（检测技术与自动化装置专业论文）现场可编程逻辑门阵列（fpga）技术的应用研究.pdf

西北工业人学硕 i_ 学位论文摘 要 摘 要 随 着电 子技术的飞速发展， 工业生产和日 常生活中的智能设备日 益增多， 现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域， 有力地推动了 社会生产力的发展和社 会信息化 程度的提高， 同时也使现代电子产品 性能进一步提高， 产品更新换代的 节 奏也越来越快， 对设计开发提出了 更高的要求。 现场可编程 逻辑门 阵列( f p g a ) 具 有开发周期短、 成本小、 风险低和现场可灵活配置等优点， 可以 在更短的时间 实现更复杂的功能， 使得基于 f p g a的开发平台的研究成为工业界和学术界日益 关注的问题。基于 f p g a的高集成度、高可靠性，可将整个设计系统下载于同一 芯片中，实现片上系统，从而大大缩小其体积，因此以 f p g a为代表的可编程逻 辑器件应用日益广泛。在国外，f p g a技术发展与应用 已达到相当高的程度;而 在国内， f p g a 技术发展仍处在起步阶段，与国 外相比 还存在较大的差距。 本文提出了一种 f p g a通用接口开发平台的设计思路，研制了一种 f p g a快 速实 验开发装置， 对研制过程中遇到的软、 硬件问 题加以 归纳总结， 提高了 系统 运行效率。分别研究了 基于f p g a 器件a l t e r a公司的f l e x 6 0 0 0 的字符型l c d , p c 机工 s a 总线， 基于 f l e x i o k 的图像点阵型l c d , p c 机p c i 总线接口中。最 后 通过一个通用实验装置系统的设计和实现，综合上述应用，介绍了 f p g a实验系 统的软件开发环境，实 现了基于f g p a 的交通信号灯逻辑控制和电子钟， 研究了 f 尸 g a 技术在通用接口 控制器设计中的应用。 关键词:现场可编程逻辑门阵列，通用接口开发平台，实验装置系统 西北t.业大学硕 学位论文 摘 要 ab s t r a c t wit h t h e i n c r e a s i n g d e m a n d a b o u t in t e ll i g e n t d e v i c e s in th e in d u s t r ia l f i e l d a n d o r d in a ry l i f e , th e a p p li c a t io n s o f e le c t r i c d e v i c e s b e c o m e m o r e a n d m o r e w i d e s p r e a d . a t th e s a m e t im e , d u e to t h e e f f e c t o f a la te m a r k e t d e l i v e ry, t h e d e s i g n c y c l e o f e m b e d d e d s y s t e m s b e c o m e s s h o r t e r a n d s h o r te r . t o r e a l iz e m o r e c o m p l e x f u n c ti o n s i n t i g h t e r t im e - t o - m a r k e t m a k e s t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t h a r d e r . f p g a h a s s o m e a d v a n t a g e s , s u c h a s s o rt c y c l e , lo w c o s t , s m a ll r is k a n d fl e x i b le c o n f ig u r a t i o n e t c , w h ic h c a n r e a l i z e m o r e c o m p l e x f u n c ti o n s i n s h o rt e r t i m e . t h e s t u 勿 o f d e v e l o p m e n t b o a r d b a s e d o n f p g a b e c o m e s a h ig h l ig h t o f i n d u s try a n d a c a d e m e . t h e w h o l e s y s t e m c a n b e d o w n lo a d e d t o o n e c h i p b e n e f it fr o m t h e h i g h i n t e g r a t i o n a n d s o li d it y o f f p g a t o r e a li z e s y s te m o n c h ip t o r e d u c e t h e b u lk . h o w e v e r , th e t e c h n o l o g y o f f p g a is s ti l l n o t f u ll y d e