第一讲 EDA技术与大规模可编程逻辑器件.ppt

EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富EDA 技技 术术课课程程教教学学讲授：伍宗富1/14/2023湖南文理学院电气与信息工程学院EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富第第一一讲讲EDA技术与大规模可编程逻辑器件技术与大规模可编程逻辑器件1.1.教学目的教学目的：使学生了解使学生了解EDAEDA技术的涵义技术的涵义，EDAEDA的工程设计流程，的工程设计流程，2.2.CPLD/FPGACPLD/FPGA器件及其器件及其配置模式配置模式；掌握；掌握CPLD/FPGACPLD/FPGA的的3.3.开发应用选择，开发应用选择，VHDLVHDL的的程序基本结构程序基本结构。4.4.教学重点教学重点：CPLD/FPGACPLD/FPGA器件及其器件及其配置模式配置模式；VHDLVHDL的程序的程序基本结构基本结构。5.5.教学难点教学难点：VHDLVHDL与与CPLD/FPGACPLD/FPGA工程实现。工程实现。6.6.教学方法教学方法：讲授法、计算机辅助法。讲授法、计算机辅助法。7.7.课时计划课时计划：2 2学时学时8.8.使用教材使用教材：EDAEDA技术及应用谭会生等西安：西安电子科技大学出版社技术及应用谭会生等西安：西安电子科技大学出版社 9.9.主要参考文献主要参考文献:10.10.1 1 徐光辉等徐光辉等CPLD/FPGACPLD/FPGA的开发和应用的开发和应用 MM北京：电子工业出版社北京：电子工业出版社11.11.2 2 侯侯伯伯亨亨等等.VHDLVHDL硬硬件件描描述述语语言言与与数数字字逻逻辑辑电电路路设设计计 M.M.西西安安：西西安安电电子子科科技技大大学学出出版版社社12.12.3 3 http:/http:/13.13.4 4 周立功等周立功等SOPCSOPC嵌入式系统基础教程嵌入式系统基础教程 MM北京：北京航空航天大学出版社北京：北京航空航天大学出版社EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富课题：课题：EDA技术与大规模可编程逻辑器件技术与大规模可编程逻辑器件一、一、EDA技术及其发展技术及其发展二、二、CPLD与与FPGA器件器件三、三、VHDL程序基本结构程序基本结构四四、课、课堂堂小结小结五、作业五、作业EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富一、一、EDAEDA技术及其发展技术及其发展1.1.EDAEDA技术的涵义技术的涵义 Electronic Design Automation 即电子设计自动化电子设计自动化。狭义的狭义的EDA技术技术：以以大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件为设计为设计载体载体，以，以硬件描述硬件描述语言语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、逻辑映射、编程下载编程下载等工作，最终形成等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片集成电子系统或专用集成芯片的一门的一门新技术，或称为新技术，或称为IES/ASICIES/ASIC自动设计技术。自动设计技术。广义的广义的EDAEDA技术技术：包含狭义的包含狭义的EDAEDA技术外，还包括技术外，还包括计算机辅助分析计算机辅助分析CAACAA技术技术(如如PSPICEPSPICE，EWBEWB，MATLABMATLAB等等)，印刷电路板，印刷电路板计算机辅助设计计算机辅助设计PCB-CADPCB-CAD技术技术(如如PROTELPROTEL，ORCADORCAD等等)。在广义的。在广义的EDAEDA技术中，技术中，CAACAA技术和技术和PCB-CADPCB-CAD技术不具备技术不具备逻辑综合和逻辑适配的功能，因此它并不能称为真正意义上的逻辑综合和逻辑适配的功能，因此它并不能称为真正意义上的EDAEDA技术。故将技术。故将广义的广义的EDAEDA技术称为技术称为现代电子设计技术现代电子设计技术更为合适。更为合适。EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富2.2.EDAEDA的工程设计的工程设计1 1）传统设计方法和）传统设计方法和 EDAEDA方法的区别方法的区别 传统设计方法：传统设计方法：自下而上自下而上（Bottom-up)Bottom-up)的设计方法，是以的设计方法，是以固定功能元件固定功能元件为基础，基于为基础，基于电路板电路板的设计方法的设计方法固定功能元件电路板设计完整系统构成系统调试、测试与性能分析系统功能需求输入输出EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富2.2.EDAEDA的工程设计的工程设计1 1）传统设计方法和）传统设计方法和 EDAEDA方法的区别方法的区别 EDAEDA方法：方法：自上而下自上而下（Top-Down)Top-Down)的设计方的设计方法。其方案验证与设计、法。其方案验证与设计、系统逻辑综合、布局布线、系统逻辑综合、布局布线、性能仿真、器件编程等均性能仿真、器件编程等均由由 EDAEDA工具工具一体化完成。一体化完成。v自上而下是指将数字系自上而下是指将数字系统的整体逐步统的整体逐步分解为各个分解为各个子系统和模块子系统和模块，若子系统，若子系统规模较大，则还需将子系规模较大，则还需将子系统进一步分解为更小的子统进一步分解为更小的子系统和模快，层层分解，系统和模快，层层分解，直至整个系统中各个子系直至整个系统中各个子系统关系合理，并便于逻辑统关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。电路级的设计和实现为止。自上而下设计中可自上而下设计中可逐层描逐层描述，逐层仿真，保证满足述，逐层仿真，保证满足系统指标。系统指标。系统规格设计功能级描述功能级仿真逻辑综合、优化、布局布线定时仿真、定时检查输出门级网表ASIC芯片投片、PLD器件编程、测试EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富2.2.EDAEDA的工程设计的工程设计2 2）传统设计方法和）传统设计方法和 EDAEDA方法比较方法比较 传统方法传统方法a.a.从下至上；从下至上；b.b.通用的逻辑元、器件；通用的逻辑元、器件；c.c.系统硬件设计的后期系统硬件设计的后期 进行仿真和调试；进行仿真和调试；d.d.主要设计文件是主要设计文件是电原电原 理图理图。EDAEDA方法方法 a.a.从上至下；从上至下；b.b.可编程逻辑器件；可编程逻辑器件；c.c.系统设计的早期进行仿系统设计的早期进行仿 真和修改；真和修改；d.d.多种设计文件，发展趋多种设计文件，发展趋 势势以以VHDLVHDL描述文件为主描述文件为主；e.e.降低硬件电路设计难度。降低硬件电路设计难度。EDAEDA技术极大地技术极大地降低降低硬件电路设计硬件电路设计难度难度，提高提高设计设计效率效率，是电子系统设计方法的质的飞跃。，是电子系统设计方法的质的飞跃。EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富2.2.EDAEDA的工程设计的工程设计3 3）EDAEDA的工程设计流程的工程设计流程文本编辑器、图形编辑器文本编辑器、图形编辑器VHDL综合器综合器（逻辑综合、优化）（逻辑综合、优化）FPGA/CPLD布线布线/适配器适配器（自动优化、布局、布线、适配）（自动优化、布局、布线、适配）VHDL仿真器仿真器（行为仿真、（行为仿真、功能仿真、功能仿真、时序仿真）时序仿真）编程器编程器/下载电缆下载电缆（编程、下载编程、下载）测试电路测试电路（硬件测试）（硬件测试）网网表表文件文件（EDIF、XNL、VHDL)门级仿真器门级仿真器（功能仿真、（功能仿真、时序仿真）时序仿真）各种编程文件各种编程文件VHDL源程序源程序EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富1.1.CPLDCPLD和和FPGAFPGA的区别的区别 PLD（ProgrammableLogicDevices）:可编程逻辑器件；可编程逻辑器件；CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）:复杂可编程逻辑器件；复杂可编程逻辑器件；FPGA（FieldProgrammableGateArray）:现场可编程门阵列。现场可编程门阵列。主流公司主流公司:ALTERA（阿特喇）阿特喇）Xilinx（西林克司）西林克司）Lattice（莱迪思）等公司。莱迪思）等公司。