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1、目 录第一章 前 言8第二章 EDA技术92.1 EDA定义92.1.1 系统级设计112.2.2 EDA技术的主要特征及常用软件13第三章 FPGA 概述173.1 FPGA简介173.1.1 FPGA工作原理和配置模式173.1.2 FPGA软、硬件仿真的相关介绍193.1.3 用FPGA嵌入式处理器实现您的构想20第四章 FPGA自动售货机系统设计和开发264.1 自动售货机主控制系统的组成和功能264.1.1自动售货机系统总体结构264.1.2 自动售货机系统工作原理274.2 主控制系统FPGA的软件设计及仿真294.2.1 软件结构294.2.2 投币模块功能仿真294.2.3 商
2、品选择模块功能仿真304.2.4 退币模块功能仿真304.2.5 价格比较模块功能仿真304.3 自动售货机控制系统的实现314.3.1 自动售货机功能描述及控制系统组成314.3.2 自动售货机控制功能的状态描述314.3.3 自动售货机功能控制模块的VHDL实现314.3.4 投币输入信号电路的设计与实现34结 论36致 谢37参考文献38摘 要本论文简要介绍了FPGA的应用与发展情况，Altera的开发软件MAX+PLUS II的功能、以及运用该软件平台进行数字电路设计和方法；阐述了VHDL语言的一些特点及语法结构；介绍了自动售货机系统的基本原理、系统组成和主要功能；并分析了用VHDL语
3、言开发自动售货机系统设计流程。该次设计利用Altera公司的开发软件MAX+PLUS II平台，采用VHDL硬件描述语言编程的设计方法设计系统核心电路的硬件程序，在软件MAX+PLUS II平台上进行编译和电路仿真，最后生成目标文件下载到实验台内的FPGA芯片以实现系统，并在实验台上对设计进行验证。最终完成的自动售货机系统具有投币处理、商品选择、购货撤销、异常退币、计算机存货等主要功能，整个系统的开发体现了软件MAX+PLUS II软件平台上用VHDL设计数字控制系统的实用性。【关键词】EDA；FPGA；VHDL第一章 前 言 自动售货是20世纪70年代在日本、欧美发展起来的一种全新的消费方式
4、，同时自动售货机又被称为24小时营业的微型自助超市，它的销货领域非常广泛，是发达国家商品零售的一种主要方式。自动售货机作为一种先进的消费方式，已经成为城市现代文明发达程度的重要标志，其新颖、时尚的购物方式，24小时营业的特点给人们生活带来了便利，美化城市环境，受到消费者的欢迎。 本论文系统地介绍了有关编程逻辑器件的基础知识以及相关软件的使用方法着重讲述了自动售货机的原理以及本次设计的思路和方法。第一章阐述了EDA技术的发展历史、基本特征以及Altera公司的一些器件、开发工具等。第二章简单介绍了FPGA的应用，现场可编程门阵列的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果，它允许电
5、路设计者利用基于计算机开发平台，经过设计输入、仿真、测试、和校验，直到达预期的效果。第三章介绍VHDL语言，其中主要介绍了VHDL语言的特点、优点，VHDL语言的基本程序结构、语法以及主要放的一些程序语句。第四章介绍了自动售货机的基本功能、外观及设计流程，同时也阐述自动售货机系统的设计实现，分析部分波形仿真结果并对设计的正确性进行验证。第二章 EDA技术2.1 EDA定义EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）缩写，是90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。ED
6、A技术是以计算机为工具，根据硬件描述语言HDL（ Hardware Description language）完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。典型的EDA工具中必须包含两个特殊的软件包，即综合器和适配器。综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成的针对某个系统项目的HDL、原理图或状态图形描述，针对给定的硬件系统组件，进行编译、优化、转换和综合，最终获得我们欲实现功能的描述文件。综合器在工作前，必须给定所要实现的硬件结构参数，它的功能就是将软件描述与给定的硬件结构用一定的方式联系起来。也就是说，综合器是软
7、件描述与硬件实现的一座桥梁。综合过程就是将电路的高级语言描述转换低级的、可与目标器件FPGA/CPLD相映射的网表文件。适配器的功能是将由综合器产生的王表文件配置与指定的目标器件中，产生最终的下载文件，如JED文件。适配所选定的目标器件（FPGA/CPLD芯片）必须属于在综合器中已指定的目标器件系列。硬件描述语言HDL是相对于一般的计算机软件语言，如：C、PASCAL而言的。HDL语言使用与设计硬件电子系统的计算机语言，它能描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。设计者可利用HDL程序来描述所希望的电路系统，规定器件结构特征和电路的行为方式；然后利用综合器和适配器将此程序编程能控制FPGA
8、和CPLD内部结构，并实现相应逻辑功能的的门级或更底层的结构网表文件或下载文件。目前，就FPGA/CPLD开发来说，比较常用和流行的HDL主要有ABEL-HDL、AHDL和VHDL。制作PCB原理图设计设计元件符号库元件模型库自动布局布线PCB后分析系统设计系统实现系统仿真图2-1 电路级设计工作流程仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。在制作 PCB板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真，这一次仿真主要是检 验PCB板在实际工作环境中的可行性。 由此可
