FPGA與硬件描述語言-第一章-緒論課件

FPGA與

硬件描述語言2016.41精選課件ppt引言為何將這門課從第一周調(diào)整到從第九周開始？本門課和數(shù)電的關(guān)系？開設(shè)這門課的重要性？這是一門注重實(shí)踐的課程，目的是要掌握一門技能2精選課件ppt引言介紹本門課的教學(xué)大綱：教學(xué)內(nèi)容安排教學(xué)內(nèi)容講授實(shí)驗(yàn)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(yùn)算操作符實(shí)驗(yàn)1，實(shí)驗(yàn)244第三章：VHDL的描述語句實(shí)驗(yàn)3，實(shí)驗(yàn)444第三章：有限狀態(tài)機(jī)實(shí)驗(yàn)542合計(jì)（學(xué)時(shí)）22103精選課件ppt引言介紹本門課的教學(xué)大綱：考核及成績評(píng)定采用百分制，總評(píng)成績由平時(shí)成績、實(shí)踐教學(xué)成績和期末成績?nèi)糠纸M成平時(shí)成績占30%（其中出勤成績占10%，作業(yè)成績占20%）實(shí)踐設(shè)計(jì)成績占50%期末考核成績占20%4精選課件ppt引言介紹本門課的教學(xué)大綱：參考書教材：王振紅等，圖說VHDL數(shù)字電路設(shè)計(jì)，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(jì)及應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，2002年6月答疑安排周四56節(jié)，第三實(shí)驗(yàn)樓901電子郵箱：5精選課件ppt第一章緒論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(shí)現(xiàn)1.1.3數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具1.2EDA技術(shù)的發(fā)展1.3現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法6精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念FPGAField

ProgrammableGateArray現(xiàn)場可編程門陣列7精選課件ppt8精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念數(shù)字系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：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可靠性高。數(shù)字電路中只需分辨出信號(hào)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）范圍能長期存儲(chǔ)。數(shù)字信息可以利用某種媒介，如磁帶、磁盤、光盤等進(jìn)行長時(shí)期的存儲(chǔ)9精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念數(shù)字系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)處理。數(shù)字信號(hào)的輸出除了具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)外，最主要的還是便于利用電子計(jì)算機(jī)來進(jìn)行信息的處理便于高度集成化10精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念數(shù)字電路是由具有各種邏輯功能的數(shù)字邏輯器件組成的常用數(shù)字邏輯器件都包括哪些？11精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念門電路12精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念門電路13精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念門電路14精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念編碼器74LS148，8線-3線優(yōu)先編碼器譯碼器74LS138，3線-8線譯碼器加法器74LS183，雙全加器選擇器乘法器觸發(fā)器RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器計(jì)數(shù)器15精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念數(shù)字系統(tǒng)中都是由數(shù)字邏輯器件組成的嗎？16精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念17精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的概念數(shù)字系統(tǒng)的概念：用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)處理和傳輸信息的系統(tǒng)都稱為數(shù)字系統(tǒng)18精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展史19精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分立元件，由電阻、電容、晶體管等電子元件組成SSI（Small-ScaleIntegration）小規(guī)模集成電路，1-10個(gè)邏輯門典型電路：邏輯門器件，觸發(fā)器MSI（Medium-ScaleIntegration）

中規(guī)模集成電路，10-100個(gè)邏輯門典型電路：編碼器，譯碼器，計(jì)數(shù)器20精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)LSI（Large-ScaleIntegration）大規(guī)模集成電路，100-10000個(gè)邏輯門典型電路：微處理器，存儲(chǔ)器，