v e l o p e d c o m p a r e d w i th f o r e ig n . i n t h i s p a p e r , a g e n e r a l f p g a i n te r f a c e d e v e lo p - b o a r d s c h e m e is in t r o d u c e d . a q u ic k f p g a e x p e r im e n t d e v i c e i s r e s e a r c h e d . t h e s o ft w a r e a n d h a r d w a r e p r o b l e m a r e c o n c l u d e d , w h i c h w o u l d h i g h ly e n h a n c e th e s y s t e m e f f i c i e n c y . t h e c h a r a c t e r l c d / i s a b u s b a s e d o n f l e x6 0 0 0 a n d ma t r i x l c d / p c i b u s b a s e d o n f l e xi o k i s s t u d i e d . f in a ll y , a g e n e r a l e x p e r i m e n t d e v i c e i s d e s ig n e d a n d r e a l iz e d . k e y w o r d s : f p g a , g e n e r a l in t e r f a c e d e v e l o p - b o a r d , e x p e r im e n t d e v i c e s y s t e m. 西北 业大学硕 l 学位论文 第 1 章 绪论 第1 章 绪论 1 .引言 2 0世 纪末，电 子技术获得了飞 速的 发展， 在其推动下， 现代电 子产品 几乎 渗透了 社会的各个领域， 有力地推动了 社会生 产力的发展和社会信息化程度的提 高，同 时也使现代电 子产品性能进一步提高， 产品更新换代的节奏也越来越快。 e d a ( e le c tr o n ic s d e s ign a u to m a ti o n ) 即电 子 设计自 动 化 技 术， 是 一 种以 计 算机为基本工作平台， 利用计算机图形学、 拓扑逻辑学、 计算数学以及人工智能 学等多种计算机应用学科的最新成果而开发出来的一整套软件工具， 是一种帮助 电子设计工程师从事电 子元件产品和系统设计的综合技术 1 1 二十世纪后半期， 随着集成电 路和计算机技术的飞速发展， 数字系统也 得到 了飞 速发展， 其实现方法经历了由 分立元件、 s s i , m s i 到l s i , v l s i 以及u v l s i 的过程。同时，为了提高系统的可靠性与通用性，微处理器和专用集成电路 ( a s i c ) 逐渐取代了通用全硬件l s i 电路， 而在这二者中， a s i c以其体积小、 重 量轻、功耗低、 速度快、 成本低、保密性好而脱颖而出。 总的来说， a s i c的 制作 可粗略地分为掩膜方法和现场可编 程方法两大类。 目 前， 业界大量可编程逻 辑器件 ( p l d) ，尤其是现场可编程逻辑器件 ( f p g a ) 被大量地应用在a s i c的 制作当中。 在可编程集成电 路的开 发过 程中， 电子设计自 动化 ( e d a) 技术应运 而生。 e d a技术的出现， 不仅为电子系统设计带来了一 场革命性的 变化，从某 种角度来说，也成为其发展的必然。 e d a技术的发展经历了一个由浅到深的过程。 二十世纪7 0 年代，随 着中小 规模集成电路的开发应用 ， 传统的手工制图设计印刷电路板和集成电路的方法己 无法满足设计精 度和效率的要求， 因此工程师们开始进行二维平面图 形的计算 机 辅 助设 计， 以 便解脱繁杂、 机械的 版图设计工作， 这就产生了 第一代e d a工具。 到了8 0 年代，为了适应电子 产品在规模和制作上的 需要， 应运出现了以 计算机 仿 真和自 动布线为核心技术的第二代e d a技术。 其特点 是以软 件工具为核心， 通过这些软 件完 成产品开发的设计、分析、生 产、 测试等各项工作。 9 0 年代后， e d a 技术继续发展，出 现了以 高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的 第三代e d a技术。 它们的出 现， 极大地提高了系统设计的效率，使广大的电 子 设计师开始实现“ 概念驰动工程” 的梦想。 设计师们摆脱了 大量的辅助设计工作， 而 把精力集中于创造性的方案与概念构思上， 从而极大地 提高了设计效率， 缩短 了产品的研制周期。 由此可见， e d a技术可以看作是电子 c a d的高级阶段。 e d a 工具的出现，给电子系统设计带来了革命性的变化。随着 i n t e l 公司 p e n t i u m 处 理器的推出， x i l i n x 等公司 几十 万门规模的f p g a的上市， 以 及大规模的芯片组 和高速、高密度印刷电路板的 应用， e d a技术在仿真、时序分析、 集成电路自 动测试、高 速印刷电路板设计及操作平台的 扩展等方面都面临着新的巨 大的 挑 战。 