Verilog_HDL講座第1講Verilog_HDL與CPLD_FPGA設計

1、ELECTRONICPRODUCTSCHINAAUGUST20035 9 技術講座Verilog-HDL 講座第一講Verilog-HDL 與CPLD/FPGA 設計太原理工大學常曉明在二十世紀70年代初期,家用電子產品莫過于晶體管收音機、電唱機、擴音器了,當時的元件市場晶體管分立器件是最先進的產品,可以說是“一片模擬世界”。到1975年以后,中小規(guī)模集成電路逐步上市,之后的幾年,在大學里也開始講授集成電路的課程。1979年以后,日本的熒光顯示式計算器開始在中國市場出現(xiàn)。1983年前后,微處理器的學習形成高潮。1986年,在數(shù)字技術的進步與微處理器技術的影響下,筆者開始動手制作Z80單片機。在

2、不用任何調試設備的情況下,自己編寫機器代碼,組裝編程器,.直到制作出第一臺最簡單的單板機。第一次感受數(shù)字技術和微處理器,使筆者興奮不已。近幾年來,隨著IT業(yè)的高速發(fā)展,整個電子世界都朝著數(shù)字化、小型化、多功能化、低耗電的方向發(fā)展,學習數(shù)字電路的條件與過去相比也發(fā)生了巨大的變化。1.2數(shù)字電路的不同設計過程隨著大規(guī)模IC的出現(xiàn)和成本的急劇降低,隨著軟件技術及各方面技術的進步,數(shù)字電路的設計方法與過程發(fā)生了巨大的變化,用傳統(tǒng)的思維方式和設計方法已經不能適應時代的需要。作為數(shù)字電路設計工程師,僅有過去的傳統(tǒng)設計方法無法適應時代的需要。要跟上時代的需要,就必須學會使用硬件描述語言H D L (H a

3、r d w a r e D e s c r i p t i o n Language。HDL 可以描述數(shù)字電路或系統(tǒng),還可以通過仿真等手段來驗證設計的正確性。利用仿真的手段,可以大大減小設計失敗的概率,縮短研發(fā)周期。圖1給出了數(shù)字電路或系統(tǒng)的不同設計過程。圖1(a是傳統(tǒng)的設計過程,在這種過程中采用分立的功能邏輯電路,設計過程大致可分為4個步驟。在這種設計過程中,進行功能設計后,便用分立元件搭建電路。這種情況下,由于是靠經驗和許多主觀因素的影響,很難保證電路的正確性。當系統(tǒng)較為復雜時,需要在搭建電路之前做一些局部性的實驗,以降低失敗的概率。電路搭建完畢后,便是硬件系統(tǒng)調試,這是一個較為艱苦的過程

4、。在這個過程中,往往會發(fā)現(xiàn)在設計階段犯下了許多不該犯的錯誤,甚至是致命性的錯誤。在經過反復的系統(tǒng)調試、修改錯誤后,才終于能形成一個滿足設計的系統(tǒng)。圖1(b是采用HDL 的設計過程,在這種過程中,硬件的實現(xiàn)用可編程邏輯器件。僅從過程上看,它似乎需要更多的步驟,其實如STEP5等步驟僅是一項簡單的操作,系統(tǒng)實現(xiàn)的成功率很高。成功率高的原因在于:在STEP4之前,是對邏輯電路或系統(tǒng)進行邏輯描述和仿真,這些都是在計算機上進行的,其特點是有很大的可修改性,又不會發(fā)生硬件上的成本投入。在這個階段得到滿意的仿 圖1數(shù)字電路的不同設計過程 今日電子2003年第8期6 技術講座真結果后,便可設計硬件電路。而這時

5、的硬件設計可以說已經有較大的把握,所實現(xiàn)的系統(tǒng)也將容易調試。除此之外,硬件也容易設計成兼容性較好的系統(tǒng),使一個硬件電路在寫入不同的HDL 目標代碼后可有相應的功能,有些方面就像一個CPU 在不同的軟件支持下表現(xiàn)出不同的功能一樣,這也是采用可編程邏輯器件的很大優(yōu)越之處?，F(xiàn)在,讓我們通過一個簡單的例子來看兩種設計過程。圖2所示為一個簡單的邏輯電路,其邏輯表達式為F=/A*(B+C(1就是這樣一個簡單的邏輯電路,如果用傳統(tǒng)的硬件電路實現(xiàn)方法,要用到74LS04、74LS08和74LS32三個功能集成電路,做如圖3的連接。從圖中可以看出,僅僅為了實現(xiàn)一個簡單的邏輯關系,就需要有3個集成電路,而且許多個

6、門(此例中有11個白白被浪費掉。但是,如果用可編程邏輯器件來實現(xiàn)的話,只要用一片集成電路就可以實現(xiàn)了,例如可以用Xilinx公司的可編程邏輯器件XC9572。用可編程邏輯器件實現(xiàn)式(1所示的邏輯功能時,只要將邏輯表達式按規(guī)定的語法進行描述,經過仿真、編譯等過程,最后下載到可編程邏輯器件中,就可以完成所設計的邏輯功能。邏輯電路的設計越復雜,可編程邏輯器件就越能顯示出其優(yōu)越性。不僅如此,有許多邏輯功能用可編程邏輯器件可以很容易地實現(xiàn),而要用普通的功能特定的集成電路就很難實現(xiàn)。對于式(1所示的邏輯功能,用Verilog-HDL 可描述如下:moduleAND_G2(A,B,C,F;input A,B