可編程邏輯器件VLSI（Very-Large-ScaleIntegration）

超大規(guī)模集成電路，10000個(gè)邏輯門以上21精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)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(shí)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(jì)特點(diǎn)：“積木塊，搭積木”22精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)輸入輸出ABSCO0000011010101101半加器的真值表半加器的邏輯表達(dá)式半加器的邏輯圖和符號(hào)23精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)全加器的邏輯表達(dá)式全加器的邏輯圖和符號(hào)24精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4位串行進(jìn)位加法器25精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)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：出現(xiàn)故障的機(jī)會(huì)大大增加平均失效時(shí)間將大大下降26精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)微控制器是在單一芯片上實(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的組合邏輯功能27精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于通用微控制器進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法具有靈活高效、成本低、系統(tǒng)開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)小以及可移植性好等諸多優(yōu)點(diǎn)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(jì)方法，是對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的一次革命28精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于微控制器的設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)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(duì)程序進(jìn)行加密29精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)ASIC（專用集成電路）ApplicationSpecificIntegratedCircuits一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)只要一片或數(shù)片ASIC即可實(shí)現(xiàn)30精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)ASIC的優(yōu)點(diǎn)ASIC的缺點(diǎn)相對(duì)于MCU而言，ASIC不易被破解，可保護(hù)設(shè)計(jì)者的成果不被盜用ASIC的設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)需要比較長的時(shí)間從市場角度看，一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)就是一個(gè)產(chǎn)品，可將產(chǎn)品的成本降至最低設(shè)計(jì)費(fèi)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31精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)PLD（可編程邏輯器件）ProgrammableLogicDevicePLD的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)品研制時(shí)間段，設(shè)計(jì)費(fèi)用低，風(fēng)險(xiǎn)接近于零使本來是微電子工程師才能完成的ASIC設(shè)計(jì)，完全轉(zhuǎn)移給了電路設(shè)計(jì)工程師，大大縮短了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)間32精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)PLD的優(yōu)點(diǎn)基于芯片的設(shè)計(jì)方法允許設(shè)計(jì)者定義、編輯和修改器件的內(nèi)部邏輯和管腳，使得硬件設(shè)計(jì)變得和軟件設(shè)計(jì)一樣方便這種方法也將原來由電路板設(shè)計(jì)完成的大部分工作放在芯片設(shè)計(jì)中進(jìn)行，這樣可以通過芯片設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)的工作量和難度，從而有效地增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，提高了工作效率PLD的價(jià)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33精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為了高效地實(shí)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(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)，因此，一顆芯片即可完成整個(gè)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，SystemonChip）設(shè)計(jì)技術(shù)34精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程35精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作不僅需要完成功能設(shè)計(jì)，而且還需要對(duì)時(shí)序、功能等性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，僅僅依靠手工是無法完成設(shè)計(jì)工作的，所有的設(shè)計(jì)工作都需要在計(jì)算機(jī)上通過專用的EDA工具完成36精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）ElectronicDesignAutomation設(shè)計(jì)者計(jì)算機(jī)完成對(duì)系統(tǒng)功能的描述，設(shè)定設(shè)計(jì)的約束條件電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(jì)調(diào)試就可以像軟件的調(diào)試修改一樣方便37精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)輸入工具：用于輸入設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)現(xiàn)工具，用于完成設(shè)計(jì)的物理實(shí)現(xiàn)仿真工具：用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確，是進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證的最重要手段38精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具EDA工具只能完成設(shè)計(jì)工作，而實(shí)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(jì)者提供了強(qiáng)有力的工具39精選課件ppt緒論—數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具AlteraXilinxLattice40精選課件ppt緒論—EDA技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)70年代20世紀(jì)80年代20世紀(jì)90年代到本世紀(jì)初這個(gè)時(shí)期的EDA工具僅能完成系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)工作，無法完成系統(tǒng)的功能和性能的驗(yàn)證工作這個(gè)階段的EDA工具一般被稱為CAD（ComputerAidedDesign，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）這個(gè)時(shí)期的EDA工具是以數(shù)字電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具為代表，主要是解決電路，尤其是數(shù)字電路設(shè)計(jì)完成之前的功能驗(yàn)證問題這個(gè)時(shí)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(shí)現(xiàn)和測試等一系列的工具，能夠提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的全部工具；電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化開始真正實(shí)現(xiàn)41精選課件ppt緒論—EDA技術(shù)的發(fā)展廣度深度在過去，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(jī)擴(kuò)展，目前支持多種PC平臺(tái)，隨著PC機(jī)的性能不斷提高，EDA軟件在PC機(jī)上越來越普及，軟件功能將會(huì)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(dú)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(jì)工具，如Altera公司的QuartusII，Xilinx