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1、可编程逻辑器件基础知识 大学本科电子类专业 电子科学与技术 电子信息科学与技术 电子信息工程 通信工程 电子类专业就业方向 发展方向 （1）数字电子线路方向。从事单片机（8位的8051系列、32位 的ARM系列等等）、FPGA（CPLD）、数字逻辑电路、微机接口 （串口、并口、USB、PCI）的开发，更高的要求会写驱动程序 、会写底层应用程序。单片机主要用C语言和汇编语言开发， 复杂的要涉及到实时嵌入式操作系统（ucLinux,VxWorks,uC- OS,WindowsCE等等）的开发、移植。大部分搞电子技术的人都 是从事这一方向，主要用于工业控制、监控等方面。 （2）微电子方向。集成电路的
2、设计和制造分成前端和后端，前 端侧重功能设计，FPGA（CPLD）开发也可以算作前端设计，后 端侧重于物理版图的实现。 （3）通信方向。一个分支是工程设计、施工、调试（基站 、机房等）。另一分支是开发，路由器、交换机、软件等 ，要懂7号信令，各种通信相关协议，开发平台从ARM、 DSP到Linux、Unix。 （4）射频、微波电路。也就是无线电电子线路。包括天线 、微波固态电路等等，属于高频模拟电路。是各种通信系 统的核心部分之一。 （5）电源。电源属于模拟电路，包括线性电源、开关电源 、变压器等。电源是任何电路中必不可少的部分。 还有很多方向，比如多媒体方向, 信号处理。 ARM、FPGA和
3、DSP的区别是什么? ARM（Advanced RISC Machines）是Acorn计算机有限公司面 向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。ARM架构基本是 32位单片机的行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、 微处理器和系统芯片方案，四个功能模块可供生产厂商根 据不同用户的要求来配置生产。由于所有产品均采用一个 通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行。 目前ARM在手持设备市场占有90以上的份额，可以有效地 缩短应用程序开发与测试的时间，也降低了研发费用。 ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指 令集和合作伙伴众多。 DSP（digital singna
4、l processor）是一种特别适合于进行数字信号 处理运算的微处理器，有自己的完整指令系统，其主要应用是实 时快速地实现各种数字信号处理算法。DSP采用的是哈佛设计， 即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开 的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。它不仅具有可编程性 ，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远 超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。 它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色 。由于它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编 程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的应用提供了一条有 效途径。与通用微处理器
5、相比，DSP芯片的其他通用功能相对较 弱些。 FPGA是英文Field Programmable Gate Array（现场可编程门阵列）的缩写， 它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的 产物，是专 用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA 这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内 部连线三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以 实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性， 使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改FPGA，能完成任何数字 器件的功能，上至高性能CPU
6、,下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现 。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提 高系统的可靠性。FPGA的编程无须专用的FPGA 编程器，只须用通用的 EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM 即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能 。因此，FPGA的使用非常灵活。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系 统集成度、可靠性的最佳选择之一。 区别： ARM具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等 ，其优势主要体现在控制方面；ARM是32位的单片机，其内部硬件资源 的性能较高，可以加
7、载操作系统成为其主要特点，有了操作系统，就可 以像pc机那样多任务实时处理，就是同一时间内能完成多个任务，而且不 会互相影响。 DSP主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势是强 大的数据处理能力和较高的运行速度； FPGA可以用VHDL或verilog HDL来编程，灵活性强，由于能够进行编 程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。 当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势，其现场编程能力可以延 长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。 展望： FPGA目前的趋势是有代替ARM及DSP的可能，在FPGA内部置入乘法 器和DSP块，就具
8、有高速的DSP处理能力。在FPGA内置入硬核CPU或软核 CPU（Xilinx有powerpc硬核的产品，有microblaze软核。Altera有NIOS II 软 核）就可以成为既有能实现数字逻辑有适应嵌入式开发的综合性器件了 。 可编程器件的发展历程 FPGA（Field Programmable Gate Array），即现场可编程 门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础 上进一步发展的产物。 1、1947年12月23日，美国新泽西州贝尔实验室里研制出 一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一 项重大发明，是微电子革命的先声。 2、1962年，在美国新泽西
