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中北大学学位论文 基于可编程逻辑器件的逻辑分析仪关键技术的研究 摘要 地铁电动列车在运行几年后需要对其上的许多插件板进行检测，以保证电动列车 运营的安全性和可靠性。例如上海地铁一号线上运营的d c 0 1 型电动列车经过十几年运 营使用后，t c u ( 牵引控制单元) 中的许多插件板都发生过故障。现有的检测装置即复 杂又昂贵，外加器件多兼容性比较差，而且数据采集模块中的采购的数据采集卡的工作 频率不能随实际采集信号变化而灵活变化，限制了数据的处理效果。 本文基于该项目研制了一种基于f p g a 芯片的逻辑分析装置，该装置不仅丰富了数 据的采样频率，而且大大提高了原有设备的利用率，减少了重复投资，提高了装置的整 体性能，兼容性更好，成本也降低了，针对客户应用也变得简单了，扩展起来更方便。 该装置不仅可以用在工业现场的测试，在实验室条件下还可以作为昂贵的逻辑分析仪替 代者。 该装置可同时测量较多路数字信号和多路模拟信号，有四种采样频率、四种触发 通道选择、五种触发方式、四种采样通道数、四种采样深度可供用户选择，并可对测量 数据在p c 机上进行波形显示及存储。在设计逻辑分析装置硬件部分时，采用基于平台 s o c 的设计思路，结合e d a 技术自上而下的设计思想将硬件部分的指令识别电路、频率 生成电路、触发电路、采样存储电路、信号转换电路和控制电路等模块设计成为用 v e r i l o gh d l 来描述的i p 核，其中对模块进行时序仿真及综合，然后在系统级级别将每 个模块有机结合在一起，再配上简单的外围电路，形成了一个具有逻辑分析功能的装置。 另外本文还设计了一个p c 界面软件。界面软件的功能是对硬件部分进行控制、显示分 析结果。设计过程利用了面向对象的程序设计思想由微计算机来完成，这样扩展了逻辑 分析装置的分析能力与计算能力，使其通用性增强。 关键词：可编程逻辑器件，f p g a ，逻辑分析仪 中北大学学位论文 b a s e do np r o g r a m m a b iel o g i c a id e v i c el o g i c a ia n a i y z e r e s s e n tiait e c h n oio g yr e s e a r c h a b s t r a c t t h es u b w a ye l e c t r i c a l l yo p e r a t e dt r a i na f t e rm o v e sf o rs e v e r a ly e a r st o n e e dt oc a r r yo nt h ee x a m i n a t i o nt ot h ea b o v em a n yp l u g i nu n i t sb o a r d ，b y g u a r a n t e e st h ee l e c t r i c a l l yo p e r a t e dt r a i no p e r a t i o nt h es e c u r i t ya n dt h e r e l i a b i l i t y a f t e rf o re x a m p l es h a n g h a is u b w a yo n l i n et h eo p e r a t i o nd c o i e l e c t r i c a l l yo p e r a t e dt r a i np a s s e st h r o u g hs e v e r a ly e a r so p e r a t i o nu s e ，t c u ( d r a f tc o n t r o lu n i t ) t h ec e n t e rm a n yp l u g i nu n i t sb o a r da l lh a sb r o k e nd o w n t h ee x i s t i n gd e t e c t o rs e tn a m e l yc o m p l e xe x p e n s i v e ，t h es u rc o m p o n e n tm u l t i c o m p a t i b i l i t yq u i t ea r eb a d ，m o r e o v e ri nt h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ep u r c h a s e d a t aa c q u i s i t i o nc a r do p e r a t i n gf r e q u e n c yc o u l dn o tb u tn i m b l yc h a n g ea l o n gw i t h t h ea c t u a lg a t h e r i n gs i g n a lc h a n g e ，h a sli m i t e dt h ed a t ap r o c e s s i n ge f f e c t t h i sa r t i c l eh a sd e v e l o p e do n ek i n db a s e do nt h i sp r o j e c tb a s e