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1、现代电子设计技术的现代电子设计技术的核心就是电子设计自动核心就是电子设计自动化化(Electronic Design Automation，EDA)技技术。利用术。利用EDA技术，电技术，电子设计师可以方便地实子设计师可以方便地实现现IC设计、电子电路设设计、电子电路设计和计和PCB设计等工作。设计等工作。狭义的狭义的EDA技术技术，就是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的开发软件及实验开发系统为设计开发工具，通过使用有关的开发软件，自动完成电子系统设计的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿
2、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。 EDA技术概述技术概述EDA技术主要内容技术主要内容硬件描述语硬件描述语言言Verilog HDL VHDL 可编程逻辑可编程逻辑器件器件 CPLDFPGAEDA软件工具软件工具Arm,dsp,fpga的区别的区别vARM具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面；而应用程序等，其优势主要体现在控制方面；而DSP主要主要是用来计算的，比如进行加密解是用来计算的，比如进行加密解 密、调制解调等，优势密、调制解调等，优
3、势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。是强大的数据处理能力和较高的运行速度。FPGA可以用可以用VHDL或或verilogHDL来编程，灵活性强，由于能够进来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、行编程、除错、 再编程和重复操作，因此可以充分地进再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。DSP是软件实现算法。是软件实现算法
4、。FPGA是硬件实现算法，所以是硬件实现算法，所以FPGA的的处理速度会更高。处理速度会更高。可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述4vPLDPLD基本原理与结构基本原理与结构基本原理与结构基本原理与结构v任何数字电路都是由基本门构成。任何数字电路都是由基本门构成。任何数字电路都是由基本门构成。任何数字电路都是由基本门构成。v任何组合逻辑电路可由能提供互补输入的与门任何组合逻辑电路可由能提供互补输入的与门任何组合逻辑电路可由能提供互补输入的与门任何组合逻辑电路可由能提供互补输入的与门- -或门二级电路实现。或门二级电路实现。或门二级电路实现。或门二级电路实现。v任何时序电路都可由，组合逻辑电路任
5、何时序电路都可由，组合逻辑电路任何时序电路都可由，组合逻辑电路任何时序电路都可由，组合逻辑电路+存储元存储元存储元存储元件构成。件构成。件构成。件构成。输入输入输入输入缓冲缓冲缓冲缓冲与与与与阵阵阵阵列列列列或或或或阵阵阵阵列列列列输出输出输出输出缓冲缓冲缓冲缓冲纯组合纯组合纯组合纯组合/ /寄存器寄存器寄存器寄存器互补输入互补输入vPLDPLD分类分类分类分类q按集成度分类按集成度分类按集成度分类按集成度分类q按结构分类按结构分类按结构分类按结构分类q按工艺分类按工艺分类按工艺分类按工艺分类vPLDPLD按集成度分类按集成度分类按集成度分类按集成度分类v按结构分类按结构分类按结构分类按结构分
6、类乘积项结构乘积项结构 其基本结构为其基本结构为“与与-或阵列或阵列”。CPLD查找表结构查找表结构 由查找表构成可编程门的阵列。由查找表构成可编程门的阵列。FPGAv基于乘积项的结构基于乘积项的结构基于乘积项的结构基于乘积项的结构结构原理与特点：结构原理与特点：结构原理与特点：结构原理与特点：可编程的可编程的“与与”阵列，固定的阵列，固定的“或或”阵列阵列用于逻辑综合及取用于逻辑综合及取“反反”的的“异或异或“门门容量受乘积项数量的限制容量受乘积项数量的限制输入引线多输入引线多v基于查找表的结构基于查找表的结构基于查找表的结构基于查找表的结构10 一个一个一个一个N N输入查找表输入查找表输