9、州的普林斯顿微电子研究所， 一种叫做金属氧化物半导体场效应晶体管诞生了，这 就是我们熟称的MOSFET，简称FET。 3、70年代，熔丝编程的只读存储器PROM(Programmable Read Only Memory)和可编程逻辑阵列PLA (Programmable Logic Array)的出现，标志着PLD的诞生。 PROM：采用固定的与阵列和可编程的或阵列组成的PLD，只 能用于简单组合电路的编程。EPROM、EEPROM 4、70年代末，AMD公司推出了可编程阵列逻辑PAL Programmable Array Logic)器件。 PAL与PLA相似，也由与阵列和或阵列组成，但在
10、编程接点上 与PAL不同，而与PROM相似，或阵列是固定的，只有与阵列 可编程。 以上可编程器件，都是乘积项可编程结构，都只解决了组合逻 辑电路 的可编程问题，对于时序电路，需要另外加上锁存器 ，触发器 来构成。 5、80年代初，Lattice (莱迪思)公司开始研究一种新的乘积项 可编程结构PLD。1985年，推出了一种在PAL基础上改进的 通用阵列逻辑GAL(Generic Array Logic)器件。 GAL器件首次在PLD上采用EEPROM工艺，能够电擦除重复编 程，使得修改电路不需更换硬件，可以灵活方便地应用， 乃至更新换代。 在编程结构上，GAL沿用了PAL或阵列固定与阵列可编程
11、结构 ，而对PAL的输出I/O结构进行了改进，增加了输出逻辑宏 单元OLMC(Output Logic Macro Cell)。 6、80年代中期，ALTERA(阿特喇)公司推出了可擦除可编辑逻辑 器件EPLD(Erasable PLD)器件，采用EPROM工艺或EEPROM工艺 ，可用紫外线或电擦除,适用于较大规模的可编程电路。 7、1985年，Xilinx(西林克司)公司推出的全球第一款FPGA产品 XC2064，FPGA是现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)的英文缩写，现在已经成了大规模可编程逻辑器件中一 大类器件的总称。 8、80年代末，Lat
12、tice公司提出了在系统可编程(In-System Programmability，ISP)的概念，并推出了一系列具有ISP功能的 CPLD器件。CPLD即复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device)的英文缩写。 FPGA 背景 以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设 计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC设计验证的技术主流 。 系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA 内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被 放在了一个芯片里。 工作原理 FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Log
13、ic Cell Array）这样一 个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连 线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA） 是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及 CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查 找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一 个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动 I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑 功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线
14、互相 连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储 单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决 定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的 联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许 无限次的编程。 基本特点 1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得 到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之 一。 5）FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、T
15、TL电平兼容。 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后， FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因 此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用 通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一 片EPROM即可。 SOPC System On a Programmable Chip可编程片上系统。 SOPC是用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅 片上，来用于嵌入式系统的研究和电子信息处理。 SOPC是一种特殊的嵌入式系统，它是片上系统（SOC ），即由单个芯片完成整个系统的主要逻
16、辑功能。 SOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部 内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS） 为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基 础的高速电路设计技术以外，SOPC还涉及以引起普遍 关注的软硬件协同设计技术。 常用的FPGA平台应用架构。 一种是FPGA+处理器的架构，可以分为基于FPGA+ARM、FPGA+CPU 及FPGA+GPU等。FPGA主要做一些接口特别是高速接口的粘合， 或者在FPGA内做一些快速算法，通信系统上做一些基带的调制 解调、信道编解码等。 第二种是基于FPGA+DSP的应用架构，DSP主要是做一些复杂算法 ，更多的是一些FFT的算法、滤波器、RS卷积等等，FPGA主要做 高速数据的采集、