do nt h ef p g a c h i pl o g i ca n a l y s i si n s t a l i m e n t ，t h i se q u i p m e n tn o to n l yh a se n r i c h e dt h ed a t a s a m p l i n gf r e q u e n c y ，m o r e o v e rr a i s e dt h eo r i g i n a le q u i p m e n tu s ef a c t o rg r e a t l y r e d u c e dt h er e p e t i t i o ni n v e s t m e n t ，e n h a n c e dt h ei n s t a l i m e n to v e r a l lp e r f o r m a n c e t h ec o m p a t i b i l i t yb e t t e r ，t h ec o s ta l s or e d u c e d ，a l s oc h a n g e di nv i e wo ft h e c u s t o m e ra p p l i c a t i o ns i m p l y ，e x p a n d e di sm o r ec o n v e n i e n t 。t h i se q u i p m e n tn o t o n l ym a yu s ei nt h ei n d u s t r ys c e n et e s t ，a l s om a yt a k et h ee x p e n s i v el o g i c a l a n a l y z e rs u b s t i t u t i o nu n d e rt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n 。 t h i se q u i p m e n tm a ya tt h es a m et i m es u r v e yt h em u l t i c h a n n o ld i g i t a ls i g n a l a n dt h em u l t i c h a n n e ls i m u l a t e ds i g n a l ，s o m ef o u rk i n do fs a m p l i n gf r e q u e n c y f o u rk i n d st r i g g e rt h ec h a n n e l ，f i v ek i n d st r i g g e rt h ew a y ，f o u rk i n do fs a m p l i n g p a s st h em a g i c a ls k i l l ，f o u rk i n do fs a m p l i n gd e p t h sm a yf o rt h eu s e rc h o i c e 中北大学学位论文 a n dm a yt os u r v e yt h ed a t at oc a r r yo nt h ep r o f i l ed e m o n s t r a t i o na n dt h em e m o r y o np cm a c h i n e w h e nd e s i g nl o g i ca n a l y s i si n s t a l l m e n th a r d w a r ep a r t ，u s e sb a s e d o nt h ep l a t f o r ms o cd e s i g nm e n t a l i t y ，u n i f i e st h ee d at e c h n o l o g yt o p d o w nd e s i g n t h o u g h tt h eh a r d w a r ep a r t i a li n s t r u c t i o n si d e n t i f i c a t i o nc i r c u i t ，t h ef r e q u e n c y p r o d u c t i o ne l e c t r i cc i r c u i t ，t r i g g e r st h ee l e c t r i cc i r c u i t ，s a m p l i n gm o d u l ea n d s oo ns t o r a g ec i r c u i t ，s i g n a ls w i t c h i n gc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i td e s i g n si n t o t h ed e s c r i p t i o ni pn u c l e u sw h i c hc o m e sw i t hv e r i l o gh d l ，c a r r i e so nt h e s u c c e s s i o ns i m u l a t i o na n dt h es y n t h e s i st ot h em o d u l e ，t h e ni ns