这些问 题实际上也是新一代e d a 技术未来发展的趋势。 总的 来说，现代 e d a技术的基本特征是采用高 级语言描述，具有系统级仿 真 和综合能力。 它主要采用并行工程和 “ 自 顶向下” 的 设计方法， 使开发者从一 开 始就要 考虑到 产品生成周期的诸多方面， 包括质量、 成 本、 开发时间及用户的 需 求等等。 然后从系统设计入 手， 在顶层进行功能 方框图的 划分和结构设计. 存 西北 业大学硕 l 学位论文 第 1 章 绪论 第1 章 绪论 1 .引言 2 0世 纪末，电 子技术获得了飞 速的 发展， 在其推动下， 现代电 子产品 几乎 渗透了 社会的各个领域， 有力地推动了 社会生 产力的发展和社会信息化程度的提 高，同 时也使现代电 子产品性能进一步提高， 产品更新换代的节奏也越来越快。 e d a ( e le c tr o n ic s d e s ign a u to m a ti o n ) 即电 子 设计自 动 化 技 术， 是 一 种以 计 算机为基本工作平台， 利用计算机图形学、 拓扑逻辑学、 计算数学以及人工智能 学等多种计算机应用学科的最新成果而开发出来的一整套软件工具， 是一种帮助 电子设计工程师从事电 子元件产品和系统设计的综合技术 1 1 二十世纪后半期， 随着集成电 路和计算机技术的飞速发展， 数字系统也 得到 了飞 速发展， 其实现方法经历了由 分立元件、 s s i , m s i 到l s i , v l s i 以及u v l s i 的过程。同时，为了提高系统的可靠性与通用性，微处理器和专用集成电路 ( a s i c ) 逐渐取代了通用全硬件l s i 电路， 而在这二者中， a s i c以其体积小、 重 量轻、功耗低、 速度快、 成本低、保密性好而脱颖而出。 总的来说， a s i c的 制作 可粗略地分为掩膜方法和现场可编 程方法两大类。 目 前， 业界大量可编程逻 辑器件 ( p l d) ，尤其是现场可编程逻辑器件 ( f p g a ) 被大量地应用在a s i c的 制作当中。 在可编程集成电 路的开 发过 程中， 电子设计自 动化 ( e d a) 技术应运 而生。 e d a技术的出现， 不仅为电子系统设计带来了一 场革命性的 变化，从某 种角度来说，也成为其发展的必然。 e d a技术的发展经历了一个由浅到深的过程。 二十世纪7 0 年代，随 着中小 规模集成电路的开发应用 ， 传统的手工制图设计印刷电路板和集成电路的方法己 无法满足设计精 度和效率的要求， 因此工程师们开始进行二维平面图 形的计算 机 辅 助设 计， 以 便解脱繁杂、 机械的 版图设计工作， 这就产生了 第一代e d a工具。 到了8 0 年代，为了适应电子 产品在规模和制作上的 需要， 应运出现了以 计算机 仿 真和自 动布线为核心技术的第二代e d a技术。 其特点 是以软 件工具为核心， 通过这些软 件完 成产品开发的设计、分析、生 产、 测试等各项工作。 9 0 年代后， e d a 技术继续发展，出 现了以 高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的 第三代e d a技术。 它们的出 现， 极大地提高了系统设计的效率，使广大的电 子 设计师开始实现“ 概念驰动工程” 的梦想。 设计师们摆脱了 大量的辅助设计工作， 而 把精力集中于创造性的方案与概念构思上， 从而极大地 提高了设计效率， 缩短 了产品的研制周期。 由此可见， e d a技术可以看作是电子 c a d的高级阶段。 e d a 工具的出现，给电子系统设计带来了革命性的变化。随着 i n t e l 公司 p e n t i u m 处 理器的推出， x i l i n x 等公司 几十 万门规模的f p g a的上市， 以 及大规模的芯片组 和高速、高密度印刷电路板的 应用， e d a技术在仿真、时序分析、 集成电路自 动测试、高 速印刷电路板设计及操作平台的 扩展等方面都面临着新的巨 大的 挑 战。 这些问 题实际上也是新一代e d a 技术未来发展的趋势。 总的 来说，现代 e d a技术的基本特征是采用高 级语言描述，具有系统级仿 真 和综合能力。 它主要采用并行工程和 “ 自 顶向下” 的 设计方法， 使开发者从一 开 始就要 考虑到 产品生成周期的诸多方面， 包括质量、 成 本、 开发时间及用户的 需 求等等。 然后从系统设计入 手， 在顶层进行功能 方框图的 划分和结构设计. 存 西北工业大学硕士学位论文 第 i 章 绪论 方框图 一级进行仿真、纠错，并用 v h d l , v e r i l o g h d l , a b e l等硬 件描述语 言对高层次的系统行为进行描述， 在系统一 级进行验证， 最后再用逻辑综合优化 工具生成具体的门级逻辑电路的网表， 其对应的物理实现级可以是印刷电路板或 专用集成电 路。 近几年来， 硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化、 不同设 计风格和应用的要求导致各具特色的 e d a工具被集成在同一个工作站上，从而 使e d a框架日 趋标准化。 