电子设计自动化应用技术FPGA应用篇整套教学课件.ppt

电子设计自动化应用技术电子设计自动化应用技术FPGAFPGA应用篇应用篇u 1984 1984年，美国年，美国XilinxXilinx公司开发了一种新型的数字集成电路，称为现场可编程门阵公司开发了一种新型的数字集成电路，称为现场可编程门阵列列FPGAFPGA（Field Programmable Gate ArrayField Programmable Gate Array）。）。FPGAFPGA内部含有大量的逻辑资源，具有内部含有大量的逻辑资源，具有灵活的可编程性，灵活的可编程性，FPGAFPGA的开发和使用非常便利，实现了在自己的实验室里自行设计专的开发和使用非常便利，实现了在自己的实验室里自行设计专用集成芯片的目标。用集成芯片的目标。u 本课程将全面介绍如何应用本课程将全面介绍如何应用FPGAFPGA实现信号发生器、数字电压表等实际系统设计。实现信号发生器、数字电压表等实际系统设计。1.1 什么是什么是FPGA1.2 为什么用为什么用FPGA1.3 使用使用FPGA的条件的条件1.4 本书包括那些内容本书包括那些内容第第1章章 概概 述述1.1 什么是什么是FPGA 现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGAFPGA是一种数字集成电路：是一种数字集成电路：FPGAFPGA芯片内部有大量的逻芯片内部有大量的逻辑块，这些逻辑块是可以编程的，逻辑块之间的连接称为互连资源，这些辑块，这些逻辑块是可以编程的，逻辑块之间的连接称为互连资源，这些互连资源也是可以编程的。通过对逻辑块以及互连资源的编程可以实现各互连资源也是可以编程的。通过对逻辑块以及互连资源的编程可以实现各种数字电路、数字系统的设计。对种数字电路、数字系统的设计。对FPGAFPGA的编程有各种不同的实现方式。的编程有各种不同的实现方式。 一次性编程一次性编程OTPOTP（One Time ProgrammableOne Time Programmable）器件：）器件：只能实现一次编程，只能实现一次编程，编程后形成的电路不可再次修改。编程后形成的电路不可再次修改。 多次编程工艺的多次编程工艺的FPGAFPGA：可以进行重复擦除和编程操作，使修改设计变得可以进行重复擦除和编程操作，使修改设计变得非常方便。由于编程工艺不同，有的非常方便。由于编程工艺不同，有的FPGAFPGA器件是非易失性的，关闭电源后，器件是非易失性的，关闭电源后，FPGAFPGA的编程信息仍然存在；有的的编程信息仍然存在；有的FPGAFPGA则是易失性的，关闭电源后，则是易失性的，关闭电源后，FPGAFPGA的的编程信息丢失。编程信息丢失。1.2 为什么用为什么用FPGA选用选用FPGAFPGA的重要原因：的重要原因：传统数字集成电路规模小、缺乏灵活性；专用集成传统数字集成电路规模小、缺乏灵活性；专用集成电路电路ASICASIC虽然规模大，但设计周期长、成本很高。虽然规模大，但设计周期长、成本很高。 使用使用FPGAFPGA有很多优势：有很多优势：可以在实验室里随时对可以在实验室里随时对FPGAFPGA进行编程，比传统数进行编程，比传统数字集成电路使用灵活，因此在设计灵活性方面字集成电路使用灵活，因此在设计灵活性方面FPGAFPGA具有很强的吸引力。由具有很强的吸引力。由于于FPGAFPGA的逻辑资源多，可以实现非常复杂的逻辑功能，代替的逻辑资源多，可以实现非常复杂的逻辑功能，代替ASICASIC实现的功实现的功能，开发能，开发FPGAFPGA需要的设计成本很低，因此在逻辑资源和设计成本方面需要的设计成本很低，因此在逻辑资源和设计成本方面FPGAFPGA同样具有很强的吸引力。目前，使用同样具有很强的吸引力。目前，使用FPGAFPGA进行电子系统设计的设计师越来进行电子系统设计的设计师越来越多。越多。1.3 使用使用FPGA的条件的条件 使用使用FPGAFPGA开展数字系统设计，必须具备如下几个基本条件：开展数字系统设计，必须具备如下几个基本条件：计算机、计算机、FPGAFPGA开发工具、开发工具、FPGAFPGA芯片开发平台。硬件描述语言、芯片开发平台。硬件描述语言、FPGAFPGA芯片基本原理、芯片基本原理、FPGAFPGA开发工具的使用。具备上述条件，就可以尝试完成一些小系统的设计，开发工具的使用。具备上述条件，就可以尝试完成一些小系统的设计，有了一定的经验积累之后，就可以实现大系统的设计。