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1、第10课 EDA技术概述1,一、概述 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,逻辑符号对比 （1）普通数字电路使用符号,(2) PLD中所用符号,(3)PLD内部结构举例,(4) FPGA的核心-查找表,(5) 产品介绍,ALTERA公司 FPGA： FLEX系列：10K、10A、10KE，EPF10K30E APEX系列：20K、20KE EP20K200E ACEX系列：1K系列 EP1K30、EP1K100 STRATIX系列：EP1系
2、列 EP1S30、EP1S120 CPLD： MAX7000/S/A/B系列：EPM7128S MAX9000/A系列 XILINX公司 FPGA： XC3000系列， XC4000系列， XC5000系列 Virtex系列 SPARTAN系列：XCS10、XCS20、XCS30 CPLD： XC9500系列：XC95108、XC95256,二、VHDL语言,硬件描述语言HDL是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。利用这种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层（从抽象到具体）逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。然后，利用电子设计自动化（EDA）工具，逐
3、层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表。接下去，再用专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体电路布线结构。,目前，这种高层次(high-level-design)的方法已被广泛采用。据统计，目前在美国硅谷约有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述语言进行设计。,硬件描述语言HDL的发展至今已有30多年的历史，并成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。到20世纪80年代，已出现了上百种硬件描述语言，对设计自动化曾起到了极大的促进和推动作用。但是，这些语言一般各自面向特定的设计领域和层
4、次，而且众多的语言使用户无所适从。因此，急需一种面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言。20世纪80年代后期，VHDL和Verilog HDL语言适应了这种趋势的要求，先后成为IEEE标准。,设计目的：实现如真值表所示的逻辑功能,二、硬件描述语言（HDL）,1用VHDL进行描述,【例1】 ENTITY mux21a IS PORT ( a, b : IN BIT; s : IN BIT; y : OUT BIT ); END ENTITY mux21a;,ARCHITECTURE one OF mux21a IS BEGIN y = a WHEN s = 0 ELSE b ;
5、 END ARCHITECTURE one ;,例1VHDL描述的说明,（1）以关键词ENTITY引导，END ENTITY 结尾的语句部分，称为实体。 实体的功能：描述了电路系统的外部情况，包括电路的名称、有多少管脚、哪些是输入哪些是输出（即信号的流动方向）。,（2）以关键词ARCHITECTURE 引导，END ARCHITECTURE结尾的语句部分，称为结构体。 结构体的功能：描述电路系统的内部逻辑功能或电路结构。如本例中给出了逻辑功能的描述，而例4-2给出了电路结构的描述。ENTITY mux21a IS,【例2】另一种描述方法 PORT ( a, b, s: IN BIT; y :
6、OUT BIT ); END ENTITY mux21a; ARCHITECTURE one OF mux21a IS SIGNAL d,e : BIT; BEGIN d = a AND (NOT S) ; e = b AND s ; y = d OR e ; END ARCHITECTURE one ;,相关语法与说明,2.实体描述方法 【例3】 ENTITY e_name IS PORT ( p_name : port_m data_type; . p_namei : port_mi data_type ); END ENTITY e_name; e-name:实休名称；p-name:管脚
7、名称； port_m：管脚方向，如输入、输出、双向、缓冲输出； data_type：管脚数据类型， 如一根线，用BIT，两根线用BIT_VECTOR(0 TO 1)。,注意语法，如每一行后的分号，以及实体中最后一个引脚的分号应在括号外等。,端口方向（即端口模式）,IN：输入 OUT：输出 INOUT：双向 BUFFER：缓冲输出，即输出信号同时反馈给系统内部。强调该端口的反馈功能。,思考，何种电路需要用到BUFFER端口方向？,结构体描述方法,ARCHITECTURE arch_name OF e_name IS 说明语句 BEGIN (功能描述语句) END ARCHITECTURE arc
8、h_name,（1）说明语句：说明引用的元件、或说明定义的数据对象与数据类型。该项根据需要可选。 功能描述语句：说明系统的功能与结构，VHDL的描述语句都应用于这部分，这部分通常是必须得。,（2）赋值符号“=” Y=a，表示输入引脚a的信号输出给引脚y，这里y作为输出信号必须放在赋值符号左边。 （3）比较符号“=” WHEN-ELSE语句中的=表示比较两边是否相等。比较的结果的数据类型是布尔类型，关键词为BOOLEAN，这种类型的取值要么为真，要么为假。 （4）逻辑操作符 例2出现的AND等逻辑符号是通用符号，VHDL可以取7种基本逻辑操作。,3、WHEN-ELSE语句的语法 值目标 = 表达
9、式1 WHEN 赋值条件1 ELSE 表达式2 WHEN 赋值条件2 ELSE . 表达式 ；,4、 CASE语句语法及其应用 CASE IS When = ; . ; ； When = ; . ; ； . WHEN OTHERS = ; END CASE ；,5、半加器 知识回顾,能对两个1位二进制数进行相加而求得和及进位的逻辑电路称为半加器。,加数,本位的和,向高位的进位,6、半加器描述：真值表描述方法,LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY h_adder IS PORT (a, b : IN STD_LOGIC; co, so
