第2章 可编程逻辑器件设计方法 何宾编著
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哈尔滨工程大学计算机教学计划中所有课程的详细描述
F3 教学计划中所有课程的详细描述F3.1 2005版和2007版教学计划中的课程描述课程设计一、课程基本信息课程编号：课程中文名称：课程设计课程英文名称：Curriculum Design课程性质：专业实践环节考核方式：考查开课专业：计算机科学与技术，软件工程开课学期：6总学时：3周总学分：3二、课程目的和任务本教学环节目的和任务是要让学生初步学会综合运用大学三年来所学的专业知识，设计完成一个小规模的课题；并通过此过程增强学生独立分析、解决问题的科研工作能力，培养学生树立良好的团结协作的科研工作作风。
三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）1．按具体课题的要求，指导学生对课题进行需求分析，设计实现系统功能。
2．每一课题小组的学生提交一份4000字左右的课程设计报告书。
四、教学内容与学时分配第1周：分组布置课题并查阅与课题相关的资料，指导学生完成需求分析工作。
第2、3周： 1. 指导学生上机设计系统各功能模块，并对程序进行调试。
2. 指导学生将所设计的各功能模块进行联调。
3. 指导其撰写4千字左右的科技论文报告书。
五、教学方法及手段（含现代化教学手段）教师向学生讲解每一课题的要求，指导学生查阅相关的参考资料，学生设计程序完成课题要求实现的系统功能。
六、实验（或）上机内容结合课程设计实际开发软硬件。
七、前续课程、后续课程前续课程：程序设计方法、数据库原理、C++等高级程序设计语言后续课程：无。
八、教材及主要参考资料所需参考资料为与课题相关的书籍。
九、近两年开设次数：2次十、任课教师、选修人数、不及格率和优秀率毕业实习一、课程基本信息课程编号：课程中文名称：毕业实习课程英文名称：Graduation Practice课程性质：专业实践环节考核方式：考查开课专业：计算机科学与技术，软件工程开课学期：7总学时：3周总学分：3二、课程目的和任务毕业实习是一门使学生了解并初步掌握本专业所学理论知识在企事业单位的实际生产管理中具体应用的最具直观性的实践教学课程。
可编程逻辑器件中的设计流程
可编程逻辑器件中的设计流程可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是一种集成电路器件，可以按照用户需求进行编程，实现特定的逻辑功能。
在现代电子技术领域中，PLD的应用越来越广泛。
本文将介绍可编程逻辑器件中的设计流程，并分为几个步骤进行详细阐述。
第一步：需求分析在进行PLD设计之前，首先需要明确设计的目标和需求。
根据具体的应用场景和功能要求，确定需要实现的逻辑功能和性能参数。
例如，如果设计一个控制系统，需要明确所需控制的信号类型、输入输出接口及相关约束等。
需求分析在PLD设计中起着至关重要的作用，也是后续设计的基础。
第二步：逻辑设计逻辑设计是PLD设计的核心步骤之一。
在逻辑设计中，需要使用硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）对电路进行建模和描述。
常用的HDL语言包括VHDL和Verilog。
通过使用HDL语言，可以将电路中的逻辑功能用代码的形式实现，对电路中的逻辑门、触发器等基本元件进行逻辑连接，形成电路结构。
逻辑设计的结果是一个逻辑电路图，该电路图描述了各个逻辑元件之间的连接关系。
第三步：仿真验证在进行PLD设计之前，通常需要进行仿真验证。
通过仿真可以对逻辑设计进行功能验证和时序验证，确保设计的正确性。
仿真可以使用专门的仿真软件，例如ModelSim等。
在仿真中，要对输入信号进行赋值，通过观察输出信号的波形来验证设计的正确性。
如果设计存在问题，可以进行调试和修改。
第四步：综合与布局布线综合是将逻辑设计转换为物理器件的过程。
在综合过程中，需要将逻辑电路图转换为与目标器件相兼容的网表描述。
综合工具会根据约束条件和目标器件的特性，对逻辑电路图进行优化，以达到提高性能、降低功耗等目标。
综合完成后，将得到一个包含逻辑门和触发器等元件的网表描述。
布局布线是将综合生成的网表映射到目标器件上的过程。
布局是指将逻辑元件放置在芯片上的具体位置，布线是指根据元件之间的连接关系，将导线进行布线，最终形成物理布图。
第2章 可编程逻辑器件设计方法
第2章 可编程逻辑器件设计方法-本章概述
可编程逻辑器件法和逻辑单元阵列法是本书所要介绍 的内容。
本章首先介绍了可编程逻辑的基础知识，然后介绍了 PLD芯片的制造工艺，在此基础上介绍了CPLD芯片和 FPGA芯片的内部结构，最后对Xilinx的CPLD和FPGA芯 片的特性进行了详细的介绍。
第2章 可编程逻辑器件设计方法
-可编程逻辑器件概述
可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD） 起源于20世纪70年代，是在专用集成电路（ASIC）的基 础上发展起来的一种新型逻辑器件，是当今数字系统设计 的主要硬件平台.
其主要特点: 1、由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某 种 特定的功能，且可以反复擦写； 2、在修改和升级PLD时，不需额外地改变PCB电路 板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设工作成为 软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵 活性并降低了成本.
