FPGA與硬件描述語言_第一章_緒論

1、FPGA與硬件描述語言2016.4引言引言1. 為何將這門課從第一周調(diào)整到從第九周開始？2. 本門課和數(shù)電的關(guān)系？3. 開設(shè)這門課的重要性？4. 這是一門注重實踐的課程，目的是要掌握一門技能引言引言介紹本門課的教學(xué)大綱：1. 教學(xué)內(nèi)容安排教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容講授講授實驗實驗第一章：現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)2第二章：可編程邏輯器件2第三章：VHDL概述和VHDL程序結(jié)構(gòu)6第三章：VHDL的數(shù)據(jù)類型及運算操作符實驗1，實驗244第三章：VHDL的描述語句實驗3，實驗444第三章：有限狀態(tài)機實驗542合計（學(xué)時）2210引言引言介紹本門課的教學(xué)大綱：2. 考核及成績評定 采用百分制，總評成績由平時成績、實踐教學(xué)成績

2、和期末成績?nèi)糠纸M成 平時成績占30% （其中出勤成績占10%，作業(yè)成績占20%） 實踐設(shè)計成績占50% 期末考核成績占20%引言引言介紹本門課的教學(xué)大綱：3. 參考書 教材：王振紅等，圖說VHDL數(shù)字電路設(shè)計，化學(xué)工業(yè)出版社，2009年1月 參考書：褚振勇等，F(xiàn)PGA設(shè)計及應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，2002年6月4. 答疑安排 周四56節(jié)，第三實驗樓901 電子郵箱：第一章第一章 緒論緒論1.1 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)1.1.1 數(shù)字系統(tǒng)的概念1.1.2 數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)1.1.3 數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具1.2 EDA技術(shù)的發(fā)展1.3 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)方法緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的概念數(shù)字系統(tǒng)的概念FPGAF

3、ield Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程門陣列緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的概念的概念 數(shù)字系統(tǒng)優(yōu)點：1. 穩(wěn)定性好。數(shù)字電路不像模擬電路那樣容易受到噪聲的干擾2. 可靠性高。數(shù)字電路中只需分辨出信號的有與無，故電路的組件參數(shù)，可以允許有較大的變化（漂移）范圍3. 能長期存儲。數(shù)字信息可以利用某種媒介，如磁帶、磁盤、光盤等進行長時期的存儲緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的概念的概念 數(shù)字系統(tǒng)優(yōu)點：4. 便于計算機處理。數(shù)字信號的輸出除了具有直觀、準確的優(yōu)點外，最主要的還是便于利用電子計算機來進行信息的處理5. 便于高度集成化緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的概念的概念 數(shù)字電路是由具有各

4、種邏輯功能的數(shù)字邏輯器件組成的常用數(shù)字邏輯器件都包括哪些？緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的概念的概念1. 門電路緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的概念的概念1. 門電路緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的概念的概念1. 門電路緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的概念的概念2. 編碼器 74LS148，8線-3線優(yōu)先編碼器3. 譯碼器 74LS138，3線-8線譯碼器4. 加法器 74LS183，雙全加器5. 選擇器6. 乘法器7. 觸發(fā)器 RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器8. 計數(shù)器緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的概念的概念 數(shù)字系統(tǒng)中都是由數(shù)字邏輯器件組成的嗎？緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的概念的概念緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的概念的概

5、念 數(shù)字系統(tǒng)的概念：用數(shù)字電路實現(xiàn)處理和傳輸信息的系統(tǒng)都稱為數(shù)字系統(tǒng)緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)分立元件小規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展史緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn) 分立元件，由電阻、電容、晶體管等電子元件組成 SSI（Small-Scale Integration） 小規(guī)模集成電路，1-10個邏輯門 典型電路：邏輯門器件，觸發(fā)器 MSI（Medium-Scale Integration） 中規(guī)模集成電路，10-100個邏輯門 典型電路：編碼器，譯碼器，計數(shù)器緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn) LSI（Large-Scale Inte

6、gration） 大規(guī)模集成電路，100-10000個邏輯門 典型電路：微處理器，存儲器， 可編程邏輯器件 VLSI（Very-Large-Scale Integration） 超大規(guī)模集成電路，10000個邏輯門以上緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn) 傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)像其他電子系統(tǒng)一樣，通常采用搭積木式的方法實現(xiàn)，先由器件搭成電路板，再用電路板搭成電子系統(tǒng) 早期數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計特點：“積木塊，搭積木”緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)ABCOBABABAS輸入輸入輸出輸出ABSCO0000011010101101半加器的真值表半加器的邏輯表達式半加器的邏輯圖和符號緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)

7、的實現(xiàn)CIACIBBACOCIABBCIACIBACIBAS全加器的邏輯表達式全加器的邏輯圖和符號緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)4位串行進位加法器緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn) 早期的數(shù)字系統(tǒng)體積大、重量大、功耗大、生產(chǎn)周期長、成本高、可靠性差 可靠性差的主要原因：1. 出現(xiàn)故障的機會大大增加2. 平均失效時間將大大下降緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn) 微控制器是在單一芯片上實現(xiàn)的CPU，它是一種通用型器件，只需配以一定的程序（通常固化于外部的ROM中）和一些外圍電路，即可任意實現(xiàn)復(fù)雜的組合邏輯功能緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn) 基于通用微控制器進行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的方法具有

