微机应用新技术.ppt
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1、第二部分,EDA技术与可编程逻辑器件-(CPLD/FPGA,VHDL),需要掌握,开发环境Quartus|的使用。在FPGA/CPLD上构建时序逻辑。在FPGA/CPLD上建立Nios系统。完成下列作业:1、通过实验“串口逻辑”,增加功能。2、通过实验“Nios|”,增加功能。,EDA(Electronic Design Automation)即电子设计自动化,是以计算机和微电子技术为先导,汇集了计算机图形学、拓扑、逻辑学、微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机技术应用学科最新成果,应用于电子设计过程而形成的一门新技术。,EDA的概念,EDA技术以计算机为工具,代替人完成对数字系统的逻辑综合
2、、布局步线和设计仿真工作。设计人员只需要完成对系统功能的描述,在EDA软件平台上,用图形输入、硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段,所形成的设计文件自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真,支持对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。,EDA的概念,微电子和计算机领域的原理创新、技术创新、应用创新层出不穷,极大地推动了科学技术的发展,深刻地改变着人们对自然界的认识和人们的生活。在该领域中,嵌入式系统,SOC、SOPC、IP核等新概念、新技术异军突起,其应用范围迅速深入到制造业,通信控制、仪器仪表、生物、汽车、船舶、航空航天以及消费类等方面。,EDA技术的发展趋势,20世
3、纪70年代,MOS工艺的可编程逻辑器件问世,20世纪80年代,20世纪90年代,80年代末,CMOS工艺的复杂可编程逻辑器件应用,FPGA,CAE和CAD技术广泛应用,超大规模可编程逻辑器件面世EDA技术逐步成熟,EDA技术的发展历程,将数字系统的功能要求划分成许多模块。对每一个模块画出真值表。用卡诺图进行手工逻辑化简,写出布尔代数的表达式。画出相应的逻辑线路图。选择元器件,设计电路板自下向上设计方案。进行实测和调试。,EDA技术与传统电子设计方法的比较,手工设计的方法,复杂的电路的设计和调试困难。查找和修改错误十分不便。设计过程中产生大量的文档,不易管理。集成电路的设计和实现与具体的生产工艺
4、相关,因此可移植性较差。,EDA技术与传统电子设计方法的比较续,手工设计的缺点,EDA技术与传统电子设计方法的比较续,采用硬件描述语言作为设计输入 强大的系统建模、电路仿真功能 适应于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案 开发技术的标准化、规范化以及IP核的可利用性 对设计者硬件知识和硬件经验要求低 ASIC的设计制造在实验室内就可以完成,EDA技术的特点,利用电路的计算机辅助分析软件,采用硬件描述语言或原理图等输入方法对可编程逻辑器件进行软件仿真和硬件编辑。缩短产品开发周期、降低成本,且能最大限度地将设计资源应用到产品设计的各个环节,保证产品在性能、可靠性上适合工业化生产的各个方面。,使用
5、EDA技术的优势,利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。设计输入可以使用硬件描述语言(HDL),采用“自顶向下”的设计方法,为设计者提供了一个高效、便捷的设计环境,同时也为充分发挥设计人员的创造性提供了条件。,使用EDA技术的优势,EDA技术被广泛的应用于数字系统的设计,可编程逻辑器件按结构的分类,其基本逻辑结构为与或阵列包括有低密度PLD(PROM,PLA,PAL,GAL也叫简单的PLD)以及 EPLD和CPLD,1、PLD(Programmabe Logic Device),CPLD(Complex PLD):复杂可编程逻辑器件CPLD和简单的PLD相比,允许有更多的输入
