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1、 E D A 技 术 课 程 教 学,讲授：伍宗富,2018年10月19日星期五,湖南文理学院电气与信息工程学院,第 一 讲 EDA技术与大规模可编程逻辑器件,教学目的：使学生了解EDA技术的涵义，EDA的工程设计流程，CPLD/FPGA器件及其配置模式；掌握CPLD/FPGA的开发应用选择，VHDL的程序基本结构。 教学重点：CPLD/FPGA器件及其配置模式；VHDL的程序基本结构。教学难点：VHDL与CPLD/FPGA工程实现。教学方法：讲授法、计算机辅助法。课时计划：2学时使用教材：EDA技术及应用谭会生等西安：西安电子科技大学出版社 主要参考文献: 1 徐光辉等CPLD/FPGA的开
2、发和应用M北京：电子工业出版社2 侯伯亨等.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计M.西安：西安电子科技大学出版社3 http:/4 周立功等SOPC嵌入式系统基础教程M北京：北京航空航天大学出版社,课题：EDA技术与大规模可编程逻辑器件,一、 EDA技术及其发展,二、 CPLD与FPGA器件,三、 VHDL程序基本结构,四、课堂小结,五、作业,一、 EDA技术及其发展,1. EDA技术的涵义 Electronic Design Automation 即电子设计自动化。狭义的EDA技术：以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件
3、的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术，或称为IES/ASIC自动设计技术。广义的EDA技术：包含狭义的EDA技术外，还包括计算机辅助分析CAA技术(如PSPICE，EWB，MATLAB等)，印刷电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(如PROTEL，ORCAD等)。在广义的EDA技术中，CAA技术和PCB-CAD技术不具备逻辑综合和逻辑适配的功能，因此它并不能
4、称为真正意义上的EDA技术。故将广义的EDA技术称为现代电子设计技术更为合适。,2. EDA的工程设计,1）传统设计方法和 EDA方法的区别, 传统设计方法：自下而上（Bottom - up)的设计方法，是以固定功能元件为基础，基于电路板的设计方法,2. EDA的工程设计,1）传统设计方法和 EDA方法的区别, EDA方法：自上而下（Top - Down)的设计方法。其方案验证与设计、系统逻辑综合、布局布线、性能仿真、器件编程等均由 EDA工具一体化完成。 自上而下是指将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统规模较大，则还需将子系统进一步分解为更小的子系统和模快，层层分解，直至整个
5、系统中各个子系统关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。自上而下设计中可逐层描述，逐层仿真，保证满足系统指标。,2. EDA的工程设计,2）传统设计方法和 EDA方法比较,2. EDA的工程设计,3） EDA的工程设计流程,1. CPLD和FPGA的区别PLD （Programmable Logic Devices）:可编程逻辑器件；CPLD （Complex Programmable Logic Device）:复杂可编程逻辑器件；FPGA （Field Programmable Gate Array）:现场可编程门阵列。主流公司:ALTERA（阿特喇）Xilinx（西林克司）Latti
6、ce（莱迪思）等公司。,主要区别： 1）结构上不同CPLD器件：采用EEPROM工艺的可编程逻辑器件；结构主要由逻辑阵列块（LAB）、扩展乘积项、可编程输入/输出单元和可编程连线组成。FPGA器件：采用基于SRAM的查找表（LUT）逻辑结构形式的可编程逻辑器件；逻辑结构主要由可编程逻辑宏单元、可编程输入/输出单元和可编程连线组成。 2）集成度不同（寄存逻辑门CPLD少、 FPGA多） 3）应用范围不同（CPLD逻辑能力强而寄存器少，适用于控制密集型系统；FPGA逻辑能力较弱但寄存器多，适于数据密集型系统。） 4）使用方法不同（CPLD器件构造的系统，不用配置器件；FPGD器件构造的系统，需用配
