（机械制造及其自动化专业论文）基于fpga的函数发生器——齿轮数控可编程芯片的开发.pdf

摘受 7 2 1 1 u 1 摘要 随着超大规模电路及计算机技术的快速发展，e d a 技术被广泛应用到通讯、国 防、空间技术、医药科学、工业自动化和智能装黄等领域。在当前各种高技术项目 中，如果没有e d a 技术的使用，项目的完成将变得很困难。同时对于大众电子产品 采用e d a 技术大大缩短了产品上市的时f 、r j 。 基于e d a 技术的使用，本文着重讨论了采用e d a 技术设计的一种函数发生器， 它满足了数控系统对于数控加工更高要求。实验结果表明，与原有的数控系统的控 制电路部分相比采用e d a 技术设计的函数发生器使得数控系统具有更高的可靠性、 实时性、高运算速度以及高集成度。同时由于e d a 技术中f p g a 芯片具有在系统可 编程特性，因此该函数发生器的设计可像软件一样随时更改，这就为系统地维护带 来了方便。 可以确信本文为数控系统数控加工的完善提供了一条有效的途径。 关键词：电子设计自动化、现场可编程逻辑门阵列、数控、函数发生器 摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fv l s ia n dc o m p u t e r , e d a t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ns u c ha r e a sa 8c o m m u n i c a t i o n ，n a t i o n a ld e f e n c e ， s p a c e f l i g h t ，m e d i c a ls c i e n c e ，i n d u s t r y sa u t o m a t i z a t i o na n di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s n l e i m p l e m e n t a t i o n so fa l lk i n d so fh i g h - t e c hp r o j e c t sw e r en e a r l yi m p o s s i b l ew i t h o u tt h e e d at e c h n o l o g y e v e nt ot h ed e s i g no ft h eo r d i n a r ye l e c t r o n i cp r o d u c t s t h et i m et ot h e m a r k e tw i l lb el a r g e l ys h o r t e n e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ew i l lb ei n c r e a s e d ，w i t ht h e i n t r o d u c eo fe d at e c h n o l o g y o nt h eb a s i so fm a k i n gf u l lu s eo ft h en e wf r u i t so fe d at e c h n o l o g y ，t h i s d i s s e r t a t i o nm a i n l yd i s c u s s e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t i o no faf u n c t i o ng e n e r a t o r a p p l i e di n t os p e c i a li n t e g r a t ec i r c u i t w h i c hm e e t sw i t lt h en e e d so fd e v e l o p i n gh i g h p e r f o r m a n c en u m e r i c a ls y s t e mc o n t r o ls y s t e m t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e d t h a t ，o nt h eo n eh a n d ，t h i ss y s t e mi ss u p e r i o rt oo l dn cs y s t e mi ns i z e ，p o w e rw a s t e ， p r e c i s i o n ，r e l i a b i l i t ya n dt h ec a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g ；o nt h eo t h e rh a n d ，i ti sb e t t e r t h a nt h es o f t w a r ec o n t r o li ns p e e da n dr e a l t i m ew o r k i n g m o r e o v e r , t h i ss y s t e mh a sa l s o b e e nm o d i f i e da ss o f t w a r e ，a l t h o u g hi ti sh a r d w a r ei nn a t u r e ，w h i