本课程就是为有了一定的经验积累之后，就可以实现大系统的设计。本课程就是为FPGAFPGA开发应用感兴趣的学生开设的。开发应用感兴趣的学生开设的。1.4 课程包括那些内容课程包括那些内容 今天在市场上看到的今天在市场上看到的FPGAFPGA内部逻辑门的数量少则几万门，多则几百万内部逻辑门的数量少则几万门，多则几百万门，型号多样，各成体系，且没有统一的规律。设计工具更是令人眼花缭门，型号多样，各成体系，且没有统一的规律。设计工具更是令人眼花缭乱。课程想向学生呈现乱。课程想向学生呈现FPGAFPGA开发流程，在实际系统设计中如何使用开发流程，在实际系统设计中如何使用FPGAFPGA。课程内容由四个主要部分组成。课程内容由四个主要部分组成。 一、一、FPGAFPGA芯片，介绍芯片结构组成，通过芯片，介绍芯片结构组成，通过AlteraAltera公司的一个实际公司的一个实际FPGAFPGA芯片的讨论，了解芯片的讨论，了解FPGAFPGA的工作原理、编程方法。的工作原理、编程方法。 二、二、FPGAFPGA开发工具，介绍工具组成和使用，通过实际工具开发工具，介绍工具组成和使用，通过实际工具QuartusIIQuartusII的的介绍，了解介绍，了解FPGAFPGA的开发流程和工具使用。的开发流程和工具使用。 三、三、FPGAFPGA芯片开发语言，通过芯片开发语言，通过VHDLVHDL介绍，学习电子系统的描述方法。介绍，学习电子系统的描述方法。 四、四、FPGAFPGA应用实例，通过实例学习应用实例，通过实例学习FPGAFPGA的设计、验证、综合和实现。的设计、验证、综合和实现。u 1984年，年，Xilinx公司开发了一种新型的集成电路芯片公司开发了一种新型的集成电路芯片FPGA。伴随。伴随EDA（ Electronic Design Automation ）技术的发展，）技术的发展，FPGA的开发和使用越来越便利。的开发和使用越来越便利。u EDA是迅速发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，目前尚无统一严格的定义。是迅速发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，目前尚无统一严格的定义。u 从理论角度理解从理论角度理解EDA，可以认为，可以认为EDA是以计算机和微电子技术为先导，汇集数据库、计算是以计算机和微电子技术为先导，汇集数据库、计算机图形学、图论与拓扑逻辑、计算数学、优化理论及微电子工艺结构学等学科成果的先进技术。机图形学、图论与拓扑逻辑、计算数学、优化理论及微电子工艺结构学等学科成果的先进技术。u 从技术应用角度理解从技术应用角度理解EDA，可以认为，可以认为EDA是以大规模集成电路为设计载体，以硬件描述语是以大规模集成电路为设计载体，以硬件描述语言为表达方式，以计算机为设计环境，利用软件开发工具自动完成设计系统的编译、化简、综言为表达方式，以计算机为设计环境，利用软件开发工具自动完成设计系统的编译、化简、综合、仿真、布局布线、优化，完成对合、仿真、布局布线、优化，完成对FPGA的适配、映射、编程下载，将系统集成到的适配、映射、编程下载，将系统集成到FPGA。u 如果要完成如果要完成FPGA设计，设计者需借助设计，设计者需借助EDA技术，用硬件描述语言完成对系统的描述，其他技术，用硬件描述语言完成对系统的描述，其他工作都交给计算机及其软件工具完成。工作都交给计算机及其软件工具完成。u 本章首先将介绍本章首先将介绍EDA技术的相关问题，介绍如何选择开发工具，技术的相关问题，介绍如何选择开发工具，FPGA在一个实际电子系统在一个实际电子系统中究竟承担什么任务，电子系统中如何使用中究竟承担什么任务，电子系统中如何使用FPGA。 2.1 EDA技术发展技术发展 2.2 EDA系统构成系统构成 2.3 FPGA开发工具开发工具 2.4 FPGA设计资源设计资源 2.5 FPGA应用系统举例应用系统举例 第2章 FPGA设计综述2.1 EDA技术发展技术发展EDA技术伴随计算机、集成电路、电子系统设计发展，经历了三个发展阶段：技术伴随计算机、集成电路、电子系统设计发展，经历了三个发展阶段：20世纪世纪60年代中期年代中期20世纪世纪80年代初期：计算机辅助设计年代初期：计算机辅助设计CAD（Computer Assist Design）20世纪世纪80年代初初期年代初初期20世纪世纪90年代初期：计算机辅助工程设计年代初期：计算机辅助工程设计CAED（Computer