基于FPGA的电子密锁的设计长江大学.doc

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1、毕业论文(设计)题 目 名 称： 基于FPGA的电子密锁的设计 题 目 类 型： 毕 业 设 计 院 （系）： 电 子 信 息 学 院 专 业 班 级： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 陈 英 芝 辅 导 教 师： 陈 英 芝 时 间：2013年3月11日至2013年6月10 目 录毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）开题报告长江大学毕业设计（论文）指导教师评审意见长江大学毕业设计（论文）评阅教师评语长江大学毕业设计(论文)答辩记录及成绩评定长江大学毕业设计(论文)中外文摘要1 前言11.1本课题研究的国内外现状及其发展21.2本课题研究的目的和意义32 设计背景知识介绍32.1 常用E

2、DA软件介绍42.2 FPGA硬件设计描述52.2.1 FPGA的设计流程52.2.2 VHDL语言的基本结构及特点82.2.3 自上而下（TOP DOWN）的设计方法102.3 Quartus综述及设计流程113 电子密码锁系统总体设计123.1 电子密码锁系统设计要求123.2 电子密码锁设计的原理123.3 方案的提出143.4 系统设计和各功能模块的描述143.5 系统流程164 系统详细设计174.1 电子密码锁输入模块174.1.1 时序产生电路174.1.2 按键消抖电路184.1.3 键盘扫描电路194.1.4 键盘译码电路204.1.5 键盘输入模块的实现204.2 电子密码

3、锁控制模块214.2.1 控制模块的功能描述214.2.2 控制模块的实现214.3 电子密码锁显示模块224.3.1 数码管显示原理224.3.2 译码显示的实现235 系统仿真245.1 去抖模块的仿真245.2 密码锁输入电路的仿真255.3 密码锁控制电路的仿真255.4 数码管译码器仿真276 结束语27参考文献28致谢29附录1：弹跳消除电路主要程序30附录2：DCFQ 模块的主要程序31附录3：DEBOUNCING 模块主要程序32附录4：扫描信号发生器主要程序33附录5：键盘译码电路主要程序34附录6：七段译码器主要程序36毕业设计(论文)任务书学 院（系） 电子信息 专业 自

4、动化 班级 学生姓名 指导教师/职称 陈英芝 1. 毕业设计（论文）题目：基于FPGA的电子密锁的设计2. 毕业设计（论文）起止时间：2013年3月11日-2013年6月10日 3. 毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1谭会生,张昌凡,郑进.EDA技术及应用M.第2版.西安：西安电子科技大学出版社，20022夏宇闻.Verilog HDLM.北京：高等教育出版社，20063江国强.EDA技术及应用M.北京：电子工业出版社，20064谢自美.电子线路设计实验测试M武汉：华中科技大学出版社，20035康华光.电子技术基础数字部分M武汉：高等教育出版社，20056卢毅，赖杰编著.

5、VHDL与数字电路设计M 出版社：科学出版社20037王锁平编著.电子设计自动化（EDA）教程M.电子科技大学出版社. 2000 8通过查阅有关论文4. 毕业设计（论文）应完成的主要内容 密码锁输入电路和密码锁控制电路的实现5. 毕业设计（论文）的目标及具体要求目标：（1）应用EDA技术，在FPGA中实现一个简易电子密码锁电路设计。该密码锁具备的功能有能设置4位密码，并在数码管上显示；（2）培养学生查阅资料、分析问题和解决问题。具体要求：能利用Quartus II软件开发环境和硬件描述语言，编写所有的程序代码，并能绘制出系统顶层设计文件框图。通过软件提供的仿真器，对所有模块进行时序仿真，并分析

6、仿真结果。最后将设计文件下载到目标器件中进行硬件模拟检测，观察结果。6 完成毕业设计（论文）所需的条件及上机时数要求所需条件： 计算机设备、网络、Quartus条件、EDA实验箱上机时数要求：2小时30天=60小时任务书批准日期 2013 年 3月 11 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2013 年 3月 11 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2013 年 3月 17 日 学生（签名） 长江大学毕业设计（论文）开题报告 题 目 名 称： 基于FPGA的电子密锁的设计 题 目 类 别： 毕 业 设 计 学 院（系）： 电子信息学院 专 业 班 级： 学 生 姓 名： 指 导 教

