PLD应用.ppt

1、1,数字系统设计与PLD应用技术,本课程是“数字电路与逻辑设计”课程的后续课程，主要阐述数字系统设计方法和PLD应用技术。 目的是引导同学： 1）从功能电路设计转向系统设计。 2）由传统的通用集成电路的应用转向可编程逻辑器件的应用。 3）从硬件设计转向硬件软件高度渗透的设计。,2,数字系统设计与PLD应用技术 -课程介绍,在本课程中将介绍：,1）数字系统设计方法。 2）数字系统的描述方法。其中有 a) 算法流程图描述方法 b) 硬件描述语言VHDL （本课程重点） 3）各种可编程逻辑器件PLD原理及应用。 4）以及采用PLD设计数字系统的多个实例。,3,实验过程中，将安排讲述Altera公司的

2、fpga可编程逻辑设计软件的使用方法。,数字系统设计与PLD应用技术 -课程介绍,在本课程的后半学期将安排多次实验。实验主要是让同学采用硬件描述语言VHDL及FPGA器件设计多个数字系统。,通过本课程的学习和实验。使同学具备数字系统设计及相关软件编程的能力。从而使同学在完成学业后，可从事相关学科领域的研发工作。,4,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章,第一章 数字系统设计方法,首先介绍有关数字系统的基本概念。,最后是“算法流程图”描述方法的介绍。,然后讲述数字系统设计的一般步骤、方法。,5,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章,集成电路的发展经历了如下几个阶段：,而数字系统的实现方法

3、都是根据各个集成电路的时代而展开。,小规模 （SSI） 中规模 （MSI） 大规模 （LSI） 超大规模（VLSI）,6,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章,随着大规模集成电路的工艺成熟及成本下降，各种数字集成电路经历了 通用型-到专用型（ASIC） 的变化过程。,7,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章,例： Intel 的51系列8位单片机中，有通用 的8051芯片和专用型的8031芯片。 8051芯片是用户可编程的。 8031芯片是用户把程序先提供给芯片制造厂家，由厂家在制作芯片的过程中把程序固化在芯片中。,8,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章,为了适应用户的需要，专用

4、型集成电路（ASIC）又分为用户全定制和用户半定制两类。,全定制适合于批量大的产品中。用户设计好一个系统，再由芯片制造厂直接制作到一个芯片中。,半定制适合于批量小的产品，或产品的初级阶段。用户利用芯片制造厂的半成品，把设计的系统构造于半成品中。,全定制成本低。 半定制成本高。（用户可能只使用了半成品中的部分功能就实现了设计的系统功能。）,9,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章,可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是半定制ASIC中的重要分支。,可编程是指对逻辑电路可由用户设计（非软件中的程序编制）。用户可在现场对芯片编程，以实现用户所需的系统。,1

5、0,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,1.1 绪言 1.1.1 数字系统的基本概念,数字系统示意图,11,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,数字系统功能： 对数字量的存储、传输、处理,数字系统可以为小到只是一个特定的逻辑部件，大到一个大型的数字计算机系统。,12,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,数字系统构成：,可以是逻辑门（74系列的SSI） 或MSI、LSI等功能部件 直至CPU系列,13,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,数字系统组成：,（注意：有无控制部件是区分数字系统和数字逻 辑的标志）,必须要有一个控制部件，来调度各功

6、能部件。按一定的程序和规则工作。 大的数字系统可能由若干个数字子系统构成。,14,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,相对于数字系统的是模拟系统：,模拟系统,X,Y,模拟量输入,模拟量输出,（对模拟信号量进行变换和处理）,15,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,数字系统的特点：,1.稳定性：处理对象是电平 高电平大于3.8V，表示“1”； 低电平小于0.8V，表示“0”。,2.精确性：可通过增加数据处理的位数，提高精度。,3.可靠性：通过检错、纠错和编码等信息冗余技术， 可增加多机系统并行工作，提高系统的 可靠性。,16,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章

7、1.1,4.模块化操作：由于数字系统中处理的是“1”和 “0”（高电平和低电平），只需 进行基本的算术运算和逻辑操 作，就可实现预定的逻辑功能。,17,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,1.1.2 数字系统的基本模型 1.数字系统的动态模型 采用传统的数字电路描述方法建立起来的系统模型。 指用状态转换图、状态转换表、状态方程组、输出方程组、真值表、卡诺图。,18,19,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,例： 有数字系统（DS）,X,Z,DS,CP 脉冲,输入,输出，时间的函数,20,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,时序图如下：,0 1 2 3

8、4 5 6 7 8 9,Z(0) Z(2) Z(4) Z(5) Z(8),Z(1) Z(3) Z(6) Z(7),X(1) X(2) X(6),X(0),X(3) X(4) X(5) X(7) X(8),Z(t),X(t),CP,t,t,t,21,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,分析波形图得：,CP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 X 1 0 0 1 1 1 0 1 1 Z 0 1 0 1 0 0 1 1 0 ,可看出，Z不仅与X的当前状态有关，还和X以前的状态有关。,22,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,因此可得，输出Z 的函数 即 Z(t)=F1X(