第2章 可编程逻辑器件设计方法 可编程逻辑器件的发展历史
4、第4阶段出现了SOPC和SOC技术，是PLD和ASIC 技术融合的结果，涵盖了实时化数字信号处理技术、高速 数据收发器、复杂计算以及嵌入式系统设计技术的全部内 容。
第2章 可编程逻辑器件设计方法 可编程逻辑器件的发展历史
Xilinx和Altera也推出了相应SOPC产品，制造工艺 达到65nm/40nm，系统门数也超过百万门。
4、掩膜技术 ROM是非易失性的，系统断电后，信息被保留在存储 单元中。掩膜器件可以读出，但是不能写入信息。ROM 单元保存了行和列数据，形成一个阵列，每一列有负载 电阻使其保持逻辑1，每个行列的交叉有一个关联晶体 管和一个掩膜连接。
这种技术代价比较高，基本上很少使用。
第2章-可编程逻辑器件设计方法
可编程逻辑器件制造工艺
WL V DD M2 M5 Q M1 BL M4 Q M6
读/写控制 配置控 制
M3 BL
数据IO
可编程逻辑器件制造工艺
掩膜技术（ROM）
ROM是非易失性的器件。系统断电后，信息被保留在存储单 元中。ROM单元保存了行和列数据，形成一个阵列，每一列有负 载电阻使其保持逻辑1，每个行列的交叉有一个关联晶体管和一个 掩膜连接。其特点： （1）可以读出信息，但是不能写入信息。 （2）这种技术实现代价比较高，在实际中很少使用。
可编程逻辑器件制造工艺
可编程逻辑器件制造工艺
FLASH技术
FLASH技术的芯片的檫除的速度比PROM技术要快的多。 FLASH技术可采用多种结构，与EPROM单元类似的具有一个浮 置栅晶体管单元和EEPROM器件的薄氧化层特性。
可编程逻辑器件内部结构
-PROM
I
3
I
2
I
1
I
0
可编程或阵列
固定的与阵列
宏单元
CPLD芯片内部结构
--宏单元
全局设置/ 复位 全局时钟
额外的乘积 项，来自其 它宏 乘积项设置
组合逻辑
触发器资源
到快速连接 矩阵 乘积项 分配器 乘积项时钟 乘积项复位 乘积项OE 额外的乘积 项，来自其 它宏 至I/O块
CPLD芯片内部结构 --快速连接矩阵
快速连接矩阵 功能块
I/O块
FPGA芯片的内部结构
--CLB
FPGA芯片的内部结构
--CLB
X后面的数字标识切片对内每个切片的位置，以及切片 列的位置。
X编号计算切片位置从底部以顺序0，1开始计算（第1列 CLB）；2，3(第2列CLB)
[工学]第2章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件
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PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
CPLD概述
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
CPLD概述
基于乘积项阵列型CPLD的组成：
● 可编程内部连线
● 逻辑块
● I/O单元
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
Altera公司的CPLD
Altera公司生产的PLD器件主要有： ● ● ● ● ● ● ● ● ● Classic系列 MAX系列 FLEX系列 ACEX系列 APEX系列 Mercury系列 Excalibur系列 Stratix系列 Cyclone系列 CPLD
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
上电时，由这片配置EEPROM先对FPGA/CPLD
加载数据，十几毫秒后，FPGA/CPLD即可正常工作
(亦可由CPU配置FPGA/CPLD)。
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。
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
（f）
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
20世纪70年代初期的PLD主要是：
可编程只读存储器PROM（Programmable Read Only Memory） 可编程逻辑阵列PLA（Programmable Logic Array）。
PLD及应用
A0 A1 A3
第2章可编程逻辑器件
Y0 Y1
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
CPLD通常基于乘积项(product-term)技术， 采用EEPROM(或Flash)工艺，如Altera公司的MAX 系列、Lattice公司的大部分产品及Xilinx公司的 XC9500系列，这种CPLD都支持ISP技术在线编程， 也可用编程器编程，并且可以加密。 FPGA通常基于查找表(Look Up Table，LUT) 技术，采用SRAM工艺，如Altera公司的FLEX、 ACEX、APEX系列和Xilinx公司的Spartan与Virtex 系列。由于SRAM工艺的特点——掉电后数据会消失， 因此调试期间可以用下载电缆配置FPGA/CPLD器件， 调试完成后，需要将数据固化在一个专用的 EEPROM中(用通用编程器烧写)。
可编程逻辑器件 教学大纲
可编程逻辑器件一、课程说明课程编号：420117Z10课程名称：可编程逻辑器件/ Application of Programmable Logic Device课程类别：专业教育课程学时/学分：48/3先修课程：数字电子技术适用专业：电气等相近专业教材、教学参考书：[1]EDA技术实用教程（第三版），潘松黄继业著，科学出版社，2006.09。