e d a工具的发展经历了 两个大的 阶段: 物理工具和逻辑工具。 现在e d a和 系统设计工具正逐渐被理解成一个整体的概念: 电子系统设计自动化。 物理工具 用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、 印刷电路板布线等等;逻辑工具 是 基于网表、 布尔逻辑、 传输时 序等 概念， 首先由原理图 编辑器或硬件描述语言 进行设计输入， 然后利用e d a系统完成综合、仿真、优化等过程，最后生成物 理工具可以接受的网表或v h d l , v e r i l o g h d l 的结构化描述。 现在常见的e d a 工具有编辑器、 仿真器、检查/ 分析工具、优化 / 综合工具等等。 目 前， p l d己 成为现代数字系统设计的主要手段。 传统的编程技术是 将p l d 器件插在编程器上进行编程， 而 “ 在系统可编程”( i s p ，即 in s y s t e m p r o g r a m m a b le ) 逻 辑器 件的 问 世， 将 可 编 程 器 件 的 优 越 性 发挥 到了 极 致。 它允 许 用户 “ 在系统中” 编辑和修改逻辑， 给使用者提供了 在不修改系统硬件设计的 条 件下重构系统的能力和硬件升级能力， 使硬件修改变得像软件修改一样方便， 系 统的可靠性因此而提高。 i s p 技术即直接在用户设计的目 标系统中或线路板上对 p l d器件进行编程的技术，打破了使用 p l d必须先编程后装配的惯例，而可以 先装配后编程， 成为产品后还可反复编程， 从而开创了数字电子系统设计技术新 的一页。 f p g a / c p l d等器件 “ 在系统可编 程” 所提供的在不修改系统 硬件设计的条 件下重构系统的能力和硬件升级能力， 使硬件修改 变得像软件修改一样方便， 也 使得微惯性测量组合的特性实验数据经过分析仿真后可以 直接反馈到最初的硬 件系统设计。 也就是说， 在系统的最初设计中可以暂时不考虑如校零、 补 偿算法 的电路实现等问 题， 因为可以 在电路 板设计 好后， 分析实验数据， 再通过软 件进 行系统的 重构， 事前对微惯性敏感元器件的特性只需要进行大致了解， 这大大提 高了 硬件设计的 成功率。 同时， 软件在系统硬件设计中的地位也得到了空 前的 提 高。所以 说， f p g a / c p l d等器件的 “ 在系统可编程” 能力与 e d a技术是本文 研究课题的第一个基础技术。 1 .2 .研究背景及意义 f p g a / c p l d是 2 0 世纪 9 0年代发展起来的大规模可 编程逻辑器件，随 着 e d a ( 电子设计 自动化)技术和微电子技术的进步，f p g a 的时钟延迟可达到 n : 级，结合其 井行工作方式，在超高速、 实时测控方面有非常 广阔的应用前 景; 并且f p g a具有高 集成度、 高可靠性， 几乎可将整个设计系统下 载于同一芯片中， 实现所谓片上系统， 从而大大缩小其体积， 因此以 c p l d / f p g a为代表的可编程 逻辑器件受到了世界范围内广大电子设计工程师的普遍欢迎， 应用日 益广泛。 在 国外， f p g a技术发展与应用己 达到相当高的 程度; 在国内，f p g a技 术发展十 分迅速，然而与国外相比还存在较大的差距。 本文的 研究课题为西北 工业大学 9 0 5教研室与西安西雅图 数码科技有限 公 司的 合作项目 ， 开发f p g a快速工程实 践与实 验装置系统。 主要目 的是为了 加快 西北工业大学硕士学位论文 第 i 章 绪论 方框图 一级进行仿真、纠错，并用 v h d l , v e r i l o g h d l , a b e l等硬 件描述语 言对高层次的系统行为进行描述， 在系统一 级进行验证， 最后再用逻辑综合优化 工具生成具体的门级逻辑电路的网表， 其对应的物理实现级可以是印刷电路板或 专用集成电 路。 近几年来， 硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化、 不同设 计风格和应用的要求导致各具特色的 e d a工具被集成在同一个工作站上，从而 使e d a框架日 趋标准化。 e d a工具的发展经历了 两个大的 阶段: 物理工具和逻辑工具。 现在e d a和 系统设计工具正逐渐被理解成一个整体的概念: 电子系统设计自动化。 物理工具 用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、 印刷电路板布线等等;逻辑工具 是 基于网表、 布尔逻辑、 传输时 序等 概念， 首先由原理图 编辑器或硬件描述语言 进行设计输入， 然后利用e d a系统完成综合、仿真、优化等过程，最后生成物 理工具可以接受的网表或v h d l , v e r i l o g h d l 的结构化描述。 现在常见的e d a 工具有编辑器、 仿真器、检查/ 分析工具、优化 / 综合工具等等。 目 前， p l d己 成为现代数字系统设计的主要手段。 传统的编程技术是 将p l d 器件插在编程器上进行编程， 而 “ 在系统可编程”( i s p ，即 in s y s t e m p r o g r a m m a b le ) 逻 辑器 件的 问 世， 将 可 编 程 器 件 的 优 越 性 发挥 到了 极 致。 