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1、数字系统设计与FPGA专题实验指导书西安交通大学电信学院数据广播研究中心 符均Dec 24 2012前言课程中文名称:数字系统设计与FPGA专题实验课程英文名称:Digital System Design and FPGA Topic Lab.课程编号:INFT3009实验学时:32学分:1适用专业:信息专业先修课程:数字逻辑电路开课学院:电信学院开课学期:第六学期教材及实验指导书:符均,数字系统设计与FPGA应用专题实验指导书,写作中一、实验课程简介 本课程通过一系列实验由浅入深,教导学生学习数字系统设计方法,学习系统的模块设计方法。学习可编程逻辑器件的原理与应用,学习相关软件及设计方法,并
2、涉及简单的系统在片技术,通过学习,学生能自主设计以可编程逻辑器件为核心构建的基本数字系统。二、实验课性质、目的和任务性质:专业专题实验目的:通过学习,学生能自主设计以可编程逻辑器件为核心构建的基本数字系统。任务:独立设计出一个简单的FPGA应用程序并验证三、实验课教学基本要求1讲解实验原理和基本知识2指导学生设计实验,和验证指导3指导学生进行独立设计选题第一节 FPGA原理11 简介PLD是可编程逻辑器件(Programable Logic Device)的简称,FPGA是现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array)的简称,两者的功能基本相同,只是实现原理略有不
3、同,所以我们有时可以忽略这两者的区别,统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。 PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术,它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。PLD能做什么呢?可以毫不夸张的讲,PLD能完成任何数字器件的功能,上至高性能CPU,下至简单的74电路,都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后,还可以利用PLD的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积
4、,提高系统的可靠性。 PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言(HDL)的进步。如何使用PLD呢?其实PLD的使用很简单,学习PLD比学习单片机要简单的多,有数字电路基础,会使用计算机,就可以进行PLD的开发。不熟悉PLD的朋友,可以先看一看可编程逻辑器件的发展历程。 开发PLD需要了解两个部分:1.PLD开发软件 2.PLD本身1.PLD开发软件 由于PLD软件已经发展的相当完善,用户甚至可以不用详细了解PLD的内部结构,也可以用自己熟悉的方法:如原理图输入或HDL语言来完成相当优秀的PLD设计。所以对初学者,首先应了解PLD开发软
5、件和开发流程。了解PLD的内部结构,将有助于提高我们设计的效率和可靠性。 如何获得PLD开发软件软件呢? 许多PLD公司都提供免费试用版或演示版(当然商业版大都是收费的),例如:可以免费从 上下载Altera公司的 QuartusII (web版),或向其代理商索取这套软件。Xilinx 公司也提供免费软件:ISE WebPack,这套可以从xilinx网站下载。Lattice 提供isplever Base版下载,Actel等公司也都有类似的免费软件提供。以上免费软件都需要在网上注册申请License文件,如果您对License的安装还有不清楚,请仔细阅读相关网页上的说明,也可以下载这篇文档
6、:EDA软件的license管理与安装。 通常这些免费软件已经能够满足一般设计的需要,当然,要想软件功能更强大一些,只能购买商业版软件。 如果您打算使用VHDL或Verilog HDL硬件描述语言来开发PLD/FPGA,通常还需要使用一些专业的HDL开发软件,这是因为FPGA厂商提供的软件的HDL综合能力一般都不是很强,需要其他软件来配合使用,详细情况可以通过浏览:开发软件栏目获得等多信息. 对于PLD产品,一般分为:基于乘积项(Product-Term)技术,EEPROM(或Flash)工艺的中小规模PLD,以及基于查找表(Look-Up table)技术,SRAM工艺的大规模PLD/FPG
7、A。EEPROM工艺的PLD密度小,多用于5,000门以下的小规模设计,适合做复杂的组合逻辑,如译码。SRAM工艺的PLD(FPGA),密度高,触发器多,多用于10,000门以上的大规模设计,适合做复杂的时序逻辑,如数字信号处理和各种算法。目前有多家公司生产CPLD/FPGA,最大的两家是:ALTERA,XILINX,Lattice。2.PLD/FPGA的分类和使用 在PLD/FPGA开发软件中完成设计以后,软件会产生一个最终的编程文件(如 .pof )。如何将编程文件烧到PLD芯片中去呢? 1.对于基于乘积项(Product-Term)技术,EEPROM(或Flash)工艺的PLD(如Alt
8、era的MAX系列,Lattice的大部分产品,Xilinx的XC9500,Coolrunner系列), 厂家提供编程电缆,电缆一端装在计算机的并行打印口上,另一端接在PCB板上的一个十芯插头,PLD芯片有四个管脚(编程脚)与插头相连。(如图) 它向系统板上的器件提供配置或编程数据,这就是所谓的在线可编程(ISP,如下图)。Byteblaster使用户能够独立地配置PLD器件,而不需要编程器或任何其它编程硬件。编程电缆可以向代理商购买,也可以根据厂家提供的编程电缆的原理图自己制作,成本仅需一,二十元。 早期的PLD是不支持ISP的,它们需要用编程器烧写。目前的PLD都可以用ISP在线编程,也可
