FPGA/CPLD 的设计思想与技巧是一个非常大的话题，由于篇幅所限，本文仅介绍一些常用的设计思想与技巧，包括乒乓球操作、串并转换、流水线操作和数据接口的同步方法。希望本文能引起工程师们的注意，如果能有意识地利用这些原则指导日后的设计工作，将取得事半功倍的效果！
乒乓操作 “ 乒乓操作 ” 是一个常常应用于数据流控制的处理技巧，典型的乒乓操作方法如图 1 所示。 乒乓操作的处理流程为：输入数据流通过 “ 输入数据选择单元 ” 将数据流等时分配到两个数据缓冲区，数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元为双口 RAM(DPRAM) 、单口 RAM(SPRAM) 、 FIFO 等。在第一个缓冲周期，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 1” ；在第 2 个缓冲周期，通过 “ 输入数据选择单元 ” 的切换，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 2” ，同时将 “ 数据缓冲模块 1” 缓存的第 1 个周期数据通过 “ 输入数据选择单元 ” 的选择，送到 “ 数据流运算处理模块 ” 进行运算处理；在第 3 个缓冲周期通过 “ 输入数据选择单元 ” 的再次切换，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 1” ，同时将 “ 数据缓冲模块 2” 缓存的第 2 个周期的数据通过 ...

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串并转换设计技巧 串并转换是 FPGA 设计的一个重要技巧，它是数据流处理的常用手段，也是面积与速度互换思想的直接体现。串并转换的实现方法多种多样，根据数据的排序和数量的要求，可以选用寄存器、 RAM 等实现。前面在乒乓操作的图例中，就是通过 DPRAM 实现了数据流的串并转换，而且由于使用了 DPRAM ，数据的缓冲区可以开得很大，对于数量比较小的设计可以采用寄存器完成串并转换。如无特殊需求，应该用同步时序设计完成串并之间的转换。比如数据从串行到并行，数据排列顺序是高位在前，可以用下面的编码实现： prl_temp<={prl_temp,srl_in}; 其中， prl_temp 是并行输出缓存寄存器， srl_in 是串行数据输入。对于排列顺序有规定的串并转换，可以用 case 语句判断实现。对于复杂的串并转换，还可以用状态机实现。串并转换的方法比较简单，在此不必赘述。
流水线操作设计思想
首先需要声明的是，这里所讲述的流水线是指一种处理流程和顺序操作的设计思想，并非 FPGA 、 ASIC 设计中优化时序所用的 “Pipelining” 。 流水线处理是高速设计中的一个常用设计手段。如果某个设计的处理流程分为若干步骤，而且整个数据处理是 “ 单流向 ...

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数据接口的同步方法
数据接口的同步是 FPGA/CPLD 设计的一个常见问题，也是一个重点和难点，很多设计不稳定都是源于数据接口的同步有问题。 在电路图设计阶段，一些工程师手工加入 BUFT 或者非门调整数据延迟，从而保证本级模块的时钟对上级模块数据的建立、保持时间要求。还有一些工程师为了有稳定的采样，生成了很多相差 90 度的时钟信号，时而用正沿打一下数据，时而用负沿打一下数据，用以调整数据的采样位置。这两种做法都十分不可取，因为一旦芯片更新换代或者移植到其它芯片组的芯片上，采样实现必须从新设计。而且，这两种做法造成电路实现的余量不够，一旦外界条件变换 ( 比如温度升高 ) ，采样时序就有可能完全紊乱，造成电路瘫痪。 下面简单介绍几种不同情况下数据接口的同步方法： 1. 输入、输出的延时 ( 芯片间、 PCB 布线、一些驱动接口元件的延时等 ) 不可测，或者有可能变动的条件下，如何完成数据同步？ 对于数据的延迟不可测或变动，就需要建立同步机制，可以用一个同步使能或同步指示信号。另外，使数据通过 RAM 或者 FIFO 的存取，也可以达到数据同步目的。 把数据存放在 RAM 或 FIFO 的方法如下：将上级芯片提供的数据随路时钟作为...

