EDA技术概述.ppt

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1、 【要求要求】 理解可编程逻辑器件和理解可编程逻辑器件和EDA技术的初步知识。技术的初步知识。 【知识点知识点】l 理解理解EDA技术的概念技术的概念l 理解理解EDA技术的发展技术的发展l 理解理解EDA技术的主要内容技术的主要内容l 理解可编程逻辑器件的发展理解可编程逻辑器件的发展l 理解可编程逻辑器件的分类与结构及原理理解可编程逻辑器件的分类与结构及原理l 理解面向理解面向CPLD/FPGA的设计流程的设计流程 【重点和难点重点和难点】l EDA技术的概念和发展技术的概念和发展l 可编程逻辑器件的分类与结构可编程逻辑器件的分类与结构第第1章章 EDA技术概述技术概述下一页第第1章章 ED

2、A技术概述技术概述1.1 EDA历史与发展历史与发展1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件1.3 本章小结本章小结上一页一、一、EDA技术的概念技术的概念 电子设计自动化电子设计自动化(Electronic Design Automation, EDA)技技术已经成为现代电子设计技术的核心，广泛应用于集成电路术已经成为现代电子设计技术的核心，广泛应用于集成电路IC、复杂、复杂电了电路和电了电路和PCB的设计。的设计。EDA技术的发展，使得技术的发展，使得ASIC设计得到了快设计得到了快速的发展。速的发展。 什么是什么是EDA技术技术? EDA技术是现代电了产品设计技术中的一门综技术是现代电了产品

3、设计技术中的一门综合性新技术，包括广义和狭义的合性新技术，包括广义和狭义的EDA技术。技术。 广义的广义的EDA技术，包括计算机辅助分析技术，包括计算机辅助分析CAA技术技术(EWB, MATLAB等等)，印制电路板计算机辅助设计，印制电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术技术(Protel, Or CAD等等)，专用集成电路设计，专用集成电路设计ASIC技术等。技术等。 1.1 EDA历史与发展历史与发展下一页下一页上一页 1.1 EDA历史与发展历史与发展 狭义的狭义的EDA技术是指技术是指IES/ASIC自动化设计技术，是以计算自动化设计技术，是以计算机为基本工作平台，以硬件描述语言为系

4、统逻辑描述的主要表达机为基本工作平台，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以方式，以EDA工具软件为开发环境，以大规模可编程逻辑器件为工具软件为开发环境，以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以专用集成电路设计载体，以专用集成电路ASIC (Application Special Integrated Circuit)、单片电子系统、单片电子系统SOC (System On Chip)芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品设计自动化过程。设计自动化过程。 电子系统设计的自动化过程主要包括有电子系统设计的自动化过程主要包括有:逻辑

5、编译、逻辑化简、逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真、逻辑适配等过程。逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真、逻辑适配等过程。 本书讨论的对象专指狭义的本书讨论的对象专指狭义的EDA技术。技术。下一页上一页 1.1 EDA历史与发展历史与发展二二、EDA技术的历史与发展技术的历史与发展 EDA技术随着计算机技术、微电子技术、电子系统设计技术的技术随着计算机技术、微电子技术、电子系统设计技术的发展，主要经历了发展，主要经历了3个发展阶段个发展阶段: 计算机辅助设计计算机辅助设计(Computer-Aided Design CAD)阶段阶段 计算机辅助工程设计计算机辅助工程设

6、计(Computer-Aided Engineering Design CAED)阶段；阶段； 电子系统设计自动化电子系统设计自动化(Electronic System Design Automation, ESDA)阶段。阶段。 下一页上一页 1.计算机辅助设计计算机辅助设计CAD阶段阶段 20世纪世纪70年代，年代，MOS工艺得到了广泛的应用，中、小规模的工艺得到了广泛的应用，中、小规模的集成电路有了新的发展。可编程逻辑技术和可编程逻辑器件的出集成电路有了新的发展。可编程逻辑技术和可编程逻辑器件的出现，可以应用计算机技术，将平面图形设计与分析工具现，可以应用计算机技术，将平面图形设计与分析

7、工具CAD代替代替乎工制图、布线等，出现了第一代乎工制图、布线等，出现了第一代EDA技术。由于受计算机工作技术。由于受计算机工作平台的技术条件制约，当时的计算机辅助设计技术还比较差。平台的技术条件制约，当时的计算机辅助设计技术还比较差。2.计算机辅助工程设计计算机辅助工程设计CAED阶段阶段 20世纪世纪80年代，随着个人工作站计算机平台的出现和集成电年代，随着个人工作站计算机平台的出现和集成电路设计路设计CMOS时代的到来、时代的到来、FPGA的出现等，极大地推动的出现等，极大地推动EDA工工具发展，使得计算机工作平台技术得到迅速发展。出现了以计算具发展，使得计算机工作平台技术得到迅速发展。