c hm a k e sm a i n t e n a n c e a n du p g r a d ee a s i e r w ec a ns u r et h a ti t i sau s e f u l a t t e m p tt oi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h e n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：e d a 、f p g a 、n c 、f u n c t i o ng e n e r a t o r 2 兰州理1 _ 人学坝i 形f 究生毕业论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于甘肃省科技厅攻关项目的子项目。 我国是机床使用制造的大国，掘机械部有关方面统计，到9 0 年代，我国机 床拥有量接近4 0 0 万台，居世界第二位，但其中半数以上的机床需要更新。随着 现代技术的发展，机床已发生了质的变化。这种低水平、低质量的设备，已无法 满足市场竞争的需要，所以近年来我国数控机床的进口一赢呈上升趋势，到1 9 9 5 年底，国外数控机床的进口已占国内市场的7 7 ，达到2 0 3 亿美元。当前，现代 数控系统利用电子技术、计算机技术的最新成果，j 下在向高开放性、高可靠性和 高精度的方向发展，所以结合利用现代高新技术改造现有的数控系统成为必然。 对于以往的数控系统的控制电路部分通常采用传统的数字系统设计方法，即 采用“积木块”式集成度较低的固定功能的标准集成电路，用户只能根据需要选 择不同的器件，并按照器件推荐的电路达成系统。在设计时，设计者没有灵活性 可言，组成的系统体积大，布线复杂且不易实现功能更新和系统重构。而f p g a 芯片集大量中小规模集成电路功能于一身，因此基于f p g a 的数控机床函数发生 器的开发大大提升数控控制系统的集成度和运算速度。由于f p g a 具备在系统可 编程功能，因此在芯片焊接入板子后，同样可对芯片重新编程，为今后数控系统 维护带来了极大的方便。 1 2 e d a 技术发展概述 1 - 2 1 e d a 技术发展历史 自6 0 年代以来，随着微电子技术的发展，逻辑器件也在不断演变。先后 经历了小规模集成电路( s s i ) 、中规模集成电路( m s i ) 、大规模集成电路( l s i ) 和超大规模集成电路( v l s i ) 等不同的发展阶段。在此期间，先后出现了各种 不同类型的逻辑器件。尽管其品种繁多，型号各异，但总起来讲不外乎有以下 三种类型： i 标准产品，即s s i m s l 逻辑器件。例如：t 1 l 工艺的5 4 7 4 系列和c m o s 工艺的c d 4 0 0 0 系列中的各种逻辑门、触发器、译码器、多路转换器、计数器和 寄存器等逻辑器件就属于这一类。 i i 由软件配置的l s i 器件，如各种微处理器( c p u ) 和弹片微型计算机芯 片等。 i i i + 专用集成电路a s i c 。 逻辑器件的标准产品批量大，成本低，价格便宜，器件的工作速度也很快， 是数字系统传统使用的主要逻辑器件。但是，这类迄今的密度不高用它构成 的数字系统硬件规模大，印刷电路板走线复杂，焊点多，致使系统地的可靠性 降低，功耗增大。另外，这种器件的功能在出厂时就己确定，用户无法修改， 不利于系统的加密，修改设计也比较麻烦，尤其是在印刷线路板制成以后就更 是如此。 7 0 年代陆续推出的微处理器和单片计算机等逻辑迄今较好她弥补了标准产 品的上述缺陷。这种器件密度高，其逻辑功能可由软件重新配置。用它构成数 兰州理工大学硕士研究生毕业论文 字系统是可大大缩小硬件规模，提高系统的灵活性。但这类期间的工作速度还 不够高，一般只有专用集成电路的1 1 0 ，不能直接用于速度要求特别严格的场 合。另外，这种逻辑器件通常要有用若干标准集成电路芯片搭成的外围电路才 能工作。 a s i c 的出现在一定程度上克服了上述两种逻辑器件的某些缺点。a s i c 是 为满足一种或几种特定功能而设计并制造的集成电路芯片，它密度一般都很高， 一片a s i c 芯片就能取代一块由若干中小娆模集成电路芯片搭成的集成电路芯 片，甚至一个完整的数字系统也能用一片a s i c 芯片实现。因此，使用a s i c 能 大大减少系统的硬件规模，降低系统功耗，提高系统的可靠性、保密性和工作 速度。 a s i c 按制造方法有可分为三类，即全定制产品、半定制产品和p l d 器件。 全定制的a s i c 芯片其各层掩膜都是按特定电路的要求，由半导体器件生产 厂家专门设计与制造的。其设计方法通常有：人工法、标准单元法、通用单元 法、优化阵列法、硅编译法等。不管采用那种方法，都要经过电路设计、逻辑 模拟、版图设计、和集成电路的各道生产工序才能制造出符合要求的专用集成 电路芯片。这是一个周期长、费用高、还带有很大风现行的过程。因此，全定 制的专用集成电路旨在特大批量生产的情况下才适用。 半定制a s i c 芯片上单元电路也是由器件生产厂家预先做好的( 这种芯片称 作母片) ，只剩下金属连接层的掩膜有待按用户的具体要求进行设计与制造。最 常见的半定制a s i c 为“门阵列”和“门海”。这种母片通用性较强，可以大批 量生产，因而单片成本较低。当用户需要制作满足特定要求的a s i c 芯片时，可 根据设计要求和所选母片的结构，由用户或器件生产厂家设计出连线版图，再 由器件生产厂家将所需金属连线做上。