主要区别：主要区别：1 1）结构上不同）结构上不同 CPLDCPLD器件：采用器件：采用EEPROMEEPROM工艺的可编程逻辑器件；结构主要由逻辑阵列块（工艺的可编程逻辑器件；结构主要由逻辑阵列块（LABLAB）、）、扩展乘积项扩展乘积项、可编程输入可编程输入/输出单元和可编程连线组成。输出单元和可编程连线组成。FPGAFPGA器件：采用基于器件：采用基于SRAMSRAM的查找表（的查找表（LUTLUT）逻辑结构形式的可编程逻辑器件；逻辑结构形式的可编程逻辑器件；逻辑结构主要由可编程逻辑宏单元、可编程输入逻辑结构主要由可编程逻辑宏单元、可编程输入/输出单元和可编程输出单元和可编程 连线组成。连线组成。2 2）集成度不同）集成度不同（寄存逻辑门（寄存逻辑门CPLDCPLD少少、FPGAFPGA多多）3 3）应用范围不同）应用范围不同（CPLDCPLD逻辑能力强而寄存器逻辑能力强而寄存器少少，适用于，适用于控制控制密集型密集型系统系统；FPGAFPGA逻辑能力较弱但寄存器逻辑能力较弱但寄存器多多，适于适于数据数据密集型密集型系统系统。）。）4 4）使用方法不同）使用方法不同（CPLDCPLD器件构造的系统，器件构造的系统，不用不用配置器件；配置器件；FPGDFPGD器件构造的系统，需器件构造的系统，需用用配置器件。）配置器件。）二、二、C CPLDPLD与与FPGAFPGA器件器件EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富2.2.常用常用CPLDCPLD和和FPGAFPGA标识的含义标识的含义1 1）CPLD/FPGA CPLD/FPGA 标识标识 CPLD/FPGA CPLD/FPGA 产品上的标识大概可分为以下几类：产品上的标识大概可分为以下几类：（1 1）用于说明）用于说明生产厂家生产厂家的，如：的，如：ALTERAALTERA，LatticeLattice，XilinxXilinx是其公司名称。是其公司名称。（2 2）注册）注册商标商标，如：，如：MAXMAX是为是为ALTERAALTERA公司其公司其CPLDCPLD产品产品MAXMAX系列注册的商标。系列注册的商标。（3 3）产品）产品型号型号，如，如EPM7128SLC84-15EPM7128SLC84-15，是是ALTERAALTERA公司的一种公司的一种CPLDCPLD型号。型号。（4 4）产品）产品序列号序列号，是说明产品生产过程中的编号，是产品身份的标志。，是说明产品生产过程中的编号，是产品身份的标志。（5 5）产地产地与其它说明，如：与其它说明，如：made in Chinamade in China（中国制造）。中国制造）。2 2）CPLD/FPGA CPLD/FPGA 产品型号标识产品型号标识组成组成 CPLD/FPGA CPLD/FPGA 产品型号标识通常由以下几部分组成：产品型号标识通常由以下几部分组成：（1 1）产品系列）产品系列代码代码：如：如ALTERAALTERA公司的公司的FLEXFLEX器件系列代码为器件系列代码为EPFEPF。（2 2）品种品种代码：如代码：如ALTERAALTERA公司的公司的FLEXFLEX10K10K，10K10K即是其品种代码。即是其品种代码。（3 3）特征特征代码：也即集成度，代码：也即集成度，CPLDCPLD产品一般以逻辑宏单元数描述，而产品一般以逻辑宏单元数描述，而FPGAFPGA一般以有效逻辑门一般以有效逻辑门 来描述。如来描述。如ALTERAALTERA公司的公司的EPF10K10EPF10K10中后一个中后一个1010，代表典型产品集成度是，代表典型产品集成度是1010K K。（4 4）封装封装代码：如代码：如ALTERAALTERA公司的公司的EPM7128SEPM7128SLCLC8484中的中的LCLC，表示采用表示采用PLCCPLCC封装封装（塑料方形扁平封（塑料方形扁平封 装），装），XilinxXilinx公司用公司用PCPC描述描述,LatticeLattice公司用公司用J J来描述。来描述。（5 5）参数说明：如）参数说明：如ALTERAALTERA公司的公司的EPM7128SLC84EPM7128SLC84中的中的LC84-15LC84-15，8484代表有代表有8484个引脚个引脚，1515代表速代表速 度等级为度等级为1515nsns。但有的产品直接用系统频率来表示速度，如但有的产品直接用系统频率来表示速度，如ispLSI1016-60ispLSI1016-60，6060代表最代表最 大频率大频率6060MHzMHz。