8、出现了以计算1.1 EDA历史与发展历史与发展机仿真技术和自动布线技术为核心的第一代机仿真技术和自动布线技术为核心的第一代EDA技术。设计工程技术。设计工程师可以通过软件工具来完成产品开发的设计、分析、生产、测试师可以通过软件工具来完成产品开发的设计、分析、生产、测试等各项工作。但是，基于原理图进行设计开发的等各项工作。但是，基于原理图进行设计开发的CAE工具，仍然工具，仍然不能满足高集成度的复杂电了系统设计的要求，设计工程中的系不能满足高集成度的复杂电了系统设计的要求，设计工程中的系统优化设计也被固定的具体化的电路元件所制约。统优化设计也被固定的具体化的电路元件所制约。3.电子系统设计自动化

9、电子系统设计自动化ESDA阶段阶段 20世纪世纪90年代，设计工程师在产品设计过程中，从使用硬件年代，设计工程师在产品设计过程中，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。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。硬件描述语言的标准化及基于计算机技术的面向用户的低成本大硬件描述语言的标准化及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模规模ASIC设计技术的应用，集成电路设计工艺进入到了超深亚微设计技术的应用，集成电路设计工艺进入到了超深亚微下一页上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展米阶段，使得米阶段，使得SEDA技术得到了全新的发展。技术得到了全新的发展

10、。SEDA工具软件以系工具软件以系统级设计为核心，集成了系统行为描述与结构综合、系统仿真与测统级设计为核心，集成了系统行为描述与结构综合、系统仿真与测试、系统划分与指标分配、系统决策与文件生成等完整的电了系统试、系统划分与指标分配、系统决策与文件生成等完整的电了系统设计自动化工具，极大地提高了电子系统设计的效率。设计自动化工具，极大地提高了电子系统设计的效率。 EDA技术在进入技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，主要表现在世纪后，得到了更大的发展，主要表现在以下几个方面以下几个方面: 使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成

11、为可能。成为可能。 在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出。软件不断推出。 下一页上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展 电子技术全方位纳入电子技术全方位纳入EDA领域。领域。 EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容。使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容。 更大规模的更大规模的FPGA和和CPLD器件的不断推出。器件的不断推出。 基于基于EDA工具的工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电了系统及设计标准单元已涵盖大规模电了系统及 复杂复杂IP核核(IP: Intellectual Pro

12、perty，知识产权的简称，常指，知识产权的简称，常指公司开发的硬件设计包公司开发的硬件设计包)模块。模块。 SoC高效低成本设计技术的成熟。高效低成本设计技术的成熟。 系统级、行为验证级硬件描述语言系统级、行为验证级硬件描述语言(如如System C)的出现，使的出现，使复杂电子系统的设计和验证简单化。复杂电子系统的设计和验证简单化。 新一代的新一代的EDA技术将会向着功能强大、简单易学以及使用方便的技术将会向着功能强大、简单易学以及使用方便的方向发展。方向发展。下一页上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展下一页上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展三、三、EDA技术的主要内容技术的主要

13、内容 EDA技术的主要内容包括技术的主要内容包括:硬件描述语言、可编程逻辑器件和硬件描述语言、可编程逻辑器件和EDA软件工具。硬件描述语言是软件工具。硬件描述语言是EDA技术的主要描述与表达方式，可编程技术的主要描述与表达方式，可编程逻辑器件是逻辑器件是EDA技术的主要目标器件，技术的主要目标器件，EDA软件工具是软件工具是EDA技术的技术的开发平台。它们是开发平台。它们是EDA技术的主要内容，是技术的主要内容，是EDA设计的主要支撑。设计的主要支撑。 1.硬件描述语言硬件描述语言 硬件描述语言硬件描述语言(Hardware Description Language ) HDL是是EDA技术的

