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1、西安石油大学本科毕业设计（论文）11 绪绪 论论1.11.1 课题的意义课题的意义EDA 技术是用于电子产品设计中比较先进的技术，可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作，而且可以直接从程序中修改错误及系统功能而不需要硬件电路的支持，既缩短了研发周期，又大大节约了成本，受到了电子工程师的青睐。 实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。因此，在设计中采用EDA 技术，应用目前广泛应用的 VHDL 硬件电路描述语言，实现交通灯系统控制器的设计
2、，利用 MAXPLUS集成开发环境进行综合、仿真，并下载到现场可编程门阵列 FPGA 中，完成系统的控制作用。1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 FPGA(现场可编程门阵列)与 CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是 Xilinx 公司的FPGA 器件系列和 Altera 公司的 CPLD 器件系列，它们开发较早，占用了较大的PLD 市场。通常来说，在欧洲用 Xilinx 的人多，在日本和亚太地区用 ALTERA 的人多，在美国则是平分秋色。全
3、球 PLD/FPGA 产品 60%以上是由 Altera 和 Xilinx 提供的。可以讲 Altera 和 Xilinx 共同决定了 PLD 技术的发展方向。详细内容请浏览：PLD 厂商 栏目表表 1-1 1998 年世界十大年世界十大 PLD 公司公司资料来源：资料来源：99 年年 4 月月电子产品世界电子产品世界排名公司销售额(亿美金)市场占有率1Altera5.9630.12Xilinx5.7429.03Vantis2.2011.14Lattice2.1811.05Actel1.397.06Luccent0.854.37Cypress0.442.28Atmel0.422.19Phili
4、ps0.281.410Quicklogic0.241.2西安石油大学本科毕业设计（论文）2不能否认,目前中国电子设计技术仍远远落后于发达国家水平,尤其是在电子技术的基础产业,即 IC/ASIC 方面。当国人以国产计算机,电视,VCD,影碟机等产业欣欣向荣,飞速发展而沾沾自喜的时候,却不能不看到,几乎所有的核心技术和几乎所有的内部关键集成电路,仍然印着国外半导体厂家的商标。单从时间上看,国内技术可能只落后一、二十年,但是我们更应该看到：一方面,这一产业的发展是以非线性速度向前推进的,另一方面,当发达国家“全民皆兵”,整体发展水平平均较高时,国内仍局限在为数不多的几个国家重点投资企业或合资/独资企
5、业里。 然而,我们有幸的看到,FPGA/EPLD 的发展正逐步取代越来越多的 ASIC 市场。可重复使用,小批量,低投入,高性能,高密度,开发周期短等诸多优点,使国内更多的工程师们乐于采用。由于不需要任何投片费用,也不需要建立任何生产线,因此,采用FPGA/EPLD 所需的投资远远低于 ASIC 的投资。据估计,引进一套先进的 FPGA Top-Down 设计工具所需费用还不到 ASIC 所需的十分之一,而大力推广先进的 FPGA 设计方法,既可以降低诸多产业投资成本,也可培养一大批国内的 Top-Down 的设计人才,从而提高国内 Top-Down 设计的整体水平,为将来国内 ASIC 产业
6、的快速、健康发展打下坚实的基础。 1.31.3 毕业设计（论文）的主要内容毕业设计（论文）的主要内容我的毕业设计的题目是： VHDL 的交通灯控制器系统设计。路口交通灯控制系统与其他控制系统一样，划分为控制器和受控电路两部分。控制器使整个系统按设定的工作方式交替指挥车辆及行人的通行，并接收受控部分的反馈信号，决定其状态转换方向及输出信号，控制整个系统的工作过程。具体内容如下：1. 在十字路口的两个方向分别设置红、黄、绿三种指示灯，每个方向的通行时间16 秒；2. 红绿灯切换时公共停车黄灯亮 4 秒钟；3. 灯亮的时间通过数码管以倒计时的形式显示出来；1.41.4 FPGA/CPLDFPGA/C
7、PLD 的介绍的介绍FPGA(现场可编程门阵列)与 CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件，它们是在 PAL,GAL 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的 PAL,GAL 等相比较，FPGACPLD 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用 IC 芯片。这样的 FPGACPLD 实际上就是一个子系统部件。1.4.11.4.1 FPGA/CPLDFPGA/CPLD 的发展阶段的发展阶段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，它们只能完西安石油大学本科毕业设计（论文）3成简单