（6 6）改进型描述：一般产品设计都在后续进行改进设计，改进设计型号一般在原型号后用字改进型描述：一般产品设计都在后续进行改进设计，改进设计型号一般在原型号后用字 母表示，如有些母表示，如有些A A、B B、C C等按先后顺序编号，有些有特定的含义，如等按先后顺序编号，有些有特定的含义，如D D表示低成本型表示低成本型、E E表示增强型表示增强型、L L表示低功耗型表示低功耗型、H H表示高引脚型表示高引脚型、X X表示扩展型等。表示扩展型等。（7 7）适用的环境等级描述：一般在型号最后以字母描述，）适用的环境等级描述：一般在型号最后以字母描述，C C表示商用级（表示商用级（00至至85 85 ），），I I表示工业级（表示工业级（-40-40 至至100 100 ），），M M（表示军工级（表示军工级（-55-55 至至125 125 ）。）。EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富3.3.CPLDCPLD和和FPGA FPGA 的编程下载与配置的编程下载与配置1）JTAG边界测试技术边界测试技术 IEEE1149.1-1990规范中定义了规范中定义了5个引脚用于个引脚用于JTAG边界扫描测试边界扫描测试(BoardScanTest,BST)：TCK（TestClockInput）：）：测试测试时钟输入时钟输入引脚，作为引脚，作为BST信号的时钟信号。信号的时钟信号。TDI（Test Data Input）：测测试试信信号号输输入入引引脚脚，测测试试指指令令和和测测试试数数据据在在TCK上上升升沿沿到到来来时时输输入入BST。TDO（TestDataOutput）：测测试试信信号号输输出出引引脚脚，测测试试指指令令和和测测试试数数据据在在TCK下下降降沿沿到到来来时时从从BST输输出出。TMS（Test Mode Select）：测测试试模模式式选选择择引引脚脚，控控制制信信号号由由此此输输入入，负负责责TAP控控制制器器的的转转换换。TRST（TestResetInput）：）：测试测试复位输入复位输入引脚，可选，在引脚，可选，在低电平低电平时有效。时有效。2）CPLD和和FPGA的下载接口的下载接口 ALTERAALTERA的的ByteBlasterByteBlaster接口是一个接口是一个1010芯的混合接口，有芯的混合接口，有PSPS和和JTAGJTAG二种模式，都是串行接口。二种模式，都是串行接口。EPM7128SLC84EPM7128SLC84EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富3.3.CPLDCPLD和和FPGA FPGA 的编程下载与配置的编程下载与配置3）FPGA的配置的配置CPLD的的编编程程主主要要要要考考虑虑编编程程下下载载接接口口及及其其连连接接，而而FPGA的的配配置置除除了了考考虑虑编编程程下下载载接接口口及其及其连接连接外，还要考虑外，还要考虑配置器件配置器件问题。（现在的问题。（现在的FPGA都支持都支持JTAG配置配置）常见常见配置配置方法：方法：（1）用）用OTP配置器件配置器件配置，只适用于工业化大生产。配置，只适用于工业化大生产。（2）使用具备）使用具备ISP功能的专用芯片功能的专用芯片配置，编程次数有限，成本较高，只适合科研等场合。配置，编程次数有限，成本较高，只适合科研等场合。（3）使用）使用AS模式可多次编程的专用芯片模式可多次编程的专用芯片，可无限次编程，但品种有限。，可无限次编程，但品种有限。（4）使用）使用单片机配置单片机配置，可用配置模式多，配置灵活，同时可解决设计的保密与可升级问，可用配置模式多，配置灵活，同时可解决设计的保密与可升级问题，但容量有限，可靠性不高。适用于科研等可靠性要求不高的场合。题，但容量有限，可靠性不高。适用于科研等可靠性要求不高的场合。（5）使用）使用ASIC芯片芯片配置，是目前较好的一种选择。配置，是目前较好的一种选择。CPLD和和FPGA的编程下载的编程下载电路图电路图EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富4.4.FPGAFPGA和和CPLDCPLD的开发应用选择的开发应用选择 1）开发应用选择方法）开发应用选择方法 v对于一个开发项目，究竟是选择对于一个开发项目，究竟是选择FPGA还是选择还是选择CPLD 呢呢?主要看主要看开发项目本身的需要开发项目本身的需要。