数字系统仿真VHDL设计

1、数字系统仿真VHDL设计课程简介开课时间:1-17周，周一.四教师；陈立助教：徐冲邮箱：成绩构成：笔试(70)(开卷)实验(20)平时(10)课程主要内容：可编程逻辑器件硬件描述语言(VHDL)教学大纲1. 理论教学：让学生了解数字集成此路及其设计方法的 发展现状，熟悉大规模可编程专用集成电路 CPLD/FPGA的内部结构，掌握一种硬件描述语言( hardware description language.HDL) 并具鉛便 用HDL进行数字电路系统设计的能力.2. 上机实验让学生熟悉可编程专用集成电路的设计. 开发流程，熟练拿握一种EDA设计工具，提高学

2、生应 用计算机技术进行数字电路与数字系统的设计和辅助 分析的能力.3. 通过理论和实践教学使学生能够在经典的数字逻辑 设计方法基础上，了解和初步拿握利用大规模可编程 器件设计数字逻辑电路或小型数字系统的方法及其相 应的开发手段，为进一步的学习和研究打下基础。期望1.理涓关系，融汇贯通知识树，善于整理，应用为导向，多思好问应用时能直奔主题不用时可侃侃而谈课程内容第一部分 （6次）基础知识介绍可編程逻辑器件详细介绍可編程逻辑38件比较与最新技术发展-开发工具介绍与高级设计 硬件电路设计实例可編程的应用一专用芯片没计流程介绍可编程的应用二） 第二部分：（7次） VHDL习題讲解与答殛第三部分：（6次

3、） 实验：10周以后其他：（1次） 复习 ? ?;（没听懂的.想听的）实验平台（50套）UMMMT1 FVJPertII aegLiDtIMaUMUBTW OmttrtftManWMOvtfl“OA “MMi泸,9tC讥低 ?V Sraiu inarki* WM实验内容实验一分频器设计实验二VHDL描述风格比较实验三4位可逆计数器，4位可逆二进制代码一格雷码转换器设计实验四7段数码管译码器设计与实现实验五状态机代码验证实验六序列检测器的设计实验七基于ROM的正弦波发生器的设计实验八数字密码锁的设计与实现实验九数字频率计的设计参考书籍WPLD/FPGA与ASIC设计实践教程陈喷主编科学出版社 2

4、005.8 ISBN 7-03-016036-3 VHDL数字电路设计教程Volnel A.Redronl著乔庐峰等译电子工业出版社2005.9 ISBN7-121-01743-1 （例题较多，印刷错误较多，建议可参考英文电子书，勘误表VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计侯伯亨顾新编著西安电子科技大学出版社1999年 1 月第2版 ISBN 7-5606-0534-6 （较系 统）实验时间第10周以后待定参考链接httD：eesitueducn：8080/wangzhan/inclexhtm 教学大纲，参考书，实验内容，留言板 http:/www.vhdLorqhttp:/www.fpga.

5、 h ttpt：/www.a I te http:/wwwJ,cn hltp : www.actehcom http : /课程回顾模拟电子技术半导体，P型，N型，自由电子，空穴 PN结，二极管，空间电荷区，单向导电性晶体管.场效应管，MOS管，电流放大作用多种放大电路，放大倍数集成运算放大器，虚断路.虚短路11课程回顾脉冲与数字电路数字，进位，码制与或非逻辑代数（布尔代数），卡诺图化简门电路；TTL, ECL, MOS组合逻辑 真值表触发器，具有记忆功能的逻辑单元，RS,

6、JK, T, D （边缘触发器的一种）时序逻辑常用数字集成电路 RAM SDRAM DDR DPRAM SRAM PSRAM ROM ROM PROM EPROM EEPROM FLASH CAM FIFO MCU. DSP、CPU X86、Power. Xscale. ARM. MIPS. CODEFIRE数字集成电路分类标准单元陈列半定制 电路町編思器件 PLDPROM- PLA. PAL. GAL CPLDRAM ROM. SSI. LSI. 01174系列.CMOS杯爪电路一用户定制电站FPGA数字电路设计的基本方法:组合电路设计问题T逻辑关系9真值表T化简T逻样图:时序电路设计列出原