y s t e mr a n ke a c h m o d u l eo r g a n i cs y n t h e s i si nt o g e t h e r ，a g a i ni sj o i n e dt ot h es i m p l ep e r i p h e r y e l e c t r i cc i r c u i t ，f o r m e dt oh a v et h el o g i ca n a l y s i sf u n c t i o nt h ei n s t a l l m e n t m o r e o v e rt h i sa r t i c l eh a sa l s od e s i g n e dap cc o n t a c ts u r f a c es o f t w a r e t h e c o n t a c ts u r f a c es o f t w a r ef u n c t i o ni sp a r t i a l l yc a r r i e so nt h ec o n t r o l ，t h e d e m o n s t r a t i o na n a l y s i sr e s u l tt ot h eh a r d w a r e t h ed e s i g np r o c e s su s e dt h e o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt h o u g h tt oc o m p l e t eb yt h em i c r oc o m p u t e r ，l i k et h i s e x p a n d e dt h el o g i ca n a l y s i si n s t a l l m e n ta n a l y s i sa b i l i t ya n dt h ec o m p u t a t i o n a b i l i t y ，c a u s e di t sv e r s a t i l ee n h a n c e m e n t k e yw o r d ：p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，f p g a ，l o g i c a la n a l y z e r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：尊至受虹 日期：点2 厶三二坠 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文： 学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：日期： 导师签名： 五星已2日期：。2 ：型： 中北大学学位论文 1 1 本文研究背景及意义 第一章绪论 地铁电动列车在运行几年后需要对其上的许多插件板进行检测，以保证电动列车 运营的安全性和可靠性。例如上海地铁一号线上运营的d c 0 1 型电动列车经过十几年运 营使用后，t c u ( 牵引控制单元) 中的许多插件板都发生过故障。现有的检测装置即复 杂又昂贵，外加器件多兼容性比较差，而且数据采集模块中的采购的数据采集卡的工作 频率不能随实际采集信号变化而灵活变化，限制了数据的处理效果。现在急需一种符合 现场实际需要的逻辑分析技术弥补这一空白，以更好地适配检测装置来增强它的测试性 能。 本文针对这类问题研制了一种基于f p g a 芯片的逻辑分析装置，它的设计是由美国 a l t e r a 公司生产的c y c l o n e i i 现场可编程逻辑芯片和简单的外围电路、微型计算机相结 合而成的，可以以多种频率不同的采样时钟同时测量并存储较多路数字信号以及多路模 拟信号，然后将采集到的信号传输到p c 机上进行数据保存或者是波形显示。该装置不 仅提高了数据的采样频率，而且大大提高了原有设备的利用率，减少了重复投资，提高 了装置的整体性能，兼容性更好，成本也降低了，针对客户应用也变得简单了，扩展起 来更方便，又因为该逻辑分析仪器是应用当今最先进的e d a 技术和芯片设计而成，安全 可靠，符合工业标准。基于以上优点以及现代专用逻辑分析仪“1 价格昂贵的特点，该装 置在实验室条件下还可以作为昂贵的逻辑分析仪替代者。 1 2逻辑分析技术发展概述 随着大规模集成电路和微型计算机的发展，现代数字系统已逐步微机化了。微机的 引入，一方面使系统的能力大为提高，能够完成许多复杂的任务，另一方面也带来一些 新的问题，即传统的检测设备( 如示波器等) 已不能有效地检测和分析数字系统，特别 是微机系统。这是因为数字系统的数据传输是按空间分布多码值的方式进行的，这些码 中北大学学位论文 位组成一定格式的数据。传输的数据流是以离散时间为自变量的数据字，而不是以连续 时间为白变量的波形。因而在模拟信号分析中的诸如信号幅度等重要参数，在数字信号 分析中并不十分重要。后者重点在于考查信号高于或低于某- - f 限电平值，以及这些数 字信号与系统时间之间的相对关系。为了有效地解决越来越复杂的数字系统的检测和故 障诊断问题，美国h e w h e t tp a c k a r d 公司和b i o m a t i o n 公司于1 9 7 3 年分别研制出了一 种专用仪器逻辑分析仪( l o g i ca n a l y z e r ) 。 