7、 师： 陈英芝 辅 导 老 师： 陈英芝 开题报告日期: 2013年3月12日 基于FPGA的电子密锁的设计学 生：，电子信息学院指导教师：陈英芝，电子信息学院1 题目来源 社会实际2 研究目的与意义 随着人们生活水平的提高，对家庭防盗技术的要求也是越来越高，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的欢迎。现在市场上主要是基于单片机技术的电子密码锁，但可靠性较差。FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是一种超大规模集成电路，具有对电路可重配置能力。通常FPGA都有着

8、上万次的重写次数，也就是说现在的硬件设计和软件设计一样灵活、方便。相对于基于单片机技术的电子密码锁，用FPGA器件来构成系统，可靠性提高，并且由于FPGA具有的现场可编程功能，使得电子密码锁的更改与升级更为方便简单。 通过本次设计掌握FPGA系统设计的方法，熟悉FPGA设计的相关软件，以及硬件描述语言的使用，了解电子密码锁的系统构成，利用FPGA实现电子密码锁的设计与实现，可以加深自己对所学专业的认识，关联知识，增强自己的动手能力，积累实践经验，为以后的工作打好基础。 3 阅读的主要参考文献及资料名称1谭会生,张昌凡,郑进.EDA技术及应用M.第2版.西安：西安电子科技大学出版社，20022夏

9、宇闻.Verilog HDLM.北京：高等教育出版社，20063江国强.EDA技术及应用M.北京：电子工业出版社，20064谢自美.电子线路设计实验测试M武汉：华中科技大学出版社，20035康华光.电子技术基础数字部分M武汉：高等教育出版社，20056卢毅，赖杰编著.VHDL与数字电路设计M 出版社：科学出版社20037王锁平编著.电子设计自动化（EDA）教程M.电子科技大学出版社. 2000 4 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向4.1 国内外研究现状 随着人们生活水平的提高和安全意识的加强，对安全的要求也就越来越高。锁自古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠的防盗，又

10、要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，电子密码锁就是其中之一。据有关资料介绍，电子密码锁的研究从20世纪30年代就开始了，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。研究这种锁的初衷，就是为提高锁的安全性。由于电子锁的密钥量（密码量）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。电子锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC卡锁，生物锁等。但较实用的还是按键式电子密码锁。 20世纪80年代后，随着电子

11、锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小，可靠性提高，成本较高，是适合使用在安全性要求较高的场合，且需要有电源提供能量，使用还局限在一定范围，难以普及，所以对它的研究一直没有明显进展。 目前，在西方发达国家，电子密码锁技术相对先进，种类齐全，电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全，更加可靠的技术实现大门的管理。在我国电子锁整体水平尚处于国际上70年代左右，电子密码锁的成本还很高，市场上仍以按键电子锁为主，按键式和卡片钥匙式电子锁已引进国际先进水平，现国内有几个厂生产供应市场。但国内自行研制开发的电子锁，其市场结构尚未形成，应用还不广泛。国内的不少企业也引进了世界上先进的技术，发

12、展前景非常可观。希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用。4.2发展方向 目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术，以单片机为主要器件，其编码器与解码器的生成为软件方式。在实际应用中，由于程序容易跑飞，系统的可靠性能较差。基于现场可编程逻辑门阵列FPGA器件的电子密码锁，用FPGA器件构造系统，所有算法完全由硬件电路来实现，使得系统的工作可靠性大为提高。由于FPGA具有现场可编程功能，当设计需要更改时，只需更改FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无需更改外部电路的设计，大大提高了设计的效率。5主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路

13、5.1 主要研究问题 设计可设定1到8位的密码，从键盘输入正确密码才可以修改密码和开锁，输入三次错误密码就不断报警 1、可设置密码 2、按键按下是发出提示音 3、设置新密码是要验证旧密码 5.2 需重点研究的关键问题 密码锁输入电路和密码锁控制电路的实现6 完成毕业设计(论文)所必须具备的工作条件及解决的办法6.1 工作条件 计算机设备，网络，Quartus II软件，EDA实验箱。6.2 解决办法 通过到图书馆借书，到实验室借设备和充分利用学院安排的上机时间来完成毕业设计。7 工作的主要阶段、进度与时间安排收集整理资料并撰写开题报告 3月10日-3月16日完成英文翻译 3月17日-4月10日

14、学习课题相关内容 4月11日-4月25日编程、逐步实现各项功能 4月26日-5月15日调试程序、撰写毕业设计正文 5月16日-5月31日正文的进一步完善 6月1日-6月5 日准备毕业论文答辩 6月6日-6月10日8 指导教师审查意见长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目基于FPGA的电子密锁的设计指导教师陈英芝职 称讲师评阅日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学

