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1、u 1984 1984年，美国年，美国XilinxXilinx公司开发了一种新型的数字集成电路，称为现场可编程门阵公司开发了一种新型的数字集成电路，称为现场可编程门阵列列FPGAFPGA（Field Programmable Gate ArrayField Programmable Gate Array）。）。FPGAFPGA内部含有大量的逻辑资源，具有内部含有大量的逻辑资源，具有灵活的可编程性，灵活的可编程性，FPGAFPGA的开发和使用非常便利，实现了在自己的实验室里自行设计专的开发和使用非常便利，实现了在自己的实验室里自行设计专用集成芯片的目标。用集成芯片的目标。u 本课程将全面介绍如何
2、应用本课程将全面介绍如何应用FPGAFPGA实现信号发生器、数字电压表等实际系统设计。实现信号发生器、数字电压表等实际系统设计。1.1 什么是什么是FPGA1.2 为什么用为什么用FPGA1.3 使用使用FPGA的条件的条件1.4 本书包括那些内容本书包括那些内容 现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGAFPGA是一种数字集成电路：是一种数字集成电路：FPGAFPGA芯片内部有大量的逻芯片内部有大量的逻辑块，这些逻辑块是可以编程的，逻辑块之间的连接称为互连资源，这些辑块，这些逻辑块是可以编程的，逻辑块之间的连接称为互连资源，这些互连资源也是可以编程的。通过对逻辑块以及互连资源的编程可以实现各互
3、连资源也是可以编程的。通过对逻辑块以及互连资源的编程可以实现各种数字电路、数字系统的设计。对种数字电路、数字系统的设计。对FPGAFPGA的编程有各种不同的实现方式。的编程有各种不同的实现方式。 一次性编程一次性编程OTPOTP（One Time ProgrammableOne Time Programmable）器件：）器件：只能实现一次编程，只能实现一次编程，编程后形成的电路不可再次修改。编程后形成的电路不可再次修改。 多次编程工艺的多次编程工艺的FPGAFPGA：可以进行重复擦除和编程操作，使修改设计变得可以进行重复擦除和编程操作，使修改设计变得非常方便。由于编程工艺不同，有的非常方便。
4、由于编程工艺不同，有的FPGAFPGA器件是非易失性的，关闭电源后，器件是非易失性的，关闭电源后，FPGAFPGA的编程信息仍然存在；有的的编程信息仍然存在；有的FPGAFPGA则是易失性的，关闭电源后，则是易失性的，关闭电源后，FPGAFPGA的的编程信息丢失。编程信息丢失。选用选用FPGAFPGA的重要原因：的重要原因：传统数字集成电路规模小、缺乏灵活性；专用集成传统数字集成电路规模小、缺乏灵活性；专用集成电路电路ASICASIC虽然规模大，但设计周期长、成本很高。虽然规模大，但设计周期长、成本很高。 使用使用FPGAFPGA有很多优势：有很多优势：可以在实验室里随时对可以在实验室里随时对
5、FPGAFPGA进行编程，比传统数进行编程，比传统数字集成电路使用灵活，因此在设计灵活性方面字集成电路使用灵活，因此在设计灵活性方面FPGAFPGA具有很强的吸引力。由具有很强的吸引力。由于于FPGAFPGA的逻辑资源多，可以实现非常复杂的逻辑功能，代替的逻辑资源多，可以实现非常复杂的逻辑功能，代替ASICASIC实现的功实现的功能，开发能，开发FPGAFPGA需要的设计成本很低，因此在逻辑资源和设计成本方面需要的设计成本很低，因此在逻辑资源和设计成本方面FPGAFPGA同样具有很强的吸引力。目前，使用同样具有很强的吸引力。目前，使用FPGAFPGA进行电子系统设计的设计师越来进行电子系统设计