7、入查找表输入查找表 ( (LUTLUT，Look Up Table)Look Up Table)可以实现可以实现可以实现可以实现N N个输入变量个输入变量个输入变量个输入变量的任何逻辑功能，如的任何逻辑功能，如的任何逻辑功能，如的任何逻辑功能，如 N N输入输入输入输入“ “与与与与” ”、 N N输入输入输入输入“ “异或异或异或异或” ”等。等。等。等。 输入多于输入多于输入多于输入多于N N个的函数、方程必须分开用几个查找表（个的函数、方程必须分开用几个查找表（个的函数、方程必须分开用几个查找表（个的函数、方程必须分开用几个查找表（ LUTLUT）通过）通过）通过）通过级连实现。级连实现
8、。级连实现。级连实现。输出输出查黑查黑找盒找盒表子表子输入输入1输入输入2输入输入3输入输入v按工艺分类按工艺分类按工艺分类按工艺分类11v熔丝型熔丝型熔丝型熔丝型- - - -全全全全0 0 0 0为为为为“空空空空”。属于。属于。属于。属于OTPOTPOTPOTP器件。器件。器件。器件。v反熔丝型反熔丝型反熔丝型反熔丝型- - - -通过半导体的漏层击穿使得两点导通通过半导体的漏层击穿使得两点导通通过半导体的漏层击穿使得两点导通通过半导体的漏层击穿使得两点导通的原理。全的原理。全的原理。全的原理。全1 1 1 1为为为为“空空空空”。属于。属于。属于。属于OTPOTPOTPOTP器件。器件
9、。器件。器件。vEPROMEPROMEPROMEPROM型型型型- - - -无紫外线照射窗口的属于无紫外线照射窗口的属于无紫外线照射窗口的属于无紫外线照射窗口的属于OTPOTPOTPOTP器件。器件。器件。器件。vEEPROMEEPROMEEPROMEEPROM型型型型- - - -大部分大部分大部分大部分CPLDCPLDCPLDCPLD与与与与GALGALGALGAL采用。采用。采用。采用。vSRAMSRAMSRAMSRAM型型型型- - - -大部分大部分大部分大部分FPGAFPGAFPGAFPGA采用。采用。采用。采用。vFlashFlashFlashFlash型型型型- - - -多
10、次可编程。多次可编程。多次可编程。多次可编程。简单简单PLD原理原理v常用电路符号常用电路符号常用电路符号常用电路符号12ctrctrDinDinDoutDout0 0Z Z1 10 00 01 11 11 1同相输出同相输出2 2输入与门输入与门输入与门输入与门2 2输入或门输入或门输入或门输入或门异或门异或门异或门异或门异或非门异或非门异或非门异或非门2 2输入或非门输入或非门输入或非门输入或非门2 2输入与非门输入与非门输入与非门输入与非门反相器反相器高阻：就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；高阻：就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；高阻：就是输出既不
11、是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；高阻：就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一个处于非高阻状态，否则会将芯片烧毁；个处于非高阻状态，否则会将芯片烧毁；个处于非高阻状态，否则会将芯片烧毁；个处于非高阻状态，否则会将芯片烧毁；PROM、PLA、PAL、GALvPLDPLD中的电路符号中的电路符号中的电路符号中的电路符号13A AB BC
12、CD D未连接未连接未连接未连接可编程连接可编程连接可编程连接可编程连接固定连接固定连接固定连接固定连接A CA C D D或阵列表示或阵列表示或阵列表示或阵列表示与阵列表示与阵列表示与阵列表示与阵列表示vPROM14逻辑函数表逻辑函数表PROM的逻辑阵列结构的逻辑阵列结构vPROM的的PLD阵列阵列通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by keane15A0A1F1F0A0A1A0A1A0A1F1F0A0A1A0A1PLDPLDPLDPLD阵列阵列阵列阵列译译译译码码码码器器器器A1A0A1A0或或或或阵阵阵阵列列列列A1A0A1A0F0=A1A0+A1A0F0=A1A0+A1A0
