EDA-理论1 [兼容模式].pdf

《EDA-理论1 [兼容模式].pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《EDA-理论1 [兼容模式].pdf（32页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-1-数字电路与系统设计数字电路与系统设计EDA实验实验主 讲：杨明磊主 讲：杨明磊Email:雷达信号处理国防科技重点实验室雷达信号处理国防科技重点实验室西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-2-课程简介课程简介 该课程是数字电路与系统设计后续的实验课，希望通过该课程的学习，为今后的学习和工作打下坚实的基础，促进数字系统设计水平的提高。该课程是数字电路与系统设计后续的实验课，希望通过该课程的学习，为今后的学习和工作打下坚实的基础，促进数字系统设计水平的提高。电子设计自动化（电子设计自动化（EDA：Electronic Design

2、Automation）是九十年代电子设计领域中一项先进技术，它使大规模集成电路的设计与制作进入自动化，大大改变了电子系统设计的传统方式。）是九十年代电子设计领域中一项先进技术，它使大规模集成电路的设计与制作进入自动化，大大改变了电子系统设计的传统方式。它以它以可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLD）为载体，以计算机为工作平台，以为载体，以计算机为工作平台，以EDA工具软件工具软件为开发环境，以为开发环境，以硬件描述语言（硬件描述语言（HDL）为电子系统功能的描述方式，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化的设计过程。为电子系统功能的描述方式，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化的设计过程

3、。西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-3-课程简介课程简介载体：载体：可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLD）开发环境：开发环境：EDA工具软件工具软件描述方式：描述方式：硬件描述语言（硬件描述语言（HDL）工作平台：计算机工作平台：计算机应用方向：电子系统设计应用方向：电子系统设计为什么要学习为什么要学习EDA PLD应用与发展应用与发展VHDL语言和语言和Quartus II怎样学习怎样学习EDA 实例引导知识实例引导知识 理论和实践相结合理论和实践相结合学习成果：学习成果：EDA实验及大作业实验及大作业WhyHowWhat三“三“W”西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与

4、系统设计-4-课程安排课程安排理论（理论（10课时）：课时）：了解可编程逻辑器件（了解可编程逻辑器件（PLD）的相关知识及其应用）的相关知识及其应用 学习学习VHDL语言的基础知识语言的基础知识 基本的设计方法和步骤基本的设计方法和步骤实验课（实验课（20课时）：课时）：学习学习Quartus II软件的使用和程序设计软件的使用和程序设计 完成习题和实验报告完成习题和实验报告 完成综合设计报告，在实验板上验证完成综合设计报告，在实验板上验证考核方式：考核方式：平时成绩平时成绩+上机实验及报告上机实验及报告+综合设计及报告综合设计及报告EDA:(Electronic Design Automat

5、ion)载 体载 体载 体载 体描述方式描述方式描述方式描述方式开发环境开发环境开发环境开发环境基础应用基础应用基础应用基础应用西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-5-西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-6-推荐教材与参考资料推荐教材与参考资料教材：教材：潘松 黄继业 潘松 黄继业 EDA技术实用教程技术实用教程:VHDL版（第四版）科学出版社版（第四版）科学出版社 2010 侯伯亨 主编侯伯亨 主编VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计（第三版），西安：西安电子科技大学出版社，硬件描述语言与数字逻辑电路设计（第三版），西安：西安电子科技大学出版社，2009.赵曙光

6、等编著可编程逻辑器件原理、开发与应用，西电出版社赵曙光等编著可编程逻辑器件原理、开发与应用，西电出版社参考网站：参考网站：;可编程逻辑器件中文网站可编程逻辑器件中文网站 ;西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-7-一、为什么要学习一、为什么要学习VHDL？数字化社会，数字化社会，PLD/FPGA得到了广泛的应用得到了广泛的应用 PLD:可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（Programmable Logic Device）FPGA:现场可编程门阵列（现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array)两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同两者的功能基本相同，

7、只是实现原理略有不同 可以毫不夸张的讲，可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的下至简单的74电路，都可以用电路，都可以用PLD来实现。来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。VHDL就是其中应用广泛的一种语言，它功能强，规范性好。就是其中应用广泛的一种语言，它功能强，规范性好。西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-8-PLD产品应用产品