15、位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分 长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目基于FPGA的电子密锁的设计评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语： 评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目基于FPGA的电子密锁的设计

16、答辩时间2013年6月16日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日基于FPGA的电子密锁的设计学 生：，电子信息学院指导教师：陈英芝，电子信息学院【摘要】：本文主要介绍了一种运用可编程逻辑器件（FPGA）技术来编程实现电子密码锁的设计方法。在整个系统设计实现中采用FPGA器件作为控制器，所有算

17、法完全由硬件电路来实现，使得系统的工作可靠性大大提高。该密码锁具有的功能是可以设置4位密码，通过数字键盘进行输入并在数码管上进行显示。同时，该密码锁还设计了一个万能密码，在忘记了密码的情况下可使用万能密码来开锁。本文的内容主要包含以下几个部分：EDA技术的介绍，电子密码锁总体设计，系统详细设计，系统仿真和结束语。文中重点介绍了应用EDA技术和硬件描述语言，在Quartus II工作平台上完成电子密码锁系统总体设计的详细过程。通过时序仿真，验证了整个设计的正确性以及系统的完整性。 【关键词】：电子密码锁 ； 可编程逻辑器件 ；EDA技术 Circuit Design of Digital Loc

18、k Based on FPGA【Abstract】: The article mainly introduce the technology of designing a digital lock with the utility of FPGA. All the calculation are totally finished by the hardware ,based on the FPGA, so as to improve the reliability of the system. We just change the control and interface circuit o

19、f FPGA when there is something needed to change in the designing because of the field programme function. Its tremendously increase the efficiency because we only need to download the newest design into the FPGA by the help of EDA without modifying the external circuit design . Therefore, FPGA will

20、not only improve the reliability , but the conveniences of promotion. There are four password for digital lock and we can also set a universal password in case of forgetting the password. The article mainly includes several parts :The introduction of EDA, the overall design of digital lock, the desi

21、gn in detail of system, emulation and conclusion . Through the introduction of EDA, we know the software requirement of production the digital lock . In the overall design and detail design of digital lock , it introduce in detail the theory and the system designing .The article designed a digital l

22、ock and made it be in form with FPGA .【Key Word】: EDA ；verall Password ；Digital Lock ；Chip基于FPGA的电子密锁的设计学 生：，电子信息学院指导教师：陈英芝，电子信息学院1 前言当今人们对物质的积累越来越多，觉得要如何有效的保护好自己的财产，这已成为了全社会的问题，人们对锁的要求越来越高，既要安全性很高，又要能很好的防盗，又要能让他使用很方便，这也导致了电子行业的蓬勃发展。而随着大规模和超大规模可编程器件在FPGA技术支持下的广泛应用，使现代化设计计算已进入一个全新的阶段，从设计思想、设计工具一直到实现方

23、式都发生了诸多变化。在FPGA技术中，最为引人瞩目的是以现代电子技术为特征的逻辑设计仿真测试技术。改技术只需通过计算机就能对所设计的电子系统从不同层次的性能特点上进行一些列准确测试和仿真；在完成实际系统的设计后，还能对系统上的目标器件进行边界扫描测试。电子密码锁系统主要由电子锁体、电子密匙等部分组成，一把电子密匙里能存放多组开锁密码，用户在使用过程中能够随时修改开锁密码，更新或配制钥匙里开锁密码。一把电子锁可配制多把钥匙。下面就是现在主流电子密码锁。遥控式电子防盗锁目前常见的遥控式电子防盗锁主要有光遥控和无线电遥控两类。键盘式电子密码锁从目前的技术水平和市场认可程度看，使用最为广泛的是键盘式电

24、子密码锁，该产品主要应用于保险箱、保险柜和金库，还有一部分应用于保管箱和运钞车。卡式电子防盗锁使用各种“卡”作为钥匙的电子防盗锁是当前最为活跃的产品，无论卡的种类如何多种多样，按照输入卡的操作方式，都可分为接触式卡和非接触式卡两大类。生物特征防盗锁人的某些与生俱来的个性特征（如手、眼睛、声音的特征）几乎不可重复，作为“钥匙”就是唯一的（除非被逼迫或伤害），因此，利用生物特征做密码的电子防盗锁也特别适合金融业注重“验明正身”的行业特点。本文介绍的基于FPGA的电子密锁具有显示接口，显示时可以是明文也可以是密文星号。由于FPGA具有ISP功能，当用户需要更改时，如增加口令位数和更改口令权限管理时，