[2]CPLD系统设计入门与应用，黄正谨，清华大学出版社，2002；[3]CPLD技术与应用，宋万杰，西安电子科技大学出版社，2000；[4]EDA与数字系统设计，李国丽，机械工业出版社，2002；[5]EDA技术与Verilog设计, 王金明等，科学出版社，2008.8。
二、课程设置的目的意义本课程是电气等专业在电子技术方面选修课，是实践性很强的课程。
它主要介绍了VHDL 硬件描述语言和高密度可编程逻辑器件，用较多的学时让学生自己动手实验。
本课程的任务是使学生获得电子设计自动化(EDA) 的基本知识和基本技能，培养学生利用计算机辅助设计和用高密度可编程逻辑器件实现数字系统的能力，为以后深入学习和应用电子系统现代设计方法打好基础。
三、课程的基本要求1.知识要求①熟悉常用EDA工具包括MAXPLUSII、QuartusII的使用环境；②熟悉可编程逻辑器件CPLD、FPGA结构与工作原理；③掌握VHDL 的主要构件、数据类型和运算、行为和结构描述；④掌握VHDL基本语言结构与基本语句；⑤掌握VHDL基本设计方法及一般状态机的设计流程。
2.能力要求①能够熟练使用常用的EDA工具进行设计；②能够用VHDL 语言实现译码器、加法计数器等常用功能电路；③能够应用一般状态机对系统进行设计。
3.素质要求能够从事可编程器件的设计开发工程，其应用涉及到包括导弹制导与控制、导航制导、仿真、仪表与测试等军民两用领域。
四、教学内容、重点难点及教学设计注：实践包括实验、上机等五、实践教学内容和基本要求实验一：Quartus II软件使用（4学时）性质类型：验证性实验实验内容：①建立MUX41A的工程，利用VHDL语言设计多功能计数器的程序文件，并对其进行编辑，保存，综合。
《EDA技术与应用教程》(第2版_王正勇)课件
点
应用范围 集成度
CPLD
FPGA
乘积项（Product Term）
查找表（LUT，Look Up Table）
非易失性（Flash，EEPROM） ① 掉电非易失性：即使切断电源，电路中的数据 也不会丢失 ② 有限次编程、速度较慢 ③ 相对容量小，单位宏单元性价比低 ④ 直接加密，保密性好 ⑤ 无须外部存储器芯片，使用简单方便 ⑥ 上电后立即开始运作 ⑦ 可在单芯片上运作 偏向于简单的控制通道应用以及组合逻辑 小~中规模
(a)实际逻辑电路
(b)LUT的实现方式
图 2 - 7 FPGA的逻辑实现原理
输入A 输入B 输入C 输入D
0 0 0 0 0 1 1 16×1 0 RAM 0 0 0 0 0 0 1 1
多路 选择器
查 找 表 输 出
图 2 - 8 FPGA查找表内部结构
重庆电子工程职业学院
16
EDA技术与应用教程
工艺节点
0.3μm 0.3μm 0.42μm 0.5μm
0.22μm 0.13μm 0.15μm 0.18μm 0.22μm 0.22μm 0.3μm 0.42μm 0.42μm/0.3μm 0.42μm
0.15μm 0.18μm 0.18μm
重庆电子工程职表业学2院 - 8 Altera的成熟器件 20
EDA技术与应用教程
2.4 FPGA/CPLD产品概述
⒉ Altera新型系列器件简介 ⑴ Stratix系列高端FPGA ⑵ Arria系列中端FPGA ⑶ Cyclone系列低成本FPGA ⑷ MAX系列低成本CPLD ⑸ HardCopy系列ASIC
⒊ Altera配置器件简介 ⑴ 标准型配置器件 ⑵ 增强型配置器件 （3）串行配置器件
哈尔滨工程大学计算机教学计划中所有课程的详细描述
F3 教学计划中所有课程的详细描述F3.1 2005版和2007版教学计划中的课程描述课程设计一、课程基本信息课程编号：课程中文名称：课程设计课程英文名称：Curriculum Design课程性质：专业实践环节考核方式：考查开课专业：计算机科学与技术，软件工程开课学期：6总学时：3周总学分：3二、课程目的和任务本教学环节目的和任务是要让学生初步学会综合运用大学三年来所学的专业知识，设计完成一个小规模的课题；并通过此过程增强学生独立分析、解决问题的科研工作能力，培养学生树立良好的团结协作的科研工作作风。
三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）1．按具体课题的要求，指导学生对课题进行需求分析，设计实现系统功能。
2．每一课题小组的学生提交一份4000字左右的课程设计报告书。
四、教学内容与学时分配第1周：分组布置课题并查阅与课题相关的资料，指导学生完成需求分析工作。
第2、3周： 1. 指导学生上机设计系统各功能模块，并对程序进行调试。
2. 指导学生将所设计的各功能模块进行联调。
3. 指导其撰写4千字左右的科技论文报告书。
五、教学方法及手段（含现代化教学手段）教师向学生讲解每一课题的要求，指导学生查阅相关的参考资料，学生设计程序完成课题要求实现的系统功能。
六、实验（或）上机内容结合课程设计实际开发软硬件。
七、前续课程、后续课程前续课程：程序设计方法、数据库原理、C++等高级程序设计语言后续课程：无。
八、教材及主要参考资料所需参考资料为与课题相关的书籍。
九、近两年开设次数：2次十、任课教师、选修人数、不及格率和优秀率毕业实习一、课程基本信息课程编号：课程中文名称：毕业实习课程英文名称：Graduation Practice课程性质：专业实践环节考核方式：考查开课专业：计算机科学与技术，软件工程开课学期：7总学时：3周总学分：3二、课程目的和任务毕业实习是一门使学生了解并初步掌握本专业所学理论知识在企事业单位的实际生产管理中具体应用的最具直观性的实践教学课程。
第2章 可编程逻辑器件的设计
第2章 可编程逻辑器件的设计
2.1.2 设计输入 设计者将所设计的系统或电路以开发软件要求的某
种形式表示出来， 并送入计算机的过程称为设计输入。 设计输入通常有以下几种方式：
1. 原理图输入方式 这是一种最直接的设计描述方式， 它使用软件系 统提供的元器件库及各种符号和连线画出原理图， 形 成原理图输入文件。 这种方式大多用在对系统及各部 分电路很熟悉的情况， 或在系统对时间特性要求较高 的场合。 当系统功能较复杂时， 原理图输入方式效率 低， 它的主要优点是容易实现仿真， 便于信号的观察 和电路的调整。