7、置器件。）,二、 CPLD与FPGA器件,2. 常用CPLD和FPGA标识的含义,1）CPLD/FPGA 标识CPLD/FPGA 产品上的标识大概可分为以下几类：（1）用于说明生产厂家的，如：ALTERA，Lattice，Xilinx是其公司名称。（2）注册商标，如：MAX是为ALTERA公司其CPLD产品MAX系列注册的商标。（3）产品型号，如EPM7128SLC84-15，是ALTERA公司的一种CPLD型号。（4）产品序列号，是说明产品生产过程中的编号，是产品身份的标志。（5）产地与其它说明，如：made in China（中国制造）。,2）CPLD/FPGA 产品型号标识组成CPLD/
8、FPGA 产品型号标识通常由以下几部分组成：（1）产品系列代码：如ALTERA公司的FLEX器件系列代码为EPF。（2）品种代码：如ALTERA公司的FLEX10K，10K即是其品种代码。（3）特征代码：也即集成度，CPLD产品一般以逻辑宏单元数描述，而FPGA一般以有效逻辑门来描述。如ALTERA公司的EPF10K10中后一个10，代表典型产品集成度是10K。（4）封装代码：如ALTERA公司的EPM7128SLC84中的LC，表示采用PLCC封装（塑料方形扁平封装），Xilinx公司用PC描述,Lattice公司用J来描述。（5）参数说明：如ALTERA公司的EPM7128SLC84中的L
9、C84-15，84代表有84个引脚，15代表速度等级为15ns。但有的产品直接用系统频率来表示速度，如ispLSI1016-60，60代表最大频率60MHz。（6）改进型描述：一般产品设计都在后续进行改进设计，改进设计型号一般在原型号后用字母表示，如有些A、B、C等按先后顺序编号，有些有特定的含义，如D表示低成本型、E表示增强型、L表示低功耗型、H表示高引脚型、X表示扩展型等。（7）适用的环境等级描述：一般在型号最后以字母描述，C表示商用级（0至85 ），I表示工业级（-40 至100 ），M（表示军工级（-55 至125 ）。,3. CPLD和FPGA 的编程下载与配置,1）JTAG边界测试
10、技术 IEEE 1149.1-1990规范中定义了5个引脚用于JTAG边界扫描测试(Board Scan Test,BST) ：TCK（Test Clock Input）：测试时钟输入引脚，作为BST信号的时钟信号。TDI（Test Data Input）：测试信号输入引脚，测试指令和测试数据在TCK上升沿到来时输入BST。 TDO（Test Data Output ）：测试信号输出引脚，测试指令和测试数据在TCK下降沿到来时从BST输出。 TMS（Test Mode Select）：测试模式选择引脚，控制信号由此输入，负责TAP控制器的转换。 TRST（Test Reset Input）：测
11、试复位输入引脚，可选，在低电平时有效。,2） CPLD和FPGA 的下载接口ALTERA的ByteBlaster接口是一个10芯的混合接口，有PS和JTAG二种模式，都是串行接口。,EPM7128SLC84,3. CPLD和FPGA 的编程下载与配置,3）FPGA 的配置 CPLD的编程主要要考虑编程下载接口及其连接，而FPGA 的配置除了考虑编程下载接口及其连接外，还要考虑配置器件问题。（现在的FPGA都支持JTAG配置 ） 常见配置方法： （1）用OTP配置器件配置，只适用于工业化大生产。 （2）使用具备ISP功能的专用芯片配置，编程次数有限，成本较高，只适合科研等场合。 （3）使用AS模