它允 许 用户 “ 在系统中” 编辑和修改逻辑， 给使用者提供了 在不修改系统硬件设计的 条 件下重构系统的能力和硬件升级能力， 使硬件修改变得像软件修改一样方便， 系 统的可靠性因此而提高。 i s p 技术即直接在用户设计的目 标系统中或线路板上对 p l d器件进行编程的技术，打破了使用 p l d必须先编程后装配的惯例，而可以 先装配后编程， 成为产品后还可反复编程， 从而开创了数字电子系统设计技术新 的一页。 f p g a / c p l d等器件 “ 在系统可编 程” 所提供的在不修改系统 硬件设计的条 件下重构系统的能力和硬件升级能力， 使硬件修改 变得像软件修改一样方便， 也 使得微惯性测量组合的特性实验数据经过分析仿真后可以 直接反馈到最初的硬 件系统设计。 也就是说， 在系统的最初设计中可以暂时不考虑如校零、 补 偿算法 的电路实现等问 题， 因为可以 在电路 板设计 好后， 分析实验数据， 再通过软 件进 行系统的 重构， 事前对微惯性敏感元器件的特性只需要进行大致了解， 这大大提 高了 硬件设计的 成功率。 同时， 软件在系统硬件设计中的地位也得到了空 前的 提 高。所以 说， f p g a / c p l d等器件的 “ 在系统可编程” 能力与 e d a技术是本文 研究课题的第一个基础技术。 1 .2 .研究背景及意义 f p g a / c p l d是 2 0 世纪 9 0年代发展起来的大规模可 编程逻辑器件，随 着 e d a ( 电子设计 自动化)技术和微电子技术的进步，f p g a 的时钟延迟可达到 n : 级，结合其 井行工作方式，在超高速、 实时测控方面有非常 广阔的应用前 景; 并且f p g a具有高 集成度、 高可靠性， 几乎可将整个设计系统下 载于同一芯片中， 实现所谓片上系统， 从而大大缩小其体积， 因此以 c p l d / f p g a为代表的可编程 逻辑器件受到了世界范围内广大电子设计工程师的普遍欢迎， 应用日 益广泛。 在 国外， f p g a技术发展与应用己 达到相当高的 程度; 在国内，f p g a技 术发展十 分迅速，然而与国外相比还存在较大的差距。 本文的 研究课题为西北 工业大学 9 0 5教研室与西安西雅图 数码科技有限 公 司的 合作项目 ， 开发f p g a快速工程实 践与实 验装置系统。 主要目 的是为了 加快 西北工业大学硕 一 学位论文第 1 章 绪论 国内电子设计者们以及高等学校师生们对 f p g a 技术的学习与掌握。此 f p g a 实验开发系统既可用做实验学习，也可用于工程实践。 1 .2 . 1 .f p g a / c p l d概述 f p g a , c p l d与其它类型p l d的结构各有其特点 和长处， 但概括起来， 它 们是由三大部分组成的: 二维的逻辑块阵 列，构成了p l d器件的逻辑组成核心; 输入 / 输出块，连接逻辑块的互连资源; 连线资源，由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开 关， 用于逻辑块之间、 逻辑块与输入/ 输出 块之间的 连接12 1 如图 1 . 1 所示为典型的p l d的框图: 1 . 1典 型的p l d的 框图 对用户而言，c p l d 与 f p g a 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多 数情况下不加以区分。 f p g a / c p l d芯片都是特殊的 a s i c芯片， 除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下几个优点: 随着超大规模集成电 路v i s i ( v e ry l a r g e s c a l e i c ) 工艺的不断 提高， 单一 芯片内部可以容纳上百万个晶体管， f p g a / c p l d芯片的规模也越来越大，其 单片逻辑门数己达到上百万门， 所能实现的功能越来越强，同时还可以实现系统 集成。 f p g a / c p l d芯片在出 厂之前1 0 0 % 都做过测试， 不需 要设计人员承 担 投片风险和费用， 设计人员只需在自 己的实 验室里就可以 通过相关的软硬件环 境 来完成芯片的最终功能设计。 所 以， f p g a / c p l d的资金投入少，节省了许多 潜在的花费。 用户可以 反复地编程、 擦除、 使用， 或者在外围电路不动的情况下， 用 不同软件就可实现不同的功能:因此， 用 f p g a / c p l d 试制样片，能以最快的 西北工业大学硕 一 学位论文第 1 章 绪论 国内电子设计者们以及高等学校师生们对 f p g a 技术的学习与掌握。此 f p g a 实验开发系统既可用做实验学习，也可用于工程实践。 1 .2 . 1 .f p g a / c p l d概述 f p g a , c p l d与其它类型p l d的结构各有其特点 和长处， 但概括起来， 它 们是由三大部分组成的: 二维的逻辑块阵 列，构成了p l d器件的逻辑组成核心; 输入 / 输出块，连接逻辑块的互连资源; 连线资源，由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开 关， 用于逻辑块之间、 逻辑块与输入/ 输出 块之间的 连接12 1 如图 1 . 