微机应用新技术

第二部分EDA技术与可编程逻辑器件-----(CPLD/FPGA,VHDL)需要掌握开发环境Quartus||的使用。在FPGA/CPLD上构建时序逻辑。在FPGA/CPLD上建立Nios系统。完成下列作业：1、通过实验“串口逻辑”，增加功能。2、通过实验“Nios||”，增加功能。

EDA（ElectronicDesignAutomation）即电子设计自动化,是以计算机和微电子技术为先导，汇集了计算机图形学、拓扑、逻辑学、微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机技术应用学科最新成果，应用于电子设计过程而形成的一门新技术。

EDA的概念IMUSTB&ELAB©EDA技术以计算机为工具，代替人完成对数字系统的逻辑综合、布局步线和设计仿真工作。设计人员只需要完成对系统功能的描述，在EDA软件平台上，用图形输入、硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段，所形成的设计文件自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真，支持对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。

EDA的概念IMUSTB&ELAB©微电子和计算机领域的原理创新、技术创新、应用创新层出不穷，极大地推动了科学技术的发展，深刻地改变着人们对自然界的认识和人们的生活。在该领域中，嵌入式系统，SOC、SOPC、IP核等新概念、新技术异军突起，其应用范围迅速深入到制造业，通信控制、仪器仪表、生物、汽车、船舶、航空航天以及消费类等方面。EDA技术的发展趋势20世纪70年代MOS工艺的可编程逻辑器件问世20世纪80年代20世纪90年代80年代末CMOS工艺的复杂可编程逻辑器件应用FPGA，CAE和CAD技术广泛应用超大规模可编程逻辑器件面世EDA技术逐步成熟EDA技术的发展历程IMUSTB&ELAB©将数字系统的功能要求划分成许多模块。对每一个模块画出真值表。用卡诺图进行手工逻辑化简，写出布尔代数的表达式。画出相应的逻辑线路图。选择元器件，设计电路板自下向上设计方案。进行实测和调试。EDA技术与传统电子设计方法的比较手工设计的方法IMUSTB&ELAB©复杂的电路的设计和调试困难。查找和修改错误十分不便。设计过程中产生大量的文档，不易管理。集成电路的设计和实现与具体的生产工艺相关，因此可移植性较差。EDA技术与传统电子设计方法的比较—续手工设计的缺点EDA技术与传统电子设计方法的比较—续采用硬件描述语言作为设计输入强大的系统建模、电路仿真功能适应于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案开发技术的标准化、规范化以及IP核的可利用性对设计者硬件知识和硬件经验要求低ASIC的设计制造在实验室内就可以完成EDA技术的特点利用电路的计算机辅助分析软件，采用硬件描述语言或原理图等输入方法对可编程逻辑器件进行软件仿真和硬件编辑。缩短产品开发周期、降低成本,且能最大限度地将设计资源应用到产品设计的各个环节,保证产品在性能、可靠性上适合工业化生产的各个方面。使用EDA技术的优势利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。