补充EDA教程FPGA.ppt
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1、电子设计自动化技术,第二讲 可重构(编程)技术,重要观点,现代VLSI技术的核心是存储器技术-CPU技术是存储器技术的应用(现在的SOC设计不是围绕CPU而是围绕存储器的设计)CPLD/FPGA将大幅挤占传统IC市场-大量的微电子技术和IC设计专业毕业生将从事CPLD/FPGA设计(而不是传统意义的IC设计)将CPLD/FPGA设计结果转化成IC设计结果的方法将推广应用 IC设计变得日益“可爱”(以前或到目前为止,有些“可怕”),有三种类型的可重构(编程)技术对当今工程师开发电子产品的方式造成了巨大影响。分别是(1)微处理器和微控制器;(2)可编程逻辑;(3)可编程模拟阵列(PAA)本课程讨论
2、数字可编程逻辑技术,概述,许氏(木村)定理,许氏(木村)定理,半导体的硅周期率 硅集成电路产品形态大约以十年为一代 在通用与专用IC的此消彼长中,波浪向上发展 设计内容(对象)二十年为一代 1958-1978-电路设计 手工计算时代:大量的布尔代数,卡诺图化简 1978-1998-逻辑设计(软件编程)CAD时代:MCU/CPU指令编码,二进制码或高级语言编程 1998-2018-软件设计(硬件编程)(软硬件双编程)EDA时代:VHDL/VERILOG硬件描述语言编码(98-2008)C+与HDL混合编码(2008-2018),许氏(木村)定理,从1998年(第五波)起,“可重构(可编程)”特点
3、己成为硅集成电路芯片产品特征目前我们正处于第五波(1998-2008),可编程逻辑器件正在兴起。正好发生了“When will FPGA kill ASIC?”的争论,要点可编程逻辑器件的概念理解什么是CPLD及CPLD架构理解什么是FPGA及FPGA架构理解CPLD和FPGA的区别与联系了解常用的CPLD和FPGA型号,脉冲与数字电路课程的回顾,布尔函数数字系统数学基础(卡诺图)数字电路设计的基本方法组合电路设计问题逻辑关系真值表化简逻辑图时序电路设计列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图,脉冲与数字电路课程的回顾,使用中、小规模器件设计电路(74、54系列)编码器
4、(74LS148)译码器(74LS154)比较器(74LS85)计数器(74LS193)移位寄存器(74LS194),脉冲与数字电路课程的回顾,设计方法的局限卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。采用“搭积木”的方法的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法,从中挑选最合适的器件,缺乏灵活性。设计系统所需要的芯片种类多,且数量很大。,脉冲与数字电路课程的回顾,采用中小规模器件的局限电路板面积很大,芯片数量很多,功耗很大,可靠性低提高芯片的集成度设计比较困难能方便地发现设计错误电路修改很麻烦提供方便的修改手段PLD器件的出现改变了这一切,可编程逻辑器件的定义,逻辑器件:用来实现某种特定逻
5、辑功能的电子器件,最简单的逻辑器件是与、或、非门(74LS00,74LS04等),在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。可编程逻辑器件(PLDProgrammable Logic Device):器件的功能不是固定不变的,而是可根据用户的需要而进行改变,即由编程的方法来实现器件的逻辑功能。,PLD出现的背景,电路集成度不断提高SSIMSILSIVLSI计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用设计方法的发展自下而上自上而下用户需要设计自己需要的专用电路专用集成电路(ASICApplication Specific Integrated Circuits)开发周期长,投入大,风险大可编程器件P
6、LD:开发周期短,投入小,风险小,PLD器件的优点,集成度高,可以替代多至几千块通用IC芯片极大减小电路的面积,降低功耗,提高可靠性具有完善先进的开发工具提供语言、图形等设计方法,十分灵活通过仿真工具来验证设计的正确性可以反复地擦除、编程,方便设计的修改和升级灵活地定义管脚功能,减轻设计工作量,缩短系统开发时间保密性好,可重构技术的国际先进水平,到90年代,PLD得到了迅速发展,不仅具有电擦除特性,而且拥有了边界扫描扫描及在线编程ISP(In-System Programmability)等特性。比较常用的有XILINX公司的FPGA和ALTERA及LATTICE公司的CPLD。1992年LA
7、TTICE公司率先推出ISP(In-System Programmability),并推出ISP_LSI1000系列高密度ISP器件。2000年出现了产品集成度200万门的FPGA产品。同期Xilinx推出XC95288 CPLD拥有288个宏单元。,可重构技术的国际先进水平,目前,国际上著名的几家FPGA厂家都在加紧研发下一代工艺的产品。Xilinx已经生产了 65纳米的可编程门阵列处理器(FPGA)芯片。随着VlSI工艺的不断提高,PLD芯片的规模也越来越大,其单片逻辑门数已达到上千万门以上,它所能实现的功能也越来越强,目前,单片可编程系统SoPC(System on a Programm