1 所示为典型的p l d的框图: 1 . 1典 型的p l d的 框图 对用户而言，c p l d 与 f p g a 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多 数情况下不加以区分。 f p g a / c p l d芯片都是特殊的 a s i c芯片， 除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下几个优点: 随着超大规模集成电 路v i s i ( v e ry l a r g e s c a l e i c ) 工艺的不断 提高， 单一 芯片内部可以容纳上百万个晶体管， f p g a / c p l d芯片的规模也越来越大，其 单片逻辑门数己达到上百万门， 所能实现的功能越来越强，同时还可以实现系统 集成。 f p g a / c p l d芯片在出 厂之前1 0 0 % 都做过测试， 不需 要设计人员承 担 投片风险和费用， 设计人员只需在自 己的实 验室里就可以 通过相关的软硬件环 境 来完成芯片的最终功能设计。 所 以， f p g a / c p l d的资金投入少，节省了许多 潜在的花费。 用户可以 反复地编程、 擦除、 使用， 或者在外围电路不动的情况下， 用 不同软件就可实现不同的功能:因此， 用 f p g a / c p l d 试制样片，能以最快的 西北工业大学硕士学位论文 第 i 章 绪论 速度占领市场。 f p g a / c p l d软件包中有各种输入工具，仿真工具，版图设计 工具及编程器等全线产品，使电 路设计人员在很短的时间内 就可完成电路的输 入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。 当电路有少量改动时，更能显 示出f p g a / c p l d的优势。电 路设计人员使用f p g a / c p l d进行电 路设计时， 不需要具备专门的i c ( 集成电路 ) 深层次的知 识， f p g a / c p l d软件易学易用， 可以使设计人员集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 1 .3 .论文的研究内容和结构安排 本论文从 f p g a快速实验开发装置系统的研制出 发， 对研制 过程中软、 硬 件设计遇到的问题加 以总结归纳， 提高系统运行效率。 论文主要研究了在实验开 发装置系统中， f p g a技术在通用接口控制器设计中的应用。 论文结构安排如下: 第1 章 绪论 从e d a技术出发， 介绍了电 子技术发展与f p g a / c p l d概述。 第2 章 f p g a 技术在设计字符型 l c d 中的应用 介绍了硬件描述语言 ( v h d l ) . f l e x 6 0 0 0 系列可编程逻辑器件以及设计字符型l c d ; 第3 章 f p g a在设计图像点阵型 l c d中的 应用 介绍了 f l e x i o k系列可编 程逻辑器件及其在设计图像点阵型 l c d中的应用; 第 4 章 f p g a 在设计p c机i s a总线接口 中的应用 对i s a总线作以 概述和基 于 f l e x 6 0 0 0 系列 f p g a设计 i s a总线接口: 第5 章 f p g a 在设计p c机p c i 总线接口 中的应用 对p c i 总线作以概 述和基 于f l e x i o k系列f p g a设计p c i 总线接口: 第 6 章 f p g a在实验装置系统设计中的应 用 描述了 应用 f p g a在交 通信号 灯控制逻辑中的设计和 f p g a应用于电子钟的设计: 第 7 章 f p g a 实验 系 统 的软件开 发环境 一ma x + p l u s i i介绍 了 ma x 十 p l us 1 1的特点、组成和使用。 西北工业大学硕士学位论文 第 i 章 绪论 速度占领市场。 f p g a / c p l d软件包中有各种输入工具，仿真工具，版图设计 工具及编程器等全线产品，使电 路设计人员在很短的时间内 就可完成电路的输 入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。 当电路有少量改动时，更能显 示出f p g a / c p l d的优势。电 路设计人员使用f p g a / c p l d进行电 路设计时， 不需要具备专门的i c ( 集成电路 ) 深层次的知 识， f p g a / c p l d软件易学易用， 可以使设计人员集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 1 .3 .论文的研究内容和结构安排 本论文从 f p g a快速实验开发装置系统的研制出 发， 对研制 过程中软、 硬 件设计遇到的问题加 以总结归纳， 提高系统运行效率。 论文主要研究了在实验开 发装置系统中， f p g a技术在通用接口控制器设计中的应用。 论文结构安排如下: 第1 章 绪论 从e d a技术出发， 介绍了电 子技术发展与f p g a / c p l d概述。 