14、重要组成部分，是技术的重要组成部分，是EDA各种描述方法中最能体现各种描述方法中最能体现EDA优越性的描述方法。优越性的描述方法。 所谓硬件描述语言，就是一个描述工具，用以描述设计系统的逻所谓硬件描述语言，就是一个描述工具，用以描述设计系统的逻辑功能，实现该功能的算法、电路结构及约束条件等。它要求既能描辑功能，实现该功能的算法、电路结构及约束条件等。它要求既能描述系统的行为，又能描述系统的结构。常见的述系统的行为，又能描述系统的结构。常见的HDL有有VHDL, Verilog HDL, System Verilog, System C等。其中，等。其中，Sy stemVerilog和和Syst

15、em C这两种这两种HDL还处于不断完善的过程中。还处于不断完善的过程中。而而VHDL和和VerilogHDL在在EDA设计中使用最多，几乎所有的主流设计中使用最多，几乎所有的主流EDA工具都支持。工具都支持。VHDL是电子设计主流硬件的描述语言之一，本书是电子设计主流硬件的描述语言之一，本书主要以主要以VHDL为学习的重点。为学习的重点。 VHDL是是VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit) Hardware DescriptionLanguage，即超高速集成电路硬件描，即超高速集成电路硬件描述语言的简称，是美国国防部于述语言的简称，是美国国防部于

16、1983年开发创建的，并由年开发创建的，并由IEEE(下一页上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展The Institute of Electrical and Electronic Engineers)进一步发展，在进一步发展，在1987年被确定为标准化的硬件描述语言。年被确定为标准化的硬件描述语言。1993年年IEEE对对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展了上扩展了VHDL内容，公布了新版本内容，公布了新版本VHDL，即，即IEEE 1076-1993版本。现在，最新的版本。现在，最新的VHDL标准版本是标准版本是IEEE

17、1076-2002。 VHDL已经成为系统描述的国际公认标准，得到众多已经成为系统描述的国际公认标准，得到众多EDA公司的公司的支持，更多的硬件设计者使用支持，更多的硬件设计者使用VHDL描述数字系统。描述数字系统。 VHDL具有与具体硬件电路无关、与设计平台无关的特性，并具有与具体硬件电路无关、与设计平台无关的特性，并具有强大的电路行为描述和系统的能力，支持硬件的设计、验证、具有强大的电路行为描述和系统的能力，支持硬件的设计、验证、综合和测试，在语言易读性和层次化设计等方面都具有很强的生命综合和测试，在语言易读性和层次化设计等方面都具有很强的生命力和应用潜力。力和应用潜力。下一页上一页1.1

18、 EDA历史与发展历史与发展 VHDL能在多个级别上对同一逻辑功能进行描述，如可以在寄能在多个级别上对同一逻辑功能进行描述，如可以在寄存器级别上对电路结构进行描述，也可以在行为描述级别上对电路存器级别上对电路结构进行描述，也可以在行为描述级别上对电路功能与性能进行描述，各个描述都能利用综合工具将描述转化为硬功能与性能进行描述，各个描述都能利用综合工具将描述转化为硬件结构。件结构。 VHDL的基本结构含有一个实体和一个结构体，而一个完整的的基本结构含有一个实体和一个结构体，而一个完整的VHDL结构还应该包括程序包、库与配置。用结构还应该包括程序包、库与配置。用VHDL进行电路设进行电路设计描述时

19、，通常采用的是计描述时，通常采用的是“自顶向下自顶向下”的结构化的设计方法。的结构化的设计方法。 VHDL的特点概括起来有以下几点的特点概括起来有以下几点: VHDL具有强大的功能，覆盖面广，描述能力强。具有强大的功能，覆盖面广，描述能力强。VHDL支支持门级电路的描述，支持以寄存器、存储器、总线及运算单元等构持门级电路的描述，支持以寄存器、存储器、总线及运算单元等构成的寄存器传输级电路的描述，还支持以行为算法和结构的混合描成的寄存器传输级电路的描述，还支持以行为算法和结构的混合描 下一页上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展述为对象的系统级电路的描述。述为对象的系统级电路的描述。 VHDL

20、具有良好的可读性。它可以被计算机接受，也很容易被具有良好的可读性。它可以被计算机接受，也很容易被读者理解。读者理解。VHDL源文件，既是程序又是文档，是工程技术人员间交源文件，既是程序又是文档，是工程技术人员间交换信息的文件。换信息的文件。 VHDL具有良好的可移植性。作为被具有良好的可移植性。作为被IEEE承认的工业标准，承认的工业标准，VHDL实队、上己成为通用的硬件描述语言，可以在各种实队、上己成为通用的硬件描述语言，可以在各种EDA的设计的设计环境和开发平台中使用。环境和开发平台中使用。 VHDL提高了设计效率，缩短了设计周期。提高了设计效率，缩短了设计周期。VHDL描述的硬件描述的硬

