了解、選取FPGA芯片.課件

1、FPGA應(yīng)用技術(shù)及實(shí)踐第一講 了解、選取FPGA芯片1. 關(guān)于EDA技術(shù)2. 傳統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法3. 利用VHDL語(yǔ)言的硬件電路設(shè)計(jì)方法4. 利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)硬件電路的優(yōu)點(diǎn)5. EDA技術(shù)及其發(fā)展6. FPGA/CPLD產(chǎn)品介紹1.關(guān)于EDA技術(shù)EDA技術(shù)的含義 以大規(guī)模可編程邏輯器件為設(shè)計(jì)載體，以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)為設(shè)計(jì)工具，在EDA軟件平臺(tái)上完成設(shè)計(jì)文件的邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對(duì)特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA的幾個(gè)特點(diǎn)：用軟件的方式設(shè)計(jì)硬件；用軟件的方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

2、是由EDA軟件自動(dòng)完成的；設(shè)計(jì)過(guò)程中可用軟件進(jìn)行各種仿真；系統(tǒng)可現(xiàn)場(chǎng)編程、在線升級(jí)；整個(gè)系統(tǒng)可集成在一個(gè)芯片上，體積小、功耗低、可靠性高。2. EDA技術(shù)的發(fā)展歷程 20世紀(jì)70年代的CAD階段 20世紀(jì)80年代的計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)CAE階段 20世紀(jì)90年代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA階段3. EDA技術(shù)的主要內(nèi)容 大規(guī)模可編程邏輯器件 硬件描述語(yǔ)言(HDL) 軟件開(kāi)發(fā)工具 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)4. EDA軟件系統(tǒng)的構(gòu)成 設(shè)計(jì)輸入子模塊 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)子模塊 分析驗(yàn)證子模塊 綜合仿真子模塊 布局布線子模塊5. EDA設(shè)計(jì)流程源程序的編輯和編譯 原理圖輸入方式 狀態(tài)圖輸入方式 VHDL軟件程序的文本方式邏輯綜

3、合和優(yōu)化目標(biāo)器件的布線適配目標(biāo)器件的編程下載設(shè)計(jì)過(guò)程中的有關(guān)仿真硬件仿真硬件測(cè)試第一講 了解、選取FPGA芯片1. 關(guān)于EDA技術(shù) 2. 傳統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法 3. 利用VHDL語(yǔ)言的硬件電路設(shè)計(jì)方法 4. 利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)硬件電路的優(yōu)點(diǎn) 5. EDA技術(shù)及其發(fā)展 6. FPGA/CPLD產(chǎn)品介紹2.傳統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法主要特征：1.采用自下而上的設(shè)計(jì)方法2.采用通用的數(shù)字邏輯器件3.在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的后期進(jìn)行仿真和調(diào)試4.主要設(shè)計(jì)文件是電原理圖2.傳統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法第一講 了解、選取FPGA芯片1. 關(guān)于EDA技術(shù)2. 傳統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法 3. 利用VHDL語(yǔ)言的硬件電路設(shè)計(jì)方法 4. 利用VHDL語(yǔ)

4、言設(shè)計(jì)硬件電路的優(yōu)點(diǎn) 5. EDA技術(shù)及其發(fā)展 6. FPGA/CPLD產(chǎn)品介紹3.利用VHDL語(yǔ)言的硬件電路設(shè)計(jì)方法什么是硬件描述語(yǔ)言 就是可以描述硬件電路的功能、信號(hào)連接關(guān)系以及定時(shí)關(guān)系的語(yǔ)言。它能比電原理圖更有效地表示硬件電路的特性。VHDL語(yǔ)言只是硬件描述語(yǔ)言家族中的一員 硬件描述語(yǔ)言有數(shù)十種之多，常用的有VHDL、VerilogHDL、ABEL_HDL。三種語(yǔ)言的對(duì)比：1邏輯描述層次（分三個(gè)層次，即行為級(jí)、RTL級(jí)、門級(jí)描述） VHDL語(yǔ)言是一種高級(jí)描述語(yǔ)言，適用于行為級(jí)和RTL級(jí)的描述； Verilog語(yǔ)言和ABEL語(yǔ)言是一種較低級(jí)的描述語(yǔ)言，適用于RTL級(jí)和門電路級(jí)的描述；2設(shè)計(jì)

5、要求 VHDL進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以不了解電路的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)者所做的工作較少；Verilog和ABEL語(yǔ)言進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須了解電路的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)者所做的工作較多；3綜合過(guò)程 VHDL語(yǔ)言源程序綜合過(guò)程較復(fù)雜，幾乎不能直接控制門電路的生成；而Verilog和ABEL語(yǔ)言源程序綜合過(guò)程較簡(jiǎn)單，易于控制電路資源；4對(duì)綜合器的要求 VHDL描述語(yǔ)言層次較高，不易控制底層電路，因而對(duì)綜合器的性能要求較高，Verilog和ABEL語(yǔ)言對(duì)綜合器的性能要求較低。5支持的EDA工具 支持VHDL和Verilog的EDA工具較多，但支持ABEL的綜合器僅DATAIO一家。6國(guó)際化程度 VHDL和Veri