逻辑分析仪是一种常见的电子测量仪器，是数字域分析仪器的典型代表，它的主要 功能是测量数字电路中的逻辑波形及逻辑关系。目前，它在数字域内解决问题的能力己 使它的应用处于与示波器并列的位置。前者用于解决数字域检测问题，后者则用于解决 模拟信号的检测问题。逻辑分析技术的发展可以由逻辑分析仪的发展来展示。 自1 9 7 3 年逻辑分析仪问世以来，发展十分迅速，迄今为止，逻辑分析仪已经经历 了四代。第一代产品不仅测试速度慢，功能也简单，仅具有基本的触发能力和显示方式， 定时分析与状态分析分属两种仪器。第二代产品的主要特征是微机化，通常把定时分析 与状态分析结合在一起，便于微机的软硬件分析。第三代产品主要特点是具有高速度、 多通道、大的存储容量等高技术指标，并且有以系统性能分析为代表的分析能力。第四 代产品则是构成性能相当完善的逻辑分析仪和逻辑分析系统。 1 3虚拟仪器技术 虚拟仪器是指在计算机上用软件完成传统仪器面板上的各种功能。操作人员通过友 好的图形界面及图形化编程语言控制仪器的运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、 显示，存储及数据生成 3 。 逻辑分析技术与个人计算机( p c 机) 相结合是一个新的发展方向，我们称之为虚 拟逻辑分析仪。两者的结合扩展了逻辑分析仪的分析和计算能力，降低了成本，而且使 仪器的通用性增强，这样使得逻辑分析仪作为微计算机的外设，己不再是完全独立的测 量仪器了，在逻辑分析仪中占很大比重的控制电路、显示电路等功能全部由微计算机来 完成，使得该逻辑分析仪具有性能提高、成本降低，使用简便而且易于扩展等优势。 中北大学学位论文 1 4 可编程逻辑器件的发展 早期的可编程逻辑器件“5 1 只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存贮 器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p r o m ) 三种。由于结构的限制，它们只能完成 简单的数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上稍微复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ，它能 够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 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，所以，p l d 能以乘积和的形式完成 大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) “1 。p a l 由 一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有 选择地被置为寄存器状态。p a l 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列( p l a ) ，它 也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。 p l a 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在p a l 的基础上，又发展了一种通用 阵列逻辑g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) ，如g a l l 6 v 8 、g a l 2 2 v l o 等。它采用了e e r p o m 工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计 具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可以 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 7 】 b 3 四 1 0 3 1 1 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期，a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似于p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和与标准门阵列类似的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) l 2 3 3 1 4 j 1 5 3 1 6 3 1 7 ，它们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。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵列的特点，可 实现较大规模的电路“”，编程也很灵活。与门阵列等其它a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i c ) 相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无 需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点。