设计输入可以使用硬件描述语言(HDL)，采用“自顶向下”的设计方法，为设计者提供了一个高效、便捷的设计环境，同时也为充分发挥设计人员的创造性提供了条件。使用EDA技术的优势EDA技术被广泛的应用于数字系统的设计可编程逻辑器件按结构的分类其基本逻辑结构为与或阵列包括有低密度PLD(PROM,PLA,PAL,GAL也叫简单的PLD）以及EPLD和CPLD1、PLD（ProgrammabeLogicDevice)CPLD(ComplexPLD):复杂可编程逻辑器件CPLD和简单的PLD相比，允许有更多的输入信号，更多的乘积项和宏单元，CPLD器件内部含有多个逻辑单元块，每个逻辑块就相当于一个GAL器件，这些逻辑块之间可以用可编程内部连线实现相互连接。

对用户而言，CPLD、FPGA的内部结构略有不同，但用法是相同的，所以，多数情况下不加以区分。它们具有掩膜编程逻辑门阵列的通用结构，由逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块，以实现不同的逻辑设计。FPGA不受“与－或”阵列结构和含有触发器、I/O端数量的限制，依靠内部的逻辑单元以及它们的连接构成任何复杂的逻辑电路，更适合实现多级的逻辑功能，并具有更高的密度和更大的灵活性。2、FPGA（现场可编程门阵列）可编程逻辑器件按结构的分类CPLD的基本结构在单片芯片上集成了成千上万个等效门，因此在单片CPLD芯片上能集成数字电路系统CPLD和简单的PLD相比，允许有更多的输入信号，更多的乘积项和宏单元，CPLD器件内部含有多个逻辑单元块，每个逻辑块就相当于一个GAL器件，这些逻辑块之间可以用可编程内部连线实现相互连接。I/O逻辑块逻辑块逻辑块逻辑块器件内部的可编程连线区I/O逻辑块逻辑块逻辑块逻辑块CPLD的结构框图CP响LD内部稼逻辑织块的泪结构IOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLB布线区FP禽GA由可你编程锤逻辑盼模块CL想B(略Co烤nf巷ig开ur帝ab讽le凯L壤og轿ic聚B俩lo捐ck检)、输入彩输出针模块IO胜B(纤In从pu阳t斤/O刚ut蛋pu晕t桥Bl萍oc虹k)、可编轨程连时线资拖源构把成。可编娱程逻务辑模说块是侧实现手各种仓逻辑云功能昼的基角本单概元，遗包括构组合姑逻辑沸、时遣序逻车辑、RA带M以及趟各种南运算箱功能患。FP合GA的基酱本结角构不像PL设D那样专受结暗构的过限制马，它眼可以贵靠门语与门例的连庸接来筝实现虹任何策复杂异的逻蹄辑电隆路，讨更适假合实怜现多佣级逻斧辑功砍能。FP控GA的可测编程昨逻辑甜功能枝块前面训介绍筝的PL脖D都是锡基于规乘积循项的侮可编杜程结瓣构，劣即可衣编程趁的与馋阵列暗和固辣定的旷或项智组成尸，而FP垒GA的结宰构按忍可编克程逻晋辑功洞能块医的不铲同主洲要有输三种倒类型研：查找相表结饭构、多师路开借关结木构、旦多级继与非斧门结揪构。大部恒分的FP你GA都采释用SR旺AM的查细找表昼逻辑僚形成吓结构炸。CP婶LD堡/F测PG珠A的编迅程工挺艺基于声熔丝烘和反绩熔丝海编程闸单元基于钢电可刷擦除灯存储辩单元忧的EE贿PR巡寿OM或FL瘦AS粱H技术基于SR停AM查找明表的效编程匀单元现场墙可编统程门冰阵列FP葱GA的特而点SR长AM结构溪：可以碎无限缓次编丸程，拜但它唐属于溉易失睁性元停件，近掉电炉后芯限片内孝信息喷丢失散。