6、信号,更多的乘积项和宏单元,CPLD器件内部含有多个逻辑单元块,每个逻辑块就相当于一个 GAL器件,这些逻辑块之间可以用可编程内部连线实现相互连接。,对用户而言,CPLD、FPGA的内部结构略有不同,但用法是相同的,所以,多数情况下不加以区分。,它们具有掩膜编程逻辑门阵列的通用结构,由逻辑功能块排列为阵列,并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块,以实现不同的逻辑设计。,FPGA不受“与或”阵列结构和含有触发器、I/O端数量的限制,依靠内部的逻辑单元以及它们的连接构成任何复杂的逻辑电路,更适合实现多级的逻辑功能,并具有更高的密度和更大的灵活性。,2、FPGA(现场可编程门阵列),可编程逻辑器件按
7、结构的分类,CPLD的基本结构,在单片芯片上集成了成千上万个等效门,因此在单片CPLD芯片上能集成数字电路系统,CPLD和简单的PLD相比,允许有更多的输入信号,更多的乘积项和宏单元,CPLD器件内部含有多个逻辑单元块,每个逻辑块就相当于一个 GAL器件,这些逻辑块之间可以用可编程内部连线实现相互连接。,CPLD的结构框图,CPLD内部逻辑块的结构,FPGA由可编程逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input/Output Block)、可编程连线资源构成。,可编程逻辑模块是实现各种逻辑功能的基本单元,包括组合逻辑、时序逻辑、RAM以及各种
8、运算功能。,FPGA的基本结构,不像PLD那样受结构的限制,它可以靠门与门的连接来实现任何复杂的逻辑电路,更适合实现多级逻辑功能。,FPGA的可编程逻辑功能块,前面介绍的PLD都是基于乘积项的可编程结构,即可编程的与阵列和固定的或项组成,而FPGA的结构按可编程逻辑功能块的不同主要有三种类型:查找表结构、多路开关结构、多级与非门结构。大部分的 FPGA都采用SRAM的查找表逻辑形成结构。,CPLD/FPGA的编程工艺,基于熔丝和反熔丝编程单元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,现场可编程门阵列FPGA的特点,SRAM结构:可以无限次编程,但它属于易失
9、性元件,掉电后芯片内信息丢失。通电之后,要为FPGA重新配置逻辑,内部连线结构:CPLD的信号通路固定,系统速度可以预测。而FPGA的内连线是分布在CLB周围,而且编程的种类和编程点很多,布线相当灵活。,芯片逻辑利用率:由于FPGA的CLB规模小,可分为两个独立的电路,又有丰富的连线,其逻辑利用率很高。,芯片功耗:FPGA芯片功耗0.25mW5mW之间,静态时几乎没有功耗,所以称FPGA为零功耗器件。,CPLD/FPGA相当于20到500以上个TTL电路集成到一个器件内,有较高的密度;设计者以自己的方法设计所需的逻辑系统,增加了灵活性;可以方便地通过计算机软件平台,对所设计的系统进行修改和仿真
10、,不用对印刷板进行修改;系统集成到可编程逻辑器件以后,可减少印刷板的层次和缩小印刷板的面积。,CPLD和FPGA与TTL电路的比较,1.FPGA有更多的I/O管脚,多达几百条,不会出现PAL逻辑没有使用完之前,I/O已经用完;2.有更多的触发器,可以构造许多的寄存器和计数器;3.可以集成多个PAL;4.减少印刷板面积,降低系统成本;降低功耗;5.系统有较少的元件在印刷板上,可靠性增加;6.可重复编程性,PAL只能一次编程,FPGA/CPLD多次编程;7.加密能力增加。,FPGA与PAL的比较,FPGA的结构与门阵列PLD不同,它内部由许多独立的可编程逻辑模块CLB组成,逻辑块之间可以灵活的相互
11、连接。CLB的功能很强,不仅能实现逻辑函数,还可以配置成RAM等复杂的形式。基于SRAM的FPGA工作前需要从芯片外部加载配置数据,配置数据可以存放在片外的EPROM上或计算机上,我们可以在现场控制加载过程,修改器件的逻辑功能,即所谓现场可编程。,FPGA与CPLD的比较,CPLD在单片芯片上集成了成千上万个等效门,主要由可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元和器件内部的可编程连线构成,1.Lattice 公司CPLD器件系列ispLSI、ispMACH,CPLD/FPGA器件产品简介,2.Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列,Xilinx公司的CPLD以CoolRunner、XC9500
