第一章CPLDFPGA可編程邏輯器件2015

1、CPLD/FPGA可編程邏輯器件主講：王宗省1主要術語一EDA的概念二EDA的主要內容三EDA技術的主要特征四CPLD/FPGA知識概述主要學習方法五2EDA：電子設計自動化Electronic design automationPLD：可編程邏輯器件 Programmable logical deviceCPLD：復雜可編程邏輯器件 complex programmable logical deviceFPGA：現(xiàn)場可編程門陣列 field programmable gates arrayISP：在系統(tǒng)可編程 in system programmableASIC：專用集成電路 Applica

2、tion specific integrated circuitsSOC：片上系統(tǒng) System On ChipSOPC：可編程片上系統(tǒng) System On Chip IP：經過測試和優(yōu)化的功能復雜的電路 Intellectual Property一、主要術語： 3 現(xiàn)代電子設計技術的核心就是EDA（電子設計自動化，Electronic Design Automation）技術。利用EDA技術，電子設計師可以方便地實現(xiàn)IC設計、電子電路設計和PCB設計等工作。 二、EDA的概念 4 在廣義的EDA技術中，CAA技術和PCB-CAD技術不具備邏輯綜合和邏輯適配的功能，因此它并不能稱為真正意義上的

3、EDA技術。 廣義的EDA技術，除了狹義的EDA技術外，還包括計算機輔助分析CAA技術(如PSPICE，EWB，MATLAB等)，印刷電路板計算機輔助設計PCB-CAD技術(如PROTEL，ORCAD等)。 5 狹義的EDA技術，就是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O計載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_發(fā)軟件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設計開發(fā)工具的EDA技術。 6可編程邏輯器件（簡稱PLD）是一種由用戶編程來實現(xiàn)某種邏輯功能的新型邏輯器件。它不僅速度快、集成度高，能夠完成用戶定義的邏輯功能，還可以加密和重新定義編程，其允許編程次數(shù)可多達上萬次。使用可編程邏輯器件

4、可大大簡化硬件系統(tǒng)、降低成本、提高系統(tǒng)的可靠性、靈活性。 三、EDA的主要內容 1、可編程邏輯器件 7目前，PLD主要分為FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和 CPLD(復雜可編程邏輯器件)兩大類。FPGA和CPLD最明顯的特點是高集成度、高速度和高可靠性。由于它們的明顯特點，可以應用于超高速領域和實時測控方面以及嵌入式領域等等。 8VHDLVHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language VHDLVerilog HDLSystemVerilogSystemC 具有很強的電路描述和建模能力 具有與具體硬件電路

5、無關和與設計平臺無關的特性 具有良好的電路行為描述和系統(tǒng)描述的能力 2 硬件描述語言VHDL 9 硬件描述語言（HDL）是各種描述方法中最能體現(xiàn)EDA優(yōu)越性的描述方法。所謂硬件描述語言，實際就是一個描述工具，其描述的對象就是待設計電路系統(tǒng)的邏輯功能、實現(xiàn)該功能的算法、選用的電路結構以及其他各種約束條件等。通常要求HDL既能描述系統(tǒng)的行為，又能描述系統(tǒng)的結構。 10（1）Verilog-HDL Verilog-HDL語言是在1983年由GDA (Gateway Design Automation)公司首創(chuàng)的，主要用于數(shù)字系統(tǒng)的設計。 （2）VHDL VHDL語言是美國國防部于20世紀80年代后期

6、，出于軍事工業(yè)的需要開發(fā)的。11 VHDL語言是一種高級描述語言，適用于電路高級建模，綜合的效率和效果較好。 Verilog-HDL語言是一種低級的描述語言，適用于描述門級電路，容易控制電路資源，但其對系統(tǒng)的描述能力不如VHDL語言。 12 設計過程中的每一步都可稱為一個綜合環(huán)節(jié)。 (1) 從自然語言轉換到VHDL語言算法表示，即自然語言綜合； (2)從算法表示轉換到寄存器傳輸級(Register Transport Level，RTL)，即從行為域到結構域的綜合，即行為綜合； (3) RTL級表示轉換到邏輯門(包括觸發(fā)器)的表示，即邏輯綜合； (4) 從邏輯門表示轉換到版圖表示(ASIC設計

7、)，或轉換到FPGA的配置網(wǎng)表文件，可稱為版圖綜合或結構綜合。有了版圖信息就可以把芯片生產出來了。有了對應的配置文件，就可以使對應的FPGA變成具有專門功能的電路器件。（3）綜合13把抽象的實體結合成單個或統(tǒng)一的實體。 編譯器和綜合功能比較 14 VHDL綜合器運行流程 15自頂向下的設計流程 （4）基于VHDL的自頂向下設計方法 16 方案論證與系統(tǒng)級構建獨立于硬件的系統(tǒng)行為評估和設計。系統(tǒng)仿真：包括系統(tǒng)級的硬件設計與仿真，軟件設計與仿真現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計流程將硬件系統(tǒng)設計文件轉換成可綜合（RTL）硬件描述語言（HDL）。 進行功能仿真將硬件描述語言轉換成標準網(wǎng)表文件，如EDIF、VHDL、V