8、able Chip)己经成为了现实。如:Xilinx 2002年推出的Pro系列FPGA产品,嵌入了32位CPU和大量乘法器、接口等功能。,可重构技术的国内水平,国内目前在国家863计划SOC专项支持下2003年1月-2003年12月,由电子科技大学与成都华微电子系统有限公司联合开展CPLD的研究,研制出具有72个宏单元的CPLD VLSI芯片(国外目前最大的CPLD具有288个宏单元),填补了国内空白,打破了美国公司对这一技术的垄断。在国家863计划SOC专项支持下2003年1月-2003年12月,复旦大学开展了对FPGA的研究,研制出10万门FPGA芯片。2009年10月,电子科技大学与成
9、都华微电子系统有限公司联合研制成功100万门FPGA芯片。,研究可重构单片系统的重要意义,研究可重构单片系统对于解决我国电子工业缺“芯”问题具有重要意义。我国电子工业缺“芯”是不争的事实。从手机、电视机、DVD/VCD、电脑、家用电器到各种通信设备、仪器仪表,其核心芯片均从国外进口,核心技术都在外国人手中。这种局面形成的技术上的原因之一是:我们不得不用国外的芯片来设计我们的电子系统,所以,我们的电子产品不得不用国外的芯片。,研究可重构单片系统的重要意义,掌握PLD/SoPC技术,则可以从根本上打破上述的怪圈。在设计数字电路与系统时不依据国外己有芯片,而是依据数字电子系统需求,用硬件描述语言(H
10、DL)设计。由国产的PLD/SoPC实现数字电子系统,则可从根本上摆脱对国外芯片的依赖。PLD/SoPC技术的出现,对于我国数字整机的自主创新提供了一个历史机遇。,管脚数目:208个电源:3.3V(I/O)2.5V(内核)速度250MHz内部资源4992个逻辑单元10万个逻辑门49152 bit的RAM,PLD的发展趋势,向高集成度、高速度方向进一步发展最高集成度已超过千万门向低电压和低功耗方向发展,5V3.3V2.5V1.8V更低内嵌多种功能模块RAM,ROM,FIFO,DSP,CPU向数、模混合可编程方向发展,大的PLD生产厂家,最大的PLD供应商之一FPGA的发明者,最大的PLD供应商之
11、一ISP技术的发明者提供军品及宇航级产品,PLD器件的分类按集成度,低密度PROM,EPROM,EEPROM,PAL,PLA,GAL只能完成较小规模的逻辑电路高密度,已经有超过千万门的器件EPLD,CPLD,FPGA可用于设计大规模的数字系统集成度高,甚至可以做到SOC(System On a Chip),PLD器件的分类按结构特点,基于与或阵列结构的器件阵列型PROM,EEPROM,PAL,GAL,CPLDCPLD的代表芯片如:Altera的MAX系列基于门阵列结构的器件单元型FPGA,PLD器件的分类按编程工艺,熔丝或反熔丝编程器件Actel的FPGA器件体积小,集成度高,速度高,易加密,
12、抗干扰,耐高温只能一次编程,在设计初期阶段不灵活SRAM大多数公司的FPGA器件可反复编程,实现系统功能的动态重构每次上电需重新下载,实际应用时需外挂EEPROM用于保存程序EEPROM大多数CPLD器件可反复编程不用每次上电重新下载,但相对速度慢,功耗较大,可编程逻辑器件(PLD)及其重构手段,PROM-光刻版PAL-EPROM、E2PROMGAL-EPROM、E2PROMGA-光刻版CPLD(Complex Programmable Logic Device)-EPROM、E2PROMFPGA(Field Programmable Gate Array)-SRAM,可编程逻辑器件(PLD)
13、及其重构手段,EPLD(Electrical Programmable Logic Device)-PAL、GAL、CPLD-EPROM、E2PROM,数字电路的基本组成,任何组合电路都可表示为其所有输入信号的最小项的和或者最大项的积的形式。时序电路包含可记忆器件(触发器),其反馈信号和输入信号通过逻辑关系再决定输出信号。,PLD的逻辑符号表示方法,与门,乘积项,PROM结构,与阵列为全译码阵列,器件的规模将随着输入信号数量n的增加成2n指数级增长。因此PROM一般只用于数据存储器,不适于实现逻辑函数。EPROM和EEPROM,用PROM实现组合逻辑电路功能,实现的函数为:,固定连接点(与),
14、编程连接点(或),PAL结构,与阵列可编程使输入项增多,或阵列固定使器件简化。或阵列固定明显影响了器件编程的灵活性,PLA结构,PLA的内部结构在简单PLD中有最高的灵活性。,AnBnCn,AnBn,AnCn,BnCn,用PAL实现全加器,GAL结构,GAL器件与PAL器件的区别在于用可编程的输出逻辑宏单元(OLMC)代替固定的或阵列。可以实现时序电路。,逻辑宏单元,OLMC,GAL器件的OLMC,每个OLMC包含或阵列中的一个或门组成:异或门:控制输出信号的极性D触发器:适合设计时序电路4个多路选择器,输出使能选择,反馈信号选择,或门控制选择,输出选择,CPLD和FPGA,目前PLD主要是指
15、CPLD和FPGA器件,并被应用在不同的高科技研发领域,如数字电路设计、微处理器系统、DSP、电信、可重构计算机及ASIC设计。由于可编程逻辑器件以EEPROM、SRAM或Flash工艺为基础,用户可以通过计算机对芯片进行编程,大大降低成本和缩短开发时间。,CPLD,复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)是由PAL或GAL发展来的。规模大,结构复杂,属于大规模集成电路范围。CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(LMC,Logic Macro Cell)、可编程互连距阵单元(PIA)及I/O控制块组成。CPLD利用VLSI的密度产生更通用的能
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