因此被广泛应用于产品的原型设计和产 品生产( 一般在i 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数 中北大学学位论文 字集成电路的场合均可应用f p g a 和c p l d 器件。 随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来承担。 系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，而且希望a s i c 的设计周期 尽可能短，最好是在实验室里就能设计出适合的a s i c 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( f p l d ) ，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵 列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 f p g a ( 现场可编程门阵列) 与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑器件， 它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的，同以往的p a l ，g a l 等相比较， f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和 普遍欢迎。经过了十几年发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的 就是x i l i n x 公司的c p l d 器件系列，它们开发较早，占用了较大的p l d 市场。通常来说， 在欧洲用x i l i n x 的人多，在日本和亚太地区用a l t e r a 的人多，在美国则平分秋色。全 球p l d f p g a 产品6 0 以上是由a l t e r a 和x “i n x 提供的。可以说，a l t e r a 和x i l i n x 共同决定了p l d 技术的发展方向。当然还有许多其它器件供应商，如：l a t t i c e 、v a n t i s 、 a c t e l 、q u i c k l o g i c 、l u c e n t 等。 1 6f p g a c p l d 比较 尽管f p g a 和c p l d 都是a s i c 器件，有很多共同点，但由于c p l d 和f p g a 结构上的 差异，它们又具有各自的特点： c p l d 更适合完成各种算法和组合逻辑，f p g a 更适合于完成时序逻辑。换句话说， f p g a 更适合于触发器丰富的结构，而c p l d 更适合于触发器有限而乘积项丰富的 结构。 c p l d 的连续式布线结构决定了它的延迟是均匀的和可预测的，而f p g a 的分段式 4 中北大学学位论文 布线结构决定了其延迟的不可预测性。 在编程上f p g a 比c p l d 具有更大的灵活性。c p l d 通过修改具有固定内连电路的 逻辑功能来编程，f p g a 主要通过改变内部连线的布线来编程：f p g a 要在逻辑门 下编程，而c p l d 是在逻辑块下编程。 f p g a 的集成度比c p l d 高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 c p l d 比f p g a 使用起来更方便。c p l d 的编程采用e e p r a m 或f a s t f l a s h 技术，无 需外部存储器芯片，使用简单。而f p o a 的编程信息需存放在外部存储器上，使 用方法复杂。 在编程方式上，由于c p l d 主要是基于e e p r o r 或f l a s h 存储器编程，因而编程次 数可达1 万次，而且系统断电时编程信息也不丢失。c p l d 又可分为在编程器上 编程和在系统编程两类。f p g a 大部分是基于s r a m 编程，编程信息在系统断电时 丢失，每次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入s r a m 中，其优点是可以 编程任意次，可以工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配黄。 一般情况下，c p l d 的功耗要比f p g a 大，且集成度越高越明显。 综合c p l d 和f p g a 的以上特点，尤其是逻辑规模上的特点，本文在设计逻辑分析装 置硬件部分时选用了a l t e r a 公司较新的一个系列一一c y c l o n e i i 系列中一款高密度 f p g a e p 2 c 8 。该器件内部有8 2 5 6 个逻辑单元( l e ) 可用，内嵌了丰富的r a m 块资源， 并且还有两个p l l ( 锁相环) ，价格低廉，完全可以满足逻辑分析装置的设计要求。 