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& ——替换操作符，用于将参数与其他字符分开。如果参数紧接在其他字符之前或之后，或者参数出现在带引号的字符串中，就必须使用该伪操作符。





——字符串传递操作符，用于括起字符串。在宏调用中，如果传递的字符串实参数含有逗号、空格等间隔符号，则必须用这对操作符，以保证字符串的完整。





!
——转义操作符，用于指示其后的一个字符作为一般字符，而不含特殊意义。





%——表达式操作符，用在宏调用中，表示将后跟的一个表达式的值作为实参，而不是将表达式本身作为参数。





;;——宏注释符，用于表示在宏定义中的注释。采用这个符号的注释，在宏展开时不出现。

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IFxx表达式 ;条件满足，汇编分支语句体1












分支语句体1









[ ELSE ;条件不满足，汇编分支语句体2












分支语句体2 ]ENDIF




;条件汇编结束
其中，IF后跟的xx表示组成条件汇编伪指令的其他字符。






IF/IFE伪指令中的表达式可以采用第3章学习的关系运算符EQ（相等）、NE（不相等）、GT（大于）、LT（小于）、GE（大于等于）、LE（小于等于）。关系表达式用0ffffh（非0）表示真，用0表示假。
条件汇编伪指令格式功能说明IF 表达式汇编程序求出表...

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美国作家克里腾登写过一篇题为《母亲的价格》的文章，提倡应把母亲所做和各项工作量化，给她们应有的肯定。她指出，母亲的工作是一项“技术性的中级管理”工作。若母亲的工作可获薪水，合理的年薪约为六万美元。


著名的“埃德尔曼财经服务组织”经过缜密的计算与评估，得出这样的结论：若将母亲所做各项工作改为出钱聘人代劳，那么，子女一年所付的工钱高达63.5万美元。可以用说，母亲的工资足以与大公司总裁相比。


不要说63.5万美元的年薪了，即便是6万美元一年的工资，又有多少子女能够支付得起呢？原来我们在享受母爱的同时，不知不觉之间，已经欠下了母亲那么巨大的一笔薪水。而我们自己，却依然那么心安理得。我们常常说母爱无价，是不是也有为自己掩饰什么的意图呢？


母亲们却不知道这些。我想天底下的母亲，大约没有几个知道自己一年能拿到这么多的薪水，即便知道了，可能也是一笑了之，没有人真会向子女伸手要这笔钱吧。譬如计算出母亲合理年薪为六万美元的克里腾登，如果她有子女，大概也不会在年底说：孩子，该给我发工...

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同步电路的速度是指同步时钟的速度。同步时钟愈快，电路处理数据的时间间隔越短，电路在单位时间处理的数据量就愈大。 我们先来看一看同步电路中数据传递的一个基本模型：如下图 图1 （Tco是触发器时钟到数据输出的延时；Tdelay是组合逻辑的延时；Tsetup是触发器的建立时间） 假设数据已经被时钟的上升沿打入D触发器，那么数据到达第一个触发器的Q端需要Tco，再经过组合逻辑的延时Tdelay到达的第二个触发器的D端，要想时钟能在第二个触发器再次被稳定的锁入触发器，则时钟的延迟不能晚于Tco+Tdelay+Tsetup，（我们可以回顾一下前面讲过的建立和保持时间的概念，就可以理解为什么公式最后要加上一个Tdelay） 由以上分析可知：最小时钟周期：T=Tco+Tdelay+Tsetup
最快时钟频率 F= 1/T

PLD开发软件也正是通过这个公式来计算系统运行速度Fmax 注：在这个逻辑图中有个参数：Tpd ,即时钟的延时参数，我们在刚才做时间分析的时候，没有提这个参数，（如果使用PLD的全局时钟型号，Tpd可以为0，如果是普通时钟，则不为0）。所以如果考虑到时钟的延时，精确的公式应该是T=Tco+Tdelay+Tsetup-Tpd。当然以上全部分析的都是器件内部的运行速度，...

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保密的重要性







对电子系统而言，FPGA的保密性极其重要。图1列出了两个系统设计的示意图，左边为1995年所作的系统设计，在该设计中，以ASIC芯片为核心，FPGA仅起到胶合逻辑的作用；在右边2005年进行的同类型系统设计中，不难发现FPGA已经成为系统设计的核心，它整合了原有ASIC及部分ASSP芯片的功能，因此FPGA作为系统芯片直接取代了ASIC的功能。随着FPGA性能、容量与功能的不断提升，今天的FPGA
已成为系统的心脏、知识产权的集合，所以如果FPGA存在安全性问题的话，与其相关的产品将遭受严重打击。







保密性定义——四个对FPGA最大的安全威胁







a.克隆







克隆是指竞争对手 拷贝启动
PROM
或从板上拦截处理器码流并进行复制。如果设...

