第一章现场可编程门阵列FPGA基础.ppt

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1、1,FPGA硬件设计-Verilog HDL,詹瑾瑜 博士 副教授A级主讲教师青年优秀主讲教师,E-mail:,2,教 学 计 划,1.总计划学时数为32，其中课堂讲授16学时，实验16学时。,2.教学方式：课堂讲授。,3.最后成绩评定办法：平时成绩占10，实验成绩占30%，期末考试占60。,4.教材：FPGA数字逻辑设计教程郑利浩、王筌、陈华峰译，电子工业出版社，2010年9月。,3,5.参考书 1数字逻辑（第2版），武庆生、詹瑾瑜、唐明，机械工业出版社，2013年4月。2Xilinx FPGA设计与实践教程，赵吉成，王智勇编著，西安电子科技大学出版社，2012年1月。3Verilog HD

2、L编程艺术，魏家明，编著，电子工业出版社，2014年1月。4Verilog HDL硬件描述语言，美贝斯克（Bhasker,J.)著，徐振林等译，机械工业出版社。,4,课程地位,FPGA硬件设计是一门计算机专业选修课；FPGA硬件设计是计算机组成原理、微机与接口技术、现代数字系统设计等课程的先导课程。,课程目的,了解数字电路设计的基本思想；掌握FPGA的基本原理及开发方法；学习Verilog的基本知识，掌握用Verilog描述方法；以实践为基础，掌握数字系统设计的方法。,5,第一章 现场可编程门阵列(FPGA)基础第二章 硬件描述语言 Verilog HDL第三章 基本逻辑与Verilog HD

3、L第四章 组合逻辑与Verilog HDL第五章 时序电路与Verilog HDL第六章 有限状态机与Verilog HDL,课 程 内 容,6,预 备 知 识,一、数字系统的概念,凡是利用数字技术对信息进行处理、传输的电子系统均可称为数字系统。,二、数字系统与模拟系统的比较,1、从信号来看,模拟信号是连续信号，任一时间段都包含了信号的信息分量，如正弦信号。,数字信号是离散的，只有“0”和“1”两种值，即是一种脉冲信号，广义地讲，凡是非正弦信号都称为脉冲信号。,7,2、从所用的数学工具来看,模拟电路:微分方程、拉斯变换及反变换。,数字电路:布尔代数。,3、学习研究的方法,模拟电路:频域法,数字

4、电路:时域法(讨论输入、输出在不同时间段的关系),8,三、数字化的优点,1、精度高；,2、抗干扰力强；,3、功耗小；,4、便于集成化；,5、便于加密、解密。,四、数字电路中的操作,1、算术操作；,2、逻辑操作。,9,1、家用电器,2、数字电话,3、医疗设备,4、军用设备,5、导航系统,五、数字电路的应用领域,6、,10,1、大规模,2、低功耗,3、高速度,4、可编程,5、可测试,六、数字系统的发展趋势,半导体集成电路遵循摩尔定律，即每18个月芯片的集成度提高一倍。,PLD（Programmable Logic Device）器件和EDA（Electronic Design Automation

5、）技术使数字系统的设计思想和方法发生了根本的变化。,11,第一章 现场可编程门阵列(FPGA)基础,高密度可编程逻辑器件HDPLD有：CPLD、FPGA。,低密度可编程逻辑器件LDPLD有：PROM、PLA、PAL和GAL。,常见的PLD器件有：PROM、PLA、PAL、GAL、CPLD和FPGA等。,可编程逻辑器件 英文全称为：programmable logic device 即 PLD，是一种“与-或”两级结构的逻辑器件。,1、PLD器件概念及分类,1.1 PLD器件,12,PLD与一般数字芯片的区别：PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划决定，有些类型的PLD也允许在规划决定后再次进行

6、变更、改变。一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路，无法在出厂后再次改变。,PLD是作为一种通用集成电路产生的，其逻辑功能按照用户对器件编程来确定。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。,13,2、PLD的发展历史,70年代：出现只读存储器PROM(Programmable Read only Memory)，可编程逻辑阵列器件PLA(Programmable Logic Array)；70年代末：AMD推出了可编程阵列逻辑PAL(Programmable Array Logic)；80年代：Lattice公司推出了通用阵列逻辑GAL(Generic Array Log