第2章 可编程逻辑器件的设计
ISP―PLD不需要使用编程器， 只需要通过计算机 接口和编程电缆， 直接在目标系统或印刷线路板上进 行编程。 传统的可编程逻辑器件只能插在编程器上先 进行编程， 然后再装配， 而ISP―PLD则可以先装配， 后编程。 因此ISP技术有利于提高系统的可靠性， 便 于系统板的调试和维修。
第2章 可编程逻辑器件的设计
时序仿真是在选择了具体器件并完成布局、 布线 之后进行的时序关系仿真， 因此又称后仿真或延时仿 真。 由于不同器件的内部延时不一样， 不同的布局、 布线方案也给延时造成不同的影响， 因此在设计处理 以后， 对系统和各模块进行时序仿真， 分析其时序关 系， 估计设计的性能以及检查和消除竞争冒险等是非 常有必要的。 实际上这也是与实际器件工作情况基本 相同的仿真。
第2章 可编程逻辑器件的设计
又如语言的公开可利用性， 使它们便于实现大规模系 统的设计等； 同时硬件描述语言具有很强的逻辑描述 和仿真功能， 而且输入效率高， 在不同的设计输入库 之间转换非常方便。 因此， 运用VHDL , Verilog―HDL硬件描述语言设计已是当前的趋势。
EDA教程第一章
课程所要解决的问题？
当你们经历了以上的痛苦后，不知道你们想过下 面的问题没有？ 能不能让计算机帮助化简卡诺图？而且是多个 变量？ 能不能用一种芯片实现多个分离小规模数字IC 能不能用一种芯片实现多个分离小规模数字IC 的功能，并且在芯片内部将这些功能连接？ 设计数字系统能不能象C 设计数字系统能不能象C语言那样，只关心“如 何描述”一个数字系统，而不是“如何具体实 现”数字系统。
数字系统EDA技术发展概述 数字系统EDA技术发展概述
EDA技术所涉及的领域相当广泛，业界一般将 EDA技术所涉及的领域相当广泛，业界一般将 EDA技术分成: EDA技术分成: 狭义EDA技术 狭义EDA技术 广义EDA技术 广义EDA技术
数字系统EDA技术发展概述 数字系统EDA技术发展概述
狭义EDA技术 狭义EDA技术，就是指以大规模可编程逻辑器件为 技术，就是指以大规模可编程逻辑器件为 设计载体，以 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 式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验 开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用 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: 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， 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。 术，或称为IES/ASIC自动设计技术。
数字系统设计技术发展历史
年代 事件
公元前3000年 公元前 年 1614-1617
第二章 可编程逻辑器件的基本原理
数字ASIC按照版图结构和制造方法分为全定 制和半定制两种实现方法。
全定制法是一种基于晶体管级的手工设计版图的设计方法。全 制定ASIC的各层掩模都是按特定电路功能专门制造的，设计者必须 从晶体管的版图尺寸、位置和互联线开始设计，并据此确定整个电 路的布局布线，已达到芯片面积利用率高、速度快、功耗低的最优 化性能。涉及需借助全定制版图设计工具来完成。设计全定制ASIC， 不仅要求设计者具有丰富的半导体材料和工艺技术知识，还要具有 完整的系统和电路设计的工程经验。 利用全定制法设计的电路面积利用率最高、性能较好、功耗较低、 集成度高、工作速度高，但其设计制作过程人工参与的工作量大、 设计周期长，而且容易出错。 全定制法比较适用于批量较大的产品，如：通用中小规模集成 电路设计、有特殊性能要求和功耗要求的电路设计、处理器中的特 殊功能模块电路的设计等。
ASIC按照设计方法的不同分为: 一、模拟ASIC 二、数字ASIC
ASIC
数字ASIC
模拟ASIC
全定制
半定制
线性阵列
模拟标准单元
门阵列
标准单元
PLD
图2-1 ASIC的分类
模拟ASIC由线性阵列和模拟标准单元 组成。由于模拟电路的频带宽度、精度、 增益和动态范围等暂时还没有一个最佳的 办法加以描述和控制，因此与数字ASIC相 比，它的发展还相当缓慢。但模拟ASIC可 减少芯片面积、提高性能、降低费用、扩 大功能、降低功耗、提高可靠性以及缩短 开发周期，因此其发展也势在必行。
半定制法是一种约束性设计方式。约束的主 要目的是简化设计、缩短设计周期、降低设 计成本和提高芯片成品率。半定制法按逻辑 实现的方式不同分为：门阵列法、标准单元 法、可编程逻辑器件法三种。
• 门阵列法
可编程逻辑器件的工作原理及其设计课件
PROM编程原理
其后出现了结构复杂一些的可编程逻辑器
件（PLD：Programmable Logic Devices）
可编程阵列逻辑PAL门（Programmable Array Logic）
通用阵列逻辑GAL门（Generic Array Logic）
任何一个组合逻辑都可以表示为乘积项 之和的形式，例如：
3.1.3 FPGA和CPLD之间的差别
实现组合逻辑的方式不同
FPGA
CPLD
内部结构不同
IOB
CLB
PI
IOB
LAB
LAB
IOB
IOB
LAB
PIA
LAB
பைடு நூலகம்
IOB
IOB
LAB
LAB
IOB
FPGA
CPLD
FPGA与CPLD的不同特性
逻辑单元的粒度不一样，设计灵活性不同； FPGA芯片的逻辑门密度比CPLD芯片高； 内部连线结构不同； 时序延迟的特性不同； CPLD更适合于完成各类算法和组合逻辑，而