8、应用消费电子消费电子 数字电视数字电视 DVD播放器播放器/刻录机刻录机 显示器显示器/投影仪投影仪 家庭网络家庭网络 便携式娱乐便携式娱乐 家用电器家用电器无线通信无线通信 3G 基础设施基础设施 3GPP LTE WiMAX 高级高级DSP技术技术西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-9-PLD产品应用产品应用军事和航空航天军事和航空航天 安全通信安全通信 雷达和声纳雷达和声纳 电子战电子战 COTS计算机计算机 导航和控制导航和控制医疗应用医疗应用诊断成像诊断成像 电疗电疗 心率处理心率处理 生命科学生命科学西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-10-PLD产品应

9、用产品应用汽车汽车工业工业西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-11-PLD产品应用产品应用PLD/FPGA的应用无处不在！的应用无处不在！有人的地方就有江湖有人的地方就有江湖(选自武林外传选自武林外传)有电子产品的地方就有有电子产品的地方就有PLD！西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-12-PLD产品应用产品应用有线通信有线通信广播广播计算机和存储计算机和存储测试测量测试测量西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-13-PLD背景背景数字化社会，数字集成电路不断更新换代数字化社会，数字集成电路不断更新换代 早期：电子管、晶体管、小中规模集成电路；发展到超大

10、规模集成电路早期：电子管、晶体管、小中规模集成电路；发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路以及许多具有特定功能的专用集成电路设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件芯片，并且立

11、即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)其中应用最广泛的当属其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列现场可编程门阵列(FPGA)和和复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件(CPLD)。西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-14-PLD发展发展早期：早期：只有可编程只读存贮器只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可擦除只读存贮器、紫外线可擦除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种三种 只能完成简单的数字逻辑功能只能完成简单的数字逻辑功能稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件(PLD)能够完

12、成各种数字逻辑功能。能够完成各种数字逻辑功能。典型的典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，故由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，故 PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。产品：主要有产品：主要有PAL(可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑)和和GAL(通用阵列逻辑通用阵列逻辑)特点：可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。特点：可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小

13、的电路。西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-15-PLD发展发展20世纪世纪80年代中期：年代中期：Altera和和Xilinx分别推出了类似于分别推出了类似于PAL结构的扩展型结构的扩展型 CPLD和与标准门阵列类似的和与标准门阵列类似的FPGA 都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点 兼容了兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活 广泛应用于产品的原型设计和产品生产广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在一般在10,0

14、00件以下件以下)之中之中 几乎所有应用门阵列、几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和和CPLD器件。器件。21世纪：更大规模的世纪：更大规模的FPGA/CPLD不断推出不断推出 高密度、高集成度和高性能：更多的逻辑单元和片上存储单元高密度、高集成度和高性能：更多的逻辑单元和片上存储单元 集成各种硬宏功能：集成各种硬宏功能：DSP、高速收发器、高速收发器、PLL 等等西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-16-FPGA与与CPLD 不同厂家的叫法不尽相同不同厂家的叫法不尽相同 Xilinx:基于查找表技术

15、，基于查找表技术，SRAM工艺，要外挂配置用的工艺，要外挂配置用的EEPROM的的PLD叫叫FPGA；基于乘积项技术，基于乘积项技术，Flash（类似（类似EEPROM工艺）工艺的工艺）工艺的PLD叫叫CPLD;Altera:aMAX,FLEX系列系列Cyclone,Stratix,Arria系列系列西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-17-PLD器件的优点器件的优点1、集成度高，可以替代多至几千块通用、集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片芯片2、极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性、极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性3、具有完善先进的开发工具、具有完善先进的开发工

16、具 提供语言、图形等设计方法，十分灵活提供语言、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通过仿真工具来验证设计的正确性4、可以反复地擦除、编程，方便设计的修改和升级、可以反复地擦除、编程，方便设计的修改和升级5、灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间、灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间6、保密性好、保密性好西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-18-PLD主要生产厂商主要生产厂商 最大的最大的PLD供应商之一供应商之一 开发软件为开发软件为QuartusII FPGA的发明者，最大的的发明者，最大的PLD供应商之一供应商之一 开发软件

