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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
