课件-电子线路

第一篇可编程逻辑器件武汉理工大学信息工程学院电子线路EDA教材与参考书教材：EDA技术与VHDL(第3版)潘松黄继业清华大学出版社2009年9月参考书：FPGA/VHDL快速工程实践入门与提高

杨恒卢飞成北京航空航天大学出版社2003.4FPGA设计及应用（第二版）褚振勇齐亮西安电子科技大学出版社2006年12月DigitalSystemDesignwithVHDLMark.Zwolinski.出版社：PubishingHouseofElectronicsIndustry，2002年3月电子线路EDA前言传统数字系统设计的基本器件主要为标准逻辑器件TTL74系列CMOS4000系列标准逻辑器件的主要缺点逻辑规模小，功耗大，可靠性低，一个数字系统使用几十片甚至上百片标准器件，系统布线复杂，印制板面积大。电子线路EDA前言70年代末各国半导体厂家开发了专用集成电路(ASICApplicationSpecificIntegratedCircuit)。由此产生了电子设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomation）

ASIC可分为全定制半定制PLD(ProgrammableLogicDevice)其中PLD器件的开发不需要半导体厂家参与，适合于普通用户使用。PLD器件每年都以30％以上的速度发展，是集成电路中发展最快的器件之一，在当今一些成功的电子产品中都可以看到ASIC的应用。电子线路EDA前言PLD器件主要优点为：规模大。一片PLD器件的规模可达几十万或上百万个逻辑门以上。系统芯片化。一片PLD器件可实现数字系统，称为片上系统SOC(systemonchip)，使电子系统小型化。实现了硬件电路的软件设计。利用PLD厂商提供的开发软件进行编程，大大降低系统设计成本、提高设计效率、缩短了设计周期。电子线路EDA前言PLD器件的三个组成部分：输入/输出部分，基本逻辑阵列块，阵列块之间的互连资源后两部分主要决定该PLD器件的结构。

PLD器件按器件规模可分为：低密度器件(如早期的PAL、GAL等器件)高密度器件（EPLD、CPLD和FPGA）。ErasableProgrammableLogicDevice

ComplexProgrammableLogicDeviceFieldProgrammableGateArray

电子线路EDA前言——高密度PLD器件EPLD(ErasableProgrammableLogicDevice)

采用“与——或”阵列(乘积项)，“粒度”较粗，组合逻辑功能较强，Lattice公司的ispLSIl000/2000/3000系列，ALTERA公司的MAX5000／7000／9000系列，XILINX公司的XC9500系列CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)采用查找表形式(LUT)，寄存器功能较强，但“粒度”较粗，ALTERA公司的6000／8000／MAXII系列器件；FPGA(FieldProgrammableGateArray)采用查找表形式，但“粒度”较细Xilinx的XC4000/5000/等系列器件ALTERA公司的FLEXl0K10/Cyclone／CycloneII系列器件；电子线路EDA前言本教程选用高密度PLD芯片为：ALTERA公司的CPLD器件EPM7128SALTERA公司的FPGA器件EPFl0K20ALTERA公司的FPGA器件Cyclone系列EP1C3TC144C8电子线路EDA举例——问题的提出设计一个数字钟，使之完成以下功能：实现时、分、秒的计时；时可采取12小时计时也可采取24小时计时；具有异步清零和启动/停止功能；并可调整时间。用数码管显示时分秒；具有整点报时功能；可继续设计日、星期、月、年等其他万年历功能。可设计秒表功能，闹钟功能。电子线路EDA解决方案1——传统的数字系统设计方法1.根据设计要求划分功能模块；2.确定输入和输出的关系，画出真值表，写出逻辑表达式；4.利用公式或卡诺图进行人工化简；5.根据化简后的逻辑表达式画出电路原理图；6.在面包板上进行实验，验证电路的正确性；7.若无错误，再在透明薄膜上用贴图符号贴PCB图；8.检查后送制板厂制板；9.对PCB板进行安装、调试，若有大的错误，修改设计，重复以上过程，重新制板。搭积木的方式！基于电路板的设计方法——采用固定功能的器件（通用型器件），通过设计电路板来实现系统功能电子线路EDA特点采用自下而上（BottomUp）的设计方法采用通用型逻辑器件搭积木式的方式在系统硬件设计的后期进行仿真和调试主要设计文件是电路原理图