Assist Engineering Design）20世纪世纪90年代以来：电子系统设计自动化年代以来：电子系统设计自动化ESDA（Electronic System Design Automation）1CAD阶段阶段 随着集成电路的出现和应用，电子系统设计进入到发展的初级阶段，人们选用大量中小规模随着集成电路的出现和应用，电子系统设计进入到发展的初级阶段，人们选用大量中小规模标准集成电路，根据集成电路的摆放位置以及它们之间的连接关系进行布图布线，设计出标准集成电路，根据集成电路的摆放位置以及它们之间的连接关系进行布图布线，设计出PCB（Printed Circuit Board）板，再将这些器件焊接在）板，再将这些器件焊接在PCB板上，做成电子系统，对电子系统的调板上，做成电子系统，对电子系统的调试是在组装好的试是在组装好的PCB板上进行的。人们将产品设计过程中高重复性的繁杂劳动，如布图布线工作板上进行的。人们将产品设计过程中高重复性的繁杂劳动，如布图布线工作用二维图形编辑与分析的用二维图形编辑与分析的CAD工具替代，工具替代，CAD阶段最具代表性的产品就是美国阶段最具代表性的产品就是美国ACCEL公司开发公司开发的的Tango布线软件。布线软件。 在在EDA技术发展初期，技术发展初期，PCB布图布线工具受到计算机工作平台的制约，能支持的设计工作有布图布线工具受到计算机工作平台的制约，能支持的设计工作有限且性能比较差。限且性能比较差。 20世纪世纪80年代初，随着集成电路规模的增大，年代初，随着集成电路规模的增大，EDA技术有了较快的发展，许多软件公司，如：技术有了较快的发展，许多软件公司，如：Mentor、Logic System等公司进入市场，开始出现带电路图编辑工具和逻辑模拟工具的等公司进入市场，开始出现带电路图编辑工具和逻辑模拟工具的EDA软件，软件，每个软件只能完成其中的一项工作，在产品开发的不同阶段分别使用不同的开发软件，不能提供每个软件只能完成其中的一项工作，在产品开发的不同阶段分别使用不同的开发软件，不能提供系统级的仿真与综合。系统级的仿真与综合。2CAED阶段阶段 CAD阶段的自动布局布线工具代替了设计工作中绘图的重复劳动，阶段的自动布局布线工具代替了设计工作中绘图的重复劳动，80年代年代CAED阶段的阶段的EDA工具则代替了设计师的部分设计工作，在电子系统的设计、制造最佳的电子产品起到关键工具则代替了设计师的部分设计工作，在电子系统的设计、制造最佳的电子产品起到关键作用。作用。 80年代计算机的发展，使得以科学计算为主的计算机步入辅助工程设计的工作站阶段。工年代计算机的发展，使得以科学计算为主的计算机步入辅助工程设计的工作站阶段。工作站平台不单只是计算机计算能力的增强，更重要的是人机图形界面标准的发展，三维图形造作站平台不单只是计算机计算能力的增强，更重要的是人机图形界面标准的发展，三维图形造型、窗口技术、型、窗口技术、UNIX操作系统、网络上的数据交换、数据库以及进程管理等一系列计算机科操作系统、网络上的数据交换、数据库以及进程管理等一系列计算机科学最新成果的引入。学最新成果的引入。80年代后期，年代后期，EDA的相关工具已经可以进行设计描述、综合与优化和设计的相关工具已经可以进行设计描述、综合与优化和设计结果验证，由于采用了统一数据管理技术，因此，能将各个软件工具集成为一个结果验证，由于采用了统一数据管理技术，因此，能将各个软件工具集成为一个CAED系统，系统，实现从设计输入到版图输出的全程设计自动化。实现从设计输入到版图输出的全程设计自动化。 CAED阶段的阶段的EDA工具不仅为成功开发电子产品创造了有利条件，而且为高级设计人员的工具不仅为成功开发电子产品创造了有利条件，而且为高级设计人员的创造性劳动提供了方便。但是，大部分从原理图出发的创造性劳动提供了方便。但是，大部分从原理图出发的EDA工具仍然不能适应复杂电子系统设工具仍然不能适应复杂电子系统设计的要求，而且具体化的元件图形制约着优化设计。计的要求，而且具体化的元件图形制约着优化设计。3ESDA阶段阶段 ESDA阶段的阶段的EDA工具为设计师提供了全线的系统设计工具，使电子系统工程师在不熟悉工具为设计师提供了全线的系统设计工具，使电子系统工程师在不熟悉各种半导体厂家和各种半导体工艺的情况下，完成电子系统的设计。各种半导体厂家和各种半导体工艺的情况下，完成电子系统的设计。 