9、t)，S(t-1) S(t)：表示状态变量，记录X过去的输入,这样Z(t)不仅是当前输入X(t)的函数，也是过去的S(t-1)的函数。,同时又有状态转换方程（次态方程） S(t)=F2X(t-1)，S(t-1),23,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,用S0和S1分别表示X的状态，其中S0表示X的状态为0， S1表示X的状态为1。,得出： X(t): 1 0 0 1 1 1 0 1 1 S(t): S1 S0 S0 S1 S1 S1 S0 S1 S1 Z(t): 0 1 0 1 0 0 1 1 0 ,24,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,1,0,S1,S0,状

10、态方程组为： Z(t) = F1X(t)，S(t-1) S(t)= F2X(t)，S(t-1),S0 /0,S1 /1,S0 /1,S1 /0,25,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,即：X发生变化时，输出Z为1，否则Z为0,Z(t)=,1 若X(t1)到X(t)发生01，或10变化,0 其余情况,得出，状态转换图：,Si,X/Z,S0,S1,1/1,0/1,0/0,1/0,26,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,状态转换图、状态转换表、状态方程组完整描述数字系统的动态过程，称作动态模型。,而状态转换图、状态转换表、状态方程组是建立时序电路动态模型的工具。,对组

11、合电路而言，由于Z(t)仅取决于输入X(t)，与过去的状态无关，故输出函数为Z(t)= FX(t)，其建立动态模型的工具一般为真值表、卡诺图。,27,例1.1 例1.2,28,S(t)/Z(t),s0,S0/0,S1/0,S2/1,S3/0,S0/0,s1,s2,10,01,00,s3,S3/0,S2/1,S1/0,S1/0,S0/0,S2/1,S3/0,29,s0,s1,s2,s3,00/0,00/0,01/0,10/0,10/0,00/0,10/0,10/1,01/0,00/1,01/1,01/0,30,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,2.数字系统的算法模型,一般来说动态

12、模型只适合较简单的数字系统。,而对于较复杂的数字系统，因输入变量、输出变量和状态数的急剧增加，动态模型较难适应。,对于较复杂的数字系统，借鉴软件程序设计中的流程图方法，采用“系统算法模型”来描述和设计数字系统。,31,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,系统算法模型的基本思想：,1.将功能对应于某种运算。,2.将复杂运算尽量化解为一般简单运算。,3.然后按一定的规律，顺序地或并行地执行这些简单运算,32,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章,系统算法模型的基本特征：,1.含有若干个子运算，实现对欲处理数据或信息的转输、存储或加工处理。,2.具有相应的控制序列，控制子运算按一定

13、规律有序地进行。,33,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,例： 有数字系统（DS）,X,Z,DS,CP 脉冲,输入,输出，时间的函数,（采用算法模型设计）,34,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,各信号相互关系如下：,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9,Z(0) Z(2) Z(4) Z(5) Z(8),Z(1) Z(3) Z(6) Z(7),X(1) X(2) X(6),X(0),X(3) X(4) X(5) X(7) X(8),Z(t),X(t),CP,t,t,t,35,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,即：X发生变化时，输出Z为1，否则Z

14、为0,Z(t) =,1 若X(t1)到X(t)发生01，或10变化,0 其余情况,采用算法模型设计的思想是，增设两个存储单元R1和R2，分别存放输入信号X在(t-1)和（t)时刻的数据，再增设一个比较器COM，对X(t-1)和X(t)的数值进行比较，从而根据结果使Z输出不同的值。 即： X(t-1) = X(t)时 输出 Z=0 X(t-1) = X(t)时 输出 Z=1,36,编程思想：,设定个寄存器R1、R2，分别存储当前时刻和前一时刻的输入数值； 按照时间I顺序,一个一个的读入输入数据X(I); 设立比较器，比较R1、R2，根据比较结果输出Z.,37,数字系统设计与PLD应用技术 - 第

15、一章 1.1,不提倡，在不同的时刻需读取同一个时刻的外部数据,38,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,39,思考,还有没有更好的办法？,40,例1.4 编程思想： 1.设定2个寄存器max和min，分别存放最大和最小值； 2.然后按照时间顺序从t(0)t(m)，一个一个的读取数据，然后每读取一个count时刻数据，就将X(count)和max,min中数据进行比较，将max=max(max,x(count),min=min(min,x(count) 3. 当count=m时，程序结束。此时max,min分别就是m个数中最大值和最小值。,41,42,数字系统设计与PLD应用技术 - 第一章 1.1,1.1.3 数字系统的基本结构,根据算法模型的两个特征，即： 1.含有若干个子运算，实现对欲处理数据或信息的转输、存储或加工处理。 2.具有相应的控制序列，控制子运算按一定规律有序地进行。,则系统的结构必须保证： 1.实现所有子运算（即数据的传输、存储、加工和处理）。 2.产生特定的控制序列，管理和调度各子运算有效实施，使之按预定的次序进行操作。,43,数字系