通作电之沿后，件要为FP段GA重新睬配置句逻辑内部塘连线腾结构碰：CP状LD的信与号通仇路固粒定，静系统登速度尽可以昏预测吩。而FP尿GA的内超连线选是分教布在CL陶B周围村，而指且编嘱程的竿种类昏和编饶程点吹很多易，布线水相当珍灵活。芯片旬逻辑四利用末率：由于FP孙GA的CL枝B规模证小，亭可分杯为两就个独命立的可电路畏，又再有丰讨富的第连线酒，其逻姿辑利舒用率字很高。芯片加功耗乌：FP筋GA芯片暮功耗0.撤25筝mW～5m挖W之间其，静卖态时傍几乎派没有脂功耗亮，所那以称FP宴GA为零功悬耗器届件。CP往LD列/F蝴PG劲A相当捆于20到50谅0以上刻个TT培L电路友集成讽到一撒个器去件内,有较骂高的阀密度;设计价者以锤自己葱的方长法设绍计所羞需的仓逻辑版系统,增加裙了灵周活性;可以湖方便梅地通寺过计店算机问软件斯平台,对所仰设计挺的系诵统进次行修尝改和雾仿真,不用馅对印暑刷板惩进行平修改;系统甘集成坟到可锡编程盒逻辑脊器件些以后,可减越少印汪刷板揉的层宵次和唤缩小约印刷钻板的租面积肢。CP辟LD和FP吵GA与TT腹L电路械的比狭较1.信FP滥GA有更古多的I/身O管脚据，多面达几瘦百条捡，不稻会出舰现PA狱L逻辑烈没有仿使用何完之银前，I/袜O已经催用完;2.有更笛多的醉触发择器,可以互构造地许多乱的寄满存器谷和计敬数器;3.可以煤集成冻多个PA财L;4.减少碧印刷奸板面迅积,降低拜系统两成本;降低耀功耗;5.系统袍有较仪少的快元件急在印时刷板奴上,可靠叙性增奏加;6.可重肚复编劲程性,P迎AL只能侮一次偏编程,F墨PG香A/酸CP款LD多次生编程;7.加密异能力匀增加乔。FP狠GA与PA钢L的比腰较FP较GA的结渠构与招门阵邮列PL绸D不同屋，它粱内部槽由许梳多独锹立的肝可编秆程逻难辑模壳块CL悠B组成床，逻番辑块歉之间痒可以祥灵活踢的相态互连氏接。CL麻B的功怨能很柏强，洽不仅锐能实日现逻泡辑函洗数，朵还可销以配遵置成RA加M等复趋杂的胀形式减。基于SR虾AM的FP孟GA工作烛前需那要从夹芯片父外部掀加载格配置困数据焰，配怪置数钓据可调以存企放在淋片外胶的EP允RO父M上或逮计算贺机上浆，我副们可欧以在编现场嫩控制感加载肤过程狗，修梯改器控件的撇逻辑狼功能凤，即窑所谓双现场快可编赏程。FP性GA与CP宴LD的比窗较CP咸LD在单城片芯川片上毫集成姥了成埋千上开万个深等效老门，蹦主要服由可娘编程以逻辑屡宏单怀元、恭可编系程I/怀O单元交和器件己内部在的可政编程横连线俩构成1.拍L熊at厚ti萄ce公司CP返LD器件轮系列—is垮pL赔SI、is陕pMA朽CH系列集成度特点以及应用场合ispLSI1000系列2000-8000门价格便宜，适用于一般数字系统设计，例如网卡、控制器、高速编程器、游戏机和测试仪器仪表ispLSI2000E/2000VL/2000VE系列1000－6000门速度最高可达300MHz，适合于速度要求高或需要I/O引脚较多的系统，例如移动电话、高速路由器、和高速PCM遥测系统。ispLSI5000V系列1万－5万门适用于具有32位或64位总线的系统，例如快速计数器、状态机和地址译码器ispLSI8000/8000V系列可达58000门该系列器件能满足复杂数字系统的设计，可用于外围控制器、运算协处理器等CP移LD绑/FP葵GA器件饺产品歉简介2.Xi拼li础nx公司位的FP摆GA和CP乓LD器件登系列Xi呜li各nx公司的CP馅LD以Co滤ol踪蝶Ru定nn娱er、XC久95云00系列迎为代墓表Xi愧li某nx公司的FP箭GA以XC理40促00、Sp慈ar澡ta仇n、Vi暖rt腥ex系列总为代雀表，乞从XC件20册00、XC藏40零00到Sp仆ar桶ta约n和Vi访rt械ex、Vi冶rt尚ex衬IIpr约o等系认列其论性能联不断务的提到高。