21、件电路可以与工艺无关，设计者只需考虑功能即可。电路可以与工艺无关，设计者只需考虑功能即可。 VHDL采用采用“自顶向下自顶向下”的设计方法及对已有设计的再利用。的设计方法及对已有设计的再利用。 下一页上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展 VHDL可描述复杂电路系统，支持对大规模设计的分解，由多人、可描述复杂电路系统，支持对大规模设计的分解，由多人、多项目组共同完成。标准化规则和设计风格，为设计的再利用提供了多项目组共同完成。标准化规则和设计风格，为设计的再利用提供了有力的支持。有力的支持。 VHDL设计有利于保护知识产权。设计有利于保护知识产权。VHDL设计的设计的ASIC，在将，在将设计

22、文件下载到设计文件下载到ASIC芯片时，可以采用加密的保护措施，有效保护芯片时，可以采用加密的保护措施，有效保护设计成果。设计成果。2.可编程逻辑器件可编程逻辑器件 可编程逻辑器件可编程逻辑器件(Programmable Logic Device ) PLD是一是一种由用户编程实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。自种由用户编程实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。自20世纪世纪70年代年代问世后，就以其速度快、集成度高、可加密和重新定义编程、上万次问世后，就以其速度快、集成度高、可加密和重新定义编程、上万次的编程次数等优点得到了广泛应用。的编程次数等优点得到了广泛应用。 下一页上一页1.1 EDA历史与

23、发展历史与发展 可编程逻辑器件由可编程逻辑器件由PLA到到CPLD/FPGA，到，到SoC，在高速度、高，在高速度、高集成度、高可靠性方面得到了快速的发展。片上系统集成度、高可靠性方面得到了快速的发展。片上系统(System on a Chip, SoC)指的是以嵌入式系统为核心，集软硬件于一体，内嵌指的是以嵌入式系统为核心，集软硬件于一体，内嵌复杂功能模块的集成芯片。复杂功能模块的集成芯片。3. EDA软件工具软件工具 EDA工具在工具在EDA技术应用中占据极其重要的位置，技术应用中占据极其重要的位置，EDA的核心的核心是利用计算机完成电路设计的全程自动化，因此，基于计算机环境下是利用计算机

24、完成电路设计的全程自动化，因此，基于计算机环境下的的EDA工具软件的支持是必不可少的。工具软件的支持是必不可少的。 由于由于EDA整个流程涉及不同技术环节，每一个环节中必须有对应整个流程涉及不同技术环节，每一个环节中必须有对应的软件包或专用的软件包或专用EDA工具独立处理，包括对电路模型功能模拟、对工具独立处理，包括对电路模型功能模拟、对VHDL行为描述逻辑综合等。行为描述逻辑综合等。下一页上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展 EDA工具大致可以分为设计输入编辑器、仿真器、工具大致可以分为设计输入编辑器、仿真器、HDL综合器、综合器、适配器适配器(或布局布线器或布局布线器)、下载器、下载器

25、(或编程器或编程器)5个模块。这个模块。这5个模块不个模块不同程度地集成综合在各个同程度地集成综合在各个EDA公司自己开发的公司自己开发的EDA开发软件工具中。开发软件工具中。 目前在国内比较流行的目前在国内比较流行的EDA软件工具主要有软件工具主要有Altera公司的公司的MAX+plus II 和和Quartos II , Lattice公司的公司的Expert LEVER和和 Synario, Xilinx公司的公司的Foundation和和 Alliance, Actel公司公司的的Actel Designer等。等。 Altera其主要产品有其主要产品有MAX7000/9000, F

26、ELXIOK, APEX20K, ACEXIK, Cyclone等系列。等系列。Altera公司在公司在20世纪世纪90年代后发展很快，认为他们的开发工具年代后发展很快，认为他们的开发工具MAX+plus II是最成功是最成功 下一页上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展的的EDA开发平台之一，开发平台之一，Quartos II是是MAX+plus II的升级版本。的升级版本。 Xilinx是是FPGA的发明者，其产品种类比较齐全，主要有的发明者，其产品种类比较齐全，主要有XC9500/4000,Spartan, Virtex, Coolrunner等。等。Xilinx和和Altera是主要

