可編程器件與電子設(shè)計自動化課件

上海交通大學電工及電子技術(shù)實驗中心

可編程器件與電子設(shè)計自動化

上海交通大學電工及電子技術(shù)實驗中心可編程器件與電子設(shè)1EDA經(jīng)歷了幾次大的進步70年代，EDA工具供應(yīng)商只有幾家，產(chǎn)品幾乎全部面向LSI或PCB布線設(shè)計。例如，現(xiàn)在常用的TANGO軟件就屬于PCB布線軟件。這一時期的EDA一般稱為電路CAD（計算機輔助設(shè)計）。EDA經(jīng)歷了幾次大的進步70年代，EDA工具供應(yīng)商只有幾家，2EDA經(jīng)歷了幾次大的進步80年代，開始供應(yīng)帶電路圖編輯工具和邏輯模擬工具的EDA軟件，這個時期的EDA是以數(shù)字電路分析工具為代表，主要解決電路設(shè)計沒有完成之前的功能檢驗問題。EDA經(jīng)歷了幾次大的進步80年代，開始供應(yīng)帶電路圖編輯工具和3EDA經(jīng)歷了幾次大的進步進入90年代，乃至目前使用的EDA軟件是第三代EDA軟件。以邏輯綜合、硬件行為仿真、參數(shù)分析和測試為重點。設(shè)計工具門類齊全，能夠提供系統(tǒng)設(shè)計需要的全部工具，如描述設(shè)計意圖的設(shè)計輸入工具、具有邏輯綜合和設(shè)計優(yōu)化能力的設(shè)計工具以及驗證設(shè)計和評估性能的仿真工具，能夠在系統(tǒng)級、電路級和RTL及門級進行設(shè)計描述、綜合和仿真。EDA經(jīng)歷了幾次大的進步進入90年代，乃至目前使用的EDA軟4可編程器件與電子設(shè)計自動化課件5電子線路計算機輔助設(shè)計（CAD）

與電子設(shè)計自動化（EDA）

CAD：ComputerAidedDesign

EDA：ElectronicDesignAutomation可編程器件基于芯片的設(shè)計方法以計算機為操作平臺EDA軟件工具電子線路計算機輔助設(shè)計（CAD）

與電子設(shè)計自動化（6

傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計方法確定目標設(shè)計電路原理圖考慮因素：設(shè)計者經(jīng)驗（直接設(shè)計、利用真值表、現(xiàn)有的電路模塊）、可獲得的元器件、盡可能少地使用元件、制圖規(guī)范，美觀（用電路圖設(shè)計軟件，如PROTEL、ORCAD、PSPICE等).

傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計方法確定目標7傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計方法審核、修改電路原理圖（電路仿真軟件，WORKBENCH等）設(shè)計、制作印刷電路板（利用相應(yīng)的軟件完成從原理圖到印刷板的自動或半自動布線）購置元器件、焊接、調(diào)試．調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題，重復(fù)步驟3--5

傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計方法審核、修改電路原理圖（電路仿真軟8三人表決器電路真值表ABCF00000010010001111000101111011111F=AB+BC+CA三人表決器電路9可編程器件與電子設(shè)計自動化課件10可編程ASIC器件（PLD）電路主體是“與陣列”和“或陣列”可以直接輸出，也可通過寄存器方式可編程ASIC器件（PLD）電路主體是“與陣列”和“或陣列”11按可編程的部位分類按可編程的部位分類12可編程器件與電子設(shè)計自動化課件13可編程器件與電子設(shè)計自動化課件14可編程器件與電子設(shè)計自動化課件15

CPLD（Altera公司為代表）

復(fù)雜可編程邏輯器件（ComplexProgrammableLogicalDevices)一個CPLD含有多個邏輯元件塊（PLD）每個邏輯塊間的接線是可編程的運行速度比FPGA快功耗較大

CPLD（Altera公司為代表）

16CPLD結(jié)構(gòu)方框圖CPLD結(jié)構(gòu)方框圖17FPGA（Xilinx公司為代表）現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray)邏輯功能塊粒度小類似門陣列的連線通道和邏輯功能塊結(jié)構(gòu)邏輯元件使用率高寄存器較多FPGA（Xilinx公司為代表）現(xiàn)場可編程門18