1 7 o u a r t u s i i 开发工具 逻辑分析装置的f p g a 部分是在q u a r t u si i 的集成环境中完成的，采用基于v e r i l o g h d l 硬件描述语言“”。”“”“”。”的设计方法。q u a r t u si i 是a l t e r a 公司的一个功能强大 的s o c 。”开发环境，它可以为用户开发s o c 系统提供一个完整的设计环境。相应于s o c 的逻辑规模，q u a r t u s 分为基于w i n d o w s 的p c 版本和基于u n i x l i n u x 的工作站版本， 目前支持几乎所有a l t e r a 公司的p l d 器件。在q u a r t u si i 的开发环境中，用户可以完 成以下工作： 基于原理图、模块框图、a h d l 、w d l 和v e r i l o gh d l 语言的设计。 中北大学学位论文 对器件内部资源布局进行编辑 强大的逻辑综合 功能仿真和时序仿真 时序分析 嵌入式s i g n a l t a p i i ”o 逻辑分析仪 自动错误定位功能 嵌入式逻辑分析仪s i g n a l t a p i i 是q u a r t u si i 的一个极具特色的模块。它可以在对 器件综合时，根据用户要求生成f p g a 的i o 管脚信号采集模块。在器件运行时，将s r a m 中，当用户要进行逻辑分析时，这些数据可以通过5 t a g 昭町扫描链送到用户的p c 机或工 作站上。只要器件的逻辑资源够用，信号采集的触发方式、触发深度都可以进行灵活设 置。在逻辑分析装置设计中，由于使用了这个模块，节点的软件和硬件的开发设计变得 非常方便，几乎没有使用示波器。 1 8 v e r i l o gh d l 开发语言概述 随着数字通信和自动化控制等领域的高速发展和世界范围的高技术竞争对数字系 统提出了越来越高的要求，设计并验证复杂的电路及系统已不再是简单的个人劳动，而 需要综合许多专家的经验和知识才能够完成。近十年来电路制造工艺技术的发展非常迅 速，目前国际上0 1 3um 的制造工艺，己达到工业化生产的规模，而电路设计能力远远落 后于制造技术的进步。在数字逻辑设计领域，迫切需要一种共同的工业标准来统一对数 字逻辑电路及系统的描述，这样就能把系统设计工作分解为逻辑设计( 前端) 和电路实 现( 后端) 两个互相独立而又相关的部分。由于逻辑设计的相对独立性，就可以把专家 们设计的各种常用数字逻辑电路和系统部件建成宏单元( m e g e e l l ) 或软核( s o f t c o r e ) 库供设计者引用，以减少重复劳动，提高工作效率。电路的实现则可借助于i p 核的重 复利用和综合工具，以及布局布线工具( 与具体工艺技术有关) 来自动地完成。v e r i l o g h d l 和v h d l 这两种工业标准的产生顺应了历史的潮流，因而得到了迅速的发展。 硬件描述语言( h d l ：h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是一种用形式化方法来描 述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。数字逻辑电路设计者可以利用这种语言来描述 中北大学学位论文 自己的设计思想，然后利用电子设计自动化( e d a ) 工具进行仿真，再自动综合到门级 电路，最后用a s i c 或f p g a 实现其功能。目前，这种称为高层次设计( h i g h l e v e ld e s i g n ) 的方法已被广泛采用。硬件描述语言发展至今已有二十多年的历史，并成功地应用于设 计的各个阶段：仿真、验证、综合等。到8 0 年代，已出现了上百种硬件描述语言，它 们对设计自动化起到了极大的促进作用。但是，这此硬件描述语言各自面向特定的设计 领域与层次，而且众多的语言使用户无所适从，因此急需一种面向设计和多领域、多层 次并得到普遍认同的标准硬件描述语言。进入8 0 年代后期，硬件描述语言向着标准化 的方向发展。最终，v h d l 和v e r i l o gh d l 语言适应了这种趋势的要求，先后成为i e e e 标准。 v e r i l o gh d l 语言是一种应用广泛的硬件描述语言，可以用于从算法级、门级到开 关级的多种抽象层次的数字系统设计。该语言由c a n d e n c e 公司于1 9 9 0 年公开发表，同 期成立o v i ( o p e nv e r i l o gi n t e r n a t i o n a l ) 组织专门上负责v e r i l o gh d l 语言的发展。 由于该语言具有简洁、高效、易学易用、功能强等优点，因此逐渐为从多设计者所接受 和喜爱。v e r i l o gh d l 语言于1 9 9 5 成为i e e e 标准，称为i e e es t a n d a r d l 3 6 4 1 9 9 5 。 从语法上看，v e r i l o gh d l 语言与c 语言有许多相似之处，并继承和借鉴了c 语言的多 种操作符和语法结构，下面列出的是v e r i l o gh d l 硬件描述语言的一些主要特点： 能形式化地表示电路的结构和行为。 借用高级语言的结构和语句，例如条件语句、赋值语句和循环语句等，在 v e r i l o gh d l 中都可以使用，既简化了电路的描述，又方便了设计人员的学习和 使用。 