20世纪世纪90年代，设计师逐步从使用硬件转向设计硬件，从电路级电子产品开发转向系统级年代，设计师逐步从使用硬件转向设计硬件，从电路级电子产品开发转向系统级电子产品开发，电子产品开发，EDA工具以系统级设计为核心，包括系统行为级描述与结构级综合，系统仿工具以系统级设计为核心，包括系统行为级描述与结构级综合，系统仿真与测试验证，系统划分与指标分配，系统决策与文件生成等一整套的电子系统设计自动化工真与测试验证，系统划分与指标分配，系统决策与文件生成等一整套的电子系统设计自动化工具。具。EDA工具不仅具有电子系统设计的能力，而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能工具不仅具有电子系统设计的能力，而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高级抽象的设计构思手段。力，具有高级抽象的设计构思手段。 ESDA阶段的阶段的EDA技术主要特征：（技术主要特征：（1）采用硬件描述语言，支持不同层次的描述，使设）采用硬件描述语言，支持不同层次的描述，使设计描述更加规范化，便于传递、交流、保存、修改以及重复利用。（计描述更加规范化，便于传递、交流、保存、修改以及重复利用。（2）采用高层次综合：设）采用高层次综合：设计层次提高到系统级，或称为行为级，并划分为逻辑综合与测试综合，保证系统设计结果稳定计层次提高到系统级，或称为行为级，并划分为逻辑综合与测试综合，保证系统设计结果稳定可靠地工作。（可靠地工作。（3）建立并行设计框架：使用统一的数据库管理系统与完善的通信管理系统，）建立并行设计框架：使用统一的数据库管理系统与完善的通信管理系统，共享数据库和知识库，并行进行设计。（共享数据库和知识库，并行进行设计。（4）软硬件协调设计与验证：弥补了软件设计与硬件）软硬件协调设计与验证：弥补了软件设计与硬件设计之间的空隙，保证了软硬件之间的同步协调工作。设计之间的空隙，保证了软硬件之间的同步协调工作。 2.2 EDA系统构成系统构成 EDA技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计；技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计；涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从通用集成电路到专涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此用集成电路构造的电子系统，因此EDA技术研究的范畴相当广泛。技术研究的范畴相当广泛。 从从FPGA开发与应用角度看，开发与应用角度看，EDA系统应当包含以下五个子模块：系统应当包含以下五个子模块：1设计输入子模块、设计输入子模块、2设设计数据库子模块、计数据库子模块、3分析验证子模块、分析验证子模块、4综合仿真子模块、综合仿真子模块、5布局布线子模块等。布局布线子模块等。 全球提供全球提供EDA软件工具的厂商有近百家之多，可以分为两大类：一类是软件工具的厂商有近百家之多，可以分为两大类：一类是EDA专业软件公司专业软件公司开发的通用开发的通用EDA软件工具，另一类是半导体器件厂商，为了销售公司产品开发的专用软件工具，另一类是半导体器件厂商，为了销售公司产品开发的专用EDA软件软件工具。工具。 通用通用EDA软件工具：软件工具：具有良好的标准化和兼容性，与半导体器件厂商无关。通用具有良好的标准化和兼容性，与半导体器件厂商无关。通用EDA软件工具对硬件环境以及操作系统要求比较高，工具资金投入比较大。这些工具功能齐全、软件工具对硬件环境以及操作系统要求比较高，工具资金投入比较大。这些工具功能齐全、性能优良，涉及电子设计的许多领域，如数字电路设计、模拟电路设计、数模混合设计、性能优良，涉及电子设计的许多领域，如数字电路设计、模拟电路设计、数模混合设计、通信系统设计、自动测试向量生成、仿真综合、仿真验证、电磁兼容设计、通信系统设计、自动测试向量生成、仿真综合、仿真验证、电磁兼容设计、IC设计等。比设计等。比较著名的较著名的EDA专业软件公司有：专业软件公司有：Cadence、Mentor 、Synopsys 等。等。 专用专用EDA软件工具：软件工具：世界上比较有名的世界上比较有名的PLD器件厂商有器件厂商有Altera、Xilinx、Lattice、Actel、AMD等。这些器件公司开发的等。