27、的可编程逻辑器件供应商，在欧洲，使用是主要的可编程逻辑器件供应商，在欧洲，使用Xilinx公司产品的人较多公司产品的人较多;在日本及亚太地区，使用在日本及亚太地区，使用Altera公司产品的人公司产品的人较多较多;在美国，则是平分秋色。这两大供应商提供了全球在美国，则是平分秋色。这两大供应商提供了全球60%以上以上的的PLD/FPGA产品。可以说，产品。可以说，Altera和和Xilinx共同决定了共同决定了PLD技术的发展方向。技术的发展方向。 Lattice是是ISP(在系统可编程在系统可编程)技术的发明者，其主要产品有技术的发明者，其主要产品有ispLSI2000/5000/8000,

28、MACH4/5, ispMACH4000等。等。下一页上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展 与与Altera公司和公司和 Xilinx公司相比，公司相比，Lattice公司的开发工具公司的开发工具略逊一筹，但其中小规模略逊一筹，但其中小规模PLD比较有特色。比较有特色。Lattice公司于公司于1999年推出可编程模拟器件，并收购了、年推出可编程模拟器件，并收购了、Vantis(原原AMD了公司了公司)，成为第二大可编程逻辑器件供应商。成为第二大可编程逻辑器件供应商。 Actel是反熔丝是反熔丝PLD技术的领导者。由于反熔丝技术的领导者。由于反熔丝PLD抗辐射，抗辐射，耐高低温，功耗低，速

29、度快，所以在军工产品和宇航产品上有较耐高低温，功耗低，速度快，所以在军工产品和宇航产品上有较大优势。大优势。Altera和和Xilinx则一般不涉足军工产品和宇航产品市场。则一般不涉足军工产品和宇航产品市场。 本书主要是以本书主要是以Altera公司的公司的Quartos II为开发平台，以可为开发平台，以可编程逻辑器件为目标器件，以编程逻辑器件为目标器件，以VHDL为描述的为描述的EDA技术学习。技术学习。 返 回上一页1.1 EDA历史与发展历史与发展一、可编程逻辑器件的发展过程一、可编程逻辑器件的发展过程 20世纪世纪70年代，熔丝编程的年代，熔丝编程的PROM和和PLA是最早的可编是最

30、早的可编程逻辑器件。程逻辑器件。 20世纪世纪70年代末，年代末，AMD公司对公司对PLA进行改进，推出了进行改进，推出了PAL器件。器件。 20世纪世纪80年代初，年代初，Lattice公司发明电可擦写的、比公司发明电可擦写的、比PAL使用更灵活的使用更灵活的GAL器件。器件。 20世纪世纪80年代中期，年代中期，Xilinx公司提出现场可编程概念，公司提出现场可编程概念，产生了世界上第一片产生了世界上第一片FPGA。下一页1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 同期，同期，Altera公司推出公司推出EPLD器件，比器件，比GAL具有更高的集成具有更高的集成度，可以用紫外线或电擦除。度，可以

31、用紫外线或电擦除。 20世纪世纪80年代末，年代末，Lattice公司提出在系统可编程技术，公司提出在系统可编程技术，并推出一系列具备在系统可编程能力的并推出一系列具备在系统可编程能力的CPLD器件，将可编程逻辑器件，将可编程逻辑器件的性能和应用技术推向了全新的高度。器件的性能和应用技术推向了全新的高度。 进入进入20世纪世纪90年代后，可编程逻辑集成电路技术进入了高年代后，可编程逻辑集成电路技术进入了高速发展的时期。器件的可用逻辑门数超过百万门，出现了内嵌复杂速发展的时期。器件的可用逻辑门数超过百万门，出现了内嵌复杂功能模块功能模块(如加法器、乘法器、如加法器、乘法器、RAM, CPU核、核

32、、DSP核、核、PLL等等) SoPC。 下一页上一页1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件下一页上一页二、可编程逻辑器件分类二、可编程逻辑器件分类 可编程逻辑器件的种类很多，都具有自身的结构特点。对其进行可编程逻辑器件的种类很多，都具有自身的结构特点。对其进行分类，主要的分类方法有分类，主要的分类方法有: 按集成度分、按结构分、按编程工艺分。按集成度分、按结构分、按编程工艺分。 按集成度分，一般可用分成两大类按集成度分，一般可用分成两大类: 可用逻辑门数大约在可用逻辑门数大约在500以下，称为简单以下，称为简单PLD。如早期的。如早期的PROM, PLA,PAL, GAL等。等。 集成度较高的