6、的设计师越来越多。越多。 使用使用FPGAFPGA开展数字系统设计，必须具备如下几个基本条件：开展数字系统设计，必须具备如下几个基本条件：计算机、计算机、FPGAFPGA开发工具、开发工具、FPGAFPGA芯片开发平台。硬件描述语言、芯片开发平台。硬件描述语言、FPGAFPGA芯片基本原理、芯片基本原理、FPGAFPGA开发工具的使用。具备上述条件，就可以尝试完成一些小系统的设计，开发工具的使用。具备上述条件，就可以尝试完成一些小系统的设计，有了一定的经验积累之后，就可以实现大系统的设计。本课程就是为有了一定的经验积累之后，就可以实现大系统的设计。本课程就是为FPGAFPGA开发应用感兴趣的学
7、生开设的。开发应用感兴趣的学生开设的。 今天在市场上看到的今天在市场上看到的FPGAFPGA内部逻辑门的数量少则几万门，多则几百万内部逻辑门的数量少则几万门，多则几百万门，型号多样，各成体系，且没有统一的规律。设计工具更是令人眼花缭门，型号多样，各成体系，且没有统一的规律。设计工具更是令人眼花缭乱。课程想向学生呈现乱。课程想向学生呈现FPGAFPGA开发流程，在实际系统设计中如何使用开发流程，在实际系统设计中如何使用FPGAFPGA。课程内容由四个主要部分组成。课程内容由四个主要部分组成。 一、一、FPGAFPGA芯片，介绍芯片结构组成，通过芯片，介绍芯片结构组成，通过AlteraAltera
8、公司的一个实际公司的一个实际FPGAFPGA芯片的讨论，了解芯片的讨论，了解FPGAFPGA的工作原理、编程方法。的工作原理、编程方法。 二、二、FPGAFPGA开发工具，介绍工具组成和使用，通过实际工具开发工具，介绍工具组成和使用，通过实际工具QuartusIIQuartusII的的介绍，了解介绍，了解FPGAFPGA的开发流程和工具使用。的开发流程和工具使用。 三、三、FPGAFPGA芯片开发语言，通过芯片开发语言，通过VHDLVHDL介绍，学习电子系统的描述方法。介绍，学习电子系统的描述方法。 四、四、FPGAFPGA应用实例，通过实例学习应用实例，通过实例学习FPGAFPGA的设计、验
9、证、综合和实现。的设计、验证、综合和实现。u 1984年，年，Xilinx公司开发了一种新型的集成电路芯片公司开发了一种新型的集成电路芯片FPGA。伴随。伴随EDA（ Electronic Design Automation ）技术的发展，）技术的发展，FPGA的开发和使用越来越便利。的开发和使用越来越便利。u EDA是迅速发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，目前尚无统一严格的定义。是迅速发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，目前尚无统一严格的定义。u 从理论角度理解从理论角度理解EDA，可以认为，可以认为EDA是以计算机和微电子技术为先导，汇集数据库、计算机是以计算机和微电子技术为先导，汇
10、集数据库、计算机图形学、图论与拓扑逻辑、计算数学、优化理论及微电子工艺结构学等学科成果的先进技术。图形学、图论与拓扑逻辑、计算数学、优化理论及微电子工艺结构学等学科成果的先进技术。u 从技术应用角度理解从技术应用角度理解EDA，可以认为，可以认为EDA是以大规模集成电路为设计载体，以硬件描述语言是以大规模集成电路为设计载体，以硬件描述语言为表达方式，以计算机为设计环境，利用软件开发工具自动完成设计系统的编译、化简、综合、为表达方式，以计算机为设计环境，利用软件开发工具自动完成设计系统的编译、化简、综合、仿真、布局布线、优化，完成对仿真、布局布线、优化，完成对FPGA的适配、映射、编程下载，将系
11、统集成到的适配、映射、编程下载，将系统集成到FPGA。u 如果要完成如果要完成FPGA设计，设计者需借助设计，设计者需借助EDA技术，用硬件描述语言完成对系统的描述，其他技术，用硬件描述语言完成对系统的描述，其他工作都交给计算机及其软件工具完成。工作都交给计算机及其软件工具完成。u 本章首先将介绍本章首先将介绍EDA技术的相关问题，介绍如何选择开发工具，技术的相关问题，介绍如何选择开发工具，FPGA在一个实际电子系统在一个实际电子系统中究竟承担什么任务，电子系统中如何使用中究竟承担什么任务，电子系统中如何使用FPGA。 2.1 EDA技术发展技术发展 2.2 EDA系统构成系统构成 2.3 F