10、 : OUT STD_LOGIC); END ENTITY h_adder;,ARCHITECTURE had OF h_adder is SIGNAL ab : STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) ; BEGIN ab = a ,CASE ab IS WHEN “00“ = so so so so NULL ; END CASE;,7、说明,（1）在使用STD_LOGIC_VECTOR中，必须注明其数组宽度，即位宽，如： B : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) ； 或 SIGNAL A ：STD_LOGIC_VECTOR(1 TO 4)
11、 B = “01100010“ ; - B(7)为 0 B(4 DOWNTO 1) = “1101“ ; - B(4)为 1 B(7 DOWNTO 4) = A ; - B(6)等于 A(2),（2）并置操作符 SIGNAL a : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ; SIGNAL d : STD_LOGIC_VECTOR (1 DOWNTO 0) ; . a = 1 0 d(1) 1 ; - 元素与元素并置，并置后的数组长度为4 . IF a d = “101011“ THEN . - 在IF条件句中可以使用并置符,（3）PROCESS语句结构的一般表达格式如下
12、进程标号: PROCESS ( 敏感信号参数表 ) IS 进程说明部分 BEGIN 顺序描述语句 END PROCESS 进程标号;,8、时序逻辑电路的描述,（1）回顾计数器知识，以10进制递增计数器为例,ENTITY CNT4 IS PORT ( CLK : IN BIT ; Q : BUFFER INTEGER RANGE 15 DOWNTO 0 ) ; END ;,ARCHITECTURE bhv OF CNT4 IS BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q = Q + 1 ; END IF; END PROCES
13、S ; END bhv;,另一种表示方法 LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; ENTITY CNT4 IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ) ; END ; ARCHITECTURE bhv OF CNT4 IS SIGNAL Q1 : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AN
14、D CLK = 1 THEN Q1 = Q1 + 1 ; END IF; END PROCESS ; Q = Q1 ; END bhv;,带异步复位、同步使能、十进制计数、进位输出等功能的计数器设计,LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY CNT10 IS PORT (CLK,RST,EN : IN STD_LOGIC; CQ : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); COUT : OUT STD_LOGIC ); END CNT10;,A
15、RCHITECTURE behav OF CNT10 IS BEGIN PROCESS(CLK, RST, EN) VARIABLE CQI : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN IF RST = 1 THEN CQI := (OTHERS =0) ; -计数器异步复位 ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN -检测时钟上升沿 IF EN = 1 THEN -检测是否允许计数（同步使能） IF CQI 0); -大于9，计数值清零 END IF; END IF; END IF; IF CQI = 9 THEN COUT = 1; -计数
16、大于9，输出进位信号 ELSE COUT = 0; END IF; CQ = CQI; -将计数值向端口输出 END PROCESS; END behav;,时序逻辑电路之移位寄存器描述,LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY SHFRT IS - 8位右移寄存器 PORT ( CLK，LOAD : IN STD_LOGIC; DIN : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); QB : OUT STD_LOGIC ); END SHFRT; ARCHITECTURE behav OF SHFRT IS BE
17、GIN PROCESS (CLK, LOAD) VARIABLE REG8 : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN IF LOAD = 1 THEN REG8 := DIN; -由（LOAD=1）装载新数据 ELSE REG8(6 DOWNTO 0) := REG8(7 DOWNTO 1); END IF; END IF; QB = REG8(0); - 输出最低位 END PROCESS; END behav;,100进制递增计数器的VHDL描述,ARCHITECTURE one OF mux21a IS BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF k=1 THEN IF rising_edge(clk) THEN IF qout=99 THEN qout=0; ELSE qout=qout+1; END IF; END IF; END IF; END PROCESS; END ARCHITECTURE one ;,