第2 章 f p g a 技术在设计字符型 l c d 中的应用 介绍了硬件描述语言 ( v h d l ) . f l e x 6 0 0 0 系列可编程逻辑器件以及设计字符型l c d ; 第3 章 f p g a在设计图像点阵型 l c d中的 应用 介绍了 f l e x i o k系列可编 程逻辑器件及其在设计图像点阵型 l c d中的应用; 第 4 章 f p g a 在设计p c机i s a总线接口 中的应用 对i s a总线作以 概述和基 于 f l e x 6 0 0 0 系列 f p g a设计 i s a总线接口: 第5 章 f p g a 在设计p c机p c i 总线接口 中的应用 对p c i 总线作以概 述和基 于f l e x i o k系列f p g a设计p c i 总线接口: 第 6 章 f p g a在实验装置系统设计中的应 用 描述了 应用 f p g a在交 通信号 灯控制逻辑中的设计和 f p g a应用于电子钟的设计: 第 7 章 f p g a 实验 系 统 的软件开 发环境 一ma x + p l u s i i介绍 了 ma x 十 p l us 1 1的特点、组成和使用。 西北t业人学硕 : 学位论文 第2章 f p g a技术在设计字符型l cd中的应用 第2 章 f p g a技术在设计字符型l c d中的应用 2 . 1 .硬件描述语言简介 硬件描述语言种类很多，目 前 使用最多的 有v h d l 和v e ri l o g - h d l . v h d l ( v e ry - h i g h - s p e e d , i n t e g r a t e d c i r c u i t h d l ， 超高速集成电路硬件描述 语言) v h d l主 要用于描述数字系统的结构、 行为、 功能和接口。 除了含有许多 具有硬 件特征的语句外， v h d l 的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的 计算机高级语言。 v h d l 的程序结 构特点是将一 项工程设计 ( 或称设计实体， 可 以是一个元件、一个电路模块或一个系统)分成外部 ( 或称可视部分、端口)和 内部 ( 或称不可视部分) ， 不可视部 分描述了实体的内 部功能和算法。 在对一个 设计实体定义了外部界面后， 一旦其内部开发完成后， 其它的设计就可以直接调 用这个实体。 这种将设计实体分成内外部分的概念是 v h d l系统设计的基本点。 作为一 种标准几乎所有的综合仿真工具都支持它， 在一个地方建立的 模型可以在 另外一个地方运行。 v h d l具有很强的行为描述能力， 可以避开具体的器件结构 从高 层次上描 述和设计大规模电 子系统;具有丰富的 库函数，可简化底层设计; 具有强 大的仿真函数， 可进行系统功能 可行性的 早期验证; 具有支持大规模设计 的分解和己 有设计的共享功能，可满足多人甚至多个工作组 共同并行工作高效、 高速设计大规模系统的需要3 1 v e ri l o g - h d l是在使用最广泛的c语言的基础上发展起来的一种硬件描述语 言，它是由 g d a ( g a t e w a y d e s i g n a u t o m a t i o n ) 1 9 8 3年末首创的，1 9 8 9年 c a d e n c e 公司收购g d a公司 后于1 9 9 0 年促使v e r i l o g - h d l 成为电 气电 子工程 协会标准，即电 气电 子工程协会标准 1 3 6 4 - 1 9 9 5 . v e r i l o g - h d l的最大特点 就是 易 学易 用， 如果 有 c语言的 编程经 验，可以 在一个较短的时间内很快的学习 和 掌握，与之相比，v h d l的学习要困难一些。 2 . 2 . f l e x 6 0 0 0 系列可编程逻辑器件简介 a l t e r a 公司 推出的 f l e x 6 0 0 0 系列可编程逻辑器件，具有芯片面积小、成 本低的优点。 随着人 们的注意力主 要集中 在 i c低成本上， f l e x 6 0 0 0器件系列 提供了 一个值得选择的有高门 数阵 列的 理想可编 程器件。 因为f l e x 6 0 0 0 器件是 可编程的， 因 而在设计初期或在测试中可以方便地改变设计方案。 设计者也能 够 建立可重构的应用。f l e x 6 0 0 0 器件系列具有下列特点: ( 1 ) 低成本. 可编程 提供了一个理想的低成本、 可编程交织式的大容量门阵列应用， 允许在设计 初期或设计测试过程中快速改 变设计。 ( 2 ) 产品特点: 触发器丰富和基于 l o t( 查找表)的结构; 即t i f l e x结构增加了器件的有效面积; 5 , 0 0 0- 2 4 , 0 0 0可用门 ( 见表 2 - 1 ) ; 西北t业人学硕 : 学位论文 第2章 f p g a技术在设计字符型l cd中的应用 第2 章 f p g a技术在设计字符型l c d中的应用 2 . 1 .硬件描述语言简介 硬件描述语言种类很多，目 前 使用最多的 有v h d l 和v e ri l o g - h d l . v h d l ( v e ry - h i g h - s p e e d , i n t e g r a t e d c i r c u i t h d l ， 超高速集成电路硬件描述 语言) v h d l主 要用于描述数字系统的结构、 行为、 功能和接口。 