7、,C;output F;assign F=A&(B|C;endmodule將上述的Verilog-HDL經過仿真確認邏輯關系正確后,就可以編譯、下載到可編程邏輯器件中。這種情況下,一片可編程邏輯器件就具有了圖3所示的3片集成電路所構建的電路功能,如圖4所示。圖中,邏輯門之間的連線是在芯片內部自動完成的。由此可見,它與傳統(tǒng)的邏輯電路設計相比,設計過程很簡單。1.4HDL有幾種?在計算機軟件方面,程序設計語言有C、VC、VB 等語言。要設計一個軟件系統(tǒng),或許用這些語言中的某一種都可以實現(xiàn),但是各自又有其特點。HDL 也是一樣,有若干種語言,最有代表性的是Verilog-HDL 、VHDL

8、(Veryhighspeedintegratedcircuit HardwareDescriptionLanguage和A B E L -H D L 等。V H D L 在美國較為流行,而Verilog-HDL 在日本則為主流。V H D L 是最早標準化的H D L ,語法豐富且嚴謹。Verilog-HDL 具有類似于C 語言的語法體系,庫文件豐富,十分便于具有一些C 語言基礎的人學習。本講座采用Verilog-HDL 來描述數(shù)字系統(tǒng)。CPLD/FPGA用HDL 描述的功能,最終要由硬件來實現(xiàn),就好象計算機軟件的功能要在計算機硬件這個平臺上實現(xiàn)是一樣的。更形象地說,計算機的軟件代碼要裝到計算

9、機各個硬件中去,HDL 的目標代碼也需要裝到一個硬件-可編程邏輯器件中去,可編程邏輯器件有C P L D(ComplexProgrammableLogicDevice和FPGA(FieldProgrammableGate Array之分。C P LD 與F P G A 都是大規(guī)模集成電路,兩者在結構上完全不同,但它們都具有可編程的特性,對器件的編程是通過稱為JTAG 的接口來實現(xiàn)的。對CPLD 的編程可多次進行,如X i l i n x 公司的XC9500系列就可以多次編程達1萬次以上。CPLD 是在PLD(Programmable LogicDevice的基礎上發(fā)展起來的?？删幊踢壿嬈骷俗?/p>

10、間的關系用語言來描述,并通過計算機將目標代碼寫入器件。PLD 的出現(xiàn),省去了用通用邏輯IC(如 圖4Xilinx的可編程邏輯器件XC9572ELECTRONICPRODUCTSCHINAAUGUST20036 1技術講座74系列來搭建電路,使得邏輯設計的自由度大大提高。C P L D 是復雜化了的PLD,完整地講應該稱為復雜可編程邏輯器件。在邏輯門的數(shù)量方面,C P L D 與FPGA 有很大的不同,CPLD 的邏輯門有幾百到1萬個,而FPGA 有1萬至25萬個邏輯門。Xilinx 公司的XC9536,有36個宏單元,800個邏輯門;XC95108有108個宏單元,2400個邏輯門。由于結構上

11、的原因,CPLD在大型復雜設計的情況下,其運行速度可以預測,也很可靠,且修改設計也很容易,軟件編譯速度也快。在應用方面,C P L D 更適合于邏輯密集型的應用,如狀態(tài)機和地址解碼器邏輯等。而F P G A 則更適合于C P U 和DSP 等寄存器密集型的設計。而在功耗方面,與同樣密度的FPGA 相比,CPLD 的待機功耗更低。因此,CPLD 特別適合那些要求低功耗和低溫度的電池供電應用,如移動設備等。1.6Xilinx的CPLDXC9500系列XC9500系列是Xilinx 公司生產的CPLD。圖5給出了XC9536和XC9572的外形圖。上述器件采用的封裝形式稱為PLCC(PlasticL

12、eadedChipCarrier封裝,芯片的插座及芯片插入后的情形如圖6和圖7所示。插座管腳的間距為0.1英寸(2.54mm,與普通的IC管腳的間距相同。圖6(a給出了44腳和84腳的插座,其外形大小分別約為23mm ×23m m 和37m m ×37m m 。對芯片的起拔需要專用的工具,圖7示出了起拔工具和使用方法。1.7結語本講敘述了數(shù)字電路和系統(tǒng)的兩種不同設計過程,介紹了用可編程邏輯器件實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點,簡述了HDL 在邏輯設計中的作用。HDL 有多種,本講座采用Verilog-HDL,它類似于C 語言的語法體系,庫文件豐富,十分便于具有圖5XC9572及XC9536的外形(a插座的底部(b放入插座的芯片圖6XC9572及XC9536的插座(a起拔工具(b起拔工具的用法圖7XC9572及XC9536的起拔工具參考文獻1夏宇聞.復雜數(shù)字電路與系統(tǒng)的VerilogHDL設計技術,北京航空航天大