CPLDFPGA设计概论课件

1、CPLDFPGA设计概论1 FPGA/CPLD系统设 计与实践 楼斌 CPLDFPGA设计概论2 欢迎大家交流! n计算机应用技术研究所 n第一教研楼509 nEmail: nMobile: CPLDFPGA设计概论3 课程目标和学习方法 n目标： 初步了解FPGA/CPLD的设计方法和流程。 初步掌握QuartusII平台的使用。 初步掌握和较熟练使用Verilog硬件描述语 言的能力。 n学习方法： 以工程实践为基础，通过教学仪器设备使 同学们在短期内掌握FPGA设计方法。 CPLDFPGA设计概论4 参考书目 n课本：面向CPLD/FPGA的Verilog设计机械 工业出版社，王冠、俞一

2、鸣等编著 nVerilog数字系统设计教程北京航天航空大学 出版社，夏宇闻 n数字逻辑基础与Verilog设计(原书第二版)机 械工业出版社 (加)S. Brown等著, 夏闻宇等译 nAltera FPGA/CPLD设计（基础篇/高级篇） 人民邮电出版社 EDA先锋工作室 等著 CPLDFPGA设计概论5 相关网站 nhttp:/ nhttp:/ nhttp:/ nhttp:/ n n CPLDFPGA设计概论6 考核方法 n平时成绩总成绩的40% n期末考试成绩占总成绩的60% CPLDFPGA设计概论7 相关专业名词相关专业名词 EDA：Electronic Design Automat

3、ion 电子设计自动化电子设计自动化 PLD：Programmable Logic Device 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 CPLD：Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件 FPGA：Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列现场可编程门阵列 VHDL：Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 超高速集成电路硬件描述语言超高速集成电路硬件描述语言 ASIC：Application Specific Int

4、egrated Circuit 特定用途集成电路特定用途集成电路 Verilog HDL: ? SOC:System On Chip CPLDFPGA设计概论8 FPGA设计的知识体系 CPLD/FPGA逻辑器件 逻辑代数，数字电路 数字系统 EDA设计 理论基础 应用 使用方法 CPLDFPGA设计概论9 CPLD/FPGA是什么可编程逻辑 器件 n电子器件 n逻辑器件实现数字逻辑功能 n可编程有自己设计方法，编程语言 n特点：并行性、高吞吐量、灵活性 n发展趋势： 高集成度、低功耗、高速度、设计抽象化 CPLDFPGA设计概论10 FPGA的理论基础数字逻辑 n解决的问题： 逻辑问题，计算

5、问题，包括所有数字计 算机能解决的问题 n数学描述： 逻辑代数，布尔代数，有限状态机 n电路抽象： 组合电路，时序电路 CPLDFPGA设计概论11 FPGA做什么用数字系统 n芯片的原型验证 n通信：无线基站，软件无线电 n图像视频：压缩、预处理、3D图像处理 n医疗卫生，汽车电子 n科学计算：加密解密、基因计算 n军事航天：可重构计算 n嵌入式系统：软核、硬核CPU CPLDFPGA设计概论12 FPGA设计方法学EDA技术 n信息时代的心脏 IC 计算机网络-手机- 物联网 n现代电子设计技术的 核心EDA IC,CPU EDA技术技术 计算机计算机 CPLDFPGA设计概论13 EDA

6、技术CAD nPCB技术 nIC设计技术 nIC版图设计技术 nIC电路制造技术 nIC测试和封装技术 nCPLD/FPGA设计技术、编程下载技术 CPLDFPGA设计概论14 EDA技术的发展 n计算机：电子管（50）-晶体管（60）-集成电 路（70） n70年代：IC双极工艺、MOS工艺; PCB布局布线， IC版图编辑 n80年代：IC进入CMOS时代；FPGA开始出现； PCB原理图输入、自动布局布线、PCB分析，逻 辑设计、逻辑仿真、逻辑函数化简，各种硬件描 述语言出现 n90年代：硬件描述语言标准化；EDA全面应用 CPLDFPGA设计概论15 EDA技术进入21世纪 nIP形式