能够在多个层次上对所设计的系统加以描述，从开关级、门级、寄存器级( r t l ) 到功能级和系统级，都可以描述。设计的规模可以是任意的，语言不对设计的规 模施加任何限制。 v e r i l o gh d l 具有混合建模能力，即在一个设计中各个模块可以在不同的设计层 次上建模和描述。 基本逻辑门，例如a n d 、o r 和n a n d 等都内置在语言中；开关级结构模型，例如 p m o s 和n m o s 等也内置在语言中，用户可以直接调用。 用户定义原语( u d p ) 创建的灵活性。用户定义的原语既可以是组合逻辑原语， 中北大学学位论文 也可以是时序逻辑原语。v e r i l o gh d l 还具有内置逻辑函数。 采用电路原理图的输入法进行设计，设计周期长、需要专门的设计工具、需要手工 布线，而采用v e r i l o gh d l 输入法时，由于v e r i l o gh d l 的标准化，可以很容易地把完 成的设计移植到不同厂家的不同芯片中去，并在不同规模应用时可以较容易地作修改。 这是因为用v e r i l o gh d l 所完成的设计，其信号位数容易改变，可以很方便地对其进行 修改，以适应不同规模的应用。在仿真验证时，仿真测试矢量还可以用同一种描述语言 来完成；另外，采用v e r i l o gh d l 综合器生成的数字逻辑是一种标准的电子设计互换格 式( e d i f ) 文件，独立于所采用的实现工艺。有关工艺参数的描述可以通过v e r i l o gh d l 提供的属性包括进去，然后利用不同厂家的布局布线工具，在不同工艺的芯片上实现。 采用v e r i l o gh d l 输入法最大的优点是其与工艺无关性，这使得设计者在功能设计、逻 辑验证阶段，可以不必过多考虑门级及工艺实现的具体细节，只需要利用系统设计时对 芯片的要求，施加不同的约束条件，即可设计出实际电路。实际上这是利用了计算机的 巨大能力并在e d a 工具的帮助下，把逻辑验证与具体工艺库匹配、布线及时延计算分成 不同的阶段来实现，从而减轻了人们的繁琐劳动。 2 9 因此，使用v e r i l o gh d l 语言设计逻辑分析装置中的f p g a 模块部分，可以很方便 的设计电路又可以缩短设计的周期，同时，也可以从网上找到丰富的技术资源。 中北大学学位论文 第二章f p g a 器件概述 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b i eg a t ea r r a y ) 是现场可编程门阵列芯片的简称。它是 与传统p l d 不同的一类可编程a s i c 。它具有类似于半定制门阵列的通用结构，即由逻辑 功能块排列成阵列组成，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块来实现所需的设 计。f p g a 可由用户现场编程来完成逻辑功能块之间的互连，因此，在某种意义上说，f p g a 是一种将门阵列的通用结构与p l d 的现场可编程特性结合于一体的新型器件，它将现代 v l s i 逻辑集成的优点和可编程器件设计灵活、制作及上市快的长处相结合，使设计者在 f p g a 开发系统软件的支持下，直接根据系统要求定义和修改其逻辑功能，使一个包含数 千门的数字系统设计采用f p g a 技术可在很短的时间内完成，所以，无论从产品上市速 度，还是以设计制作成本而苦，在应用种类多、数量少的情况下，采用f p g a 可优于掩 膜设计制作的a s i c 。自从f p g a 诞生以来，无论从性能和集成度方面，还是在数量和种 类方面都已经取得了飞速的发展。目前f p g a 的集成门数已达到数百万门。 a l t e r ac y c l o n ei i 系列f p g a 的结构和特点 a l t e r a 公司的c y c l o n ei if p g a 是基于1 2 v ，9 0 n m 和s r a m 的处理器。它逻辑单元 密度非常高，并且其嵌入式r a m 块可以增大到i m b i t ，同时它提供数字锁相环( p l l ) 和 一个专用的d d r ( d o u b ed a t ar a t e ) 接口来满足d d r8 d r a m 和f c r a m ( f a s tc y c l er a m ) 的需要，还有1 8 1 8 的嵌入式乘法器来支持高性能的d s p 应用。因此，c y c l o n e i i 器件 对于数字逻辑系统设计来说具有很高的性价比。在i o 标准方面，它支持不同的标准， 包括l v d s ( 数据传输率最大到6 2 2 m b p s s ) 和6 6 m h z 、6 4 b i tp c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ) 及p c i x 。此外，a l t e r a 也提供新型的低价格的串行配置设备来配置 c y c l o n ei i 器件。应用该器件对逻辑分析装置的设计具有高性能低价格的特点。 2 1c y c i o n e i i 器件的功能性描述 c y c l o n ei i 系列器件是采用二维的行列式结构来组成通常的逻辑。不同速度的行和 列之间的互连可以实现逻辑阵列块( l a b ) 和嵌入式内存块之间的信号连接。在逻辑阵 中北大学学位论文 列上，它由若干个逻辑阵列块组成，每个逻辑阵列块包含1 6 个逻辑单元( l e ) 。