13、F1=A1A0F1=A1A0A1A0A1A0半加器半加器vPLAPLA逻辑阵列逻辑阵列逻辑阵列逻辑阵列通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by keane16A0A1F1F0A0A1A0A1A0A1F1F0A0A1A0A1PLAPLAPROMPROMvPALPAL结构结构结构结构通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by keane17A0A1F1F0A0A1A0A1PALPAL通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by keane18PAL16L8PAL16R4 纯组合逻辑电纯组合逻辑电纯组合逻辑电纯组合逻辑电路。路。路。路。组合组合组合组合/ /时序电路逻辑时序电
14、路逻辑时序电路逻辑时序电路逻辑电路。电路。电路。电路。 IO IO结构复杂，种类结构复杂，种类结构复杂，种类结构复杂，种类繁多，以至于使设计仍然繁多，以至于使设计仍然繁多，以至于使设计仍然繁多，以至于使设计仍然离不开数据手册。使用、离不开数据手册。使用、离不开数据手册。使用、离不开数据手册。使用、生产仍有所不便。由于一生产仍有所不便。由于一生产仍有所不便。由于一生产仍有所不便。由于一次性编程，修改也不便。次性编程，修改也不便。次性编程，修改也不便。次性编程，修改也不便。通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by vGAL通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by keane20
15、GAL的两种基本型号的两种基本型号GAL16V8（20引脚）引脚）GAL20V8（24引脚）引脚）可代替数十种可代替数十种PAL器件，因而称器件，因而称为通用可编程电路。为通用可编程电路。“与与-或或”结构；结构；输出增加了输出逻辑宏单元（输出增加了输出逻辑宏单元（OLMC），可组态为：），可组态为：寄存器型和组合型输出寄存器型和组合型输出可编程输出极性可编程输出极性可编程三台控制可编程三台控制特点：特点：1.可重复编程；可重复编程；2.100%可测试；可测试；3.既可以实现既可以实现组合电路又可以实现时序电路。组合电路又可以实现时序电路。通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by k
16、eane21逻辑宏单元逻辑宏单元逻辑宏单元逻辑宏单元输入输入输入输入/ /输出口输出口输出口输出口输入口输入口输入口输入口全局时钟全局时钟全局时钟全局时钟信号输入信号输入信号输入信号输入全局三态控制全局三态控制全局三态控制全局三态控制可编程与阵列可编程与阵列可编程与阵列可编程与阵列固定或阵列固定或阵列固定或阵列固定或阵列GAL16V8GAL16V8GAL16V8GAL16V8的的结结构构采用采用EEPROM工艺工艺通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by keane22GALGAL的输出逻辑宏单元的输出逻辑宏单元的输出逻辑宏单元的输出逻辑宏单元-OLMC-OLMCS1S1，S0S0编
17、程接点编程接点S1、S0输出输出00Y=D001Y=D110Y=D211Y=D3通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by keane23GAL OLMC PROGRAMMEGAL OLMC PROGRAMME寄存器寄存器输出的输出的两种组两种组态态组合逻组合逻辑输出辑输出的两种的两种组态组态通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by keane24课外习题1答案回顾回顾vPLD基本原理基本原理 任何数字电路都是由基本门构成。任何数字电路都是由基本门构成。任何数字电路都是由基本门构成。任何数字电路都是由基本门构成。 任何组合逻辑电路可由能提供互补输入的与门任何组合逻辑电路可由能