7、始状态转移图和表T状态优化T状态分 配T触发器选型T求解方程式逻辑图脉冲与数字电路课程的回顾15设计方法的局限E诺图只适用于输入比较少的函数的化简。:采用“搭积木”的方法的方法进行设计。必须 熟悉孑种屮小规模芯片的使用方法，从屮挑选 故合适的器件，缺乏灵活性。:设计系统所需要的芯片种类多H数虽很人。16脉冲与数字电路课程的回顾采用中小规模器件的局限*电路板面积很大,芯片数量很多,功耗很大, 可靠性低一一提髙芯片的集成度设计比较用难一一能方便地发现设计错谋电路修改很麻烦提供方便的修改手段 PLD器件的出现可以改变这一切cddddn n n n nPLD出现的背景电路集成度不断提爲:SSITMSI

8、TLSITVLSI计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用 设计方法的发展:自下而上T自上而下用户需要设计自己需要的专用电路:专用集成电路(ASICAppl icat ion Speci f ic Integrated Circuits)开发周期夜.投 入人，风险人:可编程器件PLD：开发周期短,投入小，风 险小PLD器件的优点具有完诽先进的开发IH&捉供i盲图思尊设计方沱卜分灵活 通过仿处工具来鲍址设的iE确性可以反复地擦除、m 便设计的修改和升级灵活地定义曾脚功絡 城轻设计工作氐 缩如系线幵发时间 保密杵好a y中小规模通用ic比;集成瓯 速度快功耗小可霖性高与犬规模ASIC比：研制周期如

9、.先期投资小.无域险.修改逻辑 设计方便.小批就住产成木低PLD的发展趋势向岛集成度、高速盛方向进一步发展圮尙集成熾已达到400力门向低电压和低功耗方向发展 5V-3. 3V-2.5V-1. 8V今更低n内恨多种功能模块:- RAN, ROM, FIFO, DSP, CPU向数、模混合可编程方向发展21上声4丰J taA UrqtyPLD的发展概况ASIC (Application Specific Integrated Circuit)的设计 与制造，已不再完全由半导体厂商独立承担，系统设计师在 实验室里就可以设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实 际应用之中.这都得益于可编程逻辑器件PL

10、D (Programmabil Logic Dveice)的出现.现在应用最广泛的 FLD圭要是现场可鎗程门阵列FPGA (Field Pnrammabk Gaate Array )、复杂可编程逻辑器件CPLD ( Complex Programmable Logic Device) oPLD的发展概况最早的PLD是1970年制成的PROM(Programmable Read Only Memory),即可编程只读存储器，它是由固定的 与阵列和可编程的或阵列组成。PROM采用熔丝工艺编程, 只能写一次.不能擦除和重写随着技术的发展和应用要求. 此后又出现了 UVEPROM)紫外线可擦除只读存储

11、器)、 EEPROM(电可擦除只读存储器几由于它们价格低，易于 编程，速度低，适合于存储函数和数据表格，因此主要用作 存储器。典型的EPROM有276 2732等PLD的发展概况阍戈済灵込尤事可编程逻辑阵列PLA(Programmable Igic Arrav)于20世 纪70年代中期出现，它是由可编程的与阵列和可编翟的或阵 列组成，但由于器件的资源利用率低，价格较贵，编程复杂, 支持PLA的开发软件有一定难度，因而泼有得到广泛应用可编程阵列逻辑PAL(Programmable Array Logic)器件是 1977年美国MMI公司(单片存储器公司)率先魏岀的.它由 可编程的与阵列和固定的或

12、阵列组成.采用熔丝编程方式, 双极性工艺制造.器件的工作速度很高。由于它的输出结 构种类很多，设计很灵活，因而成为第一个得到普遍应用 的可编程逻辑器件.如PALI6L乩PLD的发展概况通用阵列逻辑器件(；AL(Generk Array Logic 件是19X5 年Lattice公司最先发明的可电擦写、可重复编程、可设置加 密位的PLDo GAL在PAL基础上，采用了输出逻辑宏单元形 式E2CM0S工艺结构。具有代表性的GAL芯片有GALI6V8、 GAL20V8,这两种GAL几乎能纱仿真所有类型的PAL器件。 在实际应用中，GAL器件对PAL器件仿真具有百分之百的兼 容性，所以GAL几乎完全代

13、替了PAL器件，并可以取代大部 分能1、M5I数字集成电路，如标准的54/74系列器件，因而获 得广泛应用.可擦除可编程逻辑器件EPr.D(Erasablc PLD)是20世纪80 年代中期Altera公司推出的基于UVEPROM和C1UOS技术的 PLD,后来发展到采用E2CMOS工艺制作的PLD。EPLD基本 逻辑单元是宏单元.宠单元由可编程的与或阵列、可编程寄存 器和可编程I/O三部分组成。PLD的发展概况从某种意义上讲EPI,D是改进的GAL,它在GAI,基础上 大量増加输出宏单元的数目.提供更大的与阵列，灵活性较 GAL有较大改善，集成密度大幅度提高，内部连线相对固定, 延时小，有利