12、式可多次编程的专用芯片，可无限次编程，但品种有限。 （4）使用单片机配置，可用配置模式多，配置灵活，同时可解决设计的保密与可升级问题，但容量有限，可靠性不高。适用于科研等可靠性要求不高的场合。（5）使用ASIC芯片配置，是目前较好的一种选择。,CPLD和FPGA 的编程下载电路图,4. FPGA和CPLD的开发应用选择,1）开发应用选择方法 对于一个开发项目，究竟是选择FPGA还是选择CPLD 呢? 主要看开发项目本身的需要。对于普通规模，且产量不是很大的产品项目，通常使用CPLD比较好。对于大规模的逻辑设计、ASIC设计，或单片系统设计，则多采用FPGA。另外，FPGA掉电后将丢失原有的逻辑
13、信息，所以在实用中需要为FPGA芯片配置一个专用ROM。 （1）开发项目需要的逻辑规模 ：CPLD器件的规模在10万门级以下，而FPGA器件的规模已达1000万门级，两者差异巨大。10万门级以上，不用考虑，只有选择FPGA器件；在万门以下，CPLD器件是首选，因为它不需配置器件，应用方便，成本低，结构简单，可靠性高；在上万门级，CPLD器件和FPGA器件逻辑规模都可用的情况下，需要考虑其他因数，在CPLD器件和FPGA器件之间作出权衡，如速度、加密、芯片利用率、价格等。 （2）开发项目的速度要求：设计要求的速度要低于其最高工作速度，尤其是Xilinx公司的FPGA器件，由于其采用统计型互连结构
14、，时延不确定性，设计要求的速度要低于其最高工作速度的三分之二。 （3）功耗：一般来说，要选用低功耗、低电压的产品。 （4）可靠性：可靠性是产品最关键的特性之一，结构简单，质量水平高，可靠性就高。CPLD器件构造的系统，不用配置器件，具有较高的可靠性；质量等级高的产品，具有较高的可靠性；环境等级高的型号产品，如军用（M级）产品具有较高的可靠性。 （5）价格：要尽量选用价格低廉，易于购得的产品。 （6）开发环境和开发人员熟悉程度：应选择开发软件成熟，界面良好，开发人员熟悉的产品；如厂家、封装等。,4. FPGA和CPLD的开发应用选择,2）几种典型产品型号（1）ALTERA公司的CPLD产品和FP
15、GA产品 ALTERA公司的产品一般以EP开头，代表可重复编程。 ALTERA公司的MAX系列CPLD产品，系列代码为EPM，典型产品型号含义如下： EPM7128SLC84-15：MAX7000S系列CPLD，逻辑宏单元数128，采用PLCC封装，84个引脚，引脚间延时为15ns。 ALTERA公司的FPGA产品系列代码为EP或EPF，典型产品型号含义如下： EPF10K10：FLEX10K系列FPGA，典型逻辑规模是10K有效逻辑门。 EPF10K30E：FLEX10KE系列FPGA，逻辑规模是EPF10K10的3倍。 EPF20K200E：APEX20KE系列FPGA，逻辑规模是EPF1
16、0K10的20倍。 EP1K30：ACEX1K系列FPGA，逻辑规模是EPF10K10的3倍。 EP1S30：STRATIX系列FPGA，逻辑规模是EPF10K10的3倍。 ALTERA公司的FPGA配置器件系列代码为EPC，如：EPC1：为1型FPGA配置器件。 （2）Xilinx公司的CPLD产品和FPGA产品 Xilinx公司的产品一般以XC开头，代表Xilinx公司的产品。典型产品型号含义如下： XC95108-7 PQ 160C：XC9500系列CPLD，逻辑宏单元数108，引脚间延时为7ns，采用PQFP封装，160个引脚，商用 XC2018：XC2000系列FPGA，典型逻辑规模
17、是有效门1800。 XC4002A：XC4000A系列FPGA，典型逻辑规模是2K有效门。 XCS10：Spartan系列FPGA，典型逻辑规模是10K。 （3）Lattice公司的CPLD产品和FPGA产品 Lattice公司的CPLD、FPGA产品以其发明的isp开头，系列代号有ispLSI、ispMACH、ispPAC及新开发的ispXPGA、ispXPLD，其中ispPAC为模拟可编程器件，下面以ispLSI、ispXPGA系列产品型号为例说明如下： ispLSI1032E-125 LJ：ispLSI1000E系列CPLD，通用逻辑块GLB数为32个（相当逻辑宏单元数128），工作频率最大125MHz,PLCC84封装，低电压型商用产品。 ispLSI8840：ispLSI8000系列CPLD，逻辑宏单元数840。ispXPGA1200: ispXPGA1200系列FPGA，典型逻辑规模是1200k系统门。,