对于。对于普通规模普通规模，且，且产量不是很大的产品项目，通常使用产量不是很大的产品项目，通常使用CPLD比较好。对于比较好。对于大规模大规模的逻辑设计、的逻辑设计、ASIC设计，或单片系统设计，设计，或单片系统设计，则多采用则多采用FPGA。另外，另外，FPGA掉电掉电后将后将丢失丢失原有的逻辑信息，所以在实用中需要为原有的逻辑信息，所以在实用中需要为FPGA芯片配置一个芯片配置一个专用专用ROM。（1 1）开发项目需要的逻辑规模开发项目需要的逻辑规模 ：CPLDCPLD器件的规模在器件的规模在1010万门级以下，而万门级以下，而FPGAFPGA器件器件的规模已达的规模已达10001000万门级，两者差异巨大。万门级，两者差异巨大。1010万门级以上，不用考虑，只有选择万门级以上，不用考虑，只有选择FPGAFPGA器件；在器件；在万门以下万门以下，CPLDCPLD器件是首选，因为它不需配置器件，应用方便，成器件是首选，因为它不需配置器件，应用方便，成本低，结构简单，可靠性高；在上万门级，本低，结构简单，可靠性高；在上万门级，CPLDCPLD器件和器件和FPGAFPGA器件逻辑规模都可用器件逻辑规模都可用的情况下，需要考虑其他因数，在的情况下，需要考虑其他因数，在CPLDCPLD器件和器件和FPGAFPGA器件之间作出权衡，如速度、器件之间作出权衡，如速度、加密、芯片利用率、价格等。加密、芯片利用率、价格等。（2 2）开发项目的速度要求）开发项目的速度要求：设计要求的速度要低于其最高工作速度，尤其是：设计要求的速度要低于其最高工作速度，尤其是XilinxXilinx公司的公司的FPGAFPGA器件，由于其采用统计型互连结构，时延不确定性，设计要求器件，由于其采用统计型互连结构，时延不确定性，设计要求的速度要低于其最高工作速度的的速度要低于其最高工作速度的三分之二三分之二。（3 3）功耗）功耗：一般来说，要选用低功耗、低电压的产品。一般来说，要选用低功耗、低电压的产品。（4 4）可靠性）可靠性：可靠性是产品最关键的特性之一，可靠性是产品最关键的特性之一，结构简单，质量水平高，结构简单，质量水平高，可靠性可靠性就高。就高。CPLDCPLD器件构造的系统，不用配置器件，具有较高的可靠性；质量等级高的器件构造的系统，不用配置器件，具有较高的可靠性；质量等级高的产品，具有较高的可靠性；环境等级高的型号产品，如军用（产品，具有较高的可靠性；环境等级高的型号产品，如军用（M M级）产品具有较高级）产品具有较高的可靠性。的可靠性。（5 5）价格）价格：要尽量选用价格低廉，要尽量选用价格低廉，易易于于购购得的产品。得的产品。（6 6）开发环境和开发人员熟悉程度）开发环境和开发人员熟悉程度：应选择开发软件成熟，界面良好，开发人员应选择开发软件成熟，界面良好，开发人员熟悉的产品；如厂家、封装等。熟悉的产品；如厂家、封装等。EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富4.4.FPGAFPGA和和CPLDCPLD的开发应用选择的开发应用选择 2）几种典型产品型号）几种典型产品型号（1）ALTERA公司公司的的CPLD产品产品和和FPGA产品产品ALTERA公司的产品一般以公司的产品一般以EP开头开头，代表可重复编程。，代表可重复编程。ALTERA公司的公司的MAX系列系列CPLD产品产品，系列代码为，系列代码为EPM，典型产品型号含义如下：典型产品型号含义如下：EPM7128SLC84-15：MAX7000S系列系列CPLD，逻辑宏单元数逻辑宏单元数128，采用，采用PLCC封装，封装，84个引脚，引脚间延时为个引脚，引脚间延时为15ns。ALTERA公司的公司的FPGA产品产品系列代码为系列代码为EP或或EPF，典型产品型号含义如下：典型产品型号含义如下：EPF10K10：FLEX10K系列系列FPGA，典型逻辑规模是典型逻辑规模是10K有效逻辑门。有效逻辑门。EPF10K30E：FLEX10KE系列系列FPGA，逻辑规模是逻辑规模是EPF10K10的的3倍。倍。EPF20K200E：APEX20KE系列系列FPGA，逻辑规模是逻辑规模是EPF10K10的的20倍。倍。EP1K30：ACEX1K系列系列FPGA，逻辑规模是逻辑规模是EPF10K10的的3倍。倍。EP1S30：STRATIX系列系列FPGA，逻辑规模是逻辑规模是EPF10K10的的3倍。倍。ALTERA公司公司的的FPGA配置器件配置器件系列代码为系列代码为EPC，如：如：EPC1：为为1型型FPGA配置器件配置器件。