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需要大量数字处理的电子系统常常利用FPGA或CPLD等现场可编程器件实现，而不是利用定制专用集成电路(ASIC)。虽然定制ASIC可能比现场可编程器件具有成本优势，但现场可编程器件具有即时制造周转、低启动成本以及设计速度和方便性等优点。这些优点已使FPGA和CPLD成为实现以太网交换机和路由器、存储局域网设备和多媒体内容传输系统等复杂数字系统的首选器件。


利用FPGA或CPLD进行电路设计的流程由以下几个普通步骤组成：设计入口、设计确认、设计汇编和器件编程。设计入口阶段由捕获设计组成，不是通过利用电脑辅助设计工具创建图形化原理图，就是通过利用Verilog或VHDL等硬件描述语言来描述电路。在捕获设计之后，通过使用电路模拟来检验正确的功能性和性能加以验证。如果电路没有达到要求性能，则工程师师就回到设计入口阶段对设计加以调整，然后重复设计验证阶段。设计入口和设计验证步骤可能反复多次，才能使设计能够满足全部功能和性能要求。在获得令人满意的设计之后，工程师使用FPGA或CPLD器件供应商提供的软件对设计进行“汇编”，用于对实现设计的器件进行配置。编译形成的文档被下载到FPGA或CPLD，并给内部逻辑器件编程使之...

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FPGA/CPLD 的设计思想与技巧是一个非常大的话题，由于篇幅所限，本文仅介绍一些常用的设计思想与技巧，包括乒乓球操作、串并转换、流水线操作和数据接口的同步方法。希望本文能引起工程师们的注意，如果能有意识地利用这些原则指导日后的设计工作，将取得事半功倍的效果！
乒乓操作 “ 乒乓操作 ” 是一个常常应用于数据流控制的处理技巧，典型的乒乓操作方法如图 1 所示。 乒乓操作的处理流程为：输入数据流通过 “ 输入数据选择单元 ” 将数据流等时分配到两个数据缓冲区，数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元为双口 RAM(DPRAM) 、单口 RAM(SPRAM) 、 FIFO 等。在第一个缓冲周期，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 1” ；在第 2 个缓冲周期，通过 “ 输入数据选择单元 ” 的切换，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 2” ，同时将 “ 数据缓冲模块 1” 缓存的第 1 个周期数据通过 “ 输入数据选择单元 ” 的选择，送到 “ 数据流运算处理模块 ” 进行运算处理；在第 3 个缓冲周期通过 “ 输入数据选择单元 ” 的再次切换，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 1” ，同时将 “ 数据缓冲模块 2” 缓存的第 2 个周期的数据通过 ...

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串并转换设计技巧 串并转换是 FPGA 设计的一个重要技巧，它是数据流处理的常用手段，也是面积与速度互换思想的直接体现。串并转换的实现方法多种多样，根据数据的排序和数量的要求，可以选用寄存器、 RAM 等实现。前面在乒乓操作的图例中，就是通过 DPRAM 实现了数据流的串并转换，而且由于使用了 DPRAM ，数据的缓冲区可以开得很大，对于数量比较小的设计可以采用寄存器完成串并转换。如无特殊需求，应该用同步时序设计完成串并之间的转换。比如数据从串行到并行，数据排列顺序是高位在前，可以用下面的编码实现： prl_temp<={prl_temp,srl_in}; 其中， prl_temp 是并行输出缓存寄存器， srl_in 是串行数据输入。对于排列顺序有规定的串并转换，可以用 case 语句判断实现。对于复杂的串并转换，还可以用状态机实现。串并转换的方法比较简单，在此不必赘述。
流水线操作设计思想
首先需要声明的是，这里所讲述的流水线是指一种处理流程和顺序操作的设计思想，并非 FPGA 、 ASIC 设计中优化时序所用的 “Pipelining” 。 流水线处理是高速设计中的一个常用设计手段。如果某个设计的处理流程分为若干步骤，而且整个数据处理是 “ 单流向 ...