因此，就用户角度两言，这种a s i c 与全 定制a s i c 相比，当生产量不是很大时，它的设计量不是很大的，它的设计和生 产周期短，成本低，风险也小得多。 但是，以上两种a s i c 的设计和制造都离不开七件生产厂家，用户主动性较 差，而且设计和生产周期也比较长。为了克服上述逻辑器件的缺点，人们主动 性较差，而且生产周期也比较长。为了克服上述路基期间的缺点，人们又研制 出了一种新型的逻辑器彳牛p l d 器 牛。p l d 器件芯片上的电路和金属引线都是 事先由器件生产厂家做好的，但其逻辑功能在出尝试并没有确定，其逻辑功能 可由用户根据需要借助于p l d 开发工具通过对其“编程”的办法来确定。因此， 不通过器件生产厂家用户自己就能设计出符合要求的各种a s i c 芯片。 p l d 器俘自7 0 年代初诞生至今已有了长是的发展。级观p l d 器件的发展 历史，大体上可划分为四阶段。 第一阶段从7 0 年代初至7 0 年代中。这一阶段的p l d 器件包括“与”阵列 固定，两“或”阵列由二极管熔丝构成的p r o m ，以“与”、“或”阵列都可编程 的双极型现场可编程逻辑阵列f p l a ( f i e l dp r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ) 最为典 型。 第二阶段从7 0 年代末至8 0 年代初。这一阶段的p l d 器件主要以“与”阵 列可编程“或”固定的p a l 器件为代表。以上两个阶段的p l d 器件都是双极型 工艺制造的，因而其编程都是一次性的。 第三阶段从8 0 年代中至8 0 年代术。在这一阶段，由于半导体集成电路制 造技术的发展，出现了一种新型的紫外线可擦除的可编程逻辑器件e p l d 和以 2 兰州理工大学硕士研究生毕业论文 g a l 为代表的电可擦除电可编程的逻辑器件e e p l d 。 第四阶段从8 0 年代末至今。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发 展，在这一酚段，e i ) a 技术褥到了快速发展，出现了结构上完全不同于以往的 高密度p l d 器件，其典型产品是逻辑单元型结构的现场可编程门阵列f p g a 和 复杂可编程逻辑器件c p l d 。 1 2 2e d a 技术发展现状 9 0 年代后期，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 工具。电子设计由辅助手段为主要特征是自动化程度的提高，人工 干预的减少。e d a 的发震趋势是亳受自动纯，设计者扶事概念设计或者是电子 系统的“行为设计”，而大部分工程中的技术问题，由e d a 工具解决。e d a 工 具的出现，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 念驱动工摇”的梦想。设计师们摆脱了大量的具体设计工作，丽把精力集中予 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。 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 公司的 p e t i u m 处理器的推出，x i l i n x 、a l t e r a 等公司几十万门乃至几百万门规模的 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 工程在功能方针、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。 e d a 工程采用高级语言描述，具有系统及仿真和综合能力。它主要采用并 行工程和“自顶向下”的设诗方法，使开发者从一开始就要考虑到产品周期的 诸多方面，包括质量、成本、开发时削及用户的需要等。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。在方框图以及进行仿真、纠错，并 用v h d l 、v e r i l o g h d l 等硬件描述语言对系统行为送行描述。在系统l 三乏及进行 验证，最后再用逻辑综合优化工具声称具体的门及逻辑电路的王标，其对应的 物理既可以使印刷电路板或专用集成电路。近几年，硬件描述元等设计数据格 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 在同一个工作上，从而使e d a 框架结构日趋标转化，集成设计环境日趋完善。 e d a 工具的开发经历了两个大的阶段：物理工具阶段和逻辑工具阶段。物 理工具用来完成设计总的实际无路问题，如芯片布局、印刷电路板布线等；逻 辑工具是基予网表、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、方针、优化等过程，最 后生成物理工具可接受的网表或v h d l 、v e r i l o g h d l 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。 1 2 3 现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 现场可编程逻辑门阵到( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) f p g a ，与p a l 、 g a l 器件相比，他的优点是可以实时地对外加或内置得r a m 或e p r o m 编程。 