逻辑单 元是f p g a 器件内部最小的单元模块，它可以通过编程为用户提供丰富的逻辑函数。逻 辑阵列块被分成若干个组交叉在器件内部。c y c l o n e i i 器件结构简图如图2 1 所示。 图2 - 1c y c l o n e i i 器件结构简图 嵌入式r a m 单元结构中，所有的r a m 都是由若干个4 kr a m 块组成。这些4 kr a m 存 储块是真正的双口逻辑块，它们每一个具有4 kb i t 的r a m 容量和5 1 2 位的校验位( 总 共是4 6 0 8b i t ) 。这些内存块可以为用户提供复杂的双口逻辑、简单的双口逻辑和单口 逻辑。在2 5 0 m h z 的速度下可以支持3 6b i t s 的位宽。这些内存块被分成若干列分布在 器件的逻辑阵列块之间。c y c l o n e i i 器件可以提供接近1 m b i t 大小的嵌入式r a m 。 c y c l o n e i i 系列器件提供了一个全局时钟网络以及多达4 个的锁相环。全局时钟网 络包括多达1 6 根的时钟管脚，这些时钟源可以驱动整个器件内部的所有资源。同时， 全局时钟管脚也可以被用来作为控制信号。p l l 提供通用的时钟倍频功能和相位转换功 能，同时也可以给外部高速双极性i o 的输出提供支持。 c y c l o n ei i 系列器件的每一个i o 引脚都被一个i o 单元( i o e ) 所反馈连接，它环 绕在器件外围l a b 末端。i o 支持高速微分接口标准( 如：r s d s 、l v d s 等) ，各种单极 性和双极性的i 0 标准( 如6 6 m h z ，6 4 b i tp c i 标准和l v d si o 标准) 。每一个i o e 都 包含一个双向的i o 缓冲器和三个寄存器来寄存输入、输出和输出使能信号。双重用途 1 0 中北大学学位论文 的d o s ，d q 和d m 引脚( 用来校准d d r 信号的相位) 和延时通路一起使用可以支持外部 存储器，包括d d rs d r a m 和f c r a m 器件，外部存储器的速度最高可达到1 3 3 2 6 6 m b p s 。 2 2c y cio n ei i 器件的各功能模块介绍 2 2 1 逻辑单元 在c y c o n e i if p g a 结构中，最小的逻辑单元是l e ( l o g i ce l e m e n t ) ，它非常紧凑， 并且还提供一些高级的优点，使得逻辑利用效率提高。每个l e 包含一个四输入的查找 表，它是一个可以产生任意四变量函数的函数发生器。另外，每个l e 包含一个可编程 的寄存器和有进位选择能力的进位链。一个单独的l e 也支持动态的单位加法和减法模 式，这是通过整个逻辑阵列块的控制信号来选择的。每个l e 可以驱动所有类型的局部 互连线、行、列、查找表链、寄存器链和直接互连线。 每个l e 的可编程寄存器可以被配置成为d 触发器、t 触发器、j k 触发器或者s r 触 发器。每个寄存器都有数据、时钟、时钟使能、清零信号和异步载入置位输入信号。 全局信号、通用i o 口或者任意内部逻辑都可以驱动寄存器的时钟使能、置位、异步载 入和异步数据输入。对于组合逻辑，查找表输出直接旁路了可编程寄存器，并且可以直 接驱动l e 输出。每个l e 有三个输出可以驱动局部、行和列的资源。查找表或者寄存器 输出可以各自独立的驱动这三个信号。两个l e 输出分别驱动行列和直接互连线，同时 另一个驱动局部互连资源。这就允许查找表在驱动一个输出的同时寄存器驱动另一个输 出。这个特点可以提高器件利用率，因为器件对于不相关的函数可以同时使用寄存器和 查找表。另一个特殊的模式允许寄存器输出反馈到同一个l e 的查找表上，这样寄存器 就可以有自己的查找表扇出。这是另一种改善器件利用率的方法。l e 可以驱动经过寄存 或者未经过寄存的查找表的输出。除了三个通用的输出，l e 有查找表链和寄存器链输出。 相同l a b 中的查找表输出可以级连起来构成输入更宽的函数。相同逻辑阵列块中的寄存 器链可以级连，使得逻辑阵列块使用查找表构成一个组合逻辑函数。并且使用寄存器构 成移位寄存器。这些资源加快了逻辑阵列块间的连接，同时也节约了局部互连资源。图 2 2 为l e 的结构图。 中北大学学位论文 图2 - 2l e 结构图 囊型擎 行、列和直 接互连线 局部互 连线 寄存器 链输出 l e 有两种操作模式：普通模式和动态算术模式。普通模式适合与一般的逻辑应用和 组合函数。动态算术模式对于应用加法器、计数器、累加器、奇偶校验函数和比较器是 很理想的。合理应用l e 中的逻辑资源和工作模式可以提高器件的工作性能和器件利用 率。 2 2 2 逻辑阵列块( l a b ) 每一个l a b 都包括1 6 个l e 、l e 进位链、l a b 控制信号、个局部互连线、查找表 链和寄存器连接线。局部互连线在同一个l a b 中的l e 间传输信号。查找表链将一个l e 查找表的输出传输到相邻的l e 去来完成在同个l a b 中快速连续的查找表。寄存器链 将l e 寄存器的输出传输到相邻l a b 中的l e 寄存器上。用q u a r t u si i 编译器放置与一个 l a b 或者相邻l a b 中关联的逻辑时允许使用局部互连线、查找表链和寄存器链来获得更 好的表现和面积效率。图2 3 为c