9、见，电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前，就可以全面地 了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。2.1.1 系统级设计 进入90年代以来，电子信息类产品的开发出现了两个明显的特点：一是产品的复杂程 度加深，二是产品的上市时限紧迫。然而电路级设计本质上是基于门级描述的单层次设计，设计的所有工作（包括设计输入，仿真和分析，设计修改等）都是在基本逻辑门这一层次上进行的，显然 这种设计方法不能适应新的形势，为此引入了一种高层次的电子设计方法，也称为系统级的设计方法。 高层次设计是一种概念驱动式设计，设计人员无须通过
10、门级原理图描述电路，而是 针对设计目标进行功能描述，由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性的概念构思与方案上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动 的方式自动完成整个设计。这样，新的概念得以迅速有效的成为产品，大大缩短了产品的研制周 期。不仅如此，高层次设计只是定义系统的行为特性，可以不涉及实现工艺，在厂家综合库的支持 下，利用综合优化工具可以将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网表，工艺转化变得轻松容 易。具体的设计流程见图2-2。系统划分VHDL代码或图形方式输入编译器适配报告器件编程文件代码及功能仿真综合器适配后时序仿真适配前时序仿真
11、厂家综合库适配前时序仿真CPLD/FPGA实现ASIC实现适配器图2-2 系统级设计工作流程 高层次设计步骤如下：第一步： 按照自顶向下的设计方法进行系统划分。第二步： 输入VHDL代码，这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入 方式（框图，状态图等），这种输入方式具有直观、容易理解的优点。第三步：将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。对于大型设计，还要进行代码级的功能仿 真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前 对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。第四步：利用综合器对VHDL源
12、代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件,这是将高层次 描述转化为硬件电路的关键步骤。 综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的 厂家综合库支持下才能完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不 涉及具体器件的硬件特性，较为粗略。一般设计，这一仿真步骤也可略去。第五步：利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底 层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。适配完成后，产生多项设计结果：适配报告，包 括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等；适配后的仿真模型；器件编程文件。 根据适配后的仿真模型
13、，可以进行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性（如时延 特性），所以仿真结果能比较精确地预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果达不到设计要求，就 需要修改VHDL源代码或选择不同速度品质的器件，直至满足设计要求。第六步：将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。 如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由ASIC形式实现。 2.2.2 EDA技术的主要特征及常用软件EDA技术的主要特征 作为现代电子系统设计的主导技术,EDA具有几个明显特征:（1） 用软件设计的方法来设计硬件 硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的,设计
14、输入可以是原理图VHDL语言,通过软件设计方式的测试,实现对特定功能硬件电路的设计,而硬件设计的修改工作也如同修改软件程序一样快捷方便,设计的整个过程几乎不涉及任何硬件,可操作性、产品互换性强。（2） 基于芯片的设计方法 EDA设计方法又称为基于芯片的设计方法,集成化程度更高,可实现片上系统集成,进行更加复杂的电路芯片化设计和专用集成电路设计,使产品体积小、功耗低、可靠性高;可在系统编程或现场编程,使器件编程、重构、修改简单便利,可实现在线升级;可进行各种仿真,开发周期短,设计成本低,设计灵活性高。（3） 自动化程度高 EDA技术根据设计输入文件,将电子产品从电路功能仿真、性能分析、优化设计到
15、结果测试的全过程在计算机上自动处理完成,自动生成目标系统,使设计人员不必学习许多深入的专业知识,也可免除许多推导运算即可获得优化的设计成果,设计自动化程度高,减轻了设计人员的工作量,开发效率高。（4）自动进行产品直面设计 EDA技术根据设计输入文件(HDL或电路原理图),自动地进行逻辑编译、化简、综合、仿真、优化、布局、布线、适配以及下载编程以生成目标系统,即将电子产品从电路功能仿真、性能分析、优化设计到结果测试的全过程在计算机上自动处理完成。EDA的技术要点：（1） 可编程逻辑器件-PLD 数字逻辑器件的发展直接反映了从分立元件、中小规模标准芯片过渡到可编程逻辑器件的过程。ISP技术和HDPLD器件使设计人员能够在实验室中方便地开发专用集成数字电路芯片ASIC。当前,国内外许多著名厂商均已开发出新一代ISP器件以及相应的开发软件(如Synario、EXPERT、Fundati