33、，称为复杂集成度较高的，称为复杂PLD。如现在大量使用的。如现在大量使用的CPLD /FPGA。 按结构分，一般也分为两大类按结构分，一般也分为两大类: 乘积项结构器件。其基本结构为乘积项结构器件。其基本结构为“与与-或或”阵列的器件，大部阵列的器件，大部分简单分简单PLD和和CPLD都属于这类。都属于这类。1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件下一页上一页 查找表结构器件。由简单的查找表组成可编程门，再构成阵列查找表结构器件。由简单的查找表组成可编程门，再构成阵列 形式的器件，形式的器件，FPGA属于这类。属于这类。 按编程工艺分，大致有按编程工艺分，大致有: 熔丝熔丝(Fuse)型。早期的型

34、。早期的PROM采用熔丝结构，编程过程中根采用熔丝结构，编程过程中根据设计的熔丝图文件来烧断对应的熔丝，达到编程的目的。据设计的熔丝图文件来烧断对应的熔丝，达到编程的目的。 反熔丝反熔丝 ( Antifuse)型。这是对熔丝技术的改进，在编程处通型。这是对熔丝技术的改进，在编程处通过击穿漏层使得亮点间导通。与熔丝烧断获得开路相反。过击穿漏层使得亮点间导通。与熔丝烧断获得开路相反。Actel公司的公司的FPGA采用的就是这种技术。采用的就是这种技术。 EPROM型。型。EPROM型称为紫外线擦除电可编程逻辑器件，型称为紫外线擦除电可编程逻辑器件，可多次编程。可多次编程。 EEPROM型。型。EE

35、PROM型称为电可擦写编程逻辑器件，是型称为电可擦写编程逻辑器件，是1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件下一页上一页1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件对对EPROM工艺的改进。现有的大部分工艺的改进。现有的大部分CPLD和和GAL器件采用这器件采用这样的工艺。样的工艺。 SRAM型。即型。即SRAM查找表结构器件，大部分查找表结构器件，大部分FPGA采用这采用这样的结构。样的结构。 Flash型。采用型。采用Flash工艺的工艺的FPGA 可以实现多次可编程，可以实现多次可编程，掉电后也不需要重新配置。掉电后也不需要重新配置。三、可编程逻辑器件的结构和原理三、可编程逻辑器件的结构和原理 可编

36、程逻辑器件从结构上划分，可以分为乘积项结构和查找表可编程逻辑器件从结构上划分，可以分为乘积项结构和查找表结构。结构。 下面分别介绍基于这两种结构的可编程逻辑器件的内部结构和下面分别介绍基于这两种结构的可编程逻辑器件的内部结构和实现原理。实现原理。下一页上一页1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 1.基于乘积项基于乘积项(Product-Term)的的PLD结构结构 简单的简单的PLD和和CPLD都采用这种结构，都采用这种结构，Altera公司的公司的MAX7000S系列具有一定的典型性，下面以此为例介绍基于乘积项系列具有一定的典型性，下面以此为例介绍基于乘积项的的PLD的结构，如的结构，如图图

37、1-1所示。所示。 这种这种PLD的结构可以分为二个部分的结构可以分为二个部分:宏单元宏单元(Macrocell) ,可编程可编程连线连线(PIA )用用I /O端子控制块。端子控制块。 宏单元是宏单元是PLD的基本结构，多个宏单元组成一个逻辑阵列块的基本结构，多个宏单元组成一个逻辑阵列块(LAB)。 可编程连线可以传递信号，连接所有的宏单元。可编程连线可以传递信号，连接所有的宏单元。I/O端子控制块端子控制块负责输入负责输入/输出端子的电气特性控制。宏单元的结构如输出端子的电气特性控制。宏单元的结构如图图1-2所示。所示。下一页上一页 2.乘积项结构乘积项结构PLD的逻辑实现原理的逻辑实现原

38、理 下面以一个简单的例了，具体说明下面以一个简单的例了，具体说明PLD是如何利用其结构实现组合是如何利用其结构实现组合逻辑的。逻辑的。利用利用PLD实现下列逻辑函数实现下列逻辑函数: PLD将以如将以如图图1-3所示的方式来实现组合逻辑所示的方式来实现组合逻辑 由由PLD的的I/O引脚进入可编程连线阵列引脚进入可编程连线阵列(PIA) ，在内部会产生，在内部会产生 6个输出。图中的个输出。图中的“点点”和和“叉叉”都表示相连都表示相连(可编程熔可编程熔丝导通丝导通)CABABCCBAYCBACBAABCYCBACBAABCY210210YYYABCCCBBAA1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器