（2）Xilinx公司公司的的CPLD产品和产品和FPGA产品产品Xilinx公司的产品一般以公司的产品一般以XC开头开头，代表，代表Xilinx公司的产品。典型产品型号含义如下：公司的产品。典型产品型号含义如下：XC95108-7PQ160C：XC9500系列系列CPLD，逻辑宏单元数逻辑宏单元数108，引脚间延时为，引脚间延时为7ns，采用采用PQFP封装，封装，160个引脚，个引脚，商用商用XC2018：XC2000系列系列FPGA，典型逻辑规模是有效门典型逻辑规模是有效门1800。XC4002A：XC4000A系列系列FPGA，典型逻辑规模是典型逻辑规模是2K有效门。有效门。XCS10：Spartan系列系列FPGA，典型逻辑规模是典型逻辑规模是10K。（3）Lattice公司公司的的CPLD产品和产品和FPGA产品产品Lattice公公司司的的CPLD、FPGA产产品品以以其其发发明明的的isp开开头头，系系列列代代号号有有ispLSI、ispMACH、ispPAC及及新新开开发发的的ispXPGA、ispXPLD，其其中中ispPAC为为模模拟拟可可编编程程器器件件，下下面面以以ispLSI、ispXPGA系系列列产产品品型型号为例说明如下：号为例说明如下：ispLSI1032E-125LJ：ispLSI1000E系系列列CPLD，通通用用逻逻辑辑块块GLB数数为为32个个（相相当当逻逻辑辑宏宏单单元元数数128），工工作作频频率率最最大大125MHz,PLCC84封装，低电压型商用产品。封装，低电压型商用产品。ispLSI8840：ispLSI8000系列系列CPLD，逻辑宏单元数逻辑宏单元数840。ispXPGA1200:ispXPGA1200系列系列FPGA，典型逻辑规模是典型逻辑规模是1200k系统门。系统门。EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富4.4.FPGAFPGA和和CPLDCPLD的开发应用选择的开发应用选择 2）几种典型产品型号）几种典型产品型号 生产厂家生产厂家系列系列典型产品典型产品可用门可用门（K）宏单元宏单元数目数目FF逻辑单逻辑单元数元数Fmax（MHz）最大最大I/O数数LatticeispLSI10001032E1048E6812819219228812520072108ALTERAMAX7000EPM7128EPM7256128256100100100160XilinxXC7200XC7272A2721267072XilinxXC9500XC95108XC952882.46.4108288108288125125180典型典型CPLD产品产品EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富4.4.FPGAFPGA和和CPLDCPLD的开发应用选择的开发应用选择 2）几种典型产品型号）几种典型产品型号 典型典型FPGA产品产品生产厂家生产厂家系列系列典型典型产品产品有效门有效门(K)触发器触发器/CLBFF逻辑单逻辑单元数元数速度等级速度等级（ns）最大最大I/O数数XilinxXC6200XC8100XC6264XC8109649163842688163841344824512208LatticeispXPGA12520047613921047648121936270470563.85.414.192111184ALTERAFLEX10KEPF10K10EPF10K100101007205392576499244150406EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富图图2.5 2.5 输出宏单元（输出宏单元（OMCOMC）结构图结构图5.5.FPGAFPGA和和CPLDCPLD的的I/OI/O控制模块控制模块EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富图图2.6 2.6 输出宏单元（输出宏单元（OMCOMC）的的4 4种不同的工作方式种不同的工作方式5.5.FPGAFPGA和和CPLDCPLD的的I/OI/O控制模块控制模块EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富图图2.7 2.7 触发器可编程的触发器可编程的I/OI/O控制模块结构控制模块结构5.5.FPGAFPGA和和CPLDCPLD的的I/OI/O控制模块控制模块EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富1.VHDL简介简介VHDL的的英英文文全全名名是是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage，诞诞生生于于1982年年。