这些器件公司开发的EDA软件工具，只能用来开发本公司的软件工具，只能用来开发本公司的PLD器件，这些工具器件，这些工具一般都具有前面提到的一般都具有前面提到的5个基本模块，操作简单，对硬件环境要求低，资金投入小。专用个基本模块，操作简单，对硬件环境要求低，资金投入小。专用EDA软件工具可以针对本公司器件的特点进行优化设计，在资源利用率、降低功耗、改善软件工具可以针对本公司器件的特点进行优化设计，在资源利用率、降低功耗、改善性能等方面都有优势。性能等方面都有优势。2.3 FPGA开发工具开发工具 全球专用全球专用EDA工具很多，这里只介绍目前设计师常用的针对工具很多，这里只介绍目前设计师常用的针对FPGA开发的专用工具。开发的专用工具。 Altera公司工具：公司工具：MAX+plusII和和QuartusII，工具易学易用，具有可视化界面、集成设计，工具易学易用，具有可视化界面、集成设计环境、工业标准的工具接口等。设计人员无需精通器件的内部原理，只需运用自己熟悉的输入环境、工业标准的工具接口等。设计人员无需精通器件的内部原理，只需运用自己熟悉的输入方法进行设计，通过方法进行设计，通过MAX+plusII和和QuartusII把设计转换为器件下载所需要的文件格式。把设计转换为器件下载所需要的文件格式。 Xilinx公司工具：公司工具：早期的早期的Foundation和目前的和目前的ISE 。根据。根据PLD的设计流程，这些集成软件开的设计流程，这些集成软件开发系统包含设计流程所需要的各种开发工具，如项目管理器、设计输入工具、逻辑综合工具、发系统包含设计流程所需要的各种开发工具，如项目管理器、设计输入工具、逻辑综合工具、布局布线工具、下载编程工具以及布局布线工具、下载编程工具以及IP Core产生工具等。产生工具等。 Lattice公司工具：公司工具：公司已推出第四代开发软件公司已推出第四代开发软件ispDesign EXPERT。在这之前，先后有。在这之前，先后有pDS开发软件、开发软件、ispSynario System 开发软件和开发软件和ispEXPERT System开发软件，这些开发软件均可对开发软件，这些开发软件均可对该公司的所有该公司的所有ispLSI器件进行设计文件的输入、编译、仿真、下载。器件进行设计文件的输入、编译、仿真、下载。2.4 FPGA设计资源设计资源 开始开始FPGA设计，首先面临的就是开发工具的选择。设计，首先面临的就是开发工具的选择。一般希望选择低成本或是免费开发工具一般希望选择低成本或是免费开发工具和设计资源。根据和设计资源。根据FPGA芯片型号，可以选择该公司提供的芯片型号，可以选择该公司提供的FPGA设计工具。例如，选择设计工具。例如，选择Xilinx公司的公司的FPGA芯片，可以使用该公司的开发工具芯片，可以使用该公司的开发工具ISE。选择。选择Altera公司的公司的FPGA芯片，可以使用该芯片，可以使用该公司的开发工具公司的开发工具QuartusII。 接着，是设计资源的选择。接着，是设计资源的选择。对于规模大且功能复杂的对于规模大且功能复杂的FPGA设计，如果所有的设计都从头开设计，如果所有的设计都从头开始不切实际，效率低。解决方法可以是：通用模块的设计可以选择已有的设计模块，而把精力始不切实际，效率低。解决方法可以是：通用模块的设计可以选择已有的设计模块，而把精力放在系统中独特的设计部分。已有的通用设计模块称为放在系统中独特的设计部分。已有的通用设计模块称为IP（Intellectual Property）核。）核。 IP核资源一般分为软核和硬核。核资源一般分为软核和硬核。软核指的是以硬件描述语言进行描述的设计模块，允许用软核指的是以硬件描述语言进行描述的设计模块，允许用户调用、或者重新定义性能参数的户调用、或者重新定义性能参数的IP核。硬核指的是以版图形式描述的设计模块，由于硬核基核。硬核指的是以版图形式描述的设计模块，由于硬核基于一定的设计工艺，设计者不能对其进行改动。目前，大量的于一定的设计工艺，设计者不能对其进行改动。目前，大量的IP产品已经开始销售和使用，各产品已经开始销售和使用，各种微处理器、通用串行接口、中断控制器、并行输入输出接口、直接存储器存取、数字信号处种微处理器、通用串行接口、中断控制器、并行输入输出接口、直接存储器存取、数字信号处理器、理器、PCI总线以及各种存储器等等都有其商品化的总线以及各种存储器等等都有其商品化的IP核可供选用。基于核可供选用。基于IP复用的开发给设计者复用的开发给设计者带来了诸多的便利：节省时间、缩短开发周期、避免重复劳动等。