12、系列为代表 Xilinx公司的FPGA以XC4000、Spartan、Virtex系列为代表,从XC2000、XC4000到Spartan和Virtex、VirtexII pro等系列其性能不断的提高。,3.Altera公司FPGA和CPLD器件系列,Altera公司的PLD具有高性能、高集成度和高性价比的特点,此外它还提供了全面的开发工具和丰富的IP核及宏功能库,所以多年来一直占据行业领先地位。Altera公司的产品按先后顺序依次为Classic系列、MAX系列、FLEX系列、APEX系列ACEX系列、Cyclone系列以及Stratix,4.Altera公司的新型FPGA和CPLD器件系列
13、,Altera公司在MAX、Stratix、Cyclone系列的基础上又开发了MAXII、StratixII及CycloneII,4.Altera公司的FPGA和CPLD器件系列(续),FPGA/CPLD器件和电路系统,原理图/HDL文本编辑,综合,FPGA/CPLD编程下载,时序与功能门级仿真,Isp方式下载JTAG方式下载针对SRAM结构的配置Otp器件编程,功能仿真,FPGA/CPLD的设计流程,设计文件的输入方法有原理图输入、文本输入、波形输入等,生成方法不同,生成的文件格式也有所不同。在图形设计文件中,EDA软件为了实现不同的逻辑功能提供了大量的基本单元符号和宏功能模块,在图形编辑器
14、中可以直接调用;为了适应自顶向下的设计,设计者可以使用图形块输入建立顶层设计,可以使用AHDL、VHDL和Verilog HDL文本型输入建立底层设计。,设计输入,设计流程,综合、适配,设计流程,综合:把软件设计的HDL语言描述与硬件结构挂钩,是将电路的高级语言(行为描述)转换为低级的,可产生与FPGA/CPLD的基本结构相映射的网表文件或程序。,适配:适配器也称为结构综合器,它将综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中,使之产生最终的下载文件。,综合,适配,在把经过编译的输入设计编程或下载到器件之前,可以通过EDA软件的仿真器对文件进行全面测试,保证设计在各种可能的条件下都有正确的响应。根
15、据所需的信息类型,可以进行功能仿真和时序仿真。,设计流程,仿真验证和时序分析,是接近真实器件运行特性的仿真,允许分析设计中所有逻辑的性能,得出时序分析结果,如建立时间、保持时间、引脚到引脚延迟、最大时钟频率、延迟时间及其它时序特征,并协助引导适配器满足设计中的时序要求。,是直接对VHDL/原理图等输入的逻辑功能的模拟测试,检测其功能是否能满足原设计的要求。,成功编译了设计工程之后,编译器的Assembler模块自动将适配过程的器件、逻辑单元和引脚分配信息转换为器件的编程图像,并以.sof形式保存,EDA软件的编程器(programmer)把该下载或配置文件通过编程电缆向FPGA/CPLD进行下
16、载,以便进行硬件调试和验证。,设计流程,器件编程,硬件描述语言 ABEL AHDL Verilog HDL VHDL 美国国防部在80年代初提出了VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)计划,其目标之一是为下一代集成电路的生产,实现阶段性的工艺极限以及完成10万门级以上的设计,建立一项新的描述方法。1981年提出了一种新的HDL,称之为VHSIC Hardware Description Language,简称为VHDL。,VHDL概述,VHDL语言的主要优点 是一种多层次的硬件描述语言,覆盖面广,描述能力强。即设计的原始描述可以是非常简练的描述,经过