1987年年底底，VHDL被被IEEE和和美美国国国国防防部部确确认认为为标标准准硬硬件件描描述述语语言言。自自IEEE公公布布了了VHDL的的标标准准版版本本（IEEE-1076）之之后后，各各EDA公公司司相相继继推推出出了了自自己己的的VHDL设设计计环环境境，或或宣宣布布自自己己的的设设计计工工具具可可以以和和VHDL接接口口。此此后后VHDL在在电电子子设设计计领领域域得得到到了了广广泛泛的的接接受受，并并逐逐步步取取代代了了原原有有的的非非标标准准硬硬件件描描述述语语言言。1993年年，IEEE对对VHDL进进行行了了修修订订，从从更更高高的的抽抽象象层层次次和和系系统统描描述述能能力力上上扩扩展展VHDL的的内内容容，公公布布了了新新版版本本的的VHDL，即即IEEE标标准准的的1076-1993版版本本。现现在在，VHDL作作为为IEEE的的工工业业标标准准硬硬件件描描述述语语言言，又又得得到到众众多多EDA公公司司的的支支持持，在在电电子子工工程程领领域域，已已成成为为事事实实上上的通用硬件描述语言。的通用硬件描述语言。2.VHDL程序设计约定程序设计约定为了便于程序的阅读和调试，对为了便于程序的阅读和调试，对VHDL程序设计作如下约定程序设计作如下约定:1）语句结构描述中方括号）语句结构描述中方括号“”内内的内容为的内容为可选内容可选内容。2）VHDL的编译器和综合器对程序文字的的编译器和综合器对程序文字的大小写大小写是是不不加加区分区分的。的。3）程程序序中中的的注注释释使使用用双双横横线线“-”。在在VHDL程程序序的的任任何何一一行行中中，双双横横线线“-”后的后的文字都不参加编译和综合。文字都不参加编译和综合。4）为了便于程序的阅读和调试，）为了便于程序的阅读和调试，书写和输入书写和输入程序时，使用程序时，使用层次缩进层次缩进格式，同一层格式，同一层次的对齐，低层次的较高层次的缩进两个字符。次的对齐，低层次的较高层次的缩进两个字符。5）考虑到）考虑到MAX+plusll要求源程序文件的名字与实体名必须一致，因此为了使同要求源程序文件的名字与实体名必须一致，因此为了使同一一个个VHDL源程序文件能适应各个源程序文件能适应各个EDA开发软件上的使用要求，建议各个开发软件上的使用要求，建议各个源程源程序文件序文件的的命名命名均与均与实体名实体名一致一致一致一致。三、三、VHDL程序基本结构程序基本结构EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富3.VHDL程序基本结构程序基本结构一一个个相相对对完完整整的的VHDL程程序序（或或称称为为设设计计实实体体）具具有有比比较较固固定定的的结结构构。至至少少应应包包括括三三个个基基本本组组成成部部分分：库库与与程程序序包包使使用用说说明明、实实体体说说明明和和实实体体对对应应的的结结构构体体说说明明。常常用用语语句结构如下：句结构如下：LIBRARYLIBRARY 库名；库名；USEUSE 库名库名.程序包名程序包名.ALLALL；ENTTTYENTTTY 实体名实体名 ISIS GENERIC GENERIC（类属表）；类属表）；PORTPORT（端口表）；端口表）；ENDEND ENTTTY ENTTTY 实体名实体名；ARCHITECTUREARCHITECTURE 结构体名结构体名 OFOF 实体名实体名 ISIS 说明语句；说明语句；BEGINBEGIN 功能描述语句；功能描述语句；END END ARCHITECTURE ARCHITECTURE 结构体名结构体名；三、三、VHDL程序基本结构程序基本结构-类类属属表表说说明明用用于于确确定定设设计计实实体体和和其其外外部部环环境境通通信信的的参参数数，传传递递静静态态的的信信息息。