可编程器件概述

国家级骨干教师培训
—可编程器件的开发与应用
电子科技大学电子实验中心 陈学英
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教学内容
可编程设计简介 开发平台简介 软件使用 VHDL语言简介 FPGA设计实验
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参考资料
《数字系统设计与VHDL》
王金明 周顺 编著，电子工业出版社
《Xilinx FPGA 设计基础》
李云松 宋锐 等编，西安电子科技大学出版社
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§1.1 可编程技术发展概述
1. 90年代初期可编程器件问世
20世纪80～90年代初，低密度可编程逻辑器 件PAL和GAL的问世，相应的可编程开发工具主 要解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题， 设计以网表文件为主。
80年代后期，可编程工具已经可以进行初级的 设计描述、综合、优化和设计结果验证
Altera 公司： QuartusⅡ、MaxplusⅡ系列 嵌入式设计-- NIOSⅡ IDE
Xilinx 公司： ISE、Foundation系列 嵌入式设计--EDK
Lattice 公司： ispLEVER 系列
Actel 公司 : Libero IDE
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特定功能软件（专业软件商）
综合类： Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro Synopsys公司的FPGAexpress、FPGA compilerⅡ Mentor公司的 LeonardoSpectrum
ABEL:
门级开关电路描述能较强。
系统级抽象描述能力差， 适合于门级电路描述。
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VHDL ：(Very High Speed Integrated Circuit)
美国国防部提出的超高速集成电路硬件描述 语言，是ASIC设计和PLD设计的一种主要输入 工具，其行为描述能力强些。有IEEE87标准和 IEEE93标准。（侧重高层设计）
结构 密度 性能 连接
类似于门阵列 寄存器和RAM较多 中高密度 1K-10M系统门 时间不可预测 可达450MHz 分段式布线结构
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FPGA/CPLD基本结构
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FPGA/CPLD主要厂商
主流公司： Xilinx、Altera、Lattice、Actel
FPGA/CPLD 显著优点： 开发周期短、投资风险小、产品上市
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LUT内的门级图
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LUT内的门级图
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LUT内的真值表
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LUT内的卡诺图
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§1.1 可编程技术发展概述
2. 可编程EDA自动化阶段
20世纪90年代，出现功能强大的EDA工具。 包括：
硬件描述语言(VHDL、Verilog )的标准化； 高性能仿真工具的验证； 高性能综合工具、编程工具的使用。 单功能电子产品向系统级电子产品开发转换， 即SOC的出现。
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§1.1 可编程技术发展概述
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CPLD
Complex Programmable Logic Device（复杂可编程逻辑器件）
在PAL、GAL基础上，基于积之和表 达式的与或阵列结构
布线延迟确定，编程数据不丢失。 逻辑规模较小
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CPLD的LC(Macrocell）
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FPGA
FPGA（Field－Programmable Gate Array） 即 现场可编程门阵列，
《 Xilinx FPGA 开发实用教程》
田耘 徐文波 编著 ，清华大学出版社
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相关网址

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第1章 可编程设计概述
1.1 可编程技术发展概述 1.2 可编程设计资源介绍 1.3 可编程器件PLD概述 1.4 可编程设计语言概述 1.5 可编程设计工具概述 1.6 可编程应用演示
仿真类： Model Tech公司的Modelsim Aldec 公司的 Active HDL Cadence公司的NC-Verilog、NC-VHDL、NCSIM
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§1.6 可编程应用演示 举例：设计一个逻辑表达式 F=AB+CD
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§1.6 可编程应用演示
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综合后的模型符号
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RTL级原理图
速度快、市场适应能力强、硬件修改升 级方便。
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FPGA/CPLD主要厂商
AlterA ：20世纪90年代以后发展很快。 主要产品有：MAX系列、FELX系列、APEX、ACEX、 Cyclone、Stratix 。 Xilinx： 是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商 FPGA的发明者。1984年成立，占市场份额50%以上。 主要有：XC系列、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、 Vertex Lattice：是ISP技术的发明者，与Altera和Xilinx相比， 其开发工具略逊一筹。中小规模PLD比较有特色，大规模 PLD竞争力不够强（Lattice没有FPGA），主要产品有： ispLSI2000/5000/8000，MACH系列。
Verilog HDL ：
1983年Gateway首创推出的硬件描述语言， 后被Cadence公司收购，1995年成为IEEE标 准，在ASIC设计方面与VHDL语言平分秋色，其 结构描述能力强些。（侧重结构设计）
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VHDL
系统级 System Level
算法级
Verilog
Algorithmic Level 寄存器传输级
Actel： 反熔丝（一次性烧写）PLD的领导者，反熔丝技
术耐高低温、功耗低、速度快。军品的最佳选择者。
主要产品：ProASIC 3/3E系列
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可编程器件市场份额
PLD 市场
Actel Lattice QuickLogic: 1% Other: 2%
5% 7%
34%
51%
Altera
Xilinx
FPGA CPU
CPU
DSP
DSP
Solution: Replace External Devices with Programmable Logic
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§1.2 可编程设计资源
可编程设计器件PLD (FPGA/CPLD） 可编程描述语言HDL(VHDL/VERILOG) 可编程设计软硬件平台 （编辑软件+仿真软件+综合软件+编程软 件）
FPGA 市场
Xilinx
57%
32%
Altera
11%
All Others
赛灵思公司的收入比所有其它PLD公司收入的总和还多
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XILINX FPGA的工艺发展
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§1.4 可编程描述语言（HDL）
VHDL： IEEE标准 系统级抽象描述能力较强。
Verilog: IEEE标准
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§1.3 可编程器件概述（PLD）
PLD是一种半定制集成电路，在其内部 集成了大量的门和触发器等基本逻辑电路， 用户通过编程来改变PLD内部电路的逻辑关 系或连线，就可以得到需要的设计电路。
FPGA：Field Programmable Gates Array CPLD：Complex Programmable Logic Device
Register Transfer Level 门级
Gate Level 电路级
Circuit Level
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§1.5 可编程设计工具
约5个模块：
输入编辑器
HDL综合器
仿真器
适配器
下载器
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EDA开发工具分为：
集成开发软件：编辑软件 适配软件 下载软件
特定功能软件：综合软件 仿真软件
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集成开发软件（由器件厂商提供）
3. 21世纪，可编程技术进入新时期：
电子技术各个领域全方位融入可编程技术，彼此 相互渗透
基本IC 器件设计
单片机 应用设计
嵌入式 系统设计
DSP 应用设计
可编程 应用设计
ASIC
芯片设计
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System-Level Integration
I/O
Flash
CPU
ห้องสมุดไป่ตู้
SDRAM
I/O
I/O
I/O I/O I/O
它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件基础上进 一步发展的基于查找表结构的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定 制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克 服了原有可编程器件门电路数有限的 缺点。
逻辑规模大，编程数据掉电丢失，布线延迟不 确定。
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FPGA的LE(Macrocell）