7、ic)；80年代中：Xilinx公司推出了现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)。Altera公司推出了可擦除的可编程逻辑器件EPLD(Erase Programmable Logic Device)，集成度高，设计灵活，可多次反复编程；90年代初：Lattice公司又推出了在系统可编程概念ISP及其在系统可编程大规模集成器件。,14,3、PLD的基本结构,15,4、PLD电路的表示方法及有关符号,(2)PLD与门表示法,(1)PLD缓冲表示法,16,(4)PLD连接的表示法,(3)PLD或门表示法,17,与或阵列是PLD器件中最基本的结构，通过

8、改变“与阵列”和“或阵列”的内部连接就可实现不同的逻辑功能。,5、与或阵列,18,1.2 只读存储器(ROM),1、ROM介绍,ROM是只读内存（Read-Only Memory）的简称，是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除。通常用在不需经常变更资料的电子或电脑系统中，并且资料不会因为电源关闭而消失。,ROM所存数据，一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变；其结构较简单，读出较方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。例如：光盘。,19,2、

9、ROM的结构,20,0,1,0,0,1,1,1,0,21,上图是44ROM电原理图。若A1A0=01时，使W1为“1”，则三极管V0、V2、V3导通使F0、F2、F3为“1”，而V1截止，故F1输出为“0”。,从逻辑电路的角度出发，字线和位线之间构成逻辑“或”的关系。故：,F0=W0+W1,F1=W0,F2=W0+W1+W2+W3,F3=W1+W2+W3,22,根据地址译码器的功能可以写出字线的表达式为：,代入F0 F3 得：,23,24,将逻辑图画成阵列图：,25,3、ROM分类,例如，双极性PROM有两种结构：一种是熔丝烧断型，一种是PN结击穿型。它们只能进行一次性改写，一旦编程完毕，其内

10、容便是永久性的。由于可靠性差，又是一次性编程，目前较少使用。,(1)PROM,可编程只读存储器（英文：Programmable ROM，简称：PROM）一般可编程一次。PROM存储器出厂时各个存储单元皆为1，或皆为0。用户使用时，再使用编程的方法使PROM存储所需要的数据。,PROM需要用电和光照的方法来编写与存放程序和信息。但仅仅只能编写一次，第一次写入的信息就被永久性地保存起来。,26,一次编程只读内存（One Time Programmable Read Only Memory，OTPROM）的原理同EPROM，但是为了节省成本，编程写入之后就不再抹除，因此不设置透明窗。,(2)EPRO

11、M,可抹除可编程只读内存（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）可利用高电压将资料编程写入，抹除时将线路曝光于紫外线下，则资料可被清空，并且可重复使用。通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。,(3)OTPROM,27,(4)EPPROM,电子式可抹除可编程只读内存（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）的原理类似EPROM，但是抹除的方式是使用高电场来完成，因此不需要透明窗。,(5)快闪存储器,快闪存储器（Flash memory）的每一个记忆胞都具有一

12、个“控制闸”与“浮动闸”，利用高电场改变浮动闸的临限电压即可进行编程动作。,28,例：用ROM实现下列逻辑函数。,解：,4、ROM的应用,29,F1,F2,F3,30,1.3 可编程逻辑阵列(PLA),可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，简称PLA)，PLA是一种可程式化的装置，可用来实现组合逻辑电路。,PLA采用函数最简“与或”式中的“与”项来构成“与”阵列。和ROM相比，PLA的与阵列不再产生2n个最小项，而是产生简化后的与项。这样，一个存储单元就可被多个地址码选中，从而达到节省储存空间的目的。,例1：分别用ROM和PLA实现下列逻辑函数。,F1(A，B，C)

13、=m(2，5，6),F2(A，B，C)=m(4),F3(A，B，C)=m(2，4，5，6),32,用ROM实现,33,先将函数式化简，注意公共项的利用。,以上三式中不同的与项为：,用PLA实现,34,F1,F2,F3,35,8.4 可编程阵列逻辑PAL,相对于PLA，PAL制作工艺简单、易于编程，且有多种结构。,PAL器件由可编程的与阵列、固定的或阵列和输出反馈单元组成。不同型号PAL器件有不同的可编程阵列逻辑输出和反馈结构，适用于各种组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计。,36,(1)专用输出的基本门阵列结构,37,(2)带反馈的可编程结构,38,(3)带反馈的寄存器输出结构,39,(4)加“异