18、提供互补输入的与门任何组合逻辑电路可由能提供互补输入的与门任何组合逻辑电路可由能提供互补输入的与门- -或门二或门二或门二或门二级电路实现。级电路实现。级电路实现。级电路实现。 任何时序电路都可由，组合逻辑电路任何时序电路都可由，组合逻辑电路任何时序电路都可由，组合逻辑电路任何时序电路都可由，组合逻辑电路+存储元件构成存储元件构成存储元件构成存储元件构成v解释：解释：基于乘积项的可编程逻辑结构？基于乘积项的可编程逻辑结构？基于查找表的可编程逻辑结构？通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by CPLD结构与工作原理结构与工作原理通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by kea
19、ne26属于乘积项结构属于乘积项结构简单简单PLD不足之处不足之处v阵列规模小。阵列规模小。阵列规模小。阵列规模小。v寄存器资源不足，且限制较多（如时钟、输出寄存器资源不足，且限制较多（如时钟、输出寄存器资源不足，且限制较多（如时钟、输出寄存器资源不足，且限制较多（如时钟、输出使能控制），时序电路扩展较难。使能控制），时序电路扩展较难。使能控制），时序电路扩展较难。使能控制），时序电路扩展较难。vI/OI/O不灵活，三态控制控制。不灵活，三态控制控制。不灵活，三态控制控制。不灵活，三态控制控制。v编程不便（需要专用编程工具）。编程不便（需要专用编程工具）。编程不便（需要专用编程工具）。编程不便
20、（需要专用编程工具）。扩展乘积项扩展乘积项 为适应更复杂的逻辑函数的需要，为适应更复杂的逻辑函数的需要，利用其它宏单元的逻辑资源，扩展乘利用其它宏单元的逻辑资源，扩展乘积项。有两种方式，即积项。有两种方式，即共享扩展乘积共享扩展乘积项和并联扩展项馈送项和并联扩展项馈送方式。方式。共享扩展乘积项结构共享扩展乘积项结构局部连线局部连线局部连线局部连线 共享扩展项提共享扩展项提共享扩展项提共享扩展项提供的供的供的供的“ “与非与非与非与非” ”乘积乘积乘积乘积项。项。项。项。并联扩展项馈送结构并联扩展项馈送结构FPGA结构与工作原理结构与工作原理通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by k
21、eane30v大部分大部分大部分大部分FPGAFPGA是采用查找表结构是采用查找表结构是采用查找表结构是采用查找表结构v查找表结构，就是用查找表结构，就是用查找表结构，就是用查找表结构，就是用SRAMSRAM来构成逻辑函数发来构成逻辑函数发来构成逻辑函数发来构成逻辑函数发生器。生器。生器。生器。0000010100000101输入输入A 输入输入B 输入输入C 输入输入D 16x116x1RAMRAM查找表原理查找表原理类似于类似于类似于类似于1616选选选选1 1多路开关多路开关多路开关多路开关查找表输出查找表输出查找表输出查找表输出.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.
22、IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOCEABEABFLEX 10K系列系列FPGA结构图结构图Fast TrackFast Track嵌入式阵列块嵌入式阵列块嵌入式阵列块嵌入式阵列块Embedded Embedded Array BlockArray BlockLABLAB块块块块IOIO单元单元单元单元CPLD 与与FPGA的编程配置的编程配置v大规模可编程逻辑器件的变成工艺大规模可编程逻辑器件的变成工艺基于电可擦除存储单元的EEPROM或Flash技术基于SRAM查找表的编程单元基于反熔丝编程单元（OTP）通信与信息工
23、程学院课件通信与信息工程学院课件 by 用户板上的编用户板上的编用户板上的编用户板上的编程下载接口，程下载接口，程下载接口，程下载接口，PLDCPLD 与与FPGA的编程配置的编程配置用户板用户板PCISP技术技术-In System Pn减少对器件的触减少对器件的触摸和损伤摸和损伤n不计较器件的封不计较器件的封装形式装形式n样机制造方便样机制造方便n支持生产和测试流支持生产和测试流程中的修改程中的修改n允许现场硬件升级允许现场硬件升级n迅速方便地提升功迅速方便地提升功能能未编程前先焊接安装未编程前先焊接安装系统内编程系统内编程-ISP在系统现场重编程修改在系统现场重编程修改ISP功能提高设计
