第01章-全加器的设计.ppt
第1章 全加器设计目录1.1 1.1 项目需求分析项目需求分析1.2 1.2 项目理论知识项目理论知识1.3 1.3 项目设计项目设计1.4 1.4 项目实施与调试项目实施与调试1.5 1.5 项目总结与拓展项目总结与拓展1.1 1.1 项目需求分析项目需求分析全加器是基本的组合逻辑运算电路全加器是基本的组合逻辑运算电路,设计一个典型设计一个典型位二进制全加器模型位二进制全加器模型,要求要求:()使用拨码开关模块作为全加器输入使用拨码开关模块作为全加器输入;()使用使用LEDLED灯模块作为全加器输出灯模块作为全加器输出;()通过设置拨码开关通过设置拨码开关,可以准确进行全加运算可以准确进行全加运算,由由LEDLED灯显示并验证结果灯显示并验证结果.1.2 1.2 项目理论知识项目理论知识1.2.1 1.2.1 EDAEDA技术简介技术简介1.2.2 1.2.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件的硬件结构的硬件结构1.2.3 Quartus1.2.3 Quartus集成开发环境集成开发环境1.2.1 EDA1.2.1 EDA技术简介技术简介一、一、EDAEDA技术的概念技术的概念EDA EDA 是是Electronic Design AutomationElectronic Design Automation(电子设计自动电子设计自动化化)的缩写的缩写.EDA EDA 技术以技术以计算机计算机为工具为工具,设计者在设计者在EDA EDA 软件平台上软件平台上,用用硬件描述语言完成设计文件硬件描述语言完成设计文件,然后由计算机然后由计算机自动地自动地完成完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真真,以及对特定目标芯片的以及对特定目标芯片的适配适配编译、逻辑映射和编程编译、逻辑映射和编程下载等工作下载等工作.1.2.1 1.2.1 EDAEDA技术简介技术简介二、二、EDAEDA技术的发展技术的发展计算机辅助设计（计算机辅助设计（CADCAD）阶段阶段计算机辅助工程设计（计算机辅助工程设计（CAECAE）阶段阶段电子设计自动化（电子设计自动化（EDAEDA）阶段）阶段 1.2.1 1.2.1 EDAEDA技术简介技术简介三、三、EDAEDA技术的主要内容技术的主要内容可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（EDA EDA 技术的主要目标器件技术的主要目标器件）可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)(PLD)是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件新型逻辑器件,主要主要有现场可编程门阵列有现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Field Programmable Gate Array,FPGAArray,FPGA)和复杂和复杂可编程逻辑器件可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Complex Programmable Logic Device,CPLD)Device,CPLD)。硬件描述语言（硬件描述语言（EDA EDA 技术的主要描述和表达方式技术的主要描述和表达方式）硬件硬件描述语言描述语言(HDL)(HDL)是是EDA EDA 技术的主要组成部分技术的主要组成部分,是是EDA EDA 各各种描述方法中最能种描述方法中最能体现体现优越性的一种描述优越性的一种描述方法。所谓方法。所谓硬件描述硬件描述语言语言,就是用于描述设计系统的逻辑功能就是用于描述设计系统的逻辑功能,实现实现该功能的算法、电路结构、约束条件该功能的算法、电路结构、约束条件等。等。软件开发工具（软件开发工具（EDA EDA 技术的开发平台技术的开发平台）()集成的集成的PLD/FPGA PLD/FPGA 开发环境开发环境()综合软件综合软件()仿真软件仿真软件 1.2.1 1.2.1 EDAEDA技术简介技术简介四、四、EDAEDA技术的设计流程技术的设计流程（1 1）个设计步骤个设计步骤设计准备设计准备设计输入设计输入设计处理设计处理器件编程器件编程（2 2）个设计验证个设计验证过程过程功能仿真功能仿真(前仿真前仿真)时序时序仿真仿真(后仿真后仿真)器件测试器件测试.1.2.1 1.2.1 EDAEDA技术简介技术简介设计准备设计准备主要进行系统功能分析和器件选择主要进行系统功能分析和器件选择,准备设计所用的硬准备设计所用的硬件平台和软件开发平台件平台和软件开发平台.设计输入设计输入可以采用不同输入形式完成设计可以采用不同输入形式完成设计.()原理图原理图输入输入()硬件描述语言硬件描述语言输入输入()波形输入波形输入1.2.1 1.2.1 EDAEDA技术简介技术简介设计处理设计处理()语法和设计规则语法和设计规则检查检查()逻辑优化和逻辑优化和综合综合()适配和适配和分割分割()布局和布局和布线布线()生成编程数据文件生成编程数据文件设计设计校验校验设计校验过程包括功能仿真、时序仿真和器件测试设计校验过程包括功能仿真、时序仿真和器件测试,是是在设计处理过程中同时进行的在设计处理过程中同时进行的.1.2.1 1.2.1 EDAEDA技术简介技术简介设计校验设计校验设计校验过程包括功能仿真、时序仿真和器件测试设计校验过程包括功能仿真、时序仿真和器件测试,是是在设计处理过程中同时进行的在设计处理过程中同时进行的.器件编程器件编程器件编程是指将编程数据放到具体的可编程器件中器件编程是指将编程数据放到具体的可编程器件中.1.2.2 1.2.