39、件所以有所以有: 这样就实现了需要的组合逻辑。这样一个简单的组合逻辑，一个这样就实现了需要的组合逻辑。这样一个简单的组合逻辑，一个宏单元就可以完成。但是对于一个比较复杂的电路，一个宏单元是宏单元就可以完成。但是对于一个比较复杂的电路，一个宏单元是不能实现的，这样就需要通过并行扩展项和共享逻辑扩展项将多个不能实现的，这样就需要通过并行扩展项和共享逻辑扩展项将多个宏单元连接，通过将一个宏单元的输出再输入到另一个宏单元的输宏单元连接，通过将一个宏单元的输出再输入到另一个宏单元的输入，这样就可以实现更复杂的逻辑了。入，这样就可以实现更复杂的逻辑了。1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件下一页上一页ABC

40、CABCBAYABCCBACBAYABCCBACBAY210 3.基于查找表基于查找表(Look-Up-Table)的的FPGA结构结构 FPGA器件采用的是这种结构。器件采用的是这种结构。 查找表查找表(LUT)实际上就是一个实际上就是一个RAM。FPGA多数使用的是多数使用的是4输输入的入的LUT，每一个，每一个LUT可以看成一个可以看成一个4位地址线的位地址线的16X 1的的RAM。 用户通过原理图或用户通过原理图或HDL描述了一个逻辑电路后，描述了一个逻辑电路后，PLD/FPGA开发软件就会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果预先开发软件就会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把

41、结果预先写入写入RAM。 这样，每一个输入信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行这样，每一个输入信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，输出结果。查表，找出地址对应的内容，输出结果。 图图1-4是是Altera的的FLEX l OK芯片的内部结构芯片的内部结构(其他系列的其他系列的FPGA结构也基本相同，只以结构也基本相同，只以FLEXIOK为例为例)。1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件下一页上一页下一页上一页1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 其主要包括其主要包括LAB, I/O块、块、RAM块块(图中未表小出图中未表小出)、可编程行、可编程行/列连线。列连线。L

42、E是是FLEX/ACEX系列芯片实现逻辑的最基本结构，其结系列芯片实现逻辑的最基本结构，其结构如构如图图1-5所示。一个所示。一个LAB又包括又包括8个逻辑单元个逻辑单元(LE)、一个、一个LE有一个有一个LUT,一个触发器和相关的逻辑。一个触发器和相关的逻辑。 4.查找表结构的查找表结构的FPGA逻辑实现原理逻辑实现原理 仍以简单的例子进行说明仍以简单的例子进行说明:用用FPGA实现下列逻辑函数实现下列逻辑函数: A, B, C由由FPGA的的I/O引脚输入后进入可编程连线引脚输入后进入可编程连线(PIA)，然后，然后作为地址连线连接到作为地址连线连接到LUT, LUT中已经事先写入所有可能

43、的逻辑结果。中已经事先写入所有可能的逻辑结果。CABABCCBAYCBACBAABCYCBACBAABCY210 通过地址查找到相应的数据，然后输出，这样，组合逻辑就实通过地址查找到相应的数据，然后输出，这样，组合逻辑就实现了。这些实现的步骤都是由软件自动完成的，不需要人为的干预。现了。这些实现的步骤都是由软件自动完成的，不需要人为的干预。这是一个简单的逻辑电路，只需要一个这是一个简单的逻辑电路，只需要一个LUT就可以完成。对于一个就可以完成。对于一个LUT无法完成的复杂电路，需要通过进位链将多个单元连接，一同无法完成的复杂电路，需要通过进位链将多个单元连接，一同实现复杂的逻辑功能。实现复杂的

44、逻辑功能。 由于由于LUT适合适合SRAM工艺生产，所以大部分工艺生产，所以大部分FPGA都是基于都是基于SRAM工艺的。工艺的。SRAM工艺的芯片在断电后信息会丢失，所以需要工艺的芯片在断电后信息会丢失，所以需要外加一片专用配置芯片，在通电的时候，由该配置芯片把数据信息外加一片专用配置芯片，在通电的时候，由该配置芯片把数据信息加载到加载到FPGA中，中，FPGA才可以正常工作。由于配置芯片进行配置才可以正常工作。由于配置芯片进行配置的时间很短，不会影响系统正常工作。有少数的时间很短，不会影响系统正常工作。有少数FPGA采用反熔丝或采用反熔丝或Flash工艺，这样就不需要外加专用配置芯片了。工