3.Al撕te堵ra公司FP丈GA和CP卖LD器件碎系列Al锋te雅ra公司隙的PL墙D具有躺高性匹能、枪高集淋成度仍和高忧性价荡比的栋特点施，此述外它洽还提扯供了薪全面冤的开漂发工驴具和京丰富末的IP核及语宏功挤能库颠，所唉以多讨年来始一直睡占据淹行业缝领先御地位壳。Al跑te久ra公司德的产枪品按犬先后投顺序年依次昏为Cl泪as撕si珍c系列茧、MA最X系列呆、FL饺EX系列谎、AP展EX系列AC经EX系列仪、Cy镰cl仆on松e系列姨以及St撤ra捞ti川x器件总体说明独特性能MAXII最低的成本、单芯片、易用的CPLD系列最低的CPLD成本和功耗。最高的CPLD密度和性能HighestCPLD上电即用性，非易失性用户Flash存储器1.8-V,2.5-V&3.3-V电源电压MAX低成本CPLD，用于较低复杂度的低密度设计从低密度到中等密度上电即用性，非易失性5-VI/O支持确定的时序2.5-V、3.3-V或5.0-V电源电压CycloneII第二代低成本CycloneFPGA系列用于那些考虑成本多于性能或其他功能的设计。Nios®嵌入式处理器支持嵌入式18x18数字信号处理(DSP)乘法器中等容量的片内存储器中等速度的I/O和存储器接口广泛的IP核支持4.Al驳te宫ra公司较的新巩型FP更GA和CP佩LD器件细系列Al闯te惜ra公司龟在MA坑X、St岔ra球ti秧x、Cy落cl举on患e系列承的基意础上秤又开艺发了MA垫XI筋I、St弹ra差ti糖xI叹I及Cy贪cl歪on移eI蒜ICyclone第一代低密度、低成本CycloneFPGA系列Nios嵌入式处理器支持中等容量的片内存储器从低到中等速度的I/O和存储器接口广泛的IP核支持StratixII低成本FPGA系列，用于较低密度Nios嵌入式处理器支持最多的DSP块大容量片内存储器高速I/O和存储器接源同步信号1-Gbps动态相位队列（DPA）广泛的IP核支持Stratix通用高性能FPGA系列Nios嵌入式处理器支持DSP块大容量片内存储器高速I/O及存储器接口广泛的IP核支持4.Al喷te抬ra公司竿的FP益GA和CP赖LD器件股系列沾（续冒）FP潜GA隔/C离PL演D器件和电枣路系崭统原理你图/H飘DL文本愚编辑综合FP地GA卵/C哑PL穴D编程豆下载时序呼与功花能门级哲仿真FPGA/CPLD适配Is贸p方式扁下载JT佣AG方式猜下载针对SR滥AM结构迅的配誓置Ot亦p器件阵编程功能巩仿真FP保GA丢/C垂PL强D的设盖计流蛋程设计仙文件若的输治入方奴法有原理匀图输记入、介文本辱输入、波娇形输载入等苍，生遇成方旋法不堆同，攀生成竹的文肢件格推式也玻有所鉴不同椅。在图浆形设泻计文底件中独，ED逐A软件巾为了锡实现酒不同居的逻访辑功丧能提浪供了而大量锻的基唐本单唇元符仅号和瓜宏功纵能模遇块，在图寄形编屠辑器嘴中可担以直摔接调乓用；泛为了望适应椒自顶女向下娱的设振计，搬设计晴者可窗以使质用图韵形块谊输入穴建立物顶层扫设计,可以挂使用AH密DL、VH岛DL和Ve攀ri扣lo姥gHD落L文本构型输好入建鹿立底层设醒计。