14、于器件在高频率下工作，但内部互连能力十分 駙.复杂可编程逻辑器件CPLD(Complcx PLD)足20世纪8() 年代末lattice公司提出的在线可编程(ISP, In System rogrammability)技术以后于20世纪90年代初出现的.CPLD 是在EPLD的塞础上发展起来的，采用E2CMOS工艺制作， 与EPLI)相比，增加了内部连线，对逻辑宏单元和I/O单元也 有重大的改进.其典型器件有Alteni的MAX7000系列， Xilinx的7000和殖(M)系列，Lattice的PLSI/kpLSI系列和AMD 的MACH系列。PLD的发展概况现场可编程门阵列FPGA（Fie

15、ld Progranmiabk Gate Array）S件尼Xilinx公司1985年首家推岀的.它是一种新型 的高密度PLD,采用C、1OSSRAM工艺制作.FPGA的结构 与门阵列PLD不同，其内部由许多独立的可编程逻辑模块 （CLB）组成，逻辑块之间可以灵活地相互连接。FPGA出现 后受到电子设计工程师的普遍欢迎，发展十分迅速.Xilinx、 Altcni和AdE等公司都提供高性能的FPGA芯片.PLD的发展概况上汗棗込尤李20世纪末出现了SOPC （片上可编程系统）器件.SOPC 是现代电子技术和电子系统设计的汇聚点和最新发展方向， 它将普通EDA技术计算机系统、嵌入式系统.工业自动化

16、 控制系统.DSP及无线电等溶为一体.涵盖了嵌入式系统设计 技术的全部内容。SOPC结合了SOC和PLI） FPGA各自的优 点，集成了硕核或软核CPU. DSP.存储器、外围I/O及可编 程逻辑，用户可以利用SOPC平台自行设计各种高速高性能的 DSP处理器或特定功能的CPU处理器从而使电子系统设计进 入了一个全新的模式在应用的灵活性和价格上SOPC有极大 的优势，SOPC被称为“半导体产业的未来o XILINX公司 和ALTERA公司的新一代FPGA集成了中央处理器（CPU）或 数字处理器（DSP）内核，在一片FPGA上进行软硬件协同设 计.为实现SOPC提供了强大的硬件支持。J too

17、Wq|.y电路示例2a132多数表决器a3 Output T of There is more Ts than ()M Ou tput O of t lie re is more 0s than 9s74、54系列口使用中、小规模器件设计电路(74、54系列):与非门(74LS00):非门(74I.S04)卷编码器(74LS148)*译码器(74LS154):比较器(74LS83):计数器(74LS193):移位寄存器(74LS194)电原理图逻辑代数（布尔设计）F = Al A2 十 A2 A3 十 Al A3真值表AlA2A3F00000010()100011110001011110111

18、11电路图设计a1a2a334硬件描述语言设计(VHDL)1ibrary leer;use iee. td_lo.ic_1164 oil：entity XYZ isCan i)ut mjtb iiit after the *port(Al, A2.A3n stdlogic：F:out tdlxie )：end IYZ：architecture IYZ _arch f XY7 is begia卩 gk; ormtncntsF! (Mil Md.losk*片end XVZ:Architecture KYZ_arH ofXYZ k bcxinF ： end XVX;MrdUCcvturv XZ ar

19、diorXYZh bryin thr i1 whenhBsFl “nd C =|)dse1 * Mhm KA 二 and (C =) rfee ；rnd XYZ srch:behaviorill, MYZhport(XB-C I F: M kk为rmIMYZitVZ * TKY2hbqtmmkhm, 0TiTl A *1* I iwf llwt !：idHmJ(? thenr !rbiflA rmmI(C rittecar-T:t o*r：nd tf：riwl precc-MSrd XYZ anti;Structure libnary leer： f rnr 二 rp f r;3Fr*i:rauumN.Idppr】:！GFrL_m1.- ?AM:Lsi】12 rF3 沖 Tc or.uor F nMmNlndKlil(Quartus)6，” laaysj a ?v中 usQaeM二 h.bt.-1?v# ib X is k AURR-f Iff 2亠综合L 1卜布线(Place & Route)III!下载到PLD时序逻辑毛刺如何产生？步