6、log已成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)，而ABEL正朝國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)努力。3.利用VHDL語(yǔ)言的硬件電路設(shè)計(jì)方法硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：1.采用自上至下的設(shè)計(jì)方法3.利用VHDL語(yǔ)言的硬件電路設(shè)計(jì)方法2.系統(tǒng)中大量采用ASIC芯片3.采用系統(tǒng)早期仿真4.降低了硬件電路設(shè)計(jì)的難度5.主要設(shè)計(jì)文件是HDL源程序3.利用VHDL語(yǔ)言的硬件電路設(shè)計(jì)方法EDA與傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法的比較第一講 了解、選取FPGA芯片1. 關(guān)于EDA技術(shù)2. 傳統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法3. 利用VHDL語(yǔ)言的硬件電路設(shè)計(jì)方法 4. 利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)硬件電路的優(yōu)點(diǎn) 5. EDA技術(shù)及其發(fā)展 6. FPGA/CPLD產(chǎn)品介紹4.利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)硬件

7、電路的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.設(shè)計(jì)技術(shù)齊全、方法靈活、支持廣泛VHDL語(yǔ)言誕生于1982年，早在1987年12月就已作為IEEE_STD_1076標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)發(fā)表，因此VHDL語(yǔ)言早已成為事實(shí)上的通用硬件描述語(yǔ)言，幾乎所以EDA工具都支持VHDL語(yǔ)言。VHDL不同于其它語(yǔ)言，它不僅支持同步電路的描述，而且支持異步電路、FPGA及其它隨機(jī)電路的描述。2.系統(tǒng)硬件描述能力強(qiáng)具體體現(xiàn)為：VHDL語(yǔ)言較其它HDL語(yǔ)言具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決定了它成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語(yǔ)言，因?yàn)閺?qiáng)大的行為描述能力是避開(kāi)具體器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證；VHDL豐富的仿真語(yǔ)句和庫(kù)函數(shù)，使得在任

8、何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，隨時(shí)可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬；VHDL語(yǔ)句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了它具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用功能。4.利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)硬件電路的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：3.VHDL語(yǔ)言可以與工藝無(wú)關(guān)編程VHDL對(duì)設(shè)計(jì)的描述具有相對(duì)獨(dú)立性，設(shè)計(jì)者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必關(guān)心最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)芯片是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。正因?yàn)閂HDL的硬件描述與具體的工藝技術(shù)和硬件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，VHDL設(shè)計(jì)程序的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)器件才具有廣闊的選擇范圍（不同廠家、不同芯片、不同結(jié)構(gòu)）。4.VHDL語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、易于共享和復(fù)用由于VHDL具有類屬描述語(yǔ)句和子程序調(diào)用等功能，對(duì)于已

9、完成的設(shè)計(jì)，在不改變?cè)闯绦虻臈l件下，只需改變類屬參量或函數(shù)，就能輕易地改變?cè)O(shè)計(jì)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)。因此任何設(shè)計(jì)成果都便于共享、復(fù)用和交流。第一講 了解、選取FPGA芯片1. 關(guān)于EDA技術(shù)2. 傳統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法3. 利用VHDL語(yǔ)言的硬件電路設(shè)計(jì)方法4. 利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)硬件電路的優(yōu)點(diǎn) 5. EDA技術(shù)及其發(fā)展 6. FPGA/CPLD產(chǎn)品介紹5.EDA技術(shù)及其發(fā)展 EDA技術(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)后，得到了更大的發(fā)展，突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：使電子設(shè)計(jì)成果以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的方式得以明確表達(dá)和確認(rèn)成為可能；在仿真和設(shè)計(jì)兩方面支持標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言的功能強(qiáng)大的EDA軟件不斷推出。電子技術(shù)全方位納入EDA領(lǐng)域；

10、EDA使得電子領(lǐng)域各學(xué)科的界限更加模糊，更加互為包容；5.EDA技術(shù)及其發(fā)展更大規(guī)模的FPGA和CPLD器件的不斷推出；基于EDA工具的ASIC設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單元已涵蓋大規(guī)模電子系統(tǒng)及IP核模塊；軟硬件IP核在電子行業(yè)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域、技術(shù)領(lǐng)域和設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步確認(rèn)；SOC高效低成本設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟。5.EDA技術(shù)及其發(fā)展SOC：SYSTEM ON A CHIPSOPC：SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIPCSOC：CONFIGURABLE SYSTEM ON A CHIP6.FPGA/CPLD產(chǎn)品介紹超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA/CPLD2. 半定制或全定制ASIC3. 混合A