24、和应用的灵活性功能提高设计和应用的灵活性ALTERA的下载接口的下载接口下载电缆连接器下载电缆连接器下载电缆接口电路下载电缆接口电路TCKTCKTMSTMSTDITDITDOTDOTCKTCKTMSTMSTDITDITDOTDO 所有电阻都为所有电阻都为所有电阻都为所有电阻都为3333 本颜色为本颜色为本颜色为本颜色为JTAGJTAG模式模式模式模式 本颜色为本颜色为本颜色为本颜色为PSPS模式模式模式模式DCLKnCONFIGDATA0CONF_DONEnSTAUSDCLKCONF_DONEnCONFIGnSTAUSDATAFPGA的配置的配置FPGA的配置方式的配置方式SRAM LUT有六
25、种配置方式有六种配置方式（引脚（引脚MSEL1和和MSEL0）1 1、PSPS（Passive Serial)Passive Serial)方式，方式，方式，方式，MSEL1MSEL1=0=0，MSEL0MSEL0=0=0；2 2、PPS(PassivePPS(Passive Parallel synchronous) Parallel synchronous)方式，方式，方式，方式， MSEL1MSEL1= =，MSEL0MSEL0=0=0；3 3、PPA(PassivePPA(Passive Parallel Asynchronous) Parallel Asynchronous)方式，方
26、式，方式，方式， MSEL1MSEL1= =，MSEL0MSEL0= =；4 4、PSA(PassivePSA(Passive Serial Asynchronous) Serial Asynchronous)方式，方式，方式，方式， MSEL1MSEL1= =，MSEL0MSEL0=0=0；5 5、JTAGJTAG方式，方式，方式，方式， MSEL1MSEL1=0=0，MSEL0MSEL0=0=0；6 6、配置器方式。如用、配置器方式。如用、配置器方式。如用、配置器方式。如用EPCEPC器件配置。器件配置。器件配置。器件配置。 7 7、ASAS（Active SerialActive Ser
27、ial主动串行模式）主动串行模式）主动串行模式）主动串行模式） ?Look Up TJTAG FLEX 10K系列器件配置连线图系列器件配置连线图FPGAFPGA的三种工作状态：的三种工作状态：的三种工作状态：的三种工作状态： 配置状态配置状态配置状态配置状态正在配置，用户正在配置，用户正在配置，用户正在配置，用户I/OI/O为高阻。为高阻。为高阻。为高阻。 初始化状态初始化状态初始化状态初始化状态配置完成，内部资源正在复位中。配置完成，内部资源正在复位中。配置完成，内部资源正在复位中。配置完成，内部资源正在复位中。 用户状态用户状态用户状态用户状态配置完成，配置完成，配置完成，配置完成，FP
28、GAFPGA处于正常工作状态。处于正常工作状态。处于正常工作状态。处于正常工作状态。PS模式模式FPGA配置连线图配置连线图PS模式多模式多FPGA配配置连线图置连线图 前述方式是通过前述方式是通过PC对对FPGA重重配置，但在实际应用中是不可取的，配置，但在实际应用中是不可取的，通常用于开发调试。通常用于开发调试。专用配置器件配置专用配置器件配置用配置器件配置用配置器件配置用配置器件配置用配置器件配置FPGAFPGA的电路的电路的电路的电路FPGA的的ISP配置器可通过级连的配置器可通过级连的配置器可通过级连的配置器可通过级连的方式扩容，以满足其方式扩容，以满足其方式扩容，以满足其方式扩容，
29、以满足其容量要求。其连线同容量要求。其连线同容量要求。其连线同容量要求。其连线同多多多多FPGAFPGA配置。配置。配置。配置。 PC可通过可通过ByteBlaster对对FPGA配置，进行调试。然后，通过配置，进行调试。然后，通过JTAG接口对接口对EPC2进行进行ISP编程，由编程，由EPC2对对FPGA配置。配置。JTAGJTAGByteBlasteByteBlaster 用单片机配置用单片机配置FPGA电路电路单片机用单片机用PPSPPSPPSPPS模式配置模式配置模式配置模式配置单片机用单片机用PSPSPSPS模式配置模式配置模式配置模式配置 由单片机程序实由单片机程序实现现时序实现时序实现PPS模式配模式配置。置。v使用使用CPLD配置配置FPGAv使用单片机配置的缺点：使用单片机配置的缺点：速度慢，不适用于大规模FPGA和高可靠应用；容量小，单片机引脚少，不适合接大的ROM以存储较大的配置文件；体积大，成本和功耗都不利于相关的设计。通信与信息工程学院课件通信与信息工程学院课件 by 回顾：回顾：oPLD基本原理与结构基本原理与结构o乘积项结构与查找表结构乘积项结构与查找表结构o关于关于ISP技术技术-基本原理及方法基本原理及方法