7、描述与复用； nSOC设计的成熟，更大规模FPGA/CPLD器 件不断推出； n全面EDA时代：模拟与数字，软件与硬件， 系统与器件等 n高级硬件描述语言SystemC,SystemVerilog 不断发展。 CPLDFPGA设计概论16 EDA技术实现目标技术实现目标 CPLDFPGA设计概论17 EDA技术实现目标技术实现目标 n1. 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 n2. 半定制或全定制半定制或全定制ASIC （1）门阵列）门阵列ASIC （2）标准单元）标准单元ASIC n3. 混合ASIC CPLDFPGA设计概论18 硬件描述语言硬件描述语言Verilog HDL n Verilog

8、 HDL n VHDL n SystemVerilog：基于Verilog，增强系统级设计及验 证能力 n System C： C+扩展，电子系统级建模与验证。 CPLDFPGA设计概论19 VHDL VITAL 系统级 算法级 寄存器传输级 逻辑门级 开关电路级 行为级 的抽象 VerilogHDL 与 VHDL 建 模 能 力 的 比 较 Verilog VITAL (VHDL Initiative Towards ASIC Libraries) CPLDFPGA设计概论20 HDL综合综合 从从自然语言自然语言转换到转换到Verilog HDL语言算语言算 法表述法表述 自然语言综合自然

9、语言综合 从从算法表述算法表述转换到寄存器传输级转换到寄存器传输级 （Register Transport Level，RTL） 表述表述 行为综合行为综合 从从RTL级表述级表述转换到逻辑门转换到逻辑门(包括触发包括触发 器器)的表述的表述 逻辑综合逻辑综合 从从逻辑门表示转换逻辑门表示转换到版图级表述到版图级表述 (ASIC设计设计)，或转换到，或转换到FPGA的配的配 置网表文件，置网表文件， 版图综合或结构版图综合或结构 综合综合 结合某些因素，把设计抽象中的结合某些因素，把设计抽象中的 一种表述转化为另一种表述一种表述转化为另一种表述 CPLDFPGA设计概论21 编译编译VS综合综

10、合 计算机 程序 依赖于CPU CPLDFPGA设计概论22 HDL综合器运行流程综合器运行流程 CPLDFPGA设计概论23 自顶向下的设计技术自顶向下的设计技术 布局布线 结构优化 CPLDFPGA设计概论24 FPGA/CPLD设计流程设计流程 CPLDFPGA设计概论25 FPGA设计流程设计流程 (1) 设计输入（原理图设计输入（原理图/HDL文本编辑）文本编辑） 1. 图形输入图形输入 2. HDL文本输入文本输入 综合综合 输出网表文件，如EDIF,VHDL,Verilog等标准格式。 CPLDFPGA设计概论26 FPGA设计流程设计流程 (2) 适配：结构综合，网表配置于指定

11、目标器件。适配：结构综合，网表配置于指定目标器件。 （2）功能仿真）功能仿真 （1）时序仿真）时序仿真 时序仿真与功能仿真时序仿真与功能仿真 编程下载编程下载 硬件测试硬件测试 CPLDFPGA设计概论27 ASIC及其设计流程及其设计流程 CPLDFPGA设计概论28 ASIC及其设计流程及其设计流程 ASIC设计简介设计简介 CPLDFPGA设计概论29 ASIC及其设计流程及其设计流程 CPLDFPGA设计概论30 常用常用EDA工具工具 1. 设计输入编辑器设计输入编辑器 2. HDL综合器综合器 3. 仿真器仿真器 4. 适配器适配器 5. 下载器下载器 CPLDFPGA设计概论31

12、 Quartus II概述概述 LPM:Library of Parameterized Modules CPLDFPGA设计概论32 IP核核 IP就是知识产权核或知识产权模块的意思，在就是知识产权核或知识产权模块的意思，在EDA技技 术开发中具有十分重要的地位。术开发中具有十分重要的地位。 软软IP是用是用Verilog/VHDL等硬件描述语言描述的功能块，等硬件描述语言描述的功能块， 但是并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能。但是并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能。 固固IP是完成了综合的功能块。是完成了综合的功能块。 硬硬IP提供设计的最终阶段产品：掩模。提供设计的最终阶段产品：掩模。 现在的IP库已包含ARM,PowerPC,TMS320C50, H.264等IC模块。 CPLDFPGA设计概论33 EDA技术发展趋势管窥技术发展趋势管窥 n 在一个芯片上完成系统级的集成已成为可能在一个芯片上完成系统级的集成已成为可能(SOC)。 n 可编程逻辑器件开始进入传统的可编程逻辑器件开始进入传统的ASIC（成本太高）市（成本太高）市 场。场。 n