11、SIC6.FPGA/CPLD產(chǎn)品介紹2003年7月Forbes 福布斯報(bào)道FPGA芯片叫板微處理器- 如果沒(méi)有微處理器,電腦會(huì)怎樣?答案令人驚訝- 它的處理速度比常規(guī)電腦更快,而且快出很多倍! 盡管FPGA芯片的主頻要低于奔騰處理器,但是由于FPGA芯片可并行處理多項(xiàng)任務(wù),因此處理速度要比奔騰處理器或數(shù)字信號(hào)處理器快得多! FPGA芯片叫板微處理器 美國(guó)贏通系統(tǒng)公司（WincomSystems）推出一款令人驚嘆的服務(wù)器。這款專為網(wǎng)站運(yùn)行而設(shè)計(jì)的服務(wù)器尺寸僅有DVD播放機(jī)大小，工作能力卻相當(dāng)于,甚至超過(guò)50臺(tái)戴爾、IBM或SUN公司售價(jià)5000美元的服務(wù)器。贏通公司的這款服務(wù)器并未采用目前電腦中

12、不可或缺的微處理器。 傳統(tǒng)的個(gè)人電腦及服務(wù)器通常采用英特爾的奔騰處理器或SUN計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司的SPARC芯片作為中央處理單元。而贏通的這一產(chǎn)品卻沒(méi)有采用微處理器，而是由FPGA芯片驅(qū)動(dòng)。 FPGA芯片的運(yùn)行速度比奔騰處理器慢，但可并行處理多項(xiàng)任務(wù)，而微處理器一次僅能處理一項(xiàng)任務(wù)。因此，贏通公司的服務(wù)器只需配置幾個(gè)價(jià)格僅為2000多美元的FPGA芯片，便可擊敗SUN計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司的服務(wù)器或采用英特爾處理器的電腦，“我們的服務(wù)器處理速度要比普通服務(wù)器快50到300倍”。 FPGA芯片在一定程度上正在蠶食微處理器的市場(chǎng)。FPGA芯片也開(kāi)始用于消費(fèi)類的電子設(shè)備中，包括手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)。飛利浦、諾基亞、P

13、alm及索尼均在其消費(fèi)類的電子產(chǎn)品中采用了FPGA芯片。 XILINX的首席執(zhí)行官W.Roelandts親眼目睹了FPGA如何改變電腦構(gòu)架。50多年前，匈牙利數(shù)學(xué)家紐曼（John von Neumann）提出了電腦的設(shè)計(jì)構(gòu)想-通過(guò)中央處理器從存儲(chǔ)器中存取數(shù)據(jù)，并逐一處理各項(xiàng)任務(wù)?，F(xiàn)在，通過(guò)采用可編程芯片F(xiàn)PGA取代微處理器，電腦可并行處理多項(xiàng)任務(wù)。 W.Roelandts說(shuō)，“由紐曼提出的電腦架構(gòu)已經(jīng)走到盡頭”，“可編程芯片將掀起下一輪應(yīng)用高潮。 盡管FPGA芯片的時(shí)鐘頻率要低于奔騰處理器，但是由于FPGA芯片可并行處理各種不同的運(yùn)算，所以可完成許多復(fù)雜的任務(wù)。例如網(wǎng)頁(yè)顯示，全球天氣建摸及基因

14、組合核對(duì)等，而且處理速度比奔騰處理器或數(shù)字信號(hào)處理器快得多。在通用計(jì)算方面，F(xiàn)PGA仍然不敵Intel的處理器。對(duì)于那些只需要進(jìn)行重復(fù)單任務(wù)操作的機(jī)器而言，使用FPGA芯片顯然是大材小用。 位于內(nèi)華達(dá)州的TimeLogic公司也間接受益于FPGA。戴爾和SUN公司生產(chǎn)的某些標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器采用了ALTERA公司的FPGA芯片。TimeLogic公司對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器加以改進(jìn)之后，生產(chǎn)了一種用于基因研究的高速處理設(shè)備?！拔覀兊脑O(shè)備比原來(lái)的產(chǎn)品至少快1000倍”，TimeLogic公司總監(jiān)Christopher Hoover說(shuō)。該公司的這一設(shè)備售價(jià)25萬(wàn)美元。 馬里蘭州的Annapolis Micro Systems公司在其電腦芯片電路板中也集成了XILINX的FPGA芯片，以提高產(chǎn)品性能。又如加州的BlueArc公司用ALTERA的FPGA開(kāi)發(fā)出一種存儲(chǔ)器產(chǎn)品，其速度比Ne