⑴颈设计展输入设计段流程⑵征综合纳、适劝配设计沾流程综合丝式：把舰软件迎设计绪的HD裹L语言雷描述渠与硬软件结究构挂导钩，控是将驼电路问的高环级语责言（豪行为但描述辨）转歉换为榆低级团的，米可产广生与FP店GA烦/C昏PL备D的基卖本结贷构相即映射甲的网炸表文俭件或刚程序挎。适配：温适配姓器也柔称为缴结构醉综合极器，灭它将收综合胡器产扔生的隆网表烂文件企配置遍于指武定的弓目标踩器件蝇中，洽使之壶产生嫩最终是的下钓载文禾件。综合适配在把狂经过衔编译瞧的输辣入设本计编痒程或腹下载俭到器刺件之猛前，吩可以犯通过ED袖A软件卡的仿染真器坑对文返件进捞行全林面测海试，捎保证沾设计妨在各絮种可观能的返条件叶下都粥有正岸确的厘响应爪。根换据所烈需的床信息皂类型污，可威以进晓行功键能仿隶真和陷时序猾仿真这。设计中流程⑶此仿真弦验证鼓和时忘序分煮析是接微近真掏实器指件运艰行特棍性的纠仿真狱，允许味分析伞设计俊中所翁有逻检辑的雾性能赶，得告出时阵序分曾析结霜果，差如建系立时谜间、麦保持毯时间燃、引检脚到蹲引脚本延迟行、最低大时齐钟频申率、缘瑞延迟旅时间港及其携它时对序特蛛征，袋并协缓助引磁导适读配器滑满足钓设计股中的尺时序婆要求绒。时序分析功能仿真是直接透对VH丛DL滤/原理瓜图等环输入伯的逻犹辑功敌能的园模拟葡测试章，检里测其刘功能鸦是否柿能满畜足原帐设计誓的要旺求。成功滩编译普了设夕计工用程之垂后，荐编译烘器的As迎se响mb左le龄r模块砌自动严将适示配过忆程的差器件跌、逻娱辑单盯元和顶引脚年分配集信息震转换昨为器扫件的良编程缠图像剂，并细以.so训f形式粱保存范，ED拉A软件适的编喜程器园（pr抵og撑ra肿mm证er）把该倘下载爷或配乱置文贝件通留过编贤程电魂缆向FP屯GA捐/C突PL核D进行到下载贸，以暴便进泼行硬惠件调沟试和责验证日。设计辨流程⑷紫器件连编程★硬件梢描述语言◆AB响EL◆AH忘DL◆Ve菜ri摩lo尤gHD缩慧L◆VH乎DL美国小国防迷部在80年代床初提奴出了VH举SI夹C（Ve融ry煎H触ig刊h完Sp贺ee括d东In达te六gr辅at剥ed除C痰ir阻cu与it）计划士，其汁目标反之一肆是为贱下一仓代集走成电育路的沫生产毅，实逆现阶挡段性冬的工裹艺极影限以棚及完膛成10万门虑级以陵上的期设计桐，建忌立一兄项新液的描头述方目法。19承81年提父出了困一种跟新的HD看L，称之婆为VH岩SI五C涛Ha虏rd闭wa谜re集D险es钩cr学ip福ti暖on孟L走an袭gu愁ag秋e，简称箭为VH座DL。VH榆DL养概述IEEE标准★VH药DL语言非的主映要优波点◆殃是一泪种多幅层次缴的硬节件描斤述语言言，速覆盖皮面广金，描设述能乎力强冠。即设杆计的烂原始允描述骡可以妇是非卵常简浙练的早描述但，经徐过层亦层细帝化求爸精，榨最终曲成为陵可直亦接付细诸生让产的药电路诵级或脾版图猾参数蝴描述挣，整坟个过播程都卖可以尊在VH碧DL的环安境下究进行透。◆VH激DL有良好蚕的可表读性，即可答以被句计算某机接勒受，绩也容叼易被陆理解创用VH杀DL书写选的原桐文件讽，即盏是程拍序，信又是龄文挡葛，即壳是技怜术人钞员之松间交财换信剂息的沟文件洋，又刚可作贵为合窗同签顷约者备之间称的文骡件。VH呀DL燥概述◆VH匪DL本身顺的生座命期趋长。因浸为VH棵DL的硬照件描禁述与袍工艺教技术职无关产，不麻会因乐工艺皇变化梁而使旺描述标过时象。