支持更多的差分和单端 I/O 标准。 串行配置器件 Cyclone II 器件可以采用 Altera的低成本串行配置器件进行配置，这种串行配置器件最大可提供 64 兆比特的 Flash存储器。 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 FPGA 由可编程输入 /输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块 R

44、AM、丰富的布线资源（时钟 /长线 /短线）、底层嵌入功能单元、内嵌专用的硬核等组成； 目前市场上应用比较广泛的 FPGA 芯片主要来自 Altera 与 Xilinx。另外还有其它厂家的一些低端芯片 (Actel、 Lattice)。 这里主要介绍 Altera Cyclone II 系列 FPGA的内部硬件结构： 1. FPGA器件结构 2. 可编程输入 /输出单元 IOE 3. 可编程逻辑单元 LE 4. 嵌入式块 RAM 5. 布线资源 6. 底层嵌入功能单元 1、 FPGA器件结构 Altera cyclone II 器件结构 FPGA 的内部结构包括： （ 1） 可编程逻辑门阵列，

45、由最小单元 LE 组成 （ 2） 可编程输入输出单元 IOE （ 3） 嵌入式 RAM 块，为 M4K 块，每个的存储量为 4K，掉电丢失 （ 4） 布线网络 （ 5） PLL 锁相环， EP2C5T144C8N 最大的倍频至 250MHz,这也是该芯片的最大工作频率 2、 可编程输入 /输出单元 IOE 可编程 I/O，可配置成 OC 门、三态门、双向 IO、单端差分等；支持各种不同的 I/O 标准： LVTTL、 LVCOMS、 SSTL、 LVDS、 HSTL、 PCI 等； 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 Altera 器件 IOE 结构 Altera器件的输入输

46、出结构：可配置成三态、输入输出、双向 IO Altera器件中 cyclone系列中的 IOE结构是基本的输入、输出、使能的触发器结构 。 3、 可编程逻辑单元 LE 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 基本可编程逻辑单元 LE 由查找表 (Look up table)触发器 (FF)组成 ，而 LE 是组成 LAB 的最小单元 ； LUT 一般是 4 输入查找表，高端器件（ xilinx v5）采用 LUT-6 结构； LUT 可看成 4 位地址线的 16x1 的 RAM 结构 。 FF 是可编程的触发器，可配置成同步 /异步复位、同步 /异步置位、使能、装载等功能触发器

47、。 可编程逻辑块： Altera:LAB 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 Xilinx:CLB Xilinx CLB 由四个 SLICE 构成；而 Altera 的 LAB 由 16 个 /8 个 LE 构成； 基本逻辑单元 LE/SLICE： Altera:LE 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 Xilinx:SLICE xilinx 为 SLICE:包括两个 LUT-4/两个 FF; altera为 LE:包括一个 LUT-4/一个 FF; 4、 嵌入式块 RAM 嵌入式块 RAM 可配置单 /双端口 RAM、伪双端口 RAM、 ROM、 FIFO、 SHIFT、 CAM 等；不同厂家的块 RAM大小不一样： Altera： M512、 M4K M4K、 M-RAM(512K)； Xilinx： 18kbit； Lattic： 9kbit； Altera： M4K： 大西瓜团队倾情打造 大西瓜 FPGA 开发板配套教程 5、 布线资源 全局布线资源：用于全局时钟 /全局复位 /全局置位布线； 长线资源：用于 BANK 或者嵌入式功能单元的高速信号或者第二全局时钟的布线； 短线资源：用于其中逻辑单元间的逻辑互联与布线； 全局布线资源 ： 全局时钟树：