实施地改变迄今功能，实现现场可编程( 基于e p r o m 型) 或在线重配置( 基 于r a m 型) 。是科学试验、演技研制、小批量产品生产的最佳选择其问。 f p g a 通常包含三类可编程资源：可编程逻辑功能块，可编程的块和可编 兰州理工大学硕士研究生毕业论文 程互联。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成一个 阵列，散布于整个芯片；可编程i o 块完成芯片上逻辑与外部封装角的借口，场 围绕着阵列于芯片四周，可编程内部互连包括各种长度的线段和编程连接开关， 他们将各个可编程逻辑块或f o 块连接起来，构成特定功能的电路。不同厂家生 产的f p g a 在可编程逻辑快的规模，内部互连线的结构和采用的可编程元件上 存在较大的差异。较常用的是x i l i n x 和a l t c r a 公司的f p g a 器件。 f p g a 一般用于逻辑方针。电路设计师设计一个电路首先要确定电路( 也可 用v l i d l 进行行为级描述，然后做逻辑综合) ，然后进行软件模拟及优，以确认 所设计电路的功能及性能。然而随着电路规模的不断增大，工作频率的不断提 高，将会给电路弓| 入许多分布参数的影响，而这些影响用软件模拟的方法较难 直接反映出来，所以有必要做硬件仿真。f p g a 做成模型机就可以实现硬件仿真。 将软件模拟后的线路经一定处理后下载到f p g a ，就能很容易地得到一个模型 枧。扶该模型枧，设计者可很直观遗测试其逻辑功能及性能指标。耳前已有一 些优秀的e d a 软件可将f p g a 中的电路直接映射到表转单元库一直呈版图，这 样就保证了电路设计的正确性。f p g a 的另一个应用是直接利用f p g a 制成 a s i c 。由于f p g a 具备在系统可编程功能，因此在芯片焊接入板子后，同样可 对芯片重新编程，为今后数控系统维护提供了方便，如图1 所示。 图1 p c 机对f p g a 在系统编程 本文采用的芯片为x i l i n x 公司推出的s p a r t a n i i 系列x c 2 s 1 0 0 型号的f p g a 芯片，s p a r t a n - i i 系列f p g a 是x i l i n x 公司生产的代替a s i c 的第二代f p g a 产 品。采用基于v i r t e x t m 结构的流水线新结构，片内含有嵌入式r a m ，并采用先进 的0 2 2 0 】8 u r n 半导体工艺，6 层板结构。具有无限的可重编程性以及菲常低的 价格。 4 兰州理工大学硕士研究生毕业论文 i s p a r t a n - i i 系列f p g a 的主要特征 s p a r t a n - i i 系列f p g a 具有系统及特性：该系列f p g a 芯片采用低压不限结 构。片内含有丰富的寄存器锁存器、时钟使能信号、同步、异步置位复位信号。 为增强时钟控制，提供了4 个精确的延迟锁相环( d l l s ) ；含有4 个主要的全局 低偏移时钟分配网络；有两种类型的片上随机存取内存( s e l e c t r a m t m ) ；块状 和分布式r a m 。为满足高速运算设计的进位逻辑提供精确的乘法器，以适应各 种p c i 应用。 l i s p a r t a n - i i 系列f p g a 的基本结构原理 如图2 所示，基本结构主要包括5 个可配置部分： 可配置的逻辑快( c l b s 在c l b s 的四周分布着可编程的输入输出快 ( i o b s ) ，提供封装引脚与内部逻辑之闯的连接接口； 丰富的多层互连结构： 片上随机存取内存( s e l e c t l 认m ) ； d l l 时钟控制块。 n n r n n n r n n ，n 1n n n n n n n n m l n 淑l 驯可 u 口【二j 蒌臼巳翟 卷； f 1 0 j 厂 言 f i u e i 1 2 5e d a 编程语言概述 随着e d a 技术的发展，使用硬件语言设计p l d f p g a 成为一种趋势。目前 最主要的硬件描述语言是v h d l 和v e r i 1o gh d l 。v h d l 发展的较早，语法严格， 而v e r il o gh d l 是在c 语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，语法较自由。 v h d l 和v e r i l o g h d l 两者相比，v h d l 的书写规贝j j 比v e r i l o g 烦琐一些，但v e r i l o g 自由的语法也容易让少数初学者出错。 兰彳卅理工大学硕士研究生毕业论文 硬件描述语言( 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 ) ，顾名思义，是电子系统硬 件行为描述、结构描述、数据流描述的语言。作为硬件描述的语言种类很多， 有的从p a s c a l 发展而来，也有一些从c 语言发展而来。 v e r i l o gh d l 就是在使用最广泛的c 语言的基础上发展起来的一种件描述语 言，它是由g d a ( g a t e w a yd e s i g na u t o m a t i o n ) 公司的p h i l m o o r b y 在1 9 8 3 年末 首创的，最初只设计了一个仿真与验证工具，之后又陆续开发了相关的故障模 拟与时序分析工具。