FPGA原理及应用.ppt
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1、FPGA原理及应用,孟庆斌2010年9月,IC:是半导体元件产品的统称,包括:集成电路、三极管、特殊电子元件。,ASIC:专用IC。是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的芯片组。,SOC:片上系统。随IC设计与工艺的提高,使原先由许多IC组成的电子系统可集成到一个芯片上,构成SOC。,名词解释,EDA:电子设计自动化。EDA技术就是以计算机为工具,设计者在EDA软件平台上,用硬件描述语言HDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。,SOPC:可编程的片上系统。是Altera公司提
2、出来的一种灵活、高效的SOC解决方案。也可认为是基于FPGA解决方案的SOC。,FPGA原理及应用课程介绍,什么是FPGA?FPGA是现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array),是一种主流的大规模可编程逻辑器件。PLD即可编程逻辑器件(Programable Logic Device),是一种能够用编程的方法设计内部硬件电路结构的集成电子器件。FPGA有什么应用?通信系统:DDS信号产生、信源编解码、信道编解码、数字调制解调、通信协议解析;信号处理:快速傅里叶变换、数字滤波、JPEG编解码、MPEG编解码、高速图像采集 工业控制和测量:电机(PWM)控制、开关
3、电源、数字频率计、误码率测试仪、相位测试仪;,FPGA原理及应用课程介绍,专用集成电路原型开发:ARM、DSP、CPU、MCU 协处理器 接口与外设:SDRAM控制器、PCI接口控制、I2C总线控制、USB控制、LCD&VGA控制如何进行FPGA设计?1、熟悉所选器件(内部结构、管脚分布和器件功能);2、制作最小系统和必要外设PCB板;3、选择合适设计软件:设计输入、逻辑综合、管脚约束、仿真分析、布局布线、下载配置;4、系统检测和调试;,FPGA原理及应用课程内容,可编程逻辑器件概述CPLD和FPGA的器件结构FPGA设计流程及设计工具基于FPGA的SOPC设计NIOS软核结构NIOS嵌入式系
4、统开发,课程要求和考核方式,1.保证听课,做笔记,勤动脑思考。认真、独立完成课程练习和作业。2.期末闭卷考试,考试成绩占总评成绩的50%。,半导体器件的发展简史,晶体管:1947年12月,美国贝尔实验室的物理学家William Shockley、Walter Brattian和John Bardeen制造了第一个晶体管,一个锗(Ge)制造的点接触器件1950年,出现了双极型晶体管(BJT),并用硅(Si)取代了锗作为器件材料。把BJT以特定的方式相连可以实现数字逻辑门:如晶体管-晶体管逻辑(TTL)、发射极耦合逻辑(ECL)1962年,出现了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),FET
5、有两种类型:NMOS和PMOS。由NMOS和PMOS以互补方式构成的逻辑门就是互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑门。,半导体器件的发展简史,集成电路(IC):1958年,美国德州仪器(TI)公司成功将包括5个元件的移相振荡器制作在了同一片半导体上同一时期,Fairchild半导体公司发明了衬底光学印刷技术(即光刻技术),这种技术现在广泛的应用于制造IC中的晶体管、绝缘层和互联线1960年代,TI公司设计制造了大量的基本功能IC,称为54XX和74XX系列,分别面向军用和民用,用TTL技术实现1968年,美国RCA公司开发了与74XX系列等效的以CMOS技术实现的4000系列IC1970年,I
6、ntel开发了第一个1024位的DRAM(型号1103),Fairchild公司开发了第一个256位的SRAM(型号4103)1971年,Intel开发了世界上第一个微处理器4004。该处理器包含大约2300个晶体管,每秒可以执行60000次操作1980年代,出现可编程逻辑器件,图1:数字集成电路分类,集成电路分类,1、标准集成电路标准集成电路是指那些逻辑功能固定的集成电路。它具有很强的通用性,其电路的电气指标、封装等在国内外均已标准化,并印有公开发行的用户手册,供大家选用。SSI、MSI、LSI以及VLSI中那些完成基本功能和通用功能的集成电路,如与非门、异或门、触发器、加法器、乘法器、各类
7、存储器以及通用寄存器等,都属于标准集成电路。当我们采用标准集成电路设计逻辑电路系统时,需要进行选片、系统设计和连线等方面的工作。虽然标准集成电路品种繁多,发展也很快,但用户只能在已生产的集成电路品种中选择,所以在改进和调试系统时需要修改印制版,从而使研制周期变长、成本增加。同时,采用标准集成电路的逻辑电路系统存在集成度低,可靠性、维护性差等缺点。,集成电路分类,2.微处理器微处理器主要指通用的微处理芯片。如Z80、8086、MCS51、ARM、DSP等。这类器件的功能由汇编语言或高级语言编写的程序来确定,也就是说,其功能由用户自己设置,故具有一定的灵活性。但该器件应用时需要用户设计专门的接口电
8、路,否则它很难与其他类型的器件直接配合。目前除用作CPU外,多用于实时处理系统。,集成电路分类,3.专用集成电路(ASIC)ASIC是指那些专门为某些用户设计的集成电路。当然,这种芯片不再具有通用性。专用集成电路又称用户定制电路,它可分成全定制电路(Full Custom Circuit)和半定制电路(Semi Custom Circuit)。全定制电路:集成电路生产厂家完全按照用户的要求,从晶体管级开始设计,充分利用设计者本人和前人的经验,力求做到管芯面积最小、工作速度最快、功耗最小和各项电气指标符合用户的要求。这种电路设计和制造方法的优点是:电路性能高,保密性好,占用体积小。其缺点是:成本
9、高,设计和试制周期长。半定制电路:是指在设计和生产过程中的某些部分,例如门阵列法中的门阵列母片、标准单元法中的库单元、可编程逻辑器件中的全功能芯片等,可以“预先加工”和“预先设计”乃至“预先制作”好,并可为所有用户选用。而另外一些部分,如版图的布局、布线和它所形成的版图只能符合特定用户的要求,不能共享。也就是说,只有一部分设计是按用户要求定做的,故称为半定制电路。这种电路在一定程度上既可满足用户“定制”要求,又能做到设计周期短、成本低。,集成电路分类,可编程逻辑器件(Programmable Logic Devices,简称PLD)具有标准集成电路和半定制电路二者的特征。一方面,它的全功能集成
10、电路块和标准集成电路一样,不同的生产厂家可以生产相同结构和品种的电路,并印有统一的用户手册,用户可以根据自己的需求来挑选不同的品种。另一方面,用户买到这种集成电路后不能马上使用,要根据自己的电路设计进行编程,再用专门的编程器或配置芯片将他们“烧制”成需要的电路。因此,从工厂生产、设计和销售的角度来看,它属于标准集成电路,从用户要作设计和“烧制”的角度来看,则又属于半定制电路。,可编程逻辑器件的概念和范畴,为什么需要可编程逻辑器件?伴随着集成电路技术的发展,将大规模电路集成到一片芯片上,不仅能减小电路的体积、重量、功耗,而且能够大大提高电路的可靠性,于是人们开始定制各种具有专门用途的专用集成电路
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