Cyclone Ⅴ产品简介
Cyclone Ⅴ是Altera 公司提供的高性能、 系统成本最低和功耗最低的28nm工艺的 FPGA；
集成了收发器和硬核存储器控制器； 集成了基于ARM的硬核处理器系统
（HPS：Hard Processor System）； 广泛应用于工业、军事、自动控制、通
信等领域。
非用户定制 IC 集成电路的 设计和制造
用户定制 IC
IC: Integrated Circuit
软件组态标准电路 用户可再构造标准电路
用户半定制 IC 用户全定制 IC
集成电路的分类(按集成度)
何宾200809
➢ 下面从使用方面对这三种语言进行简要的比照：
➢ (1)逻辑描述层次：一般的硬件描述语言可以在三个层次上进行 电路描述，其层次由高到低依次可分为行为级、RTL级和门电路级。 VHDL语言是一种高级描述语言，适用于行为级和RTL级的描述，最 适于描述电路的行为；Verilog语言和ABEL语言是一种较低级的描述 语言，适用于RTL级和门电路级的描述，最适于描述门级电路。
EDA设计导论- EDA技术涵义
第一章
●狭义EDA技术
狭义EDA技术，就是指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。
➢ １〕实验或开发所需的各类根本信号发生模块，包括时钟、 脉冲、上下电平等；
➢ ２〕PLD输出信息显示模块，包括数码显示、发光管显示、声 响指示等；
➢ ３〕监控程序模块，提供“电路重构软配置〞；
➢ ４〕目标芯片适配座以及上面的FPGA/CPLD目标芯片和编程 下载电路。
EDA设计导论- PLD设计方法
EDA设计导论- EDA技术综述
● 电子系统设计自动化阶段
第一章
➢ 硬件描述语言HDL的出现是这个阶段最重要的成果， 由于HDL语言的出现使得EDA设计进入到抽象描述的设计 层次。
➢ 21世纪开始，随着微电子技术的进一步开展，EDA设 计进入了更高的阶段，即片上系统设计〔SOPC，System On Programmable Chip〕阶段，在这个阶段，可编程逻辑 器件内集成了数字信号处理器的内核、微处理器的内核 等，使得可编程逻辑器件不再只是完成复杂的逻辑功能， 而是具有了强大的信号处理和控制功能。SOPC技术的进 一步开展必将给电子系统的设计带来一场深刻的变革。
➢ (1)逻辑描述层次：一般的硬件描述语言可以在三个层次上进行 电路描述，其层次由高到低依次可分为行为级、RTL级和门电路级。 VHDL语言是一种高级描述语言，适用于行为级和RTL级的描述，最 适于描述电路的行为；Verilog语言和ABEL语言是一种较低级的描述 语言，适用于RTL级和门电路级的描述，最适于描述门级电路。
EDA设计导论- EDA技术涵义
第一章
●狭义EDA技术
狭义EDA技术，就是指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。
➢ １〕实验或开发所需的各类根本信号发生模块，包括时钟、 脉冲、上下电平等；
➢ ２〕PLD输出信息显示模块，包括数码显示、发光管显示、声 响指示等；
➢ ３〕监控程序模块，提供“电路重构软配置〞；
➢ ４〕目标芯片适配座以及上面的FPGA/CPLD目标芯片和编程 下载电路。
EDA设计导论- PLD设计方法
EDA设计导论- EDA技术综述
● 电子系统设计自动化阶段
第一章
➢ 硬件描述语言HDL的出现是这个阶段最重要的成果， 由于HDL语言的出现使得EDA设计进入到抽象描述的设计 层次。
➢ 21世纪开始，随着微电子技术的进一步开展，EDA设 计进入了更高的阶段，即片上系统设计〔SOPC，System On Programmable Chip〕阶段，在这个阶段，可编程逻辑 器件内集成了数字信号处理器的内核、微处理器的内核 等，使得可编程逻辑器件不再只是完成复杂的逻辑功能， 而是具有了强大的信号处理和控制功能。SOPC技术的进 一步开展必将给电子系统的设计带来一场深刻的变革。
北理FPGA课件 第二部分：FPGA的结构
可编程逻辑器件与VHDL设计技术第二部分：可编程逻辑器件结构北京理工大学雷达技术研究所陈禾可编程逻辑器件与VHDL设计技术课件下载ftp://10.1.8.101/incoming/doc/_课程 和课件/可编程逻辑器件和VHDL设计技术 /2006年课件可编程逻辑器件与VHDL设计技术本次课的主要内容可编程逻辑器件发展、结构FPGA和CPLD区别部分可编程逻 辑器件产品介绍FPGA设计流程可编程逻辑器件与VHDL设计技术PLD的发展历程早期的可编程逻辑器件:PROM、EPROM和 EEPROM三种。
可编程逻辑器件(PLD)可编程逻辑器件(PLD) PAL(可编程阵列逻辑) 可编程逻辑阵列(PLA) GAL(通用阵列逻辑) 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可编程逻辑器件与VHDL设计技术PLD的发展历程（续）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 Progra- mmable 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。
可编程逻辑器件与VHDL设计技术PLD的发展历程（续）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PROM 的PLD叫FPGA；把基于乘积项技术，Flash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.可编程逻辑器件与VHDL设计技术世界主要PLD公司可编程逻辑器件与VHDL设计技术部分PLD公司网址• • • • • • • ALTERA: XILINX: ATMEL: CYPRESS: LATTICE: ACTEL: QUICKLOGIC: 可编程逻辑器件与VHDL设计技术PLD器件PLD（Programmable Logical Device）是最早 的可编程逻辑器件，它包含两个基本部分：逻辑阵列是用户可编程的部分，它由“与”矩阵、 “或”矩阵及 反相器组成。