1 9 8 5 年m o o r b y 推出它的第三个商用仿真器v e r il o g - x l ，获 得了巨大的成功，从而使得v e r i l o gh d l 迅速得到推广应用。1 9 8 9 年c a d e n c e 公司收购了g d a 公司，使得v e r i i o g h d l 成为了该公司的独家专利。1 9 9 0 年 c a d e n c e 公司公开发表了v e r i l o gh d l ，并成立l v i 组织以促进v e r i l o gh d l 成 为i e e e 标准，即i e e es t a n d a r f f1 3 6 4 - 1 9 9 5 v e r i l o gh 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，因而可以把v e r i l o gh d l 内容安排在与 a s i c 设计等相关课程内部进行讲授，由于h d l 语言本身是专门面向硬件与系统 设计的，这样的安排可以使学习者同时获得设计实际电路的经验。与之相比， v h d l 的学习要困难一些。但v e r i l o gh d l 较自由的语法，也容易造成初学者犯 一些错误，这一点要注意。 v h d l 来源于美国军方，其余的则来源于民间公司。这些不同的语言传播 到国内，同样也引起了不同的影响，在我国比较有影响的大概有3 种硬件描述 语言：v h d l 语言、v e r i l o g h d l 语言和a h d l 语言。v h d l 语言的英文全名是 v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，即超高速集成 电路硬件描述语言。h d l 发展的技术源头是：在h d l 形成发展之前，以有了许 多程序设计语言，如汇编、c 、p a s c a l 、f o r t 砧州、p r o l o g 等。这些语言 运行在不同硬件平台、不同的操作环境中，他们适合于描述过程和算法，不适 合作硬件描述。c a d 的出现，是人们可以乖j 用计算机进行建筑、服装等行业的 辅助设计，而电子辅助设计也同步发展起来。在利用e d a 工具，都需要一种硬 件描述语言来作为e d a 工具的工作语言。这些众多的e d a 工具软件开发者， 各自推出了自己的h d l 语言。 h d l 发展的社会根源是：美国国防部电子系统项目有众多的承包公司。由 于各公司技术路线不一致，许多产品不兼容，他们使用各自的设计语言，使得 甲公司的设计不能被乙公司重复利用，造成了信息交换苦难和维护困难。美国 正为了降低开发费用，避免重复设计，国防部为他们的超高速集成电路提供一 种应减免书语言，期望v h d l 功能强大、严格、可读性好。政府要求各公司的 合同都用它来描述，以避免产生歧义。由政府牵头，v h d l 工作组于1 9 8 1 年6 月成立，提出了一个满足电子设计各种要求的能够作为工业标准的h d l 。1 9 8 3 年第三季度，由i b m 公司、t i 公司、i n t e r m e t r i c s 公司签约，组成开发小组工 作任务时提出语言版本和开发软件环境。1 9 8 6 年i e e e 标准化组织开始工作， 讨论v h d l 语言标准，历时一年有余，1 9 8 7 年1 2 月通过标准审查，并宣布实 施，即i e e es t d l 0 7 6 1 9 8 7 l r m 8 7 】。1 9 9 3 年v h d l 重新修订，形成新的标准 即i e e es t d1 0 7 6 1 9 9 3 l r m 9 3 。 从此以后，美国国防部实施新的技术标准，要求电子系统开发商的合同文 件一律采用v h d l 稳当。基地一个官方v h d l 标准得到推广、市实施和普及。 v h d l 语言可读性好。v h d l 基能被人容易读懂又能被计算机识别，作为技术 6 兰州理工大学硕士研究生毕业论文 人员编写的原文件，即是计算机程序、技术文档和技术人员硬件信息交流文件， 由市签约双方的合同文件。v h d l 语言转为描述硬件而设计的，也可以用来设 计f p g a 和c p l d 等大规模编程集成电路，所有的e d a 工具都能接受v h d l 语言描述的设计。v h d l 语言中设计实体( d e s i g ne n t i t y ) 、程序包( p a c k a g e ) 、 设计库( l i b r a r y ) 为设计人员重复利用别人的设计提供了技术手段。重复利用 他人的i p 模块和软核( s o f tc o r e ) 是v h d l 的特色许多涉及不必个个都从头 再来，只要在更高层次上把m 模块利用起来，就能达到事半功倍的效果。v h d l 语言可以在多种e d a 工具设计环境运行，硬件平台是工作站或高档微机。本论 文中v h d l 编程采用x i l i n xi s e 5 2 i 开发软件，其如图3 和图4 所示。 