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1、在系统编程技术概述,第一部分,可编程器件概述,常见术语,VLSI（Very Large Scale Integration）超大规模集成电路 集成电路从60年代开始，经历了小规模SSI、中规模MSI、大规模LSI到目前的超大规模集成VLSI，单个芯片上可以制作几百万个晶体管的一个完整的数字系统或数模混合的电子系统。它的迅速发展已经改变了电子技术的面貌，并且对一系列科学技术，甚至人们的日常生活斗法升了强烈的影响。,常见术语,EDA （Electronic Design Automatic ） 电子设计自动化技术是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新成果而开发出的
2、电子CAD通用软件包,它根据硬件描述语言HDL完成的设计文件,自动完成逻辑、化简、分割、综合、优化、布局布线及仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 EDA主要辅助进行三个方面的设计工作： IC设计 电子电路设计 PCB设计,常见术语,CAD （Computer Aided Design） 计算机辅助设计 70年代 开始利用计算机代替手工劳动，辅助进行IC版图编辑，PCB布局布线，产生了计算机辅助设计的概念 CAE （Computer Aided Engineering）计算机辅助工程 80年代 除了纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电
3、气连接网表将两者结合在一起。这就是计算机辅助工程的概念。 CAE的主要功能是：原理图输入、逻辑仿真、电路综合、电路时延后仿真、自动布局布线及PCB后分析等,常见术语,ESDA Electronic System Design Automatic 电子系统设计自动化 90年代，开始追求贯彻整个设计过程的自动化 FPGA（Field Programmable Gate Array） 现场可编程门阵列 CPLD （Complex Programmable Logic Device） 复杂可编程逻辑器件,常见术语,HDL （Hardware Description Language） 硬件描述语言 V
4、HDL 超高速集成电路硬件描述语言 VerilogHDL 两种HDL语言作为IEEE的标准都支持从算法级到门级多种抽象设计层次数字系统建模。 VerilogHDL语言最初起源于美国业界 ,从语言中继承了多种操作符和结构 ,比VHDL更简练 ,并且由于VerilogHDL支持晶体管级设计层次 ,在进行ASIC设计时更为灵活。 VHDL语言最初是美国国防部资助的VHSIC项目开发的产品 , VHDL语言更为严谨 ,更易于被其他人理解 ,在较高抽象设计层次上比VerilogHDL更能准确快速地对数字系统建模,部分FPGA厂家,Altera http:/ 九十年代以后发展很快，是最大可编程逻辑器件供应
5、商之一。主要产品有：MAX3000/7000,FELX6K/10K, APEX20K，ACEX1K。 普遍认为其开发工具MaxplusII是较成功的PLD开发平台。新近推出的新一代完全集成设计环境Quartus提供了对APEX20K系列芯片的最好支持，弥补了MaxplusII某些功能的不足。,部分FPGA厂家,Lattice http:/ Lattice是ISP技术的发明者,ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，与ALTERA和XILINX相比，其开发工具比ALTERA和XILINX略逊一筹。中小规模PLD比较有特色，而且参考书较多，不过其大规模PLD的竞争力还不够强（Lattice没有基于
6、查找表技术的大规模FPGA) 1999年推出可编程模拟器件。99年收购Vantis（原AMD子公司）,成为第三大可编程逻辑器件供应商。主要产品有ispLSI2000/5000/8000, MACH4/5,部分FPGA厂家,Xilinx http:/ ，Spartan, Vertex 。开发软件为：Foundition3.1i 。通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA的人多，在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。,部分FPGA厂家,Actel htt