8、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
9、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,GAL22V10 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图图 1-1 典型的典型的 PLD 的部分结构（实现组合
10、逻辑的部分）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
11、、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 和中小规模通用西安石油大学本科毕业设计（论文）4数字集成电路的场合均可应用 FPGA 和 CPLD 器件。（注：不同厂家的叫法不尽相同，Xilinx 把，基于查找表技术，SRAM 工艺，要外挂配置用的 EEPROM 的 PLD叫 FPGA；把基于乘积项技术，Flash（类似 EEPROM 工艺）工艺的 PLD 叫 CPLD; Altera 把自己的 PLD 产品:MAX 系列（乘积项技术，EEPROM 工艺）,FLEX 系
12、列（查找表技术，SRAM 工艺）都叫作 CPLD,即复杂 PLD(Complex PLD),由于 FLEX系列也是 SRAM 工艺,基于查找表技术，要外挂配置用的 EPROM,用法和 Xilinx 的FPGA 一样，所以很多人把 Altera 的 FELX 系列产品也叫做 FPGA.）图图 1-21-2 8 寸硅晶片寸硅晶片 1.4.21.4.2 FPGA/CPLDFPGA/CPLD 的组成的组成 尽管 FPGA,CPLD 和其它类型 PLD 的结构各有其特点和长处，但概括起来，它们是由三大部分组成的：（1）一个二维的逻辑块阵列，构成了 PLD 器件的逻辑组成核心。（2）输入输出块：连接逻辑块
13、的互连资源。（3）连线资源：由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。兰色：逻辑单元红色：连线资源黄色：输入输出块 图图 1-3 典型的典型的 PLD 的框图的框图对用户而言，CPLD 与 FPGA 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情况下，不加以区分。西安石油大学本科毕业设计（论文）51.4.31.4.3 可编程逻辑器件的优缺点可编程逻辑器件的优缺点FPGACPLD 芯片都是特殊的 ASIC 芯片，它们除了具有 ASIC 的特点之外，还具有以下几个优点：（1）随着 VlSI(Very Large Scale IC，超大规模
14、集成电路)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。（2）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。（3）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软件就可实现不同的功能。所以，用 FPGAPLD 试制样片，能以最快的速度占领市场。 FPGACPLD 软件包中
15、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。缺点：（1）容量小，一般最小也有几百个逻辑单元，做时序逻辑比较好，比如数字信号处理。（2）一般不能直接加密。 （3）另外 FPAG 需要外挂配置芯片。西安石油大学本科毕业设计（论文）62 方案论证与比较
16、方案论证与比较2.1.1 总体方案确定总体方案确定2.1.1 确定技术指标确定技术指标在开始设计之前，首先要细致分析，研究实际问题，明确各项任务和要求，确定各信号之间的联系，信号的种类，大小及应用环境等，并对产品的性能改善程度，成本，可靠性，可维护性及经济效益等进行综合考虑，再参考国内外同类产品的资料，提出合理可行的技术指标。2.1.2 机型和器件选择机型和器件选择选择的机型应具备以下几点：1)货源充足稳定，便于批量生产2)在性能/价格比的前提下，选择最容易实现产品技术指标的机种；3)要选择自己最熟悉的机种和元器件，以缩短设计周期； 2.1.3 硬件和软件功能划分硬件和软件功能划分系统的硬件配置和软件的设计是紧密地联系在一起的，且硬件和软件且有一定的互换性，多用硬件完成一些功能，可以提高整个系统的工作速度，减少软件设计工作量，但增加了硬件成本。若用软件替代某些硬件的功能，可使硬件成本降低，但增加了软件的复杂性，而且降低了系统的工作速度，因此，总体设计时应综