其其一一般般书书写写格格式如下：式如下：GENERC（常数名：数据类型常数名：数据类型：设定值：设定值；常数名：数据类型；常数名：数据类型：设定值：设定值）；）；例：例：GENERIC(WIDTH:INTEGER=8);-端口模式端口模式是指这些通道上的是指这些通道上的数据流动方式数据流动方式，如：如：IN（输入）、输入）、OUT（输出）、输出）、BUFFER（具具有读功能的输出模式，可以读或写，只能有一个有读功能的输出模式，可以读或写，只能有一个驱动源）、驱动源）、INOUT（双向双向）。）。-结结构构体体中中的的说说明明语语句句是是对对结结构构体体的的功功能能描描述述语语句句中中将将要要用用到到的的信信号号（SIGNAL）、数数据据类类型型（TYPE）、常常 数数（CONSTANT）、元元 件件（COMPONENT）、函函数数（FUNCTION）和和过过程程（PROCEDURE）等等加以说明加以说明的语句。的语句。-功能描述语句结构可以含有功能描述语句结构可以含有块块、进程进程、信信号赋值号赋值、子程序调用子程序调用、元件例化元件例化五种不同类型的，五种不同类型的，以以并行并行方式方式工作工作的语句结构。而在每一语句结构的语句结构。而在每一语句结构的内部可能含有的内部可能含有并行运行并行运行的逻辑描述语句或的逻辑描述语句或顺序顺序运行运行的逻辑描述语句。的逻辑描述语句。EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富3.VHDL程序基本结构程序基本结构三、三、VHDL程序基本结构程序基本结构-与门的逻辑描述与门的逻辑描述AND2.VHDLIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC-1164.ALL；ENTITYAND2ISPORT(A，B：INSTD_LOGIC；Y：OUTSTD_LOGIC)；ENDENTITYAND2；ARCHITECTUREART1OFAND2ISBEGINY=AANDANDB；ENDARCHITECTUREART1；-或门的逻辑描述或门的逻辑描述OR2.VHDLIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC-1164.ALL；ENTITYOR2ISPORT(A，B：INSTD_LOGIC；Y：OUTSTD_LOGIC)；ENDENTITYOR2；ARCHITECTUREART1OFOR2ISBEGINY=AORORB；ENDARCHITECTUREART1；-非门的逻辑描述非门的逻辑描述NOT1.VHDLIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC-1164.ALL；ENTITYNOT1ISPORT(A：INSTD_LOGIC；Y：OUTSTD_LOGIC)；ENDENTITYNOT1；ARCHITECTUREART1OFNOT1ISBEGINY=NOTNOTA；ENDARCHITECTUREART1；-与非门的逻辑描述与非门的逻辑描述NAND2.VHDLIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC-1164.ALL；ENTITYNAND2ISPORT(A，B：INSTD_LOGIC；Y：OUTSTD_LOGIC)；ENDENTITYNAND2；ARCHITECTUREART1OFNAND2ISBEGINY=A NANDNANDB；ENDARCHITECTUREART1；EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富三、三、VHDL程序基本结构程序基本结构课堂小结课堂小结一、一、EDA技术及其发展技术及其发展（狭义的狭义的EDA技术）技术）二、二、CPLD与与FPGA器件器件 （CPLDCPLD和和FPGA FPGA 的开发选择及编程下载）的开发选择及编程下载）LIBRARYLIBRARY 库名；库名；USEUSE 库名库名.程序包名程序包名.ALLALL；ENTTTYENTTTY 实体名实体名 ISIS GENERIC GENERIC（类属表）；类属表）；PORTPORT（端口表）；端口表）；ENDEND ENTTTY ENTTTY 实体名实体名；ARCHITECTUREARCHITECTURE 结构体名结构体名 OFOF 实体名实体名 ISIS 说明语句；说明语句；BEGINBEGIN 功能描述语句；功能描述语句；END END ARCHITECTURE ARCHITECTURE 结构体名结构体名；EDA技术技术讲授：伍宗富讲授：伍宗富课外作业：课外作业：教材教材P151.1、1.7、1.10教材教材P792.12