17、为开发软件为ISE ISP技术的发明者技术的发明者 提供军品及宇航级产品提供军品及宇航级产品全球全球PLD/FPGA产品产品60%以上是由以上是由Altera和和Xilinx提供的。提供的。欧洲和美国欧洲和美国日本和亚太日本和亚太西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-19-Altera公司主要产品公司主要产品低成本低成本FPGA高端高端FPGA 从根本上针对低成本进行设计从根本上针对低成本进行设计 低系统成本和低功耗低系统成本和低功耗FPGA 个别集成了个别集成了GX收发器（收发器（3.125-Gbps）高密度、高端高密度、高端FPGA 集成了集成了GX收发器（收发器（28-Gbp

18、s）设计完整的可编程芯片系统设计完整的可编程芯片系统CycloneV CycloneIVCycloneIII CycloneIIStratixV Stratix IV Stratix IIIStratix II 西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-20-Altera公司主要产品公司主要产品带收发器的低成本带收发器的低成本FPGAHardCopy ASIC 均衡成本、功耗和高性能均衡成本、功耗和高性能FPGA 针对高达针对高达 6.375 Gbps 的主流协议进行了优化的主流协议进行了优化倒装焊封装和第四代收发器，实现了优异的信号完整性倒装焊封装和第四代收发器，实现了优异的信号完整

19、性风险最低、总成本最低的风险最低、总成本最低的ASIC使用使用Stratix系列系列FPGA进行无缝原型开发进行无缝原型开发最佳系统开发方法最佳系统开发方法ArriaV Arria IIArria GXHardCopy V HardCopy IV HardCopy IIIHardCopy II低成本低成本CPLD有史以来成本最低的有史以来成本最低的CPLD瞬时接通、非易失瞬时接通、非易失对便携式应用而言功耗最低对便携式应用而言功耗最低 瞬时接通单芯片解决方案瞬时接通单芯片解决方案MAXV MAXII MAX西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-21-赛灵思（赛灵思（Xilinx）公

20、司主要产品）公司主要产品28nm产品产品西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-22-赛灵思（赛灵思（Xilinx）公司主要产品）公司主要产品西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-23-赛灵思（赛灵思（Xilinx）公司主要产品）公司主要产品Virtex-6 FPGA，功耗低的高性能，功耗低的高性能 FPGA 突破性的价格突破性的价格/性能比性能比最灵活的高带宽最灵活的高带宽 I/O 可利用可利用 EasyPath-6 FPGA 削减成本削减成本Spartan-6 FPGA，成本低、功耗低的，成本低、功耗低的 FPGA利用收发器实现突破性低成本利用收发器实现突破性低成本革

21、命性的功能强化革命性的功能强化低功耗和小型封装低功耗和小型封装EasyPath-6 FPGA，迅速削减，迅速削减 Virtex-6 FPGA 的成本的成本免转换免转换低总产品成本低总产品成本与与 Virtex-6 FPGA 相同的功能相同的功能西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-24-部分产品部分产品西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-25-二、二、EDA开发环境开发环境Altera公司上一代的公司上一代的PLD开发软件，使用者众多。目前开发软件，使用者众多。目前Altera已经停止开发已经停止开发MaxplusII，而转向，而转向QuartusII软件平台软件平台

22、Altera公司新一代公司新一代PLD开发软件，适合大规模开发软件，适合大规模FPGA的开发的开发,推荐使用推荐使用256M以上内存，安装有以上内存，安装有NT或或win2000以上的机器以上的机器Xilinx公司上一代的公司上一代的PLD开发软件，目前开发软件，目前Xilinx已经停止开发已经停止开发Foundation，而转向，而转向ISE软件平台软件平台Xilinx公司目前的公司目前的FPGA/PLD开发软件开发软件ispDesignEXPERTLattice公司的公司的PLD开发软件开发软件,目前最新软件改名为：目前最新软件改名为：ispLEVERispLEVER StarterLat