7、p:/ 反熔丝（一次性烧写）PLD的领导者，由于反熔丝PLD抗辐射，耐高低温，功耗低，速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。,SPLD的基本结构,SPLD的分类,与阵列 或阵列 输出部分 PROM PLA PAL GAL,固定 可编程 固定 可编程 可编程 固定 可编程 固定 固定 可编程 固定 可组态,PROM阵列结构 PLA阵列结构,组合型PAL逻辑图（部分）,GAL的输出逻辑宏单元（OLMC）,OLMC的四种组态,GAL的缺点,规模太小只能代替24片MSL 统一时钟 统一清零 单一反馈 无隐埋触发器 乘积项不能共享 加密不可靠,C
8、 P L D 结 构,F P G A 结 构,Xilinx公司FPGA3020逻辑图,FPGA vs CPLD,FPGA 是一种高密度的可编程逻辑器件,自从Xilinx公司1985年推出第一片FPGA以来,FPGA的集成密度和性能提高很快,其集成密度最高达500万门/片以上,系统性能可达200MHz。由于FPGA器件集成度高,方便易用,开发和上市周期短,在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用,并一度在高密度的可编程逻辑器件领域中独占鳌头。,FPGA vs CPLD,CPLD 是由 GAL发展起来的 ,其主体结构仍是与或阵列 ,自从 90年代初 Lattice公司高性能的具有在系统可编程 IS
9、P(In System Programmable)功能的 CPLD以来 ,CPLD发展迅速。具有 ISP功能的 CPLD器件由于具有同 FPGA器件相似的集成度和易用性 ,在速度上还有一定的优势 ,使其在可编程逻辑器件技术的竞争中与 FPGA并驾齐驱 ,成为两支领导可编程器件技术发展的力量之一.,FPGA、CPLD的结构,FPGA器件 在结构上 ,由逻辑功能块排列为阵列 ,并由可编程的内部连线连接这些功能块来实现一定的逻辑功能,FPGA、CPLD的结构,CPLD 是将多个可编程阵列逻辑 (PAL)器件集成到一个芯片 ,具有类似 PAL的结构。一般情况下CPLD器件中至少包含三种结构 :可编程逻
10、辑功能块 (FB);可编程 I/ O单元 ;可编程内部连线,FPGA vs CPLD,集成度 FPGA可以达到比 CPLD更高的集成度 ,同时也具有更复杂的布线结构和逻辑实现 适合结构 FPGA更适合于触发器丰富的结构 ,而 CPLD更适合于触发器有限而积项丰富的结构 编程 CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程 ,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程 ;FPGA可在逻辑门下编程 ,而 CPLD是在逻辑块下编程 ,在编程上 FPGA比 CPLD具有更大的灵活性,FPGA vs CPLD,功率消耗 CPLD的缺点比较突出。一般情况下 ,CPLD功耗要比 FPGA大 ,且集成度越高越
11、明显 速度 CPLD优于 FPGA。由于 FPGA是门级编程 ,且 CLB之间是采用分布式互连 ;而 CPLD是逻辑块级编程 ,且其逻辑块互连是集总式的。因此 ,CPLD比 FPGA有较高的速度和较大的时间可预测性 ,产品可以给出引腿到引腿的最大延迟时间,FPGA vs CPLD,编程方式 目前的 CPLD主要是基于E2 PROM或 FLASH存储器编程 ,编程次数达 1万次。其优点是在系统断电后 ,编程信息不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程 (ISP) CPLD两种。 ISP器件的优点是不需要编程器 ,可先将器件装焊于印制板 ,再经过编程电缆进行编程 ,编程、调试和维护都很方
12、便 FPGA大部分是基于 SRAM编程 ,其缺点是编程数据信息在系统断电时丢失 ,每次上电时 ,需从器件的外部存储器或计算机中将编程数据写入 SRAM中。其优点是可进行任意次数的编程 ,并可在工作中快速编程 ,实现板级和系统级的动态配置 ,因此可称为在线重配置 (ICR:In CircuitReconfigurable)的 PLD或可重配置硬件(RHP:Reconfigurable Hardware Product）,FPGA vs CPLD,使用方便性 CPLD比 FPGA要好。 CPLD的编程工艺采用 E2 PROM或FASTFLASH技术 ,无需外部存储器芯片 ,使用简单 ,保密性好。而