解决方案1——传统的数字系统设计方法电子线路EDA传统的数字系统设计方法的缺点效率低下——所有这一切，几乎都是手工完成！设计周期很长；容易出错；芯片种类多，数量大，受市场的限制；设计灵活性差；产品体积大。电子线路EDA解决方案2——现代的数字系统设计方法首先在计算机上安装EDA软件，它们能帮助设计者自动完成几乎所有的设计过程；再选择合适的PLD芯片，可以在一片芯片中实现整个数字系统。基于芯片的设计方法——采用PLD（可编程逻辑器件），利用EDA开发工具，通过芯片设计来实现系统功能。EDA软件空白PLD+数字系统编程电子线路EDA现代的数字系统设计方法（续1）1.根据设计要求划分功能模块2.PLD开发（利用EDA工具）（1）设计输入：采用原理图或硬件描述语言（HDL），描述出输入和输出的逻辑关系，将整个原理图或程序输入到计算机中；（2）设计的编译：EDA工具可自动进行逻辑综合，将功能描述转换为门级描述，或转换成具体PLD的网表文件，将网表文件自动适配到具体芯片中进行布局布线；（3）功能仿真和时序仿真；（4）编程下载到实际芯片中，在实验台上进行验证；（5）在每一阶段若有问题，可在计算机上直接修改设计，重复以上过程。电子线路EDA现代的数字系统设计方法（续2）3.设计包含PLD芯片的电路板（1）在计算机上利用EDA软件画电路原理图；（2）进行电气规则检查无误后，自动生成网表文件；（3）利用EDA软件画PCB图，自动布线；（4）自动进行设计规则检查，无误后输出文件，制板。

优点：效率高——所有这一切，几乎都是借助计算机利用EDA软件自动完成！容易检查错误，便于修改；设计周期短、成功率很高；产品体积小。电子线路EDA现代的数字系统设计方法通常采用自上而下（TopDown）的设计方法采用可编程逻辑器件在系统硬件设计的早期进行仿真主要设计文件是用硬件描述语言编写的源程序降低了硬件电路设计难度特点自行定义器件内部的逻辑和引脚写出真值表或状态表→EDA开发工具自动进行逻辑综合→模拟仿真→编程下载到PLD中基于芯片——采用PLD，利用EDA开发工具，通过芯片设计来实现系统功能。电子线路EDA什么是EDA技术？EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化）是在计算机的辅助下完成电子产品设计的一种先进的硬件设计技术！是立足于计算机工作平台开发出来的一整套先进的设计电子系统的软件工具。计算机并口器件编程接口PCBBoardPLD编程目标文件电子线路EDA学习EDA到底有什么用呢？真有趣，可以按自己的想法设计一个芯片！我也要参加全国大学生电子设计竞赛！呀，毕业设计正好能用得上哎！原来在一个芯片里就可以设计一个完整的计算机系统呀！找工作时也算得上一技之长哦！电子线路EDA前言——开发工具LATTICE公司PLD器件开发软件为ispEXPERTSystem支持Lattice公司的ispLSI、ispGAL、ispGDS器件的设计、编译和逻辑模拟支持原理图输入支持硬件描述语言输入(ABEL、VHDL和Verilog语言)提供功能模拟器和波形显示器电子线路EDA前言——开发工具ALTERA公司PLD的开发软件为MAX+PLUSII/QuartusII