图3 x i l i n xi s e 5 2 i 软件开发环境 兰州理工大学硕士研究生毕业论文 图4 x i l i n xi s e 5 2 i 软件仿真环境 使用x i l i n xi s e 5 2 i 软件编程过程： 1 ) 创建一个新的工程项，即创建一个模板； 2 ) 仿真行为模型 ( 1 ) 刨建一个t e s t b e n c h 波形源文件 初始化输入 生成预期的输出响应 ( 2 ) 适魇m o d e l s i m 进行仿真 行为仿真 布局布线后的仿真 3 ) 设计实现 ( 1 ) 运行实现设计 ( 2 ) 在资源分配器中察看设计布局 8 兰* 避t 人学坝 ：研究生毕业论文 1 3 国内外数控系统发展现状 数控系统是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它集计算机、机 械加工、微电子和自动化控制等多项技术于一体，是近年来应用领域中发展十 分迅速的一项高新技术。从7 0 年代以来，以数控机床为代表的现代基础机械已 成为制造工业最重要的技术特征，数控机床水平的商低和机床数控化的高低已 成为衡量国家工业化水平高低的重要标志。 现代数控系统的发展就是围绕着怎么样提高机床的生产能力，即提高机床 的加工性能、有效性和信息获取能力而展开研究的。现代数控系统利用电子技 术、计算机技术的最新成果，正在向高丌放性、高可靠性和高速高精度的方向 发展。当前，系统体系结构的开放性难是数控技术的研究热点，而开放式设计 的目标是建立一个开放式系统体系结构。是控制及设计标准华、模块化、从而 实现系列化、可兼容性、可扩充性和升级换代，其目的是大幅度降低系统研制 和制造费用，提高用户设备和资源利用率以及数控产品市场竟争力，满足制造 业的发展需要。由于数控机床在国门经济发展中的重要地位，目前世界个发达 国家竞相开展了新一代开放式c n c 系统的基础和应用研究。如美国的n g c 计 划，美国国家制造发展中心在新一代控制器、低价控制器、开放化模块结构控 制器3 方面进行了研究。日本开放式数控系统研究会也取得了一系列的成绩： 提出了开放式数控机床参考模型；开发了基于个人计算机的接口系统；提出并 开发了o s e l 语言；开发了控制接口及语言处理器。欧共体开放式自动控计划 目前已进入第三阶段，主要成果有：定义了中性的( 即不依赖任何厂家的) 开 放式数控系统的基本规范；拟订了中性的可以用于数控系统、机器人、可编程 控制器和单元控制器的统一结构；开发了第一批释放性的软硬件模块。我国“八 五”期间，成功开发了2 种数控平台和中华i 型、航天i 型、蓝天i 型、华中i 型等4 种基本系统，利用总线式，模块化，开放型，嵌入式，多渠道软、硬件 结构。目前大部分还处在封闭式阶段，距国际水平还有一定差距。 1 4 本论文研究的内容 本论文“基于f p g a 的函数发生器”，结合e d a 技术的最新研究成果和高 性能数控系统的发展要求，主要研究了以下内容： 1 ) 基于现代e d a 技术的数字系统硬件设计方法及其在数控插补系统应用 的必要性和可能性； 2 ) 基于现代e d a 技术的新型硬件插补系统的设计、仿真与实现。 9 兰州理t 人学埘i ：研究生毕业论文 第二章设计方案的论证 本章首先简要回顾了传统的数字系统硬件设计方法，然后较详细介绍了基 于现代e d a 技术的数字系统硬件设计方法，最后，在对传统插补系统多种实现 方案进行比较的基础上，针对目前高性能数控机床对插补系统的发展要求，确 定了本论文的设计方案。 2 1 传统数字系统硬件设计方法 在计算机辅助电子系统设计出现以前，人们一直采用传统的硬件电路设计 方法来设计系统的硬件。这种硬件设计方法主要有以下几个主要特征。 ( 1 ) 传统数字系统设计方法是采用“积木块”式及程度较低的固定功能的 标准集成电路，用户只能更具需要，选择市场上能买到的基本元器件，并按照 期间推荐的电路来达成所要求的系统。在设计时，设计者没有灵活性可言，组 成的系统体积大，布线复杂且不易实现功能更新和系统重构。 ( 2 ) 在传统的系统硬件设计方法中，仿真和调试通常只能在设计后期，即 完成系统硬件设计以后才能进行。因为进行仿真和调试的仪器一般为系统仿真 器、逻辑分析仪和示波器等，这些工具只有在实际硬件系统搭成以后才能使用。 系统设计过程中存在的问题只有在后期才较容易发现。这样，传统的硬件设计 方法对系统设计人员有较高的要求，一旦考虑不周，系统设计存在较大缺陷， 那末就欧可能要重新设计系统，使的设计周期大大增加。 ( 3 ) 在传统设计方法中，对系统硬件进行设计并调试完毕后，所生成的设 计文件主要是由若干张电路原理图，其中详细标注了个逻辑元器件的名称和互 相间的信号连接关系。这些都是将来用户使用和维护系统的依据。对于小系统， 这种电路原理图一般只要几张至几十张，但是如果系统比较大，硬件比较复杂， 那么这种电路原理图可能要有成千上百张。如此多的电路原理图给归档、阅读 和使用都带来极大不便。 综上所述，尽管传统的硬件电路设计方法已经沿用几十年，是目前广大电 子工程师所熟悉和掌握的一种方法。但是随着计算技术、大规模集成电路技术 的发展，这种传统的设计方法已大大落后于当今技术的发展，一种崭新的、基 于现代e d a 技术的设计方法正在逐步兴起，它的出现给数字系统硬件设计方法 带来了一次前所未有的重大变革。 2 2 基于e d a 技术的数字系统硬件设计方法 自计算机诞生以来，数字系统设计历来存在两大分支，即系统硬件设计和 系统软件设计。同样，设计人员也因工作性质不同，被分为：硬件设计人员和 软件设计人员。他们各自从事各自的工作，很少涉足对方的领域。特别是软件 设计人员个是如此。但是自从e d a 技术的出现，它打破了这种界限。 