13、基于 SRAM编程的FPGA,其编程信息需存放在外部存储器上 ,需外部存储器芯片 ,且使用方法复杂 ,保密性差,可编程器件选择,从系统设计的角度选择目标器件的基本原则,电磁兼容设计的原则 能选用低速器件的不选择高速器件，以降低成本，减少电磁干扰 主流芯片原则 要尽量选择厂家的主流推广器件，以降低成本，缩短供货周期 多片系统原则 不一味追求单片化，可根据系统的实际情况适当选择多器件的结构，以加快设计过程，提高系统稳定性,多片方案： 优点：每个芯片内功能相对单一，单片内逻辑设计和调试相对容易，简化系统实现的复杂度。 缺点：在整个系统调试时，不同子系统之间的信号调式较困难，在高速设计中存在明显缺陷。
14、 单片方案： 优点：提高了系统的集成度，减少了故障点，降低系统时延，降低PCB布线复杂度 缺点：片内逻辑复杂度大，仿真激励波形和测试文件编写复杂，对设计人员要求较高,可编程器件选择,从器件资源的角度选择目标器件的原则,器件的逻辑资源和系统的逻辑要求相匹配 特征单元评估法 器件的I/O脚的数目满足目标系统的要求 专用功能脚 用户功能脚 双功能脚,引脚的绑定原则 1、尽量避免人为固定I/O引脚，除非是多次实现过程中可能存在的不固定I/O引脚 2、在FPGA中尽量避免将相关的引脚集中固定在相互靠近的位置，在CPLD中则根据器件实际情况具体分析 3、适当考虑或禁止使用双功能脚，若必须使用，应对引脚加接
15、上拉或下拉电阻 4、在FPGA设计实现中，I/O脚一般从左向右，从上到下设定。,第二部分,常用的可编程数字系统设计方法,可编程数字系统设计流程,设计输入,HDL综合,布线前仿真,目标编译,布线后仿真,在系统编程,层次化设计方法分层原则,将所有的算术运算安排在同一层中，状态机、随机逻辑、数据路径等逻辑类型作为独立的模块设计 模块的输入尽量不要悬空，输出应尽量寄存。 单个功能块应保持在30006000门之间，HDL语言的行数不超过400行 尽量采用专用的IP核进行设计,HDL,VHDL具有强大的行为描述能力，丰富的仿真语句和库函数，对设计的描述也具有相对独立性 Verilog 最大特点就是易学易用
16、，语法比较自由 ABEL一种早期的硬件描述语言支持逻辑电路的多种表达形式，其中包括逻辑方程，真值表和状态图。 AHDL(Altera HHDL) 是ALTERA公司发明的HDL,特点是非常易学易用，学过高级语言的人可以在很短的时间（如几周）内掌握AHDL。它的缺点是移植性不好，通常只用于ALTERA自己的开发系统。,常见的HDL工具,FPGAExpress： VHDL/VerilogHDL综合软件，简单易用，但有人反映其对VerilogHDL的支持不够强, Synopsys公司出品。,FPGA CompilerII VHDL/VerilogHDL综合软件，Synopsys公司出品,Leonar
17、do.Spectrum：VHDL/VerilogHDL综合软件，可以加比较多的约束条件。可控性较强。Exemplar Logic公司出品(Mentor子公司）。,常见的HDL工具,Synplify ： VHDL/VerilogHDL综合软件，口碑相当不错。Synplicity公司出品。,Active HDL VHDL/VerilogHDL仿真软件，简单易用。Aldec公司出品,Modelsim ： VHDL/VerilogHDL仿真软件，功能比ActiveHDL强大，使用比ActiveHDL复杂。Mentor公司出品。,常见的HDL工具,NC-Verilog/NC-VHDL：Cadence公司
18、出品，很好的Verilog/VHDL仿真工具，其中NC-Verilog 的前身是著名的Verilog仿真软件：Verilog-XL,StateCAD 状态机设计软件，通过画框图可自动生成状态机的VHDL,VerilogHDL,或AHDL源代码文件。对熟练掌握HDL的人，实用价值不高,X-HDL: 可实现VHDL和Verilog语言的相互自动转化,X-HDL: 可实现VHDL和Verilog语言的相互自动转化,常见的HDL工具,Visial VHDL / Visal Verilog: 可视化的HDL/Verilog编辑工具，功能类似于Renoir,Renoir 通过画框图来完成PLD/FPGA的
19、系统设计，可自动生成部分VHDL/VerilogHDL源代码文件，亦可由VHDL/VerilogHDL源代码生成原理框图。 Renoir（输入），Leonardo.Spectrum（综合）和Modelsim（仿真）构成了Mentor公司引以为豪的VHDL/VerilogHDL完整开发系统：FPGA Advantage,推荐参考书,VHDL与数字电路设计卢毅 科学出版社 Verilog HDL 硬件描述语言清华大学出版社 CPLD技术及应用宋万杰等 西安电子科技大学出版社 可编程逻辑系统的VHDL设计技术Kevin Skahill 东南大学出版社 ALTERA可编程器件及其应用刘宝琴 清华大学出版社 Xinlinx数字系统现场集成技术朱明程东南大学出版社 在系统编程技术及其应用黄正瑾东南大学出版社,