支持Altera公司的器件设计支持原理图设计输入支持硬件描述语言输入(AHDL、VHDL、Verilog语言)支持波形设计输入提供功能仿真和波形显示器从总体上说，MAX+PLUSII开发系统的功能要强于ispEXPERTSYSTEM开发系统，但后者的程序调试功能更强。电子线路EDA前言——开发工具Xilinx公司PLD开发软件为Fundation/ISE8.0支持Xilinx公司的器件设计支持原理图设计输入支持硬件描述语言输入(VHDL、Verilog语言)支持波形设计输入提供功能仿真和波形显示器电子线路EDA前言PLD带来电子设计领域的巨大变革和全新概念电子设计自动化EDA(ElectronicDesignAutomation)产生了片上系统SOC(systemonchip)在系统编程ISP(insystemprogramming)的概念设计思想——自顶而下，硬件电路设计软件化。电子线路EDA前言EDA技术的新发展在FPGA上实现DSP（数字信号处理）应用成为可能，用纯数字逻辑进行DSP模块的设计，使得高速DSP实现成为可能嵌入式处理器软核的成熟，使得SOPC(systemonProgrammablechip)步入大规模应用阶段。在一片FPGA上实现一个完备的数字处理系统成为可能软硬IP(IntellectualProperty知识产权)核在电子行业的产业领域广泛应用。电子线路EDA前言IP核分为：硬件IP（HardIP）模块已完成布局布线和功能验证并将设计映射到IC硅片的物理版图上。软件IP（SoftIP）模块通常是可综合的寄存器级硬件描述语言模型，它包括仿真模型、测试方法和说明文档。固件IP（FirmIP）模块但是以HDL代码的形式将软件IP模块提供给用户不是最有效的方法，原因是用户将IP模块潜入到自己的系统后，新的布局布线往往会降低IP模块的性能，甚至使整个系统都无法工作。因此通常将带有布局布线信息的网表提供给用户。这种含有布局布线信息的软件IP模块又称为固件IP模块。电子线路EDA前言ALTERA和XILINX公司采用固件IP形式向用户提供IP模块。具有知识产权的IP目前得到了迅速的发展XILINX公司提供IP模块库LogiCore和AllianceCoreALTERA公司提供IP模块库MegaCore(ALTERA公司提供)AMPPMegafunction(ALTERA公司的第三方合作伙伴提供，AMPPAlteraMegafunctionPartnersProgram)电子线路EDA前言本课程学习内容分为三大部分：PLD器件VHDL语言QuartusII开发工具电子线路EDAEDA实验平台可编程逻辑器件Cyclone系列EP1C3T144C8JTAG下载口电源电路AS下载口下载适配器电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLDPLD器件是70年代发展起来的一种新型逻辑器件带来电子设计领域的巨大变革和全新概念电子设计自动化EDA(ElectronicDesignAutomation)产生了片上系统SOC(systemonchip)在系统编程ISP(insystemprogramming)的概念设计思想——自顶而下，硬件电路设计软件化。随着计算机的普及和PLD器件价格下降，使得普通用户开发和应用PLD器件成为现实。电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLD1.1数字器件的分类数字器件各种含CPU的微处理器标准逻辑器件专用数字集成电路ASIC单片机系列高级微处理器数字信号处理器各种门电路中规模集成电路存储器全定制产品半定制产品可编程逻辑器件PLD电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLDPLD器件的基本结构

例如，Z(A,B,C,D)＝AB+BC+ACD用3个与门和一个或门便可实现。基本逻辑阵列块输入/输出部分阵列块之间的互连资源电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLDPLD器件I/O电路输入电路、输出电路和反馈电路中，要用到大量的缓冲器这些缓冲器一方面是为了增加驱动能力，另一方面提供互补输出。电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLD与门、或门的表示