8、靈活高效、成本低、系統(tǒng)開發(fā)風(fēng)險小以及可移植性好等諸多優(yōu)點 微控制器的出現(xiàn)從根本上改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法，是對傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的一次革命緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)基于微控制器的設(shè)計方法的缺點也逐步顯現(xiàn)： 系統(tǒng)速度低 易受到干擾，使系統(tǒng)癱瘓 尚無可靠地方法對程序進行加密緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)ASIC（專用集成電路）Application Specific Integrated Circuits 一個復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)只要一片或數(shù)片ASIC即可實現(xiàn)緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)ASIC的優(yōu)點的優(yōu)點ASIC的缺點的缺點相對于MCU而言，ASIC不易被破解，可保護設(shè)計者的成果

9、不被盜用ASIC的設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)需要比較長的時間從市場角度看，一個數(shù)字系統(tǒng)就是一個產(chǎn)品，可將產(chǎn)品的成本降至最低設(shè)計費用高昂使用ASIC制成的設(shè)備體積小、重量輕、功耗低、速度高、成本低生產(chǎn)完成后不易修改緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)PLD（可編程邏輯器件）Programmable Logic Device PLD的優(yōu)點在于產(chǎn)品研制時間段，設(shè)計費用低，風(fēng)險接近于零 使本來是微電子工程師才能完成的ASIC設(shè)計，完全轉(zhuǎn)移給了電路設(shè)計工程師，大大縮短了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的時間緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)PLD的優(yōu)點的優(yōu)點 基于芯片的設(shè)計方法允許設(shè)計者定義、編輯和修改器件的內(nèi)部邏輯和管腳，使得硬件

10、設(shè)計變得和軟件設(shè)計一樣方便 這種方法也將原來由電路板設(shè)計完成的大部分工作放在芯片設(shè)計中進行，這樣可以通過芯片設(shè)計實現(xiàn)多種數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能 由于管腳定義的靈活性，大大減輕了電路板設(shè)計的工作量和難度，從而有效地增強了設(shè)計的靈活性，提高了工作效率 PLD的價格越來越低，使它的應(yīng)用范圍也不僅局限于產(chǎn)品試制階段，而是被直接用于產(chǎn)品生產(chǎn)中緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn) 為了高效地實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)，人們越來越多地采用軟硬件協(xié)同的設(shè)計方法進行系統(tǒng)設(shè)計 集成電路制造工藝的迅速發(fā)展使微控制器嵌入ASIC或PLD成為現(xiàn)實，因此，一顆芯片即可完成整個系統(tǒng)功能，這就是近幾年得到迅速發(fā)展的片上系統(tǒng)（SoC，System

11、 on Chip）設(shè)計技術(shù)緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的流程緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工作不僅需要完成功能設(shè)計，而且還需要對時序、功能等性能指標進行優(yōu)化，僅僅依靠手工是無法完成設(shè)計工作的，所有的設(shè)計工作都需要在計算機上通過專用的EDA工具完成緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具EDA（電子設(shè)計自動化）Electronic Design Automation設(shè)計者設(shè)計者計算機計算機完成對系統(tǒng)功能的描述，設(shè)定設(shè)計的約束條件電子系統(tǒng)的設(shè)計、仿真、邏輯綜合和布線借助EDA工具，數(shù)字系統(tǒng)和芯片的設(shè)計調(diào)試就可以像軟件的調(diào)試修改一

12、樣方便緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具 設(shè)計輸入工具：用于輸入設(shè)計源文件，主要包括代碼輸入和原理圖輸入工具 綜合和布局布線工具：是設(shè)計實現(xiàn)工具，用于完成設(shè)計的物理實現(xiàn) 仿真工具：用于驗證設(shè)計是否正確，是進行設(shè)計驗證的最重要手段緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具 EDA工具只能完成設(shè)計工作，而實現(xiàn)則需要可編程邏輯器件的支持，可編程邏輯器件和EDA工具的結(jié)合給現(xiàn)代硬件系統(tǒng)設(shè)計者提供了強有力的工具緒論緒論數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計工具 Altera Xilinx Lattice緒論緒論EDA技術(shù)的發(fā)展技術(shù)的發(fā)展20世紀世紀70年代年代20世紀世紀80年代年代20世紀世紀9

13、0年代年代到本世紀初到本世紀初這個時期的EDA工具僅能完成系統(tǒng)的輔助設(shè)計工作，無法完成系統(tǒng)的功能和性能的驗證工作這個階段的EDA工具一般被稱為CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設(shè)計）這個時期的EDA工具是以數(shù)字電路設(shè)計驗證工具為代表，主要是解決電路，尤其是數(shù)字電路設(shè)計完成之前的功能驗證問題這個時期的EDA工具包括了硬件行為仿真、邏輯綜合、參數(shù)分析、物理實現(xiàn)和測試等一系列的工具，能夠提供系統(tǒng)設(shè)計需要的全部工具；電子設(shè)計自動化開始真正實現(xiàn)緒論緒論EDA技術(shù)技術(shù)的的發(fā)展發(fā)展廣度廣度深度深度在過去，EDA技術(shù)的普及率低，原因是EDA軟件昂貴、硬件要求很高從2000年開始，EDA軟件開始向PC機擴展，目前支持多種PC平臺，隨著PC機的性能不斷提高，EDA軟件在PC機上越來越普及，軟件功能將會更完善在過去，EDA工具中系統(tǒng)仿真、邏輯綜合、布局布線等工具是彼此獨立的EDA工具將朝著一體化方向發(fā)展可編程邏輯器件廠商都提供了一體化設(shè)計工具，如Altera公司的Quartus II，Xilinx公司的ISE緒論緒論現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)方