2 2 1 e d a 工程的基本特征 e d a 工具是一种以计算机为基本平台，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科学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是从事电子元件产品和系统设计的综合 工具。 0 兰州坐丁大学坝| ：研究生毕业论文 e d a 工程主要特征是：硬件工具采用工作站和高端，软件采用e d a 工具， 功能包括：原理图输入、硬件描述语言输入、波形输入、方针设计、可测试设 计、逻辑综合，形式验证、时序分析等各个方面。设计方法采用自顶向下的方 法，设计工作从高层开始，是用标准化硬件描述语言( v h d l 或v e r i l o g h d l ) 描述电路行为，自顶向下跨过各个层次，完成整个电子系统的设计。e d a 工程 另一特征是i p 模块式和可重复利用。由于i p 的重复利用，弓 发的i p 模块科教 流行，电子文件格式转换问题。不同e d a 工具的相互兼容问题，都是e d a 工 程研究的范畴。 e d a 工程采用高级语言描述，具有系统及仿真和综合能力。它主要采用 并行工程和“白顶向下”的设计方法，使开发者从一丌始就要考虑到产品声称 周期的诸多方面，包括质量、成本、j 1 ：发时间及用户的需要等。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。在方框图以及进行仿真、 纠错，并用v h d l 、v e r i l o g h d l 等硬件描述原盐对公祠的系统行为迸行描述。 在系统以及进行验证，最后再用逻辑综合优化工具声称具体的门及逻辑电路的 王标，其对应的物理既可以使印刷电路板或专用集成电路。近几年，硬件描述 元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上，从而使e d a 框架结构日趋标转化，集成设计 环境月趋完善。 e d a 工具的开发经历了两个大的阶段：物理工具阶段和逻辑工具阶段。物 理工具用来完成设计总的实际无路问题，如芯片布局、印刷电路板布线等；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、方针、优化等过程，最 后生成物理工具可接受的网表或v h d l 、v e r i l o g h d l 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，宗和工具等。 目前，用p l d 器件进行系统设计已成为现代数字系统设计的主要手段之一。 传统的工程技术是将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 ) 逻辑器件的问世，将充分发挥可编程器件的优越性。它允许用户“在系统中” 编辑和修改逻辑，给使用者提供了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，使硬件修改变得像然间修改一样方便。i s p 技术，即直接在 用户设计的目标系统或线路板上对p l d 器件进行编程的技术打破了使用p l d 县 变成后装配的惯例。而可以先装配后变成，成为产品后还可反复变成，从而揭 开了数字电子系统设计技术新的一页。 e d a 工具提供了良好的逻辑综合与优化功能，它能够将设计人员设计的逻 辑及电路图自动地转换为门级电路，并生成相应的网表文件、时序分析文件和 各种报表，若设计没有错误，最终可生成可以编程下载的文件。通常，在正式 下载前，设计人员还要对涉及的电路进行一些校验工作，这些工作即可通过e d a 的功能仿真和时序仿真来完成。但设计人员确定设计工作已基本成功时，即可 通过编程电缆下在数据流来进行硬件验证，验证合格后，设计工作完成。 目前。现代集成电路技术的发展使现场可编程门阵列为代表的大容量可编 程逻辑器件的等效门数迅速提高，其规模直逼标准门阵列，达到了系统集成的 水平。特别是进入2 0 世纪9 0 年代后，随着f p g a c p l d 等现场可编程逻辑器件 的逐渐兴起，v h d l v e r i l o g h d l 等通用性好、一致性强的硬件描述语言的普及， a s i c 技术的不断完善，e d a 工程在现代数字系统和微电子技术应用中起着越来 兰卅i 理i i 人学峨h 坍究生毕业论文 越重要的作用。 e d a 工程的应用范畴如图5 所示。人类社会即将进入到高度发达的信息化 社会，信息社会的发展离不丌电子产品的迸步。吸纳代电子产品在性能提高、 复杂度增大的同时，性能价格比一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也 越来越来块，实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发 展。前者以微细加工技术为代表，目前已发展到深亚微米阶段，可以在其平方 厘米的芯片上集成数千万个晶体管；后者的核心就是e d a 工程。而e d a 工程 的关键之一是e d a 工具，e d a 工具是指以计算机为工作平台，融合了应用电子 技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子设计通用工具软件， 主要能进行三方面的辅助设计工作： ( 1 ) p c b 印刷电路板设计 ( 2 ) a s i c 设计 ( 3 ) 电子系统设计( s o c 、 没有e d a 工程的支持，想要完成上述朝大规模集成电路的设计缔造是不 可想象的，反过来，生产制造技术不断进步又必将对e d a 工程提出性的要求。 