电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLD举例：逻辑函数用PLD表示法连接后的完整逻辑图“•”表示硬“连接”，出厂前由厂家连上“×”表示由用户编程连接电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLDPLD器件开发的一般过程系统投产设计说明书编译设计文件功能验证设计输入定时验证器件编程系统内验证修改设计电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLDPLD器件开发的优点：PLD器件开发工作在计算机上进行软件编程、调试；大大减少了开发费用大大缩短开发周期当开发大型数字系统时，采用传统方法需要几个月；采用PLD器件设计在一天之内就可完成。电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLDFPGA与CPLD规模大，适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片。三大组成部分一个二维的逻辑块阵列，构成了PLD的核心输入/输出块连接逻辑块的互连资源，连线资源由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的逻辑开关，它们用于逻辑块之间，逻辑块与输入/输出之间的连接。电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLDALTERA公司的PLD器件介绍自1983年一直从事PLD器件的研发，各系列产品特性如下器件系列逻辑单元结构连线结构用户I/O引脚可用门工艺CLASSIC乘积项连续22－68300－900EPROMMAX7000乘积项连续36－212600－10000EEPROMMAX9000乘积项连续52－21610000－12000EEPROMFLEX6000查表项连续71－21816000－24000SRAMFLEX10K查表项连续59－57010000－250000SRAMAPEX20K乘积项，查表项连续250－780263000－2670000SRAMMAXII乘积项，查表项连续80－2702000－300000EEPROMCyclone乘积项，查表项连续65－30060000－400000SRAMCycloneII乘积项，查表项连续85－62290000-1400000SRAMEP1C6有12万门电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLDMAX7000系列器件的结构和性能最快的高密度可编程逻辑器件。这些基于EEPROM技术的器件提供组合延迟电快达4.5nS，16位计数频率达192.3MHz。提供高速输入寄存器建立时间，多个系统时钟和可编程的速度／功率控制。MAX7000MAX7000EMAX7000AMAX7000SMAX7000E是MAX7000的增强型器件，7000S又在7000E基础上改进，支持JTAG边界扫描(BST)和在系统编程(ISP)，MAX7000A支持3.3V电压，提供低功耗工作模式，多电压I/O接口能力等。电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLD（1）MAX7000结构中包括逻辑阵列块LAB内含（宏单元、扩展乘积项）；可编程连线阵列PIA；I/O控制块；三部分组成宏单元1—16LABA宏单元1—16LABA宏单元1—16LABD宏单元1—16LABCLABBPIAI/O控制块I/O控制块I/O控制块I/O控制块8-16个I/O引脚8-16个I/O引脚8-16个I/O引脚8-16个I/O引脚INPUT/GCLKINPUT/GCLKRnINPUT/OE1nINPUT/OE2n电子线路EDA第一章可编程逻辑器件PLD设计加密MAX7000器件都包含一个可编程保密位，该保密位控制能读出器件内的配置数据，当保密位被编程时，器件内实现的专利设计不能被复制或取出，由于在EEPROM内的编程数据是看不见的，利用保密位可实现高级设计保密当器件重新编程时，保密位连同其他的编程数据均能擦除和重写。电子线路EDA2.Altera的系列产品Altera公司创立于1983年，总部位于美国硅谷圣侯赛。1984年Altera成功开发了第一个可重复编程的逻辑器件——EP300，其第一款商业化的PLD，即Classic器件直到今天还在市场上销售。Altera分别在1988年和1992年推出了基于乘积项的MAX构架和基于查找表(LUT)的FLEX构架。最近Altera推出了QuartusII开发系统和广泛的IP功能。电子线路EDAAltera产品的特点

Altera的PLD在工业界是最快和最大的。他们提供的密度和速度接近于专用门阵列，并避免了高的前期成本和大的产品投入，增强了产品的竞争力。这些PLD也提供了高度的灵活性。

Altera公司的CPLD系列产品的独特之处高密度在线配置功能高速度连续分布式结构电子线路EDA2.Altera的系列产品Altera公司将其PLD产品分为FPGA、CPLD和结构化ASIC三个大类FPGAStratix、StratixII、StratixIIGX、StratixGX、Cyclone、CycloneII、APEXII、APEX20K、Mercury、FLEX10K、ACEX1K、FLEX6000、FLEX8000和Excalibur系列器件CPLDMAXII、MAX3000A、MAX5000、MAX7000、MAX9000以及Classic系列结构化ASICHardCopyAPEX、HardCopyStratix、HardCopyII电子线路EDA2.Altera的系列产品Stratix高密度FPGA，通用高性能FPGA系列，性能：Nios嵌入式处理器支持；DSP块大容量片内存储器高速I/O及外部存储器接口广泛的IP核支持StratixII高密度FPGA，密度更高，速度更快的通用高性能FPGA系列，性能：Nios嵌入式处理器支持；更多的DSP块大容量片内存储器高速I/O及外部存储器接口广泛的IP核支持支持动态相位调整(DPA)支持高达1Gb/s的源同步信号电子线路EDA2.Altera的系列产品Cyclone低成本FPGA，第一代低成本Cyclone