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1、成都电子机械高等专科学校 电气系毕业设计论文I基于 FPGA 的任意小数分频器成都电子机械高等专科学校摘要：论文分析了双模前置小数分频器的分频原理和电路实现。结合脉冲删除技术，提出了一种适于硬件电路实现的任意小数分频的设计方案，用Verilog HDL语言编程，在Quartus II下对此方案进行了仿真。Abstract:The paper analyzes the principle and circuit of the dual-mode pre-decimal divider. The combination of pulse removal technique, suitable fo
2、r the realization of the hardware circuit, any fractional frequency design, Verilog HDL language programming, this option in the Quartus II simulation.成都电子机械高等专科学校 电气系毕业设计论文II目 录1、FPGA 的简介11、发展历史 12、FPGA 的特点23、FPGA 的优点34、FPGA 与 CPLD 的区别42、Verilog HDL 的基础语言知识51、HDL 指南52、语言 63、数据类型114、运算符143、Quartus I
3、I 使用简介161、新建工程162、程序建立183、仿真194、分频器211、分频器概述212、分频器分类223、基于 FPGA 的任意小数分频的实现 224、RTL Viewer28五、结束语28参考文献29成都电子机械高等专科学校 电气系毕业设计论文1一、FPGA 简介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
4、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，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） 。1 发展历史早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM） 、紫外线可擦除 只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（E2PROM）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
5、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“与或” 表达式来描述，所以PLD 能以 乘积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 E2PROM 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
6、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 ArrayLogic） ，如 GAL16V8、GAL22V10等。它采用了 E PROM 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。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。成都电子机械高等专科学校 电气系毕业设计论文2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（C
7、omplex Programmable Logic Dvice） 和与标准门阵列类似的 FPGA（FieldProgrammable 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。与门阵列等其他 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、
8、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。FPGA 是英文 Field Programmable Gate Arry 的缩写，即现场可编程 门阵列，它是在 PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产 物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。2 FPGA 的基本特点FPGA 采用了逻辑单元阵列（ LOA，Logic Cell Arry）这样一个新概念， 内部包括可配置逻辑模块（CLB，Configurable Logic Block） 、输入输出
9、 模块（IOB，Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部 分。FPGA 的基本特点主要有：（1）采用 FPGA 设计 ASIC 电路，用户不需要投片生产就能得到合用的芯片；（2）FPGA 可做其他全定制或半定制 ASIC 电路的试样片：（3）FPGA 内部有丰富的触发器和 IO 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 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。可以说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度和可靠性的最佳选择之一。成都电子机械高等专科学校
10、电气系毕业设计论文3目前 FPGA 的品种很多，有 XILINX 的 xc 系列、TI 公司的 TPC 系列、ALTERA 公司的 FIEX 系列等。FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的。因此，工作 时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程方式。加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中的数据读入片内编程 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 的编程不需专用的 FPGA 编程器， 只需用通用的 EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改
11、 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。FPGA 有下面4种配置模式：（1）并行主模式为一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式；（2）主从模式可以支持一片 PROM 编程多片 FPGA：（3）串行模式可以采用串行 PROM 编程 FPGA；（4）外设模式可以将 FPGA 作为微处理器 的外设，由微处理器对其 编程。3 FPGA 的优点FPGA 芯片都是特殊的 ASIC 芯片，除了具有 ASIC 的特点之外，还具有以下3个优点。随着超大规模集成电路（V LSI，Very Large
12、Scale IC）工艺的不断 提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGACPLD 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越 强，同时也可以实现系统集成。FPGACPLD 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人 员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的 软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGACPLD 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的软件实现不同的功能。所以，用 FPGAiCPLD 试制样片，能以最快成都电子机械高等专科学校 电气系毕业设计
13、论文4的速度占领市场。FPGA CPLD 软件包中有各种输入工具和仿真工具及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出 FPGACPLD 的优势。电路设计人员使用FPGACPLD 进行电路设计时，不需要具备专门的 IC（集成电路）深层次的知识，FPGACPLD 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。4、FPGA 与 CPLD 的区别尽管 FPGA 和 CPLD 都是可编程 ASIC 器件，有很多共同特点，但由于CPLD 和 FPGA 结构上的差异，具有各自的特点：CPLD 更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA 更适合于完成时序逻辑。换句话说，FPGA 更适合于触发器丰富的结构，而 CPLD 更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。CPLD 的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的，而 FPGA 的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。在编程上 FPGA 比 CPLD 具有更大的灵活性。CPLD 通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程，FPGA 主要通过改变内部连线的布线来编程；FPGA 可在逻辑门下编程，而 CPLD 是在逻辑块下编程。FPGA 的集成