可編程ASIC器件的編程元件

熔絲型開關(guān)浮柵編程技術(shù)基于SRAM的編程元件

可編程ASIC器件的編程元件

熔絲型開關(guān)19熔絲型開關(guān)只允許對器件編程一次,編程后不能修改.集成度、工作頻率和可靠性很高.適用于電磁輻射干擾強的惡劣環(huán)境.熔絲型開關(guān)只允許對器件編程一次,編程后不能修改.20浮柵編程技術(shù)基于Ｅ2ＰROM存儲器的可編程器件能夠重復(fù)編程100次以上系統(tǒng)掉電后編程信息也不會丟失可用在系統(tǒng)編程的方法可設(shè)置加密位、節(jié)能方式等工作條件浮柵編程技術(shù)基于Ｅ2ＰROM存儲器的可編程器件能夠重復(fù)編程121基于SRAM的編程元件編程數(shù)據(jù)存儲于器件的RAM區(qū)中掉電時RAM中數(shù)據(jù)會丟失編程數(shù)據(jù)平時存儲在EPROM、磁盤中系統(tǒng)加電時將這些編程數(shù)據(jù)即時寫入可編程器件的RAM中基于SRAM的編程元件編程數(shù)據(jù)存儲于器件的RAM區(qū)中22

電路原理圖輸入方式與下載

與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相近，電子工程師容易接受簡捷、直觀設(shè)計者需要熟悉元器件功能適合于用中規(guī)模通用模塊來設(shè)計電路對于復(fù)雜電路的設(shè)計，十分困難甚至難以實現(xiàn)

電路原理圖輸入方式與下載

與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相近，電子工程23

硬件描述語言

（HDL、VHDL、ABEL等）輸入方式

與傳統(tǒng)的設(shè)計思考方式完全不同的嶄新思維方式類似高級程序語言設(shè)計較少依賴對元器件的熟悉程度容易進行復(fù)雜電路的設(shè)計(適合某些不通用的控制器電路)

硬件描述語言

（HDL、VHDL、ABEL等）輸入方式24邏輯電路的語言描述HDL(HardwareDescriptionLanguage)硬件描述語言AHDL(AlteraHardwareDescriptionLanguage)ABEL-HDLVHDL邏輯電路的語言描述HDL(HardwareDescript25可編程器件與電子設(shè)計自動化課件26可編程器件與電子設(shè)計自動化課件27

EPM7128S管腳示意圖

EPM7128S管腳示意圖

28在系統(tǒng)編程芯片EPM7128S-15

基本結(jié)構(gòu)低密度、高性能CMOS可編程邏輯器件之一。84腳的PLCC封裝。4個直接輸入2，1，84，83和64個I/O引腳。（I/O引腳既可作為輸出、又可作為輸入）TMS、TDI、TDO、TCK是在系統(tǒng)編程信號，在系統(tǒng)編程之后，四個信號不可作為I/O引腳。在系統(tǒng)編程芯片EPM7128S-15

基本結(jié)298個相似的邏輯陣列塊LAB（LogicArrayBlock)。每個LAB有16個宏單元 (Macrocell）2個獨立的全局時鐘和一個全局清除.每個宏單元有一個寄存器。一個可編程連線陣列（PLA）.多個輸入/輸出控制塊（I/OBlock）.8個相似的邏輯陣列塊LAB（LogicArray30JDEE-7在系統(tǒng)可編程器件實驗箱 面板圖JDEE-7在系統(tǒng)可編程器件實驗箱 面板圖31JDEE-7在系統(tǒng)可編程器件實驗板

JDEE-7在系統(tǒng)可編程器件實驗板32可編程器件與電子設(shè)計自動化課件33可編程器件與電子設(shè)計自動化課件34

注意事項 注意事項35

上海交通大學電工及電子技術(shù)實驗中心

可編程器件與電子設(shè)計自動化

上海交通大學電工及電子技術(shù)實驗中心可編程器件與電子設(shè)36EDA經(jīng)歷了幾次大的進步70年代，EDA工具供應(yīng)商只有幾家，產(chǎn)品幾乎全部面向LSI或PCB布線設(shè)計。例如，現(xiàn)在常用的TANGO軟件就屬于PCB布線軟件。這一時期的EDA一般稱為電路CAD（計算機輔助設(shè)計）。EDA經(jīng)歷了幾次大的進步70年代，EDA工具供應(yīng)商只有幾家，37EDA經(jīng)歷了幾次大的進步80年代，開始供應(yīng)帶電路圖編輯工具和邏輯模擬工具的EDA軟件，這個時期的EDA是以數(shù)字電路分析工具為代表，主要解決電路設(shè)計沒有完成之前的功能檢驗問題。EDA經(jīng)歷了幾次大的進步80年代，開始供應(yīng)帶電路圖編輯工具和38EDA經(jīng)歷了幾次大的進步進入90年代，乃至目前使用的EDA軟件是第三代EDA軟件。以邏輯綜合、硬件行為仿真、參數(shù)分析和測試為重點。設(shè)計工具門類齊全，能夠提供系統(tǒng)設(shè)計需要的全部工具，如描述設(shè)計意圖的設(shè)計輸入工具、具有邏輯綜合和設(shè)計優(yōu)化能力的設(shè)計工具以及驗證設(shè)計和評估性能的仿真工具，能夠在系統(tǒng)級、電路級和RTL及門級進行設(shè)計描述、綜合和仿真。EDA經(jīng)歷了幾次大的進步進入90年代，乃至目前使用的EDA軟39可編程器件與電子設(shè)計自動化課件40電子線路計算機輔助設(shè)計（CAD）