17、层层细化求精,最终成为可直接付诸生产的电路级或版图参数描述,整个过程都可以在VHDL的环境下进行。VHDL 有良好的可读性,即可以被计算机接受,也容易被理解用VHDL 书写的原文件,即是程序,又是文挡,即是技术人员之间交换信息的文件,又可作为合同签约者之间的文件。,VHDL概述,VHDL本身的生命期长。因为VHDL的硬件描述与工艺技术无关,不会因工艺变化而使描述过时。与工艺技术有关的参数可通过VHDL提供的属性加以描述,工艺改变时,只需修改相应程序中的属性参数即可。支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。一个大规模设计不可能一个人独立完成,它将由多人,多项目组来共同完成。VHDL为设计的分解和
18、设计的再利用提供了有力的支持。VHDL已成为IEEE承认的一个工业标准,事实上已成为通用硬件描述语言。,VHDL概述,VHDL语言的主要优点,VHDL综合,综合器能够自动将一种设计表示形式向另一种设计表示形式转换的计算机程序,或协助进行手工转换的程序。高层次的表示 低层次的表示 行为域 结构域 算法级 门级,编译器和综合功能比较,VHDL综合器运行流程,VHDL的基本组成,VHDL 语言,参数部分程序包,接口部分设计实体,描述部分结构体,一、参数部分程序包,程序包,设计者自身设计的程序包,设计中的子程序和公用数据类型的集合。,调用数据类型标准程序包的VHDL语言描述,VHDL设计中常用的库有I
19、EEE库、STD库、WORK库、VITAL库。,IEEE库包含IEEE标准的程序包和其他支持工业标准的程序包,在基于FPGA/CPLD的开发中,IEEE库中四个程序包STD_LOGIC_1164、STD_LOGIC_ARITH、STD_LOGIC_SIGNED、STD_LOGIC_UNSIGNED已经足够。STD库包括输入/输出两个标准程序包,WORK库用于存放用户设计和定义的设计单元和程序包,只要在VHDL的应用环境中,都可以随时调用STD库和WORK库,所以不需专门的调用语句。在FPGA/CPLD的设计中一般都不需要VITAL库的程序包。,LIBRARY ieee;,USE ieee.st
20、d_logic_1164.all;,放在VHDL程序的最前面,表示以后在实体或结构体中要用到数据类型包中的数据类型。,调用库的两种格式USE 库名.程序包名.项目名USE 库名.程序包名.ALL,程序包举例,二、接口部分设计实体,设计实体,提供设计模块的公共信息,是VHDL设计电路的最基本部分。,VHDL实体的描述方法:,ENTITY kxor IS,PORT(a1,b1:IN std_logic;,c1:OUT std_logic);,END kxor;,一个模块中仅有一个设计实体。,实体语句的格式ENTITY 实体名 IS PORT(端口名)END ENTITY 实体名,设计实体说明,EN
21、TITY、IS、PORT、IN、OUT和END为关键字;ENTITY.END之间表示实体内容;kxor表示实体的名称,即电路的符号名;PORT端口(引脚)信息关键字,描述了信号的流向;IN输入模式;OUT输出模式;INOUT 输入输出双相模式BUFFER 与INOUT类似,区别在于当需要输入数据时,只允许内部回读输出信号,即允许反馈std_logic表示信号取值的类型为标准逻辑。,ENTITY sel IS PORT(d0,d1,d2,d3:IN BIT;s:IN INTEGER RANGE 0 TO 3;out1:OUT BIT);END sel;,设计实体举例,再例:,三、描述部分结构体,
22、结构体,描述实体硬件的互连关系、数据的传输和变换以及动态行为。即描述设计实体的内部结构和对外部设计实体端口间的逻辑关系。,一个实体可以对应多个结构体,每个结构体可以代表该硬件的某一方面特性,例如行为特性,结构特性。,ARCHITECTURE kxor_arc OF kxor IS,BEGIN,c1=(NOT a1 AND b1)OR(a1 AND NOT b1);,END kxor_arc;,当异或门的符号和外部端口a1、b1和c1确定之后,就要确定实体的内部电路,使之与实体相对应。,结构体的一般格式ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS 说明语句BEGIN 功能描述语句END
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