25、只需更改FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无需更改外部电路，这就大大提高了设计效率。而且采用FPGA设计的电子密码锁与单片机控制的电子密码锁相比结构简单、具有更高的系统保密性和可靠性。这种基于FPGA的电子密码锁可以应用在办公室、仓库、宾馆等人员经常变动的场所。 FPGA技术是现代电子工程领域的一门新技术，提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计的方法。它是从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）等技术发展而来的。设计者只需要对系统功能进行描述，在FPGA工具的帮助下即可完成系统设计，从

26、而为电子产品的设计和开发缩短了实践降低了成本，提高了系统的可靠性。1.1本课题研究的国内外现状及其发展随着人们生活水平的提高和安全意识的加强，对安全的要求也就越来越高。锁自古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠的防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，电子密码锁就是其中之一。据有关资料介绍，电子密码锁的研究从20世纪30年代就开始了，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。研究这种锁的初衷，就是为提高锁的安全性。由于电子锁的密钥量（密码量）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制

27、而留下安全隐患。电子锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC卡锁，生物锁等。但较实用的还是按键式电子密码锁。20世纪80年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小，可靠性提高，成本较高，是适合使用在安全性要求较高的场合，且需要有电源提供能量，使用还局限在一定范围，难以普及，所以对它的研究一直没有明显进展。目前，在西方发达国家，电子密锁技术相对先进，种类齐全，电子密锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全，更加可靠的技术实现大门的管理。在我国电子锁整体水平尚处于国际上70年代

28、左右，电子密码锁的成本还很高，市场上仍以按键电子锁为主，按键式和卡片钥匙式电子锁已引进国际先进水平，现国内有几个厂生产供应市场。但国内自行研制开发的电子锁，其市场结构尚未形成，应用还不广泛。国内的不少企业也引进了世界上先进的技术，发展前景非常可观。希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用。目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术，以单片机为主要器件，其编码器与解码器的生成为软件方式。在实际应用中，由于程序容易跑飞，系统的可靠性能较差。基于现场可编程逻辑门阵列FPGA器件的电子密码锁，用FPGA器件构造系统，所有算法完全由硬件电路来实现，使得系统的工作可靠性大为提高。由于FPGA

29、具有现场可编程功能，当设计需要更改时，只需更改FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无需更改外部电路的设计，大大提高了设计的效率。1.2本课题研究的目的和意义 为了使现在的电子密码锁更能智能化的管理，让人们更能方便的使用，让其具有更高的安全性和经济性，针对基于单片机的电子密码锁的不足之处，本文采用EDA技术，利用Quartus工作平台硬件描述语言，设计一种电子密码锁，并通过一片FPGA芯片实现。采用VHDL语言使用自顶向下的方法对系统进行了描述，并在FPGA芯片Quartus上实现。设计充分利用了FPGA的资源可编程特性，可高效率的对系统进行升级与改进。

30、设计的密码锁可设置任意密码，比一般的密码锁具有更高的安全可靠性，因此，采用FPGA 开发的数字系统,不仅具有很高的工作可靠性,其升级与改进也极其方便，应用前景十分良好。2 设计背景知识介绍EDA技术是以计算机为工作平台，用相关的EDA开发软件技术为工具，以大规模可编程逻辑器件（包括CPLD,FPGA,EPLD等）为设计载体，以硬件描述语言1（Hardware Description Language,HDL）为系统逻辑描述的主要表达方式，自动完成系统算法和电路设计，最终形成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。EDA技术研究的对象是电力或系统芯片设计的过程，可分为系统级、电路级和物理级三个层次。

31、EDA设计领域和内容包括从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从可编程逻辑器件、通用集成电路到专用集成电路的电子自动化设计。2.1 常用EDA软件介绍EDA软件可根据其复位的对象分为：用于电路级设计、分析的EDA软件，如PSpice和Multisim8等；用于数字电子电路设计的EDA软件，如Quartus等；用于射频电子电路设计的EDA软件，如ADS等；用于电路板设计及电路仿真的EDA软件，如Protel,EWB等。EDA软件根据其设计模块大致分为设计输入编辑器、仿真器（Simulator）、HDL综合器（Synthesizer）适配器（Place and Routing ,P&R