與電子設(shè)計自動化（EDA）

CAD：ComputerAidedDesign

EDA：ElectronicDesignAutomation可編程器件基于芯片的設(shè)計方法以計算機為操作平臺EDA軟件工具電子線路計算機輔助設(shè)計（CAD）

與電子設(shè)計自動化（41

傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計方法確定目標設(shè)計電路原理圖考慮因素：設(shè)計者經(jīng)驗（直接設(shè)計、利用真值表、現(xiàn)有的電路模塊）、可獲得的元器件、盡可能少地使用元件、制圖規(guī)范，美觀（用電路圖設(shè)計軟件，如PROTEL、ORCAD、PSPICE等).

傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計方法確定目標42傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計方法審核、修改電路原理圖（電路仿真軟件，WORKBENCH等）設(shè)計、制作印刷電路板（利用相應(yīng)的軟件完成從原理圖到印刷板的自動或半自動布線）購置元器件、焊接、調(diào)試．調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題，重復(fù)步驟3--5

傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計方法審核、修改電路原理圖（電路仿真軟43三人表決器電路真值表ABCF00000010010001111000101111011111F=AB+BC+CA三人表決器電路44可編程器件與電子設(shè)計自動化課件45可編程ASIC器件（PLD）電路主體是“與陣列”和“或陣列”可以直接輸出，也可通過寄存器方式可編程ASIC器件（PLD）電路主體是“與陣列”和“或陣列”46按可編程的部位分類按可編程的部位分類47可編程器件與電子設(shè)計自動化課件48可編程器件與電子設(shè)計自動化課件49可編程器件與電子設(shè)計自動化課件50

CPLD（Altera公司為代表）

復(fù)雜可編程邏輯器件（ComplexProgrammableLogicalDevices)一個CPLD含有多個邏輯元件塊（PLD）每個邏輯塊間的接線是可編程的運行速度比FPGA快功耗較大

CPLD（Altera公司為代表）

51CPLD結(jié)構(gòu)方框圖CPLD結(jié)構(gòu)方框圖52FPGA（Xilinx公司為代表）現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray)邏輯功能塊粒度小類似門陣列的連線通道和邏輯功能塊結(jié)構(gòu)邏輯元件使用率高寄存器較多FPGA（Xilinx公司為代表）現(xiàn)場可編程門53

可編程ASIC器件的編程元件

熔絲型開關(guān)浮柵編程技術(shù)基于SRAM的編程元件

可編程ASIC器件的編程元件

熔絲型開關(guān)54熔絲型開關(guān)只允許對器件編程一次,編程后不能修改.集成度、工作頻率和可靠性很高.適用于電磁輻射干擾強的惡劣環(huán)境.熔絲型開關(guān)只允許對器件編程一次,編程后不能修改.55浮柵編程技術(shù)基于Ｅ2ＰROM存儲器的可編程器件能夠重復(fù)編程100次以上系統(tǒng)掉電后編程信息也不會丟失可用在系統(tǒng)編程的方法可設(shè)置加密位、節(jié)能方式等工作條件浮柵編程技術(shù)基于Ｅ2ＰROM存儲器的可編程器件能夠重復(fù)編程156基于SRAM的編程元件編程數(shù)據(jù)存儲于器件的RAM區(qū)中掉電時RAM中數(shù)據(jù)會丟失編程數(shù)據(jù)平時存儲在EPROM、磁盤中系統(tǒng)加電時將這些編程數(shù)據(jù)即時寫入可編程器件的RAM中基于SRAM的編程元件編程數(shù)據(jù)存儲于器件的RAM區(qū)中57

電路原理圖輸入方式與下載

與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相近，電子工程師容易接受簡捷、直觀設(shè)計者需要熟悉元器件功能適合于用中規(guī)模通用模塊來設(shè)計電路對于復(fù)雜電路的設(shè)計，十分困難甚至難以實現(xiàn)

電路原理圖輸入方式與下載

與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相近，電子工程58

硬件描述語言

（HDL、VHDL、ABEL等）輸入方式

與傳統(tǒng)的設(shè)計思考方式完全不同的嶄新思維方式類似高級程序語言設(shè)計較少依賴對元器件的熟悉程度容易進行復(fù)雜電路的設(shè)計(適合某些不通用的控制器電路)

硬件描述語言

（HDL、VHDL、ABEL等）輸入方式59邏輯電路的語言描述HDL(HardwareDescriptionLanguage)硬件描述語言AHDL(AlteraHardwareDescriptionLanguage)ABEL-HDLVHDL邏輯電路的語言描述HDL(HardwareDescript60可編程器件與電子