45、艺，这样就不需要外加专用配置芯片了。1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件下一页上一页四、面向四、面向CPLD/FPGA的的EDA设计流程设计流程 EDA设计的大部分工作都是在设计的大部分工作都是在EDA软件工具平台上进行的，面软件工具平台上进行的，面向向CPLD/FPGA的的EDA设计流程如设计流程如图图1-6所示。所示。EDA设计流程包设计流程包括设计准备、设计输入、设计实现、器件编程括设计准备、设计输入、设计实现、器件编程4个步骤，以及相应的个步骤，以及相应的功能仿真、时序仿真、硬件测试功能仿真、时序仿真、硬件测试3个设计验证过程。个设计验证过程。 1.设计准备设计准备 设计准备是设计者在

46、进行系统设计之前，根据任务要求，确定系设计准备是设计者在进行系统设计之前，根据任务要求，确定系统所要实现的功能及复杂度，进行器件资源的利用、成本等准备工统所要实现的功能及复杂度，进行器件资源的利用、成本等准备工作。如进行方案论证、系统设计分解、器件选择等。作。如进行方案论证、系统设计分解、器件选择等。1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件下一页上一页 2.设计输入设计输入 设计输入是设计者将系统的设计按照设计输入是设计者将系统的设计按照EDA开发软件的要求以某种开发软件的要求以某种形式描述表达出来，并被计算机所接收。设计输入主要有原理图输入形式描述表达出来，并被计算机所接收。设计输入主要有原理图

47、输入方式、采用方式、采用HDL描述的文本输入方式、波形输入方式、文本和图形描述的文本输入方式、波形输入方式、文本和图形混合的设计输入方式。也可以采用混合的设计输入方式。也可以采用“自顶向下自顶向下”的层次结构化设计法，的层次结构化设计法，将多个输入文件合并成一个设计文件。将多个输入文件合并成一个设计文件。 (1)原理图输入方式原理图输入方式 原理图输入是图形输入编辑方式，是一种最直接的描述表达方式。原理图输入是图形输入编辑方式，是一种最直接的描述表达方式。使用软件系统提供的元器件库和各种符号连线设计成系统电路的原理使用软件系统提供的元器件库和各种符号连线设计成系统电路的原理图，形成图形输入文件

48、。其优点是易于实现仿真，便于信号的观察。图，形成图形输入文件。其优点是易于实现仿真，便于信号的观察。1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件下一页上一页 (2)硬件描述语言输入方式硬件描述语言输入方式 硬件描述语言输入是文本输入编辑方式，是一种行为描述表达方硬件描述语言输入是文本输入编辑方式，是一种行为描述表达方式。式。硬件描述语言输入方式具有很强的逻辑描述和功能仿真，可实现与工硬件描述语言输入方式具有很强的逻辑描述和功能仿真，可实现与工艺无关的编程设计。设计者在系统设计、逻辑验证阶段便可确立方案艺无关的编程设计。设计者在系统设计、逻辑验证阶段便可确立方案的可行性，输入效率高。运用的可行性，输入效

49、率高。运用VHDL或或Verilog HDL硬件描述语言硬件描述语言进行设计已是当前的趋势。进行设计已是当前的趋势。 (3)波形图输入方式波形图输入方式 波形图输入方式主要用于建立和编辑波形设计文件及输入仿真向波形图输入方式主要用于建立和编辑波形设计文件及输入仿真向量和功能测试向量。波形图输入适用于时序逻辑仿真，开发软件平台量和功能测试向量。波形图输入适用于时序逻辑仿真，开发软件平台可以根据用户定义的输入波形自动生成输出与输入的逻辑关系。可以根据用户定义的输入波形自动生成输出与输入的逻辑关系。1.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件下一页上一页3.设计实现设计实现 设计实现是面向设计实现是面向CP

50、LD/FPGA的的EDA设计的核心环节。在这个设计的核心环节。在这个环节，开发软件平台将对设计输入文件进行逻辑化简、综合优化、环节，开发软件平台将对设计输入文件进行逻辑化简、综合优化、自动适配，最后产生编程用的编程文件。设计实现过程主要包括设自动适配，最后产生编程用的编程文件。设计实现过程主要包括设计编译检查、逻辑综合优化、适配分割、布局布线、生成编程数据计编译检查、逻辑综合优化、适配分割、布局布线、生成编程数据文件等。文件等。 (1)设计编译检查设计编译检查 设计输入完成之后，要进行编译。编译过程将进行语法检查，有设计输入完成之后，要进行编译。编译过程将进行语法检查，有错误的会提出错误信息报