除了含有许多 具有硬 件特征的语句外， v h d l 的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的 计算机高级语言。 v h d l 的程序结 构特点是将一 项工程设计 ( 或称设计实体， 可 以是一个元件、一个电路模块或一个系统)分成外部 ( 或称可视部分、端口)和 内部 ( 或称不可视部分) ， 不可视部 分描述了实体的内 部功能和算法。 在对一个 设计实体定义了外部界面后， 一旦其内部开发完成后， 其它的设计就可以直接调 用这个实体。 这种将设计实体分成内外部分的概念是 v h d l系统设计的基本点。 作为一 种标准几乎所有的综合仿真工具都支持它， 在一个地方建立的 模型可以在 另外一个地方运行。 v h d l具有很强的行为描述能力， 可以避开具体的器件结构 从高 层次上描 述和设计大规模电 子系统;具有丰富的 库函数，可简化底层设计; 具有强 大的仿真函数， 可进行系统功能 可行性的 早期验证; 具有支持大规模设计 的分解和己 有设计的共享功能，可满足多人甚至多个工作组 共同并行工作高效、 高速设计大规模系统的需要3 1 v e ri l o g - h d l是在使用最广泛的c语言的基础上发展起来的一种硬件描述语 言，它是由 g d a ( g a t e w a y d e s i g n a u t o m a t i o n ) 1 9 8 3年末首创的，1 9 8 9年 c a d e n c e 公司收购g d a公司 后于1 9 9 0 年促使v e r i l o g - h d l 成为电 气电 子工程 协会标准，即电 气电 子工程协会标准 1 3 6 4 - 1 9 9 5 . v e r i l o g - h d l的最大特点 就是 易 学易 用， 如果 有 c语言的 编程经 验，可以 在一个较短的时间内很快的学习 和 掌握，与之相比，v h d l的学习要困难一些。 2 . 2 . f l e x 6 0 0 0 系列可编程逻辑器件简介 a l t e r a 公司 推出的 f l e x 6 0 0 0 系列可编程逻辑器件，具有芯片面积小、成 本低的优点。 随着人 们的注意力主 要集中 在 i c低成本上， f l e x 6 0 0 0器件系列 提供了 一个值得选择的有高门 数阵 列的 理想可编 程器件。 因为f l e x 6 0 0 0 器件是 可编程的， 因 而在设计初期或在测试中可以方便地改变设计方案。 设计者也能 够 建立可重构的应用。f l e x 6 0 0 0 器件系列具有下列特点: ( 1 ) 低成本. 可编程 提供了一个理想的低成本、 可编程交织式的大容量门阵列应用， 允许在设计 初期或设计测试过程中快速改 变设计。 ( 2 ) 产品特点: 触发器丰富和基于 l o t( 查找表)的结构; 即t i f l e x结构增加了器件的有效面积; 5 , 0 0 0- 2 4 , 0 0 0可用门 ( 见表 2 - 1 ) ; 西北工业大学硕士学位论文第2 章 f p ga技术在设计字符型 l c d中的应用 嵌入式、失真小的时钟分布树。 所有器件都经过 1 0 0 % 的功能测试，无须另加测试矢量或链式扫描。 表2 - 1 f l e x 6 0 0 0 器件特性 特性 e p f 60 1 0 a e p f 6 01 6 e p f 60 1 6 a e p f 6 0 2 4 a 典型门 逻辑 和 r a m ) 1 0 , 0 0 01 6 , 0 0 0 1 6 , 0 0 02 4 , 0 0 0 逻 辑 单 元 ( l e ) 8 8 0 1 , 3 2 01 , 3 2 0 1 , 9 6 0 最大 工 / 0 引脚 1 0 22 0 4 1 7121 8 电 源 电 压 ( v c c i n t ) 3 . 3 v5 v3. 3 v 3 . 3 v 通过外置 e p r o m 或智能控制器实现在线重配置 ( 工 c r ) , 5 . 0 v 器件完全符合 p c i 总线标准 ( r e v 2 . 2 ) ; 内 置的j t a g 边界扫描测试 ( b s t ) 电路符合i e e e s t d . 1 1 4 9 . 1 一 1 9 9 0 标准; 低功耗 ( 待电状态电流小于0 . 5 m a ) ; 可桥接3 . 3 v 或 5 . 0 v 系统。 ( 4 ) 强功能的工 / 0 引脚: 每个 工 / 0引脚都有独立的三态输出使能控制; 可编程输出摆率控制可减少系统切换噪声。 ( 5 ) 灵活的内 部连接: 快速通道连续互连结构提供了高 速、 延时 可预测的内部连接; 专用进位链支持快速加法、计数、比较等运算功能; 专用级联支持高速、多输入逻辑功能; ( 6 ) 支持自 动布局布线功能。 m a x + p l u s i i 软件系统支持自动布局布线功能。 ( 7 ) 实现仿真支持: 通过 e d i f 2 0 0 和 e d i f 3 0 0 网表文件，l p m , v e r i l o g h d l , v h d l , d e s i g n w a r