32、）或布局布线器、下载器五大部分。EDA软件还有两种分类方法：一种是按公司类别进行分类，另一种是按功能进行分类。若按公司类别可分为两类:一类是EDA专业软件公司的EDA软件，另一类是PLD厂商为了销售其产品而开发的EDA软件。若按功能分类，EDA软件可分为：集成的FPGA/CPLD开发软件、综合类软件、仿真类软件、面向ASIC设计的软件。集成的FPGA/CPLD开发软件由半导体公司提供，基本上可以完成设计输入（基本上可以完成设计输入（状态图、原理图或文本）仿真综合布线下载到器件等PLD开发流程中的所有工作。其优势是功能全且集成化，可以加快动态调试，缩短开发周期；缺点是在综合和仿真环节与专业软件相

33、比，都不是最优秀的。综合类软件的功能是对设计输入进行逻辑分析、综合和优化，将硬件描述语句（通常是系统级、寄存器级的描述语句）翻译成最基本的与、或、非门的连接关系（网表），导出给FPGA/CPLD厂商的软件布线。为了优化设计，在进行较复杂的设计时，基本上都是用这些专业的逻辑综合软件，如ynplicity, FPGA express 、FPGA Compiler 等。仿真类软件的功能是对设计进行模拟仿真，包括布局布线前的“功能仿真”和后端的包含了门延时、布线延时等的“时序仿真”。如Modelsim, Cadence公司的NC-Verilog/NC-VHDL/NC-SIM等。面向ASIC设计的软件包

34、括数字电路设计、模拟电路设计、数模混合设计、系统设计、仿真验证等电子设计的许多领域。这些软件对硬件环境要求高，一般的运行平台要求是工作站、UNIX或Linux操作系统，其功能齐全、性能优良，一般由专门开发EDA软件的软件公司提供，如Cadence、Mentor Graphics和Synopsys等都有其特色工具。2.2 FPGA硬件设计描述2.2.1 FPGA的设计流程FPGA出现在20世纪80年代中期，与阵列型PLD有所不同，FPGA由许多独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接起来实现不同的设计。FPGA具有跟高的集成度、更强的 逻辑实现能力和更好的设计灵活性。FPGA器件

35、具有高密度、高速率、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本，设计灵活方便，可无限次反复编程，并可现场模拟调试验证等特点。FPGA由可编程逻辑块(CLB)（主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成）、输入/输出模块（IOB）（主要由输入触发器、输入缓冲器和输出触发/锁存器、输出缓冲器组成，IOB控制一个引脚，它们可被配置为输入、输出或双向I/O功能)及可编程互连资源（PIR）（由许多金属线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接，从而实现FPGA内部的CLB和CLB之间、CLB和IOB之间的连接）等3中可编程电路和1个SPAM结构的配置存储单元组成。C

36、LB是实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则地排列成一个阵列，散布于整个芯片中；可编程输入/输出模块（IOB）主要完成芯片上的逻辑与外部引脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互连资源（PIR）包括各种长度的连接线段和一些可编程 连接开关，它们将各个CLB之间或CLB与IOB之间以及IOB之间连接起来，构成特定功能的电路。由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而基于SRAMA工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，上电时由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。

37、也有少数FPGA采用烦熔丝或Flash工艺，对这种FPGA，就不需要外加专用的配置芯片了。 FPGA不像PLD那样受结构的限制，它可以靠门与门的连接来组成任何复杂的逻辑电路，更适合实现多级逻辑功能。FPGA的编程单元基于SRAM结构，从理论上讲，具有无限次重复编程的能力。 现在最新的FPGA，具有很高的逻辑密度、很丰富的特性和很高的性能，如Xilinx Virtex系列中的部分器件，可提供八百万个“系统门”（相对逻辑密度）。这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器（如IBM Power PC）、大容量存储器、始终管理系统等，并支持多种最新的超快速器件至器件（device-to-device）

38、的信号技术。FPGA应用范围广泛，从数据处理和存储，到仪器仪表、数字信号处理等都有使用。目前市场上有三种FPGA编程技术：SRAM、反熔丝、Flash.其中，基于SRAM工艺的FPGA是迄今为止应用范围最广的架构，主要是因为它快速且具有可重复编程能力，而基于反熔丝工艺的FPGA只有一次可编程（One Time Programmable,OTP）能力基于Flash工艺的FPGA经常带来一些其他的额外成本，包括启动PROMS支持安全和保密应用的备用电池等。基于Flash和反熔丝工艺的GPGA没有这些隐含成本，因此可保证较低的总系统成本。l 基于SRAM工艺的FPGA这类FPGA是基于SRAM结构的