带来了诸多的便利：节省时间、缩短开发周期、避免重复劳动等。 FPGA设计过程中使用设计过程中使用IP核的来源有三个方面：核的来源有三个方面：自行设计多年积累的自行设计多年积累的IP核、核、FPGA厂商提厂商提供的供的IP核、第三方提供的核、第三方提供的IP核。核。 FPGA厂商提供的厂商提供的IP核有两类，一类免费，一类付费。核有两类，一类免费，一类付费。免费资源已经集成在免费资源已经集成在FPGA开发环开发环境中，可以直接使用，设计者应当充分使用这类资源。付费资源可以从境中，可以直接使用，设计者应当充分使用这类资源。付费资源可以从FPGA厂商网站上获得厂商网站上获得信息。信息。 第三方提供的第三方提供的IP核也有免费和付费两类。核也有免费和付费两类。免费免费IP核可以登录工业界的开源核可以登录工业界的开源IP库网站：库网站：www.opencores.org，在，在Opencores网站中已经积累了算术单元、通信控制器、协处理器、密码网站中已经积累了算术单元、通信控制器、协处理器、密码处理器、数字信号处理器、嵌入式处理器等大量的免费资源。这些资源的合理使用可以有效地处理器、数字信号处理器、嵌入式处理器等大量的免费资源。这些资源的合理使用可以有效地提高提高FPGA设计效率。设计效率。2.5 FPGA应用系统举例应用系统举例 多功能函数发生器：多功能函数发生器：可以产生正弦波、三角波、方波和锯齿波等四种函数信号且频率可可以产生正弦波、三角波、方波和锯齿波等四种函数信号且频率可调。系统设置两个拨动开关调。系统设置两个拨动开关A、B，实现四种函数信号的选择：，实现四种函数信号的选择： （1）拨动开关）拨动开关AB=00时，产生方波信号；时，产生方波信号； （2）拨动开关）拨动开关AB=01时，产生锯齿信号；时，产生锯齿信号； （3）拨动开关）拨动开关AB=10时，产生三角波信号；时，产生三角波信号； （4）拨动开关）拨动开关AB=11时，产生正弦波信号。时，产生正弦波信号。 多功能函数发生器系统框图：多功能函数发生器系统框图：FPGA是大规模数字集成芯片，函数发生器要求产生的信是大规模数字集成芯片，函数发生器要求产生的信号有模拟信号，因此除了需要号有模拟信号，因此除了需要FPGA，还需要数模转换器，还需要数模转换器DAC芯片，将芯片，将FPGA产生的数字信号产生的数字信号转换成模拟信号输出，系统框图如图所示。转换成模拟信号输出，系统框图如图所示。 FPGA芯片提供两种功能：芯片提供两种功能：一是根据多功能函数发生器的设计要求，产生四种函数信号，一是根据多功能函数发生器的设计要求，产生四种函数信号，根据拨动开关的位置，输出某种函数的数字信号。二是将函数数字信号送至数模转换器，根根据拨动开关的位置，输出某种函数的数字信号。二是将函数数字信号送至数模转换器，根据数模转换器的信号时序要求，产生与模数转换器协调配合的控制信号，使模数转换器输出据数模转换器的信号时序要求，产生与模数转换器协调配合的控制信号，使模数转换器输出该函数的模拟信号。该函数的模拟信号。 简易多功能函数发生器系统框图简易多功能函数发生器系统框图数模转换器数模转换器FPGA时钟信号时钟信号AB函数信号输出函数信号输出对对FPGA内部各模块进行调试，调试通过后下载到内部各模块进行调试，调试通过后下载到FPGA芯片中。连接芯片中。连接 FPGA与与DAC芯片，系统运芯片，系统运行。用示波器测试行。用示波器测试DAC模拟电压端模拟电压端Vo，调整开关，调整开关A、B，观察到的输出波形如图所示。，观察到的输出波形如图所示。u FPGA （Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device ） 。u 本章首先介绍可编程逻辑器件PLD的工作原理，了解FPGA的形成和起源。u 接着，介绍FPGA器件结构，FPGA器件的编程以及FPGA器件的选择。u 通过本章的学习，可以了解到FPGA的起源、性能、结构、编程及其选用，为今后使用FPGA提供一些借鉴和参考。 3.1 PLD概述 3.2 ASIC概述 3.3 FPGA器件结构 3.4 FPGA器件选择 3.5 FPGA器件编程 第3章 FPGA器件原理3.1 PLD概述概述 PLD是英文Programmable Logic Device 的缩写，称为可编程逻辑器件，是20世纪70年代发展起来的一种新型逻辑器件。