与脚工艺朱技术贤有关务的参健数可慕通过VH完DL提供隙的属陡性加坚以描干述，央工艺烫改变跃时，贫只需马修改代相应握程序秧中的驻属性芳参数孟即可龄。◆支持昼大规罢模设蓝计的偷分解券和已旁有设云计的撕再利水用。一个雨大规金模设肌计不苹可能施一个挖人独逃立完茫成，还它将籍由多牢人，窜多项撤目组辩来共趁同完宏成。VH环DL为设断计的棉分解根和设瞒计的昂再利巷用提无供了滔有力枝的支即持。◆VH匆DL已成荐为IE俘EE承认恒的一页个工毁业标大准，事斑实上区已成惨为通耐用硬棒件描恋述语否言。VH蒸DL历概述★VH笋DL语言昏的主脆要优疯点◆VH库DL综合综合辛器——能够他自动穴将一免种设恶计表理示形洪式向另启一种另设计馋表示躁形式董转换拆的计唉算机塔程序待，或协助赏进行俊手工果转换骡的程活序。高层树次的痛表示姐低层塘次的旅表示行为吨域椒结尝构域算法殖级涨门垂级编译渗器和鸭综合禁功能膊比较VH临DL综合捞器运征行流侮程VH祝DL的基喷本组垄成VH魔DL语言参数最部分——程序讨包接口丢部分—设计豆实体描述洞部分—结构童体一、我参数夕部分——程序巴包程序椅包IEEE标准的标准程序包设计骨者自晕身设泡计的曾程序后包设计究中的任子程志序和旬公用养数据终类型掠的集喇合。调用放数据响类型须标准焦程序弦包的VH滩DL语言仔描述VH协DL设计肾中常辱用的牧库有IE萄EE库、ST笑D库、WO京RK库、VI洋TA厉L库。IE诸EE库包依含IE属EE标准吩的程饭序包筹和其你他支班持工赔业标柄准的穴程序潮包，厌在基蛇于FP决GA谷/C举PL吹D的开奏发中狂，IE摧EE库中膊四个让程序纸包ST艘D_翼LO经GI宫C_道11裕64、ST化D_揉LO镇GI肌C_兄AR勾IT延H、ST腐D_添LO峡GI喝C_咳SI助GN未ED、ST妈D_避LO袖GI克C_言UN恭SI挣GN盯ED已经透足够确。ST晕D库包累括输渔入/输出校两个迅标准锄程序闹包，WO谜RK库用斯于存雷放用期户设驼计和泳定义筝的设蜡计单陷元和扎程序强包，栗只要馆在VH井DL的应视用环侨境中燥，都猴可以消随时仅调用ST众D库和WO驻RK库，垫所以箩不需假专门桐的调按用语吃句。在FP馆GA勾/C薄PL纠D的设叔计中挖一般去都不绳需要VI姥TA闷L库的剥程序乘包。LI菠BR戚AR惹Yie灾ee;US录Eie疼ee吧.s哗td钱_l犬og回ic乓_1林16臣4.颠al留l;放在VH横DL程序玻的最厦前面西，表烧示以展后在铅实体洗或结庭构体陷中要沙用到经数据宰类型骨包中灵的数文据类鞠型。调用更库的摸两种行格式US钱E库名.程序谣包名.项目承名US饿E库名.程序梁包名.A趁LL程序涛包举增例调用程序包语句标准程序包定义程序包二、朽接口拴部分—设计尼实体kxora1b1c1设计奸实体提供殿设计滋模块贡的公脖共信她息，庙是VH护DL设计刻电路砍的最苦基本墨部分震。VH朋DL实体义的描长述方冰法：EN植TI饲TYkx增orISPO疫RT(a怪1,斤b1渣:INst斑d_忆lo随gi缸c;c1兆:OU揪Tst析d_沉lo蜻gi嚷c)刑;EN午Dkx婆or;一个祸模块赢中仅截有一准个设况计实弟体。调用程序包语句标准程序包定义程序包实体及实体声明语句实体罩语句理的格夺式EN扭TI肠TY实体碑名IS[P炕OR窗T(端口墙名)]EN荐D垫EN趟TI级TY实体否名设计栋实体粉说明ENTITYkxorIS

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