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1、EDA技术与VHDL基础 -EDA技术简介,2.1 EDA技术,EDA (Electronic Design Automation),EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL (Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。,EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。,2.1 EDA技术,狭义的EDA技术特指IC设计中的CPLD、FPGA设计，是指以大规模可编程器件为设计载体，以硬件描述语言
2、为设计语言，以计算机为工具，以大规模可编程器件开发软件为平台，用软件的方式设计硬件电子系统的一门新技术。,2.1 EDA技术,EDA发展的几个阶段,计算机辅助设计CAD （Computer Aided Design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。 计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering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，并且通过电气连接网表将两者结合在一起。,2.1 EDA技术,高级EDA又称为电子系统设计自动化ESDA (Electronic System Design Automatic)。设计者在ED
3、A软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至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。,2.1 EDA技术,2.1 EDA技术,2.1.1EDA技术的基本特征,1.“自顶向下”的设计方法，在整个设计流程中各设计环节逐步求精的过程,2.1 EDA技术,2.1.1EDA技术的基本特征,2.ASIC设计，按照设计方法的不同可以分为全定制ASIC、半定制ASIC和可编程ASIC。,2.1 EDA技术,2.1.2PLD发展历程 （1）20世纪70年代，熔丝编程的PROM和PLA是最早的可编程逻辑器件。 （2）2
4、0世纪70年代末，对PLA进行了改进，AMD公司推出了PAL器件。 （3）20世纪80年代初，Lattice发明了电可擦写的，比PAL更灵活的GAL器件。 （3）20世纪80年代中期，Xilinx公司提出了现场可编程的概念，生产出第一片FPGA器件，同时Altera公司推出EPLD器件，较GAL器件有更高的集成度，可以用紫外线或电擦除。,2.1 EDA技术,2.1.2PLD发展历程 （5）20世纪80年代末，Lattice公司又提出在系统可编程技术，并且推出了一系列具备在系统可编程能力的CPLD器件，将可编程逻辑器的性能和应用技术推向了一个全新的高度。 （6）进入20世纪90年代后，可编程逻辑
5、集成电路技术进入飞速发展时期，器件的可用逻辑门数超过了百万门，并且出现了内嵌复杂的功能模块（如加法器、乘法器、RAM、CPU核、DSP核、PLL等）。,20世纪70年代，熔丝编程的PROM和PLA器件是最早的可编程逻辑器件。 PROM （Programmable Read-Only Memory）可编程只读存储器，也叫One-Time Programmable (OTP)ROM“一次可编程只读存储器”，是一种可以用程序操作的只读内存。最主要特征是只允许数据写入一次，如果数据烧入错误只能报废。,2.1.2PLD发展历程,可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array)，简称PL
6、A，PLA是一种可编程化的器件，可用来实现组合逻辑电路。PLA具有一组可编程化的与阵列，之后连接一组可编程化的或阵列，如此可以达到：“只在合乎设定条件时才允许产生逻辑信号输出。”,2.1.2PLD发展历程,20世纪70年代末，对PLA进行了改进，AMD公司推出PAL（ Programmable Array Logic 可编程阵列逻辑）器件。 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E2PROM技术。,2.1.2PLD发展历程,20世纪80年代初，Lattice公
7、司发明电可擦写的、比PAL使用更灵活的GAL（Generic Array Logic 通用阵列逻辑）器件。 它采用了E2PROM工艺，实现了电可擦除、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。,2.1.2PLD发展历程,GAL的优点： 具有电可擦除的功能，克服了采用熔断丝技术只能一次编程的缺点，其可改写的次数超过100次； 由于采用了输出宏单元结构，用户可根据需要进行组态，一片GAL器件可以实现各种组态的PAL器件输出结构的逻辑功能，给电路设计带来极大的方便； 具有加密的功能，保护了知识产权. 在器件中开设了一个存储区域用来存放识别标志即电子标
8、签的功能。,2.1.2PLD发展历程,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。 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 Programmable 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。,2.1.2PLD发展历程,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。与门阵列等其他ASIC
9、（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、标准产品不需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10 000件以下）之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。,2.1.2PLD发展历程,进入20世纪90年代后，可编程逻辑集成电路技术进入飞速发展时期。器件的可用逻辑门数超过了百万门，并出现了内嵌复杂功能模块（如加法器、乘法器、RAM、CPU核、DSP核、PLL等）的SoPC。 SoPC（System-on-a-Programma
10、ble-Chip）可编程片上系统,2.1.2PLD发展历程,用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。,2.1.2PLD发展历程,2.1.3几种常用的PLD,1.EPROM、PLA、PAL和GAL 2.FPGA技术 3.CPLD技术,PLD的内部结构逻辑符号表示方法,图1-2 PLD的互补缓冲器 图1-3 PLD的互补输入 图1-4 PLD中与阵列表示,图1-5 PL
11、D中或阵列的表示 图1-6 阵列线连接表示,PROM 可编程只读存储器,PLA 可编程逻辑阵列,PAL 可编程阵列逻辑,GAL 结构原理,1985年Lattice在PAL基础上设计了GAL器件，即通用阵列逻辑器件。沿用了PAL的与阵列可编程，或阵列固定的结构，对I/O结构进行了较大的改进。在GAL的输出部分增加了输出逻辑宏单元OLMC。它可以配置成专用组合输入、专用输出、组合输出双向口、寄存器输出、寄存器输出双向口。,GAL 结构原理,CPLD的结构及其工作原理,CPLD针对GAL的缺点改进而来，以下MAX3000A系列进行讲解。 MAX3000A结构中包含五个主要部分，即逻辑阵列块、宏单元、
12、扩展乘积项、可编程连线阵列和I/O控制块。 （1）逻辑阵列块，一个LAB由16个宏单元组成，多个LAB通过可编程连线阵列和全局总线连接在一起。,CPLD的结构及其工作原理,CPLD的结构及其工作原理,MAX3000A系列中的宏单元有三个功能，模块组成：逻辑阵列、乘积项选择矩阵和可编程寄存器。它们可以被单独配置成时序逻辑和组合逻辑。,CPLD的结构及其工作原理,CPLD的结构及其工作原理,扩展乘积项分为共享扩展项和并联扩展项，其中共享扩展项由每个宏单元提供一个单独的乘积项通过一个非门取反后反馈到逻辑阵列中。并联扩展项是每个宏单元中没有使用的一些乘积项，被分配到临近宏单元中。,CPLD的结构及其工
13、作原理,可编程连线阵列，不同的LAB通过在可编程连线上布线，以相互连接构成所需的逻辑。这个全局总线是一种可编程通道，可以把器件中的任何信号连接到目的地。 I/O控制块，I/O控制块允许每个I/O引脚被单独配置成输入输出和双向工作方式。,FPGA的结构及其工作原理,FPGA使用可编程查找表（LUT）结构，LUT是可编程的最小逻辑构成单元，大部分的FPGA采用基于SRAM的查找表逻辑形成结构，就是用SRAM构成逻辑函数发生器，一个N输入LUT可以实现N个输入变量的任何逻辑功能。如N输入“与”，N输入“异或”等。,FPGA的结构及其工作原理,FPGA的结构及其工作原理,FPGA主要由可编程逻辑模块（CLB）、RAM块、输入输出模块（IOB）、延时锁环（DLL）和可编程布线矩阵等组成。 CLB是实现各种逻辑功能的基本单元，包括组合逻辑和时序逻辑以及加法运算的功能。 IOB模块通过编程来控制端口形式。 DLL实现了内部各部分的时间延迟的调整，保证逻辑电路的可靠工作。,
