使用Verilog來(lái)編程FPGA
加入技術(shù)交流群
FPGA是依賴數(shù)字邏輯的數(shù)字器件，計(jì)算機(jī)硬件使用的是數(shù)字邏輯，每一個(gè)計(jì)算，屏幕上每一個(gè)像素的呈現(xiàn)，音樂(lè)軌的每一個(gè)note都是使用數(shù)字邏輯構(gòu)成的功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 雖然多數(shù)時(shí)候，數(shù)字邏輯是抽象的數(shù)學(xué)概念，而不是物理電子，邏輯門以及其它的數(shù)字邏輯器件則是由刻蝕在集成電路上的晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于FPGA來(lái)講，可以通過(guò)繪制邏輯門構(gòu)成的電路，將這些門映射到FPGA的通用門上，并將它們連接起來(lái)以實(shí)現(xiàn)你設(shè)想的邏輯設(shè)計(jì)。 另外一種方式是，使用Verilog（或其它的）硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯。 你依然可以購(gòu)買能夠?qū)崿F(xiàn)小數(shù)量邏輯門的器件，比如7400，內(nèi)部只有4個(gè)二輸入與非門，然而這些器件只是為了維護(hù)一些古老的系統(tǒng)或用于教學(xué)。
邏輯門
邏輯門有輸入和輸出，這些數(shù)字輸入和輸出可以是“高”或者“低”， 無(wú)論是輸入端還是輸出端，所謂的“低”指的是接近于0V（地）的電壓，而“高”一般是超過(guò)提供給該邏輯器件的供電電壓一半以上的電壓，給FPGA提供的電壓一般為1.8V、3.3V或著5V中的一個(gè)，多數(shù)的FPGA的工作電壓范圍有一定的冗余度，有些FPGA允許在一個(gè)器件中存在多個(gè)邏輯電壓.
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202312/454119.htm與非門和或非門都是非常通用的門，因?yàn)橹恍枰聪嗨鼈兊妮斎攵嘶蜉敵龆司涂梢詷?gòu)成其它任何一種門，另外你可以用與非門或著或非門構(gòu)成非門，只需要將兩個(gè)輸入信號(hào)連接在一起就可以。例如圖1.6中你可以用3個(gè)或非門構(gòu)成一個(gè)與門。
圖1.6 用3個(gè)“或非門”構(gòu)成一個(gè)“與門”
De Morgan定律
圖1.6的設(shè)計(jì)利用了邏輯定律中的De Morgan定律 - 將兩個(gè)輸入端“與”后的結(jié)果進(jìn)行取反，和先將兩個(gè)輸入端進(jìn)行取反以后再“或”得到的結(jié)果是一樣的。在圖1.6中，兩個(gè)輸入端信號(hào)先被由“或非門”構(gòu)成的“非門”取反以后進(jìn)行“或”操作，再對(duì)輸出的結(jié)果取反。
表1.6 用多個(gè)異或門構(gòu)成一個(gè)與門的真值表
二進(jìn)制
我們前面將邏輯門的輸入和輸出端以電壓的高低來(lái)表示，我們還可以將它們用數(shù)字來(lái)表示 - 1表示高電平，0表示低電平，這樣我們就可以想明白計(jì)算機(jī)是如何使用邏輯門來(lái)操作數(shù)字的了。當(dāng)然，我們僅有數(shù)值0和1是不夠用的。 在我們的生活中都是使用10進(jìn)制，主要的原因是因?yàn)槲覀冇?0根手指，如果我們的老祖宗使用鼻子來(lái)計(jì)數(shù)，那就是二進(jìn)制了，因?yàn)榻Y(jié)果只有0還是1，如果要表示多于1個(gè)的數(shù)字，你可以用多個(gè)二進(jìn)制數(shù)值（bit - binary digit）來(lái)表示。
表1.8 用二進(jìn)制和十進(jìn)制表示的數(shù)字0到7
用邏輯實(shí)現(xiàn)的“加法”
你可以用邏輯門來(lái)對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)只是用“位”（bit）表示的數(shù)值，你可以用邏輯針對(duì)任何數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算。圖1.8展示了如何用邏輯門進(jìn)行一個(gè)二進(jìn)制加。
圖1.8 一個(gè)1位加法器
表1.9 一個(gè)1位加法器的真值表
從表中可以看出，如果輸入端A和B都是0，加法的結(jié)果位0， 如果其中一個(gè)輸入為1，加法的結(jié)果為1，然后如果兩個(gè)輸入端都為1，加法的位本身就變成了0，但我們希望將進(jìn)位輸出的1放到下一位，在二進(jìn)制中，1+1位0，并一個(gè)進(jìn)位（或十進(jìn)制的2） 這就意味著，如果我們同時(shí)加多于一位的數(shù)值，下一個(gè)加法的部分將有3個(gè)輸入（A、B和進(jìn)位輸入），這就需要三個(gè)位的加法，圖1.9展示了計(jì)入進(jìn)位以后的加法。
圖1.9 一個(gè)帶有進(jìn)位輸入端的1位加法器
你也許永遠(yuǎn)不會(huì)用這種方式通過(guò)多個(gè)門來(lái)構(gòu)建一個(gè)加法器，因?yàn)橛鞋F(xiàn)成的加法器芯片可以用于你的設(shè)計(jì)，在這里你能夠看到加法器是如何通過(guò)門電路構(gòu)成的。 如果我們有8級(jí)這樣的電路，就可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)字節(jié)的加法操作，每一個(gè)計(jì)算機(jī)的中央處理器（CPU）都有這種用邏輯門搭建的硬件加法器，一個(gè)32位的處理器可以同時(shí)處理32位的數(shù)值，一個(gè)64位的機(jī)器能夠通過(guò)64個(gè)圖1.9的方式同時(shí)將64位數(shù)字加起來(lái)。
評(píng)論