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件的硬件结构的硬件结构一、可编程逻辑器件的基本结构与分类一、可编程逻辑器件的基本结构与分类可编程逻辑器件的基本结构可编程逻辑器件的基本结构可编程逻辑器件由输入接口、与门阵列、或门阵列和输可编程逻辑器件由输入接口、与门阵列、或门阵列和输出接口个模块组成出接口个模块组成.1.2.2 1.2.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件的硬件结构的硬件结构可编程逻辑器件的分类可编程逻辑器件的分类可编程逻辑器件按集成度可编程逻辑器件按集成度,可分为低集成度可编程逻辑可分为低集成度可编程逻辑器件和高集成度可编程逻辑器件。器件和高集成度可编程逻辑器件。1.2.2 1.2.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件的硬件结构的硬件结构低集成度可编程逻辑器件低集成度可编程逻辑器件（1）PROM：Programmable Read Only Memory（2）PLA：Programmable Array Logic（3）PAL：Programmable Logic Array（4）GAL：Generic Array Logic1.2.2 1.2.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件的硬件结构的硬件结构4高集成度可编程逻辑器件高集成度可编程逻辑器件（1）EPLD：Erasable Programmable Logic Device（2）CPLD：Complex Programmable Logic Device宏单元是宏单元是CPLD的基本结构的基本结构,由它来实现基本的逻辑功由它来实现基本的逻辑功能能.可编程连线负责信号传递可编程连线负责信号传递,连接所有的宏单元连接所有的宏单元.I/O 引脚控制块负责输入、输出的电气特性控制引脚控制块负责输入、输出的电气特性控制,比如比如可以设定集电极开路输出、摆率控制、三态输出等可以设定集电极开路输出、摆率控制、三态输出等.（3）FPGA：Field Programmable Gate ArrayIOE(inputoutputelement,输入输出单元输入输出单元)LAB(logicarrayblock,逻辑阵列块逻辑阵列块)Interconnect(内部连接线内部连接线).1.2.2 1.2.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件的硬件结构的硬件结构二、可编程逻辑器件的主要厂商二、可编程逻辑器件的主要厂商Altera公司公司Xilinx公司公司Lattice公司公司Actel公司公司Lucent公司公司Atmel公司公司1.2.3 1.2.3 QuartusQuartus集成开发环境集成开发环境 Altera QuartusAltera Quartus设计软件提供完整的多平台设设计软件提供完整的多平台设计环境计环境,能够直接满足特定能够直接满足特定设计需要设计需要,为可编程芯片为可编程芯片系统系统(SOPC)(SOPC)提供全面的设计环境提供全面的设计环境.Quartus.Quartus软件含软件含有有FPGA FPGA 和和CPLD CPLD 设计所有阶段的解决方案设计所有阶段的解决方案.1.2.3 1.2.3 码制码制 无权码每位无确定的权值，不能使用权展开式，无权码每位无确定的权值，不能使用权展开式，但各有其特点和用途，例如格雷码（又叫循环码、但各有其特点和用途，例如格雷码（又叫循环码、反射码），其相邻两个编码只有一位码状态不同，反射码），其相邻两个编码只有一位码状态不同，在逻辑函数卡诺图化简中将会用到这一特点。表在逻辑函数卡诺图化简中将会用到这一特点。表1-11-1列出了几种常用的列出了几种常用的BCDBCD码。码。1.3 1.3 项目项目设计设计1.3.1 1.3.1 项目项目功能分析功能分析1.3.2 1.3.2 项目硬件设计项目硬件设计1.3.3 1.3.3 项目软件设计项目软件设计1.3.1 1.3.1 项目功能分析项目功能分析1.3.2 1.3.2 项目项目硬件设计硬件设计1.3.3 1.3.3 项目项目软件设计软件设计1.4 1.4 项目项目实施与调试实施与调试1.4.1 1.4.1 项目项目实施实施1.4.2 1.4.2 项目调试项目调试1.4.1 1.4.1 项目实施项目实施一、设计一、设计输入输入建立建立工程工程建立设计建立设计文件文件二、设计二、设计处理处理三、设计三、设计校验校验四、器件编程四、器件编程1.4.2 1.4.2 项目调试项目调试一、电路调试一、电路调试拨动拨码开关拨动拨码开关,查看发光二极管的亮灭情况查看发光二极管的亮灭情况,看是否符合全加器的逻辑要求和设计看是否符合全加器的逻辑要求和设计要求要求.二、故障现象与分析二、故障现象与分析()拨动拨码开关拨动拨码开关,但但LEDLED灯不亮灯不亮:引脚没有分引脚没有分配好配好,需检查并重新分配引脚需检查并重新分配引脚;()拨动拨码开关拨动拨码开关,但但LEDLED灯亮灭情况错误灯亮灭情况错误:电电路设计逻辑出错路设计逻辑出错,需检查并纠正错误需检查并纠正错误.1.5 1.5 项目项目总结与拓展总结与拓展1.5.1 1.5.1 项目项目总结总结1.5.2 1.5.2 项目拓展项目拓展1.5.1 1.5.1 项目总结项目总结掌握可编程逻辑器件硬件掌握可编程逻辑器件硬件结构结构掌握掌握EDA EDA 设计设计流程流程掌握掌握QuartusQuartus软件设计步骤软件设计步骤1.5.2 1.5.2 项目拓展项目拓展简述简述CPLDCPLD和和FPGA FPGA 的不同点的不同点.简述简述QuartusQuartus软件的设计流程软件的设计流程.采用原理图输入法采用原理图输入法,利用基本门电路设计实现一利用基本门电路设计实现一个位全加器个位全加器.采用原理图输入法采用原理图输入法,利用基本门电路设计实现一利用基本门电路设计实现一个路选择器个路选择器.采用原理图输入法采用原理图输入法,利用基本门电路设计实现一利用基本门电路设计实现一个位全减器个位全减器.