23、tice公司的免费公司的免费PLD开发软件开发软件,支持支持600个宏单元以下的个宏单元以下的Lattice芯片的设计芯片的设计ABEL4.0,ABEL5.0开发开发GAL/PAL的软件，的软件，DOS界面界面西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-26-几种常用的几种常用的HDL语言：语言：（1）VHDL硬件描述语言：硬件描述语言：功能强，规范性好；功能强，规范性好；（2）VerilogHDL硬件描述语言：硬件描述语言：功能强、灵活性高；功能强、灵活性高；（3）ABEL硬件描述语言：硬件描述语言：属于较低级的硬件描述语言；属于较低级的硬件描述语言；（4）AHDL硬件描述语言：硬件描

24、述语言：Altera公司开发，语法简单，但不通用。公司开发，语法简单，但不通用。其中：其中：VHDL和和VerilogHDL已成为已成为IEEE标准。标准。三、三、PLD开发语言开发语言HDL:(Hardware Description Language)西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-27-VHDL&Verilog HDL 语法：语法：VHDL发展的较早，语法严格，而发展的较早，语法严格，而Verilog HDL是在是在C语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言,语法较自由。语法较自由。书写规则：书写规则：VHDL和和Verilog HD

25、L两者相比，两者相比，VHDL的书写规则比的书写规则比Verilog烦琐一些，但烦琐一些，但Verilog自由的语法也容易让少数初学者出错。自由的语法也容易让少数初学者出错。国外教学：国外教学：国外电子专业很多会在本科阶段教授国外电子专业很多会在本科阶段教授VHDL,在研究生阶段教授在研究生阶段教授verilog。参考书：参考书：从国内来看，从国内来看，VHDL的参考书很多，便于查找资料，而的参考书很多，便于查找资料，而Verilog HDL的参考书相对较少，这给学习的参考书相对较少，这给学习Verilog HDL带来一些困难。带来一些困难。西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-2

26、8-VHDL&Verilog HDL西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-29-VHDL历史回顾历史回顾 VHDL 语言是美国国防部语言是美国国防部(DOD)在在 20 世纪世纪 80 年代初为实现其高速集成电路计划年代初为实现其高速集成电路计划(VHSICVery High Speed Integrated Circuit)而提出的一种而提出的一种硬件描述语言硬件描述语言(HDLHardware Description Language)，以作为各合同商之间提交复杂电路设计文档的一种标准方案，以作为各合同商之间提交复杂电路设计文档的一种标准方案，VHDL的含义为的含义为超高速集成

27、电路超高速集成电路硬件描述语言硬件描述语言。1987年被采纳为年被采纳为IEEE 1076标准（标准（VHDL87）。）。1993年被更新为年被更新为IEEE 1164标准（标准（VHDL93）。）。西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-30-VHDLVHSIC Hardware Description LanguageHDL 的出现是为了适应电子系统设计的日益复杂性。若以计算机软件的设计与电路设计做个类比：的出现是为了适应电子系统设计的日益复杂性。若以计算机软件的设计与电路设计做个类比：机器码好比晶体管机器码好比晶体管/MOS管；管；汇编语言好比电路网表；汇编语言好比电路网表；H

28、DL语言就如同高级语言。语言就如同高级语言。西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-31-VHDL在语法和风格上类似于现代高级编程语言。但要注意，在语法和风格上类似于现代高级编程语言。但要注意，VHDL毕竟描述的是硬件，它包含许多硬件特有的结构。毕竟描述的是硬件，它包含许多硬件特有的结构。HDL是用文字化方法描述电子电路与系统。是用文字化方法描述电子电路与系统。计算机语言计算机语言描述特点是：描述特点是：顺序性顺序性HDL语言语言描述的特点是：描述的特点是：并行性并行性VHDLVHSIC Hardware Description Language西安电子科技大学国家级精品课程数字电路与系统设计-32-VHDL与计算机语言的区别与计算机语言的区别运行的基础运行的基础计算机语言是在计算机语言是在CPURAM构建的平台上运行构建的平台上运行VHDL设计的结果是由具体的逻辑、触发器组成的数字电路设计的结果是由具体的逻辑、触发器组成的数字电路执行方式执行方式计算机语言基本上以串行的方式执行计算机语言基本上以串行的方式执行VHDL在总体上是以并行方式工作在总体上是以并行方式工作验证方式验证方式计算机语言主要关注于变量值的变化计算机语言主要关注于变量值的变化VHDL要实现严格的时序逻辑关系要实现严格的时序逻辑关系Next Part