8、erilog等通過結構綜合或適配（芯片內的布線布局），將標準網(wǎng)表文件轉換成芯片下載文件。進行時序仿真硬件系統(tǒng)實現(xiàn)。硬件系統(tǒng)測試與調試HARDWEAR DEBUGERRING軟件設計與調試。SOFTWEAR DEBUGERRING系統(tǒng)設計完成傳統(tǒng)電子系統(tǒng)設計流程根據(jù)方案和系統(tǒng)指標選購硬件，并設計電路板，即硬件系統(tǒng)實際自頂向下的設計流程自底向上的設計流程方案論證，與算法確定軟件設計與調試。SOFTWEAR DEBUGERRING硬件系統(tǒng)測試與調試系統(tǒng)設計完成，或系統(tǒng)中的某一模塊實際完成EDA設計流程與傳統(tǒng)技術設計流程比較17 目前在國內比較流行的EDA 軟件工具主要有Altera公司的MAX+pl

9、us和Quartus、Lattice公司的Expert LEVER和Synario、Xilinx公司的Foundation和Alliance、Actel公司的Actel Designer等。 3、EDA軟件 18EDA開發(fā)軟件特性 廠商EDA軟件名稱軟件適用器件系列軟件支持的描述方式AlteraMAX+plusMAX、FLEX等邏輯圖、波形圖、AHDL文本、Verilog-HDL文本、VHDL文本等QuartusMAX、FLEX、APEX等XilinxAllianceXilinx各種系列邏輯圖、VHDL文本等FoundationXC系列LatticeSynarioMACH GAL、ispLSI

10、、pLSI等邏輯圖、ABEL文本、VHDL文本等Expert LEVERIspLSI、pLSI、 MACH等邏輯圖、VHDL文本等ActelActel DesignerSX系列、MX系列邏輯圖、VHDL文本等19EDA技術的3個層次（1）EWB、PSpice、protel的學習作為EDA的最初級內容；（2）利用VHDL完成對CPLD/FPGA的開發(fā)等作為中級內容；（3）ASIC的設計作為最高級內容20（1）高層綜合與優(yōu)化的理論與方法取得了很大的進展，其結果大大縮短了復雜的ASIC的設計周期，同時改進了設計質量；（2）采用硬件描述語言來描述10萬門以上的設計，形成了國際通用的VHDL等硬件描述語

11、言。它們均支持不同層次的描述，使得復雜IC的描述規(guī)范化，便于傳遞、交流、保存與修改，并可建立獨立的工藝設計文檔，便于設計重用； 四、EDA技術的主要特征 1、EDA技術主要有以下這些特征 21（3）開放式的設計環(huán)境（各廠家均適合）；（4）自頂向下的算法；（5）豐富的元器件模塊庫；（6）具有較好的人機對話界面與標準的CAM接口；（7）建立并行設計工程框架結構的集成化設計環(huán)境，以適應當今ASIC的特點：規(guī)模大而復雜，數(shù)字與模擬電路并存，硬件與軟件并存，產品上市更新快。 22EDA技術的發(fā)展分為三個階段 20世紀70年代計算機輔助設計CAD階段20世紀80年代 計算機輔助工程設計階段20世紀90年代

12、 電子系統(tǒng)設計自動化階段2、EDA技術主要發(fā)展階段 23 EDA與傳統(tǒng)電子設計方法的比較手工設計方法的缺點是： 1)復雜電路的設計、調試十分困難。 2)如果某一過程存在錯誤，查找和修改十分不便。 3)設計過程中產生大量文檔，不易管理。 4)對于集成電路設計而言，設計實現(xiàn)過程與具體生產工藝直接相關，因此可移植性差。 5)只有在設計出樣機或生產出芯片后才能進行實測。EDA技術有很大不同： 1)采用硬件描述語言作為設計輸入。 2)庫(Library)的引入。 3)設計文檔的管理。 4)強大的系統(tǒng)建模、電路仿真功能。 5)具有自主知識產權。 6)開發(fā)技術的標準化、規(guī)范化以及IP核的可利用性。 7)適用于高效率大規(guī)模系統(tǒng)設計的自頂向下設計方案。 8)全方位地利用計算機自動設計、仿真和測試技術。 9)對設計者的硬件知識和硬件經驗要求低。10)高速性能好。11)純硬件系統(tǒng)的高可靠性。24 EDA與傳統(tǒng)電子設計方法的比較FPGA和DSP芯片實現(xiàn)FIR濾波器的速度對比8位FIR濾波器階數(shù)FPG