PLD是大规模集成电路的产物，它可以由设计师自行对器件功能进行设计编程，实现设计者所希望的逻辑功能。PLD的发展实现了设计师的梦想，设计师可以利用软件工具在计算机环境下快速设计、仿真验证、测试设计方案。然后，将设计方案编程（或称下载）到PLD芯片中，直接投入使用。1.可编程逻辑器件特点：80年代后期，随着集成电路技术和计算机技术的进步，PLD发展迅速。PLD的出现打破了由中小规模通用集成电路和大规模专用集成电路垄断的天下。PLD具有集成度高，速度快，功耗小，可靠性高，研制周期短，先期投资小，修改逻辑设计灵活方便，小批量生产成本低等特点及优势。PLD已经应用在许多高科技应用领域，如航空航天、医疗设备、电信系统、计算机系统、通信制造业以及各种消费电子产品。2.可编程逻辑器件发展：可编程逻辑器件经历了从可编程只读存储器PROM（Programmable Read Only Memory）、可编程逻辑阵列PLA（Programmable Logic Array）、可编程阵列逻辑PAL（Programmable Array Logic）、通用阵列逻辑GAL（Generic Array Logic），到大规模集成电路技术的可擦除可编程逻辑器件EPLD（Erasable Programmable Logic Device）、复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）、现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）的过程，在器件结构、工艺、集成度、功能、速度和灵活性等方面PLD都有了很大的改进和提高。3.可编程逻辑器件分类：可按编程技术、集成度、逻辑单元结构以及阵列编程的不同分别进行分类。按编程技术分类：以实现PLD器件编程信息转换的物理技术不同进行分类，有一次性编程OTP（One Time Programmable）和多次编程两类。OTP器件只允许对FPGA进行一次编程，编程之后不能再次修改。多次编程器件允许对FPGA多次编程，使用方便，容易修改设计方案。按集成度分类：分为低密度可编程逻辑器件（LDPLD）和高密度可编程逻辑器件（HDPLD）两类。LDPLD通常指集成度小于1000门的PLD，70年代初期至80年代中期的PROM、PLA、PAL和GAL均属于LDPLD。HDPLD通常指集成度大于1000门的PLD，80年代后期的EPLD，CPLD和FPGA均属于HDPLD。按逻辑单元结构分类：分为查找表型、多路选择器型和乘积项型结构。查找表型逻辑单元一般有4输入端，可产生任何4输入逻辑函数，输出可以是寄存器型或者组合型。查找表型逻辑单元能快速有效地实现数据通道、增强型寄存器、数学运算及数字信号处理器的设计。多路选择器型逻辑单元通过多路数据选择器实现各种逻辑函数。乘积项型逻辑单元由与门阵列、或门和触发器组成，乘积项型结构适于实现复杂组合逻辑、状态机设计等。PROM （Programmable Read Only Memory）工作原理：1970年，出现了第一个最简单的可编程逻辑器件PROM，最初PROM只是作为计算机存储器使用，用来存储程序和数据。由于PROM是与或阵列形式，因此也能够方便地实现多输入多输出组合函数。右图给出一个与阵列固定、或阵列可编程的PROM示意图，只说明PROM的工作原理，不代表PROM的实际电路。图中与阵列是一个全译码的固定阵列，输入3个变量，输出为2n 个最小项。或阵列由用户编程，可以实现3输出的函数。每一个输出可根据需要任意选择一些最小项相或，在输出端产生若干个最小项之和的组合函数。PLA （Programmable Logic Array）工作原理：PROM的进一步演化产生了与/或阵列均可编程的可编程阵列逻辑PLA，1975年PLA首次投入使用。PLA与PROM相比，提高了芯片利用率，缩小了系统体积。由于信号通过可编程连线所需时间比PROM固定与阵列要长，因此器件工作速度不够高。目前，PLA已不常使用。PLA结构如图所示，与/或阵列均可编程。与阵列可编程：采用部分译码方式，通过编程使其产生所需要的乘积项，乘积项不一定是全部n个输入的组合。或阵列可编程：选择所需的乘积项相或，在输出端产生乘积项之和的函数。PAL （Programmable Array Logic）工作原理：20世纪70年代末期，出现了与阵列可编程，或阵列固定的PAL器件，这种结构不仅能实现多数逻辑功能，而且比PLA速度快。 