eda教学1
EDA设计导论- PLD设计方法
设计已经从传统的自下而上的方法， 转变成自上而下的设计方法。传统上的设 计方法是自下而上的设计方法，是以固定 功能元件为基础，基于电路板的设计方法。 这种设计方法有下面的缺点：
第一章
系统调试、测试与性能分析
完整系统构成
设计依赖于设计人员的经验。
设计依赖于现有的通用元器件。
EDA 原理及应用
何宾 2008.09
E - mail: hebin@
课程进度安排：
56学时（课堂教学40学时，上机实验16学时） 课堂教学内容： 第1章-EDA设计导论 第2章-可编程逻辑器件设计方法 第3章-VHDL语言基础 第4章-数字逻辑单元设计 第5章-VHDL高级设计技术 第6章-基于HDL和原理图的设计输入 第7章-设计综合和行为仿真 第8章-设计实现和时序仿真 第9章-设计下载和调试 第10章-设计示例（数字钟、UART、数字电压表）
子系统设计的下载工具及硬件验证工具；
EDA设计导论- EDA技术涵义
● 大规模可编程逻辑器件（PLD）
第一章
现在所说的PLD器件一般包含现场可编程门阵列（FPGA）和复 杂可编程逻辑器件（CPLD）。
由于PLD的集成规模非常大，因此可利用先进的EDA工具进 行电子系统设计和产品开发。由于开发工具的通用性、设计语言的 标准化以及设计过程几乎与所用器件的硬件结构无关，因而设计开 发成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性。
EDA设计导论- EDA技术涵义
● 硬件描述语言
第一章
(5)支持的EDA工具：支持VHDL和Verilog的EDA工具很多，但 支持ABEL的综合器仅仅Dataio一家。
(6)国际化程度：VHDL和Verilog已成为IEEE标准，而ABEL正朝 国际化标准努力。在新世纪中，VHDL与Verilog语言将承担几乎全 部的数字系统设计任务。
数字电路与系统(何艳)第二章-1
一、代入规则 二、反演规则 三、对偶规则
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
2
第二章 逻辑代数基础
第一节 概述
一、三种基本逻辑关系：
1.与逻辑： 2.或逻辑： 3.非逻辑：
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
3
AB
A
E
LE
B
L
(a) 说明与逻辑的电路 (b) 说明或逻辑的电路
例2：已知 F = A⊕B ，则其反函数可写为： F = A⊙B
即 A⊕B = A⊙B
与反演律 A+B = A ·B 形式类似
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
37
作业题 2.4
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
38
解：F = ( A + B ) ·( C + D )
例2：若 F = A + B+C ·D， 试用反演规则求反函数 F。
解： F = A ·B C + D
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
32
常用关系式： (1) F = F； (2) 若 F = G ，则 F = G ；反之也成立。
L
220V
～
ab
Ac
B d
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
7
解：用逻辑变量x1、x2、y分别表示开关A、B、 灯L。设开关A（或B）的“刀”位于上触点a(或 b)时，x1、x2为1，位于下触点时，x1、x2为0； 灯L亮，y为1，灯L灭，y为0。则真值表如下：
2019年10月19日星期六
AB + AC + BC = AB +AC 证明：AB + AC + BC = AB + AC + ( A + A )BC
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
2
第二章 逻辑代数基础
第一节 概述
一、三种基本逻辑关系：
1.与逻辑： 2.或逻辑： 3.非逻辑：
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
3
AB
A
E
LE
B
L
(a) 说明与逻辑的电路 (b) 说明或逻辑的电路
例2：已知 F = A⊕B ，则其反函数可写为： F = A⊙B
即 A⊕B = A⊙B
与反演律 A+B = A ·B 形式类似
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
37
作业题 2.4
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
38
解：F = ( A + B ) ·( C + D )
例2：若 F = A + B+C ·D， 试用反演规则求反函数 F。
解： F = A ·B C + D
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
32
常用关系式： (1) F = F； (2) 若 F = G ，则 F = G ；反之也成立。
L
220V
～
ab
Ac
B d
2019年10月19日星期六
第二章 逻辑代数基础
7
解：用逻辑变量x1、x2、y分别表示开关A、B、 灯L。设开关A（或B）的“刀”位于上触点a(或 b)时，x1、x2为1，位于下触点时，x1、x2为0； 灯L亮，y为1，灯L灭，y为0。则真值表如下：