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数据接口的同步方法
数据接口的同步是 FPGA/CPLD 设计的一个常见问题，也是一个重点和难点，很多设计不稳定都是源于数据接口的同步有问题。 在电路图设计阶段，一些工程师手工加入 BUFT 或者非门调整数据延迟，从而保证本级模块的时钟对上级模块数据的建立、保持时间要求。还有一些工程师为了有稳定的采样，生成了很多相差 90 度的时钟信号，时而用正沿打一下数据，时而用负沿打一下数据，用以调整数据的采样位置。这两种做法都十分不可取，因为一旦芯片更新换代或者移植到其它芯片组的芯片上，采样实现必须从新设计。而且，这两种做法造成电路实现的余量不够，一旦外界条件变换 ( 比如温度升高 ) ，采样时序就有可能完全紊乱，造成电路瘫痪。 下面简单介绍几种不同情况下数据接口的同步方法： 1. 输入、输出的延时 ( 芯片间、 PCB 布线、一些驱动接口元件的延时等 ) 不可测，或者有可能变动的条件下，如何完成数据同步？ 对于数据的延迟不可测或变动，就需要建立同步机制，可以用一个同步使能或同步指示信号。另外，使数据通过 RAM 或者 FIFO 的存取，也可以达到数据同步目的。 把数据存放在 RAM 或 FIFO 的方法如下：将上级芯片提供的数据随路时钟作为...

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时钟信号 最关键的信号之一，有专门的论述，请参阅关于时钟问题的探讨 清除和置位信号
清除和置位信号要求象对待时钟那样小心地考虑它们，因为这些信号对毛刺也是非常敏感的。正如使用时钟那样，最好的清除和置位是从器件的引脚单直接地驱动。有一个主复位Reset引脚是常用的最好方法，主复位引脚给设计项目中每个触发器馈送清除或置位信号。几乎所有PLD器件都有专门的全局清零脚和全局置位。如果必须从器件内产生清除或置位信号，则要按照“门控时钟”的设计原则去建立这些信号，确保输入无毛刺。
若采用门控清除或者门控置位，则单个引脚或者触发器作为清除或置位的源，而有其它信号作为地址或控制线。在清除或复位的有效期间，地址或控制线必须保持稳定图4．2．13示出4个容许的清除和复位配置的实例。决不能用多级逻辑或包含竞争状态单级逻辑产生清除或置位信号。更详细的考虑见4.2．5节“竞争状态”。 组合逻辑输出
当PLD输出引脚给出系统内其它部分的边沿敏感信号或电平敏感信号时，这些出信号必须象内部时钟、清除和置位信号一样小心地对待。只要可能就应在PLD输出端寄存那些对险象敏感的组合输出。如果你不能寄存险象敏感的...

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信号在FPGA器件内部通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺序，并不是同时变化,往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为"毛刺"。如果一个组合逻辑电路中有"毛刺"出现，就说明该电路存在"冒险"。（与分立元件不同，由于PLD内部不存在寄生电容电感，这些毛刺将被完整的保留并向下一级传递，因此毛刺现象在PLD、FPGA设计中尤为突出） 图6.21给出了一个逻辑冒险的例子，从图6.22的仿真波形可以看出，"A、B、C、D"四个输入信号经过布线延时以后，高低电平变换不是同时发生的，这导致输出信号"OUT"出现了毛刺。（我们无法保证所有连线的长度一致，所以即使四个输入信号在输入端同时变化，但经过PLD内部的走线，到达或门的时间也是不一样的，毛刺必然产生）。可以概括的讲，只要输入信号同时变化，（经过内部走线）组合逻辑必将产生毛刺。 将它们的输出直接连接到时钟输...