GAL （Generic Array Logic）工作原理： 1985年，Lattice公司设计的通用阵列逻辑GAL器件以及随后出现的可擦除可编程逻辑器件EPLD（Erasable Programmable Logic Device）等都具有与PAL相似的结构。PAL结构：与阵列可编程或阵列固定CPLD（Complex Programmable Logic Device）工作原理：1984年，Altear公司发明了基于CMOS和EPROM技术组合的CPLD。CMOS技术的利用，使CPLD的功耗很低，且密度和复杂度很高。EPROM技术的利用，使CPLD具有可编程性，使用CPLD的设计修改变得非常方便。CPLD还采用了可编程互连阵列，保证了器件的速度、功耗和成本。CPLD总体结构：由简单可编程逻辑单元块（SPLD块）、公共可编程互连矩阵构成，互连矩阵实现各逻辑单元块之间的连接。互连矩阵中的可编程开关可以是EPROM、E2PROM、Flash ROM或SRAM，这取决于选择的CPLD制造商和器件系列。3.2 ASIC概述概述 专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）出现在20世纪80年代后期至90年代初期，ASIC相对于标准集成电路或通用集成电路而言，是一种为用户专门设计和制造的专用集成电路，有全定制、门阵列和标准单元ASIC之分。 1.全定制器件：是基于晶体管级的ASIC设计。设计者使用版图设计系统，针对每个元件进行电路参数和版图参数的设计，从晶体管的版图尺寸、位置及互连线开始设计，设计全部按用户的要求进行，使每个元件的位置及其内部连接最为合理。全定制以尽可能小的芯片面积和尽可能高的系统性能为目标，适用于要求高速度、低功耗和最小芯片面积的设计，对于大批量的ASIC生产具有成本低的优势。2.门阵列：是基于基本单元级的ASIC设计。门阵列的基本结构是在硅片上预先做好的晶体管阵列、固定的输入及输出的压焊块位置、固定的布线通道，这种阵列分布的晶体管基片被称为门阵列母片，通过对母片上阵列分布的逻辑门进行金属化的互连实现电路的设计。门阵列内部的晶体管是预先已经定制的，只有金属连接层需要定制，因此设计过程自动化程度较高、生产周期短且价格低，比较适合于批量小的ASIC设计。3.标准单元：是基于标准单元的ASIC设计，标准单元有：触发器、与非门等，其版图已预先设计，放在版图库中。用户根据设计要求，直接调用版图库中已有的标准电路，按行排列方式将其放置，单元之间的空隙作为单元之间的布线通道，布线通道的宽度可以自行设计。标准单元ASIC设计，其电路性能、芯片利用率及灵活性均优于门阵列ASIC设计。 3.3 FPGA器件结构器件结构 现场可编程门阵列FPGA由美国Xilinx公司于1984年最先推出。短短二十几年来，FPGA的单片集成密度、时钟频率、功能等各方面的发展今非昔比，新型FPGA包含嵌入式处理器，嵌入式DSP，专用存储器，收发器及时钟管理系统等。随着性能不断完善， FPGA受到世界范围内电子设计师的普遍欢迎。 FPGA由可编程门阵列和可编程逻辑器件二者演变而来，因此FPGA既有门阵列器件的高集成度和通用性，又有可编程逻辑器件的用户可编程性。FPGA与传统的可编程逻辑器件PLD相比，规模更大，功能更强，速度更快，功耗更低，适用性更广；与专用集成电路ASIC相比，具有开发周期短，设计灵活性大，非大批量生产时设计成本低等诸多优势。FPGA框架结构由三部分组成：可编程输入/输出模块I/OB (I/O Block)可配置逻辑模块CLB (Configurable Logic Block)可编程内部连线PI (Programmable Interconnect) I/OB：位于芯片内部四周，主要由逻辑门、触发器和控制单元组成。在内部逻辑阵列与外部芯片封装引脚之间提供一个可编程接口。CLB：是FPGA的核心阵列，用于构造用户指定的逻辑功能，不同生产厂商的FPGA器件其不同之处主要在核心阵列。每个CLB主要由查找表LUT（Look Up Table）、触发器、数据选择器和控制单元组成。PI：位于CLB之间，用于传递信息。编程后形成连线网络，提供CLB之间、CLB与I/OB之间的连线。Xilinx公司FPGA：核心阵列由逻辑单元LC（Logic Cell）组成，若干个LC组成可配置逻辑模块CLB。每个LC简化后都可以看作由4输入查找表LUT、一个多路数据选择器和一个寄存器组成。 4输入的查找表LUT：实现任意4输入逻辑函数。寄存器：可以配置为触发器或锁存器，其控制信号可以根据设计师