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FPGA--HDLBits网站练习

news 2025/7/16 11:59:47

用状态机编写一个 LED流水灯代码

CPLD和FPGA芯片

CPLD（复杂可编程逻辑器件）

FPGA（现场可编程门阵列）

Verilog练习

基本

向量

用状态机编写一个 LED流水灯代码

往期作业已完成，博客地址：

FPGA-流水灯-CSDN博客

CPLD和FPGA芯片

FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件，在一定的程度上具有很大的相似性，但也有很多不同之处，因为各自的结构不同，让它们都各有特点。FPGA是现场可编程逻辑门阵列的简称。CPLD是复杂可编程逻辑器件的简称。下面将介绍这两者的区别：

CPLD（复杂可编程逻辑器件）

定义：CPLD是一种基于与或阵列结构的可编程逻辑器件，具有固定的逻辑块和互连矩阵。

特点：

逻辑块之间的连接是集总式的，适合实现简单的逻辑功能。
采用EEPROM或Flash技术，断电后能保持编程信息。
延时均匀且可预测，适合对时序要求严格的应用。
功耗相对较大，尤其是集成度较高的情况下。

CPLD主要由以下三部分组成：

1、宏单元（Macrocell）
宏单元是PLD的核心部分，负责实现基本的逻辑功能。它就像一个“逻辑工厂”，可以完成各种逻辑运算（比如与、或、非等）。图中蓝色部分代表多个宏单元的集合，因为宏单元数量较多，所以没有逐一画出。

2、可编程连线（PIA）
可编程连线是PLD内部的“道路”，负责信号的传递。它将所有的宏单元连接起来，确保信号可以在不同的逻辑单元之间流动。通过编程，可以灵活地定义这些连线的路径，实现信号的高效传输。

3、I/O控制块
I/O控制块是PLD与外部电路之间的“开关”，负责管理输入和输出的电气特性。它可以根据需要调整输出方式，比如设置为集电极开路输出、控制信号的摆率（信号变化的速度）或实现三态输出（高电平、低电平和高阻态）。

其总体结构如下图所示（以MAX7000为例）：

FPGA（现场可编程门阵列）

定义：FPGA是一种基于查找表（LUT）结构的可编程逻辑器件，具有可编程逻辑块、可编程I/O块和可编程互连。

特点：

互连是分布式的，适合实现复杂的逻辑功能。
基于SRAM技术，断电后编程信息丢失，需重新配置。
延时与布局布线有关，具有一定的不可预测性。
功耗相对较低，适合对功耗敏感的应用。

FPGA主要由以下7部分组成：

1、可编程输入/输出单元（IOB）
IOB是FPGA与外部电路之间的桥梁，负责信号的输入和输出。它可以根据需要配置信号的驱动方式，确保芯片与外部设备的通信顺畅。

2、可配置逻辑块（CLB）
CLB是FPGA的核心逻辑单元，每个CLB包含一个可编程的开关矩阵，通常有4到6个输入端口。通过灵活配置这些矩阵，可以实现各种逻辑功能，比如组合逻辑、移位寄存器、RAM等。

3、数字时钟管理模块（DCM）
DCM负责管理时钟信号，通过数字技术和相位锁定环（PLL）来优化时钟信号的稳定性，减少时钟抖动，确保系统运行的精确性。

4、嵌入式块RAM（BRAM）
BRAM是FPGA内部的存储模块，可以灵活配置为单口RAM、双口RAM、内容寻址存储器（CAM）或FIFO等结构。这种灵活性让FPGA在需要存储功能的场景中表现得更加出色。

5、布线资源
FPGA内部有丰富的布线资源，分为四类：

全局布线：用于全局时钟和复位信号的连接。

长线布线：用于芯片不同区域之间的高速信号传输。

短线布线：用于逻辑单元之间的局部连接。

分布式布线：用于专有时钟和控制信号的连接。

6、底层内嵌功能单元
这些功能单元包括延迟锁定环（DLL）、相位锁定环（PLL）、数字信号处理模块（DSP）和软核处理器（CPU）。它们为FPGA提供了额外的功能支持，比如信号延迟控制、时钟信号稳定和数据处理能力。

7、内嵌专用硬核
为了提升性能，FPGA内部集成了专用的硬核模块，比如乘法器和高速串行收发器（SerDes）。这些硬核模块通过IP核调用实现，虽然通用性不如底层功能单元，但能显著提高特定功能的效率。

其原理与结构如下图所示：

相对比得，CPLD基于与或阵列结构，逻辑块连接固定，适合简单逻辑功能，采用EEPROM或Flash技术，断电可保持编程信息，延时均匀可预测，适用于对时序要求严格的小型嵌入式系统、接口电路和工业控制等，功耗较大但成本低，适合成本敏感应用。FPGA基于查找表（LUT）结构，逻辑块和互连可编程，适合复杂逻辑功能，基于SRAM技术，断电后需重新配置，延时与布局布线有关，灵活性高，适用于复杂数字系统、原型验证和需频繁更新的通信设备、图像处理、人工智能等场合，功耗相对低，适合功耗敏感应用。

综上所述，CPLD适合简单、成本敏感应用，FPGA适合复杂、灵活配置需求场合。

Verilog练习

对于我们日常学习、练习FPGA，HDLBits网站是一个很友好得到网站，它是一个国外的开源FPGA学习网站，提供了一个网页版的Verilog代码编辑仿真验证平台。

用户可以在该网站上进行Verilog代码的编写、综合，并且能够仿真出波形来验证设计代码的正确性。该平台基于Icarus Verilog（开源HDL仿真工具），用户只需登录网页就能享受Verilog编程仿真的乐趣。

HDLBits的题目由浅入深，设计合理，可以帮助初学者掌握Verilog这门语言。下面我将由浅入深讲解几个例题，如有不对的地方，请大家帮忙指出。

基本

AND门

module top_module(

    input a,

    input b,

    output out

);

assign out = a && b;

endmodule

注：红字为编写的解决方案

assign out = a && b;

这是一个连续赋值语句，表示 out 的值始终等于 a 和 b 的逻辑与结果。

&& 是逻辑与操作符，只有当 a 和 b 都为1时，out 才为1；否则 out 为0。

方案结果：

NOR门

module top_module(

    input a,

    input b,

    output out

);

assign out = ~(a || b);

endmodule

assign out = ~(a || b);

这是一个连续赋值语句，表示 out 的值始终等于 a 和 b 的逻辑或（OR）结果的反（NOT）。

|| 是逻辑或操作符，当 a 或 b 中有一个为1时，结果为1；否则为0。

~ 是逻辑非操作符，对逻辑或的结果取反。

方案结果：

XNOR门

module top_module(

    input a,

    input b,

    output out

);

assign out = a == b;

endmodule

assign out = a == b;

这是一个连续赋值语句，表示 out 的值始终等于 a 和 b 是否相等的结果。

== 是比较运算符，用于判断 a 和 b 的值是否相等。如果相等，结果为1；否则为0。

方案结果：

向量

矢量0：

module top_module(

    input [2:0] vec,

    output [2:0] outv,

    output o2,

    output o1,

    output o0

);

assign outv = vec;

assign o0 = vec[0];

assign o1 = vec[1];

assign o2 = vec[2];

endmodule

方案结果：

矢量1：

`default_nettype none       // Disable implicit nets. Reduces some types of bugs.

module top_module(

    input wire [15:0] in,

    output wire [7:0] out_hi,

    output wire [7:0] out_lo

);

assign out_lo = in[7:0];    // 低8位

assign out_hi = in[15:8];  // 高8位

endmodule