2019年10月19日星期六
AB + AC + BC = AB +AC 证明：AB + AC + BC = AB + AC + ( A + A )BC
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●
可编程逻辑器件设计方法
可编程逻辑器件概述
第二章
●
以“与/或”阵列为基础的PLD器件包括4种基本类型： １、编程只读存储器（Programmable Read Only Memory， PROM）； ２、现场可编程逻辑阵列（Field Programmable Logic Array， FPLA）； ３、可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL）； ４、通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL）；
●
可编程逻辑器件设计方法
可编程逻辑器件的发展历史
第二章
3、第3阶段Xilinx和Altera分别推出了与标准门阵列类似的 FPGA和类似于PAL结构的扩展性CPLD，提高了逻辑运算的速度， 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， 兼容了PLD和通用门阵列的优点，能够实现超大规模的电路，编 程方式也很灵活，成为产品原型设计和中小规模（一般小于10000） 产品生产的首选。
●
可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片制造工艺
第二章
4、掩膜技术 ROM是非易失性的，系统断电后，信息被保留在存储单元 中。掩膜器件可以读出，但是不能写入信息。ROM单元保存了行 和列数据，形成一个阵列，每一列有负载电阻使其保持逻辑1，每 个行列的交叉有一个关联晶体管和一个掩膜连接。 这种技术代价比较高，基本上很少使用。
●
可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片内部结构
第二章
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可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片内部结构
第二章
CPLD主要由可编程I/O单元、基本逻辑单元、布线池和其他辅 助功能模块构成。 1、可编程I/O单元 作用与FPGA的基本I/O口相同，但是CPLD应用范围局限性较 大，I/O的性能和复杂度与FPGA相比有一定的差距，支撑的I/O标 准较少，频率也较低。
第二章
1、第1阶段的可编程器件只有简单的可编程只读存储器 （PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦只读 存储器（EEPROM）3种，由于结构的限制，它们只能完成简单 的数字逻辑功能。 2、第2阶段出现了结构上稍微复杂的可编程阵列逻辑（PAL） 和通用阵列逻辑（GAL）器件，正式被称为PLD，能够完成各种 逻辑运算功能。典型的PLD由“与”、“非”阵列组成，用“与 或”表达式来实现任意组合逻辑，所以PLD能以乘积和形式完成 大量的逻辑组合。
●
可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片制造工艺
第二章
6、FLASH技术 FLASH技术的芯片的檫除的速度比PROM技术要快的多。 FLASH技术可采用多种结构，与PROM单元类似的具有一个浮置 栅晶体管单元和PROM器件的薄氧化层特性。
●
可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片内部结构
第二章
CPLD 由完全可编程的与/或阵列以及宏单元库构成。与/或 阵列是可重新编程的，可以实现多种逻辑功能。宏单元则是可实 现组合或时序逻辑的功能模块，同时还提供了真值或补码输出和 以不同的路径反馈等额外的灵活性。 下面给出了CPLD的内部结构图。
●
可编程逻辑器件设计方法
可编程逻辑器件概述
第二章
●
可编程逻辑器件PLD包含两个基本部分：一是逻辑阵列，另 一个是输出单元或宏单元。逻辑阵列是设计人员可以编程的部分。 设计人员可以通过宏单元改变PLD的输出结构。输入信号通过 “与”矩阵，产生输入信号的乘积项组合，然后通过“或”矩阵 相加，在经过输出单元或宏单元输出。其实，根据数字电路可以 知道任何逻辑功能均可以通过卡诺图和摩根定理化简得到“积之 和”逻辑方程。
●
可编程逻辑器件设计方法
可编程逻辑器件的发展历史
第二章
4、第4阶段出现了SOPC和SOC技术，是PLD和ASIC技术融 合的结果，涵盖了实时化数字信号处理技术、高速数据收发器、 复杂计算以及嵌入式系统设计技术的全部内容。
●
可编程逻辑器件设计方法
可编程逻辑器件的发展历史
第二章
Xilinx和Altera也推出了相应SOPC产品，制造工艺达到 65nm/40nm，系统门数也超过百万门。并且，这一阶段的逻辑器 件内嵌了硬核高速乘法器、Gbits差分串行接口、时钟频率高达 500MHz的PowerPC微处理器、软核MicroBlaze、Picoblaze、Nios 以及NiosII，不仅实现了软件需求和硬件设计的完美结合，还实 现了高速与灵活性的完美结合，使其已超越了ASIC器件的性能和 规模，也超越了传统意义上FPGA的概念，使PLD的应用范围从单 片扩展到系统级。
逻辑1 逻辑1
a a
& &
b
b
图2.3 熔丝未编程的结构
图2.4 熔丝未编程的结构
●
可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片制造工艺
第二章
图2.3给出了反熔丝的编程原理。如果进行编程时，需要将熔 丝连接。如图2.4所示，编程完成后，相应的熔丝被连接。