39、可再配置型器件，上电时要将配置数据读入片内SRAM中，配置完成就可进入工作状态。掉电后SRAM中的配置数据丢失，FPGA内部逻辑关系随之消失。这类FPGA可以反复使用。l 基于反熔丝工艺的FPGA这类FPGA内部具有反熔丝阵列开关，其逻辑功能的定义由专用编辑器根据设计实现所给出的数据文件，对其内部的反熔丝阵列进行烧录，从而使器件实现星月的逻辑功能。这类器件的缺点是只能一次性编程；优点是具有高抗干扰性和低功能，适合于要求高可靠性、高保密性的定性产品。l 基于Flash工艺的FPGA这类FPGA中集成了SRAM和非易失性EEPROM两类存储结构。其中SRAM用于在器件正常工作时对系统进行控制，而E

40、EPROM则用来装载SRAM.由于这类FPGA将EEPROM集成在基于SRAM工艺的现场可编程器件中，因而可以充分发挥EEPROM中，因此不需要片外的配置芯片，有助于降低系统成本，提到设计的安全性。FPGA设计流程包括系统设计和设计实现，系统方案完成之后即进入设计实现阶段的工作，他以系统方案为输入，进行RTL级描述、功能仿真(RTL级仿真)、逻辑综合、布线前门级仿真、适配(布局布线)、时序仿真(布线后门级仿真)、时序分析、器件编程、系统验证一系列流程的处理才能完成FPGA芯片的设计，其设计流程如图1所示。需要说明的是，如果仿真验证不对或者某一步有错，就要返回修改。有时要反复修改，经过多次这样的

41、迭代才能完成最后的设计。对于FPGA的设计而言，只考虑系统级、算法级、RTL级、门级4个层次的行为域描述和结构域描述即可。上述的FPGA系统设计中的系统实际上是指系统级和算法级，而“RTL级描述”主要是指RTL级行为域的描述。在门级，由综合工具产生的门级网表来描述。FPGA的设计流程和相关概念说明如下：库：指FPGA器件厂家提供的工艺库和EDA工具提供的标准通用库(如IEEE库等)。工艺库中有各种宏功能模块和基本功能单元，含有他们的行为级模型、门级模型、布线模型等信息。需要说明的是，系统行为仿真和RTL级功能仿真有时要用到某种功能模块，例如RAM模型。对于RAM模型的控制信号，不同的厂家其规定

42、不一定相同，如写使能信号，有的厂家规定高电平有效，有的厂家规定低电平有效。其实，在厂家提供的工艺库中， RAM模型有行为级模型、门级模型、版图级模型等。而行为级模型只是规定其功能，无延时信息，跟工艺无关，但门级模型和版图级模型跟工艺密切相关。解决的方法是系统行为仿真时可以使用高级语言自己建立一个模型或者调用厂家库中提供的行为级模型，功能仿真时调用行为级模型，时序仿真时调用门级模型。测试激励：指测试文件，他调用FPGA设计的顶层模块，同时产生顶层模块需要的输入信号，称之为激励信号，使用行为描述即可，不要求可综合。仿真时他作为最顶层的文件，从而可以观察FPGA的输出是否正确。所有的仿真都可使用同一

43、个测试激励。约束：指对逻辑综合和布局布线时的约束。包括器件型号、速度、面积、功耗、引脚分配、时钟网络资源的分配、模块在器件中的定位等约束。一部分在软件中设置，一部分以约束文件的形式存在。图1 系统设计流程2.2.2 VHDL语言的基本结构及特点VHDL（Very high speed integrated circuit Hardware Description Language）硬件描述语言从高于逻辑级的抽象层次上描述硬件的功能、信号连接关系及定时关系。VHDL的设计流程如2图。 图2 VHDL的设计流程一个完整的VHDL语言程序通常包含实体(Entity)、结构体（Architecture

44、）、配置（Configuration）、包集合（Package）和库（Library）五个部分。1、实体实体说明部分是说明一个器件的外观视图，即从器件外部看到的器件外貌，其中包括器件的端口，同时也可以定义参数，并把参数从外部传入模块内部，主要用于描述所设计的系统的外部接口。2、结构体结构体是描述一个器件的内部视图，是次级设计单元。在其对应的初级设计单元实体说明被编译并且被并入设计库之后，它就可以单独地被并入该设计库中。结构体描述一个设计的结构和行为，把一个设计的输入和输出之间的关系建立起来。一个设计可以有多个结构，分别代表该器件的不同实现方案。根据对一个器件设计由抽象到具体的过程，可把结构体的描述方式