用户需求功能定义 波形输入法h d l 语言输入法fl 电路图输入法 a s i c 设计平台 萄鞫霸霸蒂顼 逻辑综合工具 功能分析工具 布局布线工具 版图生成工具 形式验证工具 半导体厂i c 产品 、 l ! ! ! 兰! 兰竺)、_ _ ，一 硬件语言编译工具 逻辑综台工具 功能分析工具 布局布线 ：具 时序分析t 具 编程下载l 具 可编程a s i c 产品 原理图编辑工具 网表生成工具 布局布线工具 规则检查工具 电磁兼容分析工具 热分析工具 制版厂p c b 产品 图5 、e d a 工程应用范畴 2 2 2e d a 工程的设计方法 e d a 工程的设计方法属于现代电子设计的范畴，于经典的设计方法不同。 主要涵盖：行为描述法、i p 复用法、a s i c 设计方法、s o c 系统设计方法、e d a ! 川删t 人学坝i 埘究生毕业论义 网上方法、软样件协同设计方法、基于集成平台的设计方法。 s o c 代表了当今电子设计技术的发展防线，它的基本特征是：设计人员按 照“自项向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关 键电路一片或几片专用集成电路实现，然后采用硬件描述语言完成系统行为及 设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。这样的设计方法被称为 高层次的电子设计方法。l o 年前，电子设计的基本思路还是选择标准集成电路 “自底向上”地构造出一个耨的系统，这样的设计法嘎就如同一砖一瓦遗建造 金字塔，不仅效率低、成本高，而且还容易出错。进入9 0 年代以来，电子信息 类产品的开发出现了两个明显的特点：以市场品的复杂度提高，而是产品的上 市时限紧追。然两电路设计本质上是基于们既卖哦书的单层次设计，涉及的所 有工作( 包括设计输入，仿真和分析，设计修改等) 都是在基本逻辑门这一层 次上进行的，显然这种设计方法，也称为系统及的设计方法。 高层次设计提供了一种“自顶向下”的全耨设i 十方法，这种设计方法县从 系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框一级进行仿 真、纠错，并用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。然后用综合优化工具声称具体门电路的网表，其对应的物理实现级可以 是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上 完成的，这不仅有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，而 且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。 高层次设计是一种“概念驱动式”设计，设计入员无须通过门级琢理图描 述电路，而是针对设计目标进行供描述，由于摆脱了电炉细节的素服，设计人 员可以把精力集中与创造性的概念构思与反感上，一旦这些概念构思以高层次 描述的形式输入计算枧居，e d a 工具就能以规则驱动的方式自动完成整个事。 这样，新的概念的意绪苏有效地变成为产品，大大缩短了产品的研制周期。不 仅如此，高层次设计只是定义系统的行为特征，而不涉及实现工艺，在厂家综 合库的支持下，利用综合优化工具可以将高层次描述转换成针对某种工艺优化 的网表，工艺转化交得轻松容易。 高层次设计的设计流程如图6 所示， 兰州删丁人学烦f 研究生毕业论文 图6 、高层次设计流程 其步骤如下： ( 1 ) 按照“自顶向下”设计方法进行系统划分。 ( 2 ) 输入v h d l 代码。这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外，还可 以次啊用图形输入方式( 框图、状态图等) 。这种输入方式具有直观、容 易理解的优点。 ( 3 ) 将以上的设计输入编译成标准的v h d l 文件。对于大型设计，好进行代 码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性。因为对于大型设 计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减 少重复的次数和实践，一般情况下，可略去这一步骤。 ( 4 ) 利用综合器对v h d l 源代码进行综合优化处理，生成门级描述买的网表 文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对 a s i c 芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂 家综合库的支持下才能完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配 前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，较为粗略。 ( 5 ) 利用适配器将综合后的网表文件这对某一具体的目标器件进行逻辑映射 操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。适配完成 后，产生多项设计结果： 适