●
可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片制造工艺
第二章
3、SRAM技术 基于静态存储器SRAM的可编程器件，值被保存在SRAM中 时，只要系统正常供电信息就不会丢失，否则信息将丢失。 SRAM存储数据需要消耗大量的硅面积，且断电后数据丢失。但 是这种器件可以反复的编程和修改。
●
可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片制造工艺
第二章
图2.1给出了熔丝的编程原理。如果进行编程时，需要将熔丝 烧断。如图2.2所示，编程完成后，相应的熔丝被烧断。
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可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片制造工艺
第二章
2、反熔丝连接技术 反熔丝技术和熔丝技术相反，在未编程时，熔丝没有连接。 如果编程后，熔丝将和逻辑单元连接。反熔丝开始是连接两个金 属连接的微型非晶硅柱。未编程时，成高阻状态。编程结束后， 形成连接。反熔丝器件是一次可编程的，一旦编程，永久不能改 变。
第
2章
第二章
可编程逻辑器件设计方法-本章概述
其中的可编程逻辑器件法和逻辑单元阵列法是本书所 要介绍的内容。本章首先介绍了可编程逻辑的基础知识； 然后介绍了PLD芯片的制造工艺，在此基础上介绍了 CPLD芯片和FPGA芯片的内部结构，最后对Xilinx的CPLD 和FPGA芯片的特性进行了详细的介绍。
●
可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片内部结构
第二章
乘积项阵列实际上就是一个“与或”阵列，每一个交叉点 都是一个可编程熔丝，如果导通就是实现“与”逻辑，在“与” 阵列后一般还有一个“或”阵列，用以完成最小逻辑表达式中的 “或”关系。
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可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片内部结构
第二章
3.布线池、布线矩阵
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可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片制造工艺
第二章
5、PROM技术 PROM是非易失性的，系统断电后，信息被保留在存储单元 中。PROM器件可以编程一次，以后只能读数据而不能写入新的 数据。PROM单元保存了行和列数据，形成一个阵列，每一列有 负载电阻使其保持逻辑1，每个行列的交叉有一个关联晶体管和一 个掩膜连接。 如果可以多次编程就成为EPROM，EEPROM技术。
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可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片内部结构
第二章
2.基本逻辑单元 CPLD中基本逻辑单元是宏单元。所谓宏单元就是由一些与、 或阵列加上触发器构成的，其中“与或”阵列完成组合逻辑功能， 触发器用以完成时序逻辑。 与CPLD基本逻辑单元相关的另外一个重要概念是乘积项。所 谓乘积项就是宏单元中与阵列的输出，其数量标志了CPLD容量。
第二章
由于CPLD的布线池结构固定，所以CPLD的输入脚到输出管 脚的标准延时固定，被成为Pin to Pin延时，用Tpd表示，Tpd延时 反映了CPLD器件可以实现的最高频率，也就清晰地表明了CPLD 器件的速度等级。 4.其他辅助功能模块 如JTAG编程模块，一些全局时钟、全局使能、全局复位/置 位单元等。
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可编程逻辑器件设计方法
Xilinx的VirtexII内部结构
第二章
●
可编程逻辑器件设计方法
可编程输入输出单元（IOB）
第二章
可编程输入/输出单元简称I/O单元，是芯片与外界电路的接口 部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求。 FPGA内的I/O按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O 标准。通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/O物理特 性，可以调整驱动电流的大小，可以改变上、下拉电阻。目前， I/O口的频率也越来越高，一些高端的FPGA通过DDR寄存器技术 可以支持高达2Gbps的数据速率。
何宾 2008.10
第
2章
第二章
可编程逻辑器件设计方法-本章概述
根据产品的产量、设计周期等几个因素，一般将IC （Integrated Circuit）设计方法上分为6类： 1、全定制法；如ROM，RAM或PLA等； 2、定制法，通常包括标准单元法和通用单元法； 3、半定制法，通常包括数字电路门阵列和线性阵列； 4、模块编译法，对设计模块进行描述，然后通过编译直 接得到电路掩膜版图； 5、可编程逻辑器件法，通常是指PAL、PLA、GAL器件 和CPLD器件； 6、逻辑单元阵列法，通常是指现场可编程门阵列FPGA 器件；
●
可编程逻辑器件设计方法
PLD芯片制造工艺
第二章
1、熔丝连接技术
最早的允许对器件进行编程的技术是熔丝连接技术。在这种 技术的器件中，所有逻辑的连接都是靠熔丝连接的。熔丝器件是 一次可编程的，一旦编程，永久不能改变。
逻辑1 逻辑1
a a
& &
b
b
图2.1 熔丝未编程的结构
图2.2 熔丝未编程的结构