12、PGA开发工具开发工具 2.4 FPGA设计资源设计资源 2.5 FPGA应用系统举例应用系统举例 EDA技术伴随计算机、集成电路、电子系统设计发展，经历了三个发展阶段：技术伴随计算机、集成电路、电子系统设计发展，经历了三个发展阶段：20世纪世纪60年代中期年代中期20世纪世纪80年代初期：计算机辅助设计年代初期：计算机辅助设计CAD（Computer Assist Design）20世纪世纪80年代初初期年代初初期20世纪世纪90年代初期：计算机辅助工程设计年代初期：计算机辅助工程设计CAED（Computer Assist Engineering Design）20世纪世纪90年代以来：电
13、子系统设计自动化年代以来：电子系统设计自动化ESDA（Electronic System Design Automation）1CAD阶段阶段 随着集成电路的出现和应用，电子系统设计进入到发展的初级阶段，人们选用大量中小规模随着集成电路的出现和应用，电子系统设计进入到发展的初级阶段，人们选用大量中小规模标准集成电路，根据集成电路的摆放位置以及它们之间的连接关系进行布图布线，设计出标准集成电路，根据集成电路的摆放位置以及它们之间的连接关系进行布图布线，设计出PCB（Printed Circuit Board）板，再将这些器件焊接在）板，再将这些器件焊接在PCB板上，做成电子系统，对电子系统板上，
14、做成电子系统，对电子系统的调试是在组装好的的调试是在组装好的PCB板上进行的。人们将产品设计过程中高重复性的繁杂劳动，如布图布线板上进行的。人们将产品设计过程中高重复性的繁杂劳动，如布图布线工作用二维图形编辑与分析的工作用二维图形编辑与分析的CAD工具替代，工具替代，CAD阶段最具代表性的产品就是美国阶段最具代表性的产品就是美国ACCEL公司公司开发的开发的Tango布线软件。布线软件。 在在EDA技术发展初期，技术发展初期，PCB布图布线工具受到计算机工作平台的制约，能支持的设计工作有布图布线工具受到计算机工作平台的制约，能支持的设计工作有限且性能比较差。限且性能比较差。 20世纪世纪80年
15、代初，随着集成电路规模的增大，年代初，随着集成电路规模的增大，EDA技术有了较快的发展，许多软件公司，如：技术有了较快的发展，许多软件公司，如：Mentor、Logic System等公司进入市场，开始出现带电路图编辑工具和逻辑模拟工具的等公司进入市场，开始出现带电路图编辑工具和逻辑模拟工具的EDA软件，软件，每个软件只能完成其中的一项工作，在产品开发的不同阶段分别使用不同的开发软件，不能提供每个软件只能完成其中的一项工作，在产品开发的不同阶段分别使用不同的开发软件，不能提供系统级的仿真与综合。系统级的仿真与综合。2CAED阶段阶段 CAD阶段的自动布局布线工具代替了设计工作中绘图的重复劳动，
16、阶段的自动布局布线工具代替了设计工作中绘图的重复劳动，80年代年代CAED阶段的阶段的EDA工具则代替了设计师的部分设计工作，在电子系统的设计、制造最佳的电子产品起到关键工具则代替了设计师的部分设计工作，在电子系统的设计、制造最佳的电子产品起到关键作用。作用。 80年代计算机的发展，使得以科学计算为主的计算机步入辅助工程设计的工作站阶段。工年代计算机的发展，使得以科学计算为主的计算机步入辅助工程设计的工作站阶段。工作站平台不单只是计算机计算能力的增强，更重要的是人机图形界面标准的发展，三维图形造作站平台不单只是计算机计算能力的增强，更重要的是人机图形界面标准的发展，三维图形造型、窗口技术、型、窗口技术、UNIX操作系统、网络上的数据交换、数据库以及进程管理等一系列计算机科学操作系统、网络上的数据交换、数据库以及进程管理等一系列计算机科学最新成果的引入。最新成果的引入。80年代后期，年代后期，EDA的相关工具已经可以进行设计描述、综合与优化和设计结的相关工具已经可以进行设计描述、综合与优化和设计结果验证，由于采用了统一数据管理技术，因此，能将各个软件工具集成为一个果验证，由于采用了统一数