9、用编程器编程。这种PLD可以加密,并且很难解密,所以常常用于单板加密。 1.将PLD焊在PCB板上 2.接好编程电缆 3.现场烧写PLD芯片 2.对于基于查找表(LUT,Look-Up table)技术,SRAM工艺的FPGA(如Altera的所有FPGA,如ACEX,Cyclone,Stratix系列,Xilinx的所有FPGA,如Spartan,Virtex系列,Lattice的EC/ECP系列等),由于SRAM工艺的特点,掉电后数据会消失,因此调试期间可以用下载电缆配置PLD器件,调试完成后,需要将数据固化在一个专用的EEPROM中(用通用编程器烧写,也有一些可以用电缆直接改写),上电时
10、,由这片配置EEPROM先对FPGA加载数据,十几个毫秒到几百个毫秒后,FPGA即可正常工作。(亦可由CPU配置FPGA)。但SRAM工艺的PLD一般不可以直接加密。 3.还有一种反熔丝(Anti-fuse)技术的FPGA,如Actel,Quicklogic的部分产品就采用这种工艺。但这种的PLD是不能重复擦写,需要使用专用编程器,所以开发过程比较麻烦,费用也比较昂高。但反熔丝技术也有许多优点:布线能力更强,系统速度更快,功耗更低,同时抗辐射能力强,耐高低温,可以加密,所以在一些有特殊要求的领域中运用较多,如军事及航空航天。 为了解决反熔丝FPGA不可重复擦写的问题,Actel等公司在90年代
11、中后期开发了基于Flash技术的FPGA,如ProASIC系列,这种FPGA不需要配置,数据直接保存在FPGA芯片中,用户可以改写(但需要10几伏的高电压)。 随着技术的发展,在2004年以后,一些厂家推出了一些新的PLD和FPGA,这些产品模糊了PLD和FPGA的区别。例如Altera最新的MAXII系列PLD,这是一种基于FPGA(LUT)结构,集成配置芯片的PLD,在本质上它就是一种在内部集成了配置芯片的FPGA,但由于配置时间极短,上电就可以工作,所以对用户来说,感觉不到配置过程,可以传统的PLD一样使用,加上容量和传统PLD类似,所以altera把它归作PLD。 还有像Lattice
12、的XP系列FPGA,也是使用了同样的原理,将外部配置芯片集成到内部,在使用方法上和PLD类似,但是因为容量大,性能和传统FPGA相同,也是LUT架构,所以Lattice仍把它归为FPGA。1.2发展历程 当今社会是数字化的社会,是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC,几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是,随着微电子技术的发展,设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片,而且希望ASIC的设计周期尽可能短,
13、最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片,并且立即投入实际应用之中,因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD),其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制,它们只能完成简单的数字逻辑功能。 其后,出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片,即可编程逻辑器件(PLD),它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成,而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述,所以, PLD能以乘积
14、和的形式完成大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。 PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成,或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。 PAL器件是现场可编程的,它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA),它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成,但是这两个平面的连接关系是可编程的。 PLA器件既有现场可编程的,也有掩膜可编程的。 在PAL的基础上,又发展了一种通用阵列逻辑GAL (Generic Array Logic),如GAL16V8,G
15、AL22V10 等。它采用了EEPROM工艺,实现了电可按除、电可改写,其输出结构是可编程的逻辑宏单元,因而它的设计具有很强的灵活性,至今仍有许多人使用。 这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能,但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。 典型的PLD的部分结构(实现组合逻辑的部分) 为了弥补这一缺陷,20世纪80年代中期。 Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和与标准门阵列类似的FPGA(Field Programmable Gate Array),它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。 这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。与门阵列等其它ASIC(Application Specific IC)相比,它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点,因此被