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和可靠性有关的几个概念建立时间和保持时间图1
建立时间（setup time）是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器；保持时间（hold time）是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间， 如果保持时间不够，数据同样不能被打入触发器。
如图1 。 数据稳定传输必须满足建立和保持时间的要求，当然在一些情况下，建立时间和保持时间的值可以为零。 PLD/FPGA开发软件可以自动计算两个相关输入的建立和保持时间（如图2）竞争和冒险 几乎所有关于数字电路的教材，都会提到数字电路中的竞争和冒险问题，但是这个问题往往被我们忽略。我们可以先来回顾一下关于竞争和冒险的一些基本概念。PLD内部毛刺产生的原因 我们在使用分立元件设计数字系统时，由于PCB走线时，存在分布电感和电容，所以几纳秒的毛刺将被自然滤除，而在PLD内部决无分布电感和电容，所以在PLD/FPGA设计中，竞争和冒险问题将变的较为突出。

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此过程主要是用软件来仿真你的设计，看看结果是否符合你的设计要求 编译好以后，打开波形编辑器，MAX+PLUSII->Waveform Editor载入端口,Node->Enter Nodes from SNF将弹出下面窗口，你按下面步骤操作：点List,将出现端口列表，你默认是选择全部，你也可以通过左键和Ctrl组合来选择你想要的信号。 点=>将你的信号加入SNF文件中 点OK为了方便观察，我们把信号展开如果需要再次合并可以按住SHIFT键，用鼠标左键选上要合并的信号，再点右键->Enter Group
下面我们将对信号进行赋值，首先选中一个要赋值的信号区间，如SW3的10us到20us范围，按住鼠标左键，在SW3的10us到20us的范围只能够那拉出一个黑色区域,松开鼠标左键，再点左边工具栏上的“1”，使这个时间段，SW3就被赋值为高电平，如下图： （注意时间不要选择太小，比如就选10ns，这样结果可能不对，因为电路的延迟可能就达到10ns）
你将其他信号按你希望的加上激励 在上面过程中，你可能要遇到下面设置：Snap to Grid：鼠标按网格选取，用鼠标左键可以决定是否选取 Show Grid：显示网格 Gride Size：设置网格大小（这个非常有用，在你一些设计中经常要改变网格大小，便于你选择）En...

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打开MAX+plusII,在开始菜单内选择MAX+PLUS II 项，开始运行MAX+PLUS II（如下图）你最好把图标放到桌面上，以后直接双击MAX+PLUS II图标就可以运行软件了在MAX+PLUSII上点右键，选择发送到->桌面快捷方式（如下图），那么你桌面上就看到MAX+PLUS II了。3.2 新建VHDL文档 （图形和verilog-HDL设计的过程见后面的部分）FILE->NEW或者点下图的新建图标：连后选择Text Editor File文件，点OK如下图
3.3输入设计文件 在文本窗口中输入以下VHDL源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;--*********************************************ENTITY majority_voter IS

PORT(SW : IN std_logic_vector(3 DOWNTO 1);






L : OUT std_logic_vector(2 DOWNTO 1));






--L2 is a yellow LED AND L1 is a RED LEDEND majority_voter;--*********************************************ARCHITECTURE concurrent OF majority_voter IS BEGIN

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今天我们将带领大家完成你的第一个PLD设计，即使你从没有接触过PLD，也可以让你可以在十分种之内初步学会PLD设计！ 不信？ 呵呵 我们慢慢往下看。
实验目的 我们分别采用VHDL、Verilog-HDL和原理图输入方式设计一个简单的三人表决器，，并下载到PLD实验板进行实际运行。 三人表决器的功能描述：三个人分别用手指拨动开关SW1、SW2、SW3来表示自己的意愿，如果对某决议同意，各人就把自己的指拨开关拨到高电平（上方），不同意就把自己的指拨开关拨到低电平（下方）。表决结果用LED（高电平亮）显示，如果决议通过那么实验板上L2（黄灯）亮；如果不通过那么实验板上L1（红灯）亮；如果对某个决议有任意二到三人同意，那么此决议通过，L2亮；如果对某个决议只有一个人或没人同意，那么此决议不通过，L1亮 功能虽然简单，但是大家可以从这个实验中学习到PLD的设计输入，仿真，下载等一个完整过程。
软件准备 本次实验采用Max+plusII 10.2 软件,首先我们需要下载免费软件并安装license。对于WindowsNT/2000/XP,还需要安装下载电缆的驱动程序。 >> 软件安装和license的获取请点击此处 >> 安装下载电缆的驱动程序请点击此处 硬件准备 PC机...

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