14、或”、带反馈的寄存器输出结构,40,(5)算术选通反馈结构,41,例：试用PAL实现下列逻辑函数。,根据逻辑函数作出的PAL逻辑电路如下：,42,43,1.5 通用阵列逻辑GAL,GAL（Generic Array Logic）是美国劲歌半导体公司推出的可电擦除、可重复编程、可加密的一种可编程逻辑器件(PLD)。GAL电路能反复编程，采用的是电擦除技术，可随时进修改，其内部有个特殊的结构控制字，使它芯片类型少，功能全。,目前普遍采用的芯片有两种：GAL16V8(20引脚)和GAL20V8(24引脚)，这两种GAL能仿真所有的PAL，并能够按设计者自己的要求构成各种功能的逻辑电路，在研制开发新的

15、电路系统时，极为方便。,44,优点：1.具有电可擦除的功能。采用了可擦除的CMOS制作，可以用电压信号擦除，并可重新编程，克服了采用熔断丝技术只能一次编程的缺点，其可改写的次数超过100次；2.由于采用了输出宏单元结构，用户可根据需要进行组态，一片GAL器件可以实现各种组态的PAL器件输出结构的逻辑功能，给电路设计带来极大的方便；3.具有加密的功能，保护了知识产权；4.在器件中开设了一个存储区域用来存放识别标志即电子标签的功能。,45,1.6 复杂可编程逻辑器件CPLD,CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展

16、出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。,CPLD主要由逻辑块、可编程互连通道和I/O块三部分构成。CPLD中的逻辑块通常包含420个宏单元。可编程互连通道主要提供逻辑块、宏单元、输入/输出引脚间的互连网络。输入/输出块（I/O块）提供内部逻辑到器件I/O引脚之间的接口。,46,1.7 现场可编程门阵列 FPGA,现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与

17、传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。,FPGA（Field Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。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的缺点。,FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array），内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Inte

18、rconnect）三个部分。,47,48,1)采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到适用的芯片。,基本特点,2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的试样片。,3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。,4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。,5)FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。,49,1985年，Xilinx公司推出的全球第一款FPGA产品XC2064采用2m工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个。,1970年初,可编程逻辑阵列(PLA)出现了

19、，但是一直被认为速度慢，难以使用。,1980年之后，可配置可编程逻辑阵列(PAL)开始出现，可以使用原始的软件工具提供有限的触发器和查找表实现能力。,1991年Xilinx公司推出其第三代FPGA产品XC4000系列。XC4003包含44万个晶体管，采用0.7m工艺，FPGA开始被制造商认为是可以用于制造工艺开发测试过程的良好工具。,2007年，FPGA业界双雄Xilinx和Altera公司纷纷推出了采用最新65nm工艺的FPGA产品，其门数量已经达到千万级，晶体管个数更是超过10亿个。,现场可编程门阵列历史,50,FPGA开发FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并

20、行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机的顺序操作有很大区别，也造成了FPGA开发入门较难。,现场可编程门阵列开发,目前国内有专业的FPGA外协开发厂家，如北京中科鼎桥ZKDQ-TECH等。FPGA开发需要从顶层设计、模块分层、逻辑实现、软硬件调试等多方面着手。,51,Altera：世界老牌可编程逻辑器件的厂家，是可编程逻辑器件的发明者，开发软件MAX+PLUSII和QuartusII；Xilinx：FPGA的发明者，提供90%的高端65nmFPGA产品，主要用于军用和宇航开发平台是ISE，开发软件ISE；Actel：开发平台是Libero；Lattice：开发平台是ISPLEVE

21、R,全球知名的FPGA生产厂商,Altera和Xilinx主要生产一般用途FPGA，其主要产品采用RAM工艺。Actel主要提供非易失性FPGA，产品主要基于反熔丝工艺和FLASH工艺。,52,本章习题,1.什么是PLD器件？常见的PLD器件有哪些？2.PLD与一般数字芯片的区别是什么？3.什么是PLA?其特点是什么？4.什么是PAL?主要有哪些结构？5.GAL普遍采用的芯片有哪些？6.什么是CPLD？基本构成是什么？7.什么是FPGA？其特点是什么？8.CPLD和FPGA的主要区别是什么？9.FPGA的三个基本模块是什么？10.请举例出FPGA的主要生产厂商。11.你所知道的可编程逻辑器件有哪些？12.简述FPGA的结构。13.现场可编程门阵列的英文简称是什么？,