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在系统可编程技术简介 InSystemProgrammableTechnology 1 前言 1 数字系统的发展 2 数字系统设计的传统方法 3 采用可编程技术的数字系统设计方法 2 数字系统的发展 1 分立元件 2 小规模集成电路SSI 逻辑门 触发器 3 中规模电路MSI 译码器 数据选择器 计数器 寄存器等通用功能单元 4 大 超大规模电路LSI VLSI 单片微处理器 DSP数字信号微处理器 嵌入式系统等 5 专用集成电路ASIC满足某种特殊需要的单片集成数字系统 由用户在计算机工作站平台上开发设计 到厂家定制的流片 系统规模大 初投资大 由用户在PC机平台上设计 用可编程器件实现 规模较小 3 数字系统设计技术的发展 传统的从单元到系统 从下到上 逐级整合 现代的从系统到单元 从上到下 的逐级细化电路级的设计 芯片级 片上系统 的设计人工设计为主 计算机辅助设计为主成为EDA ElectronDesignAutomation 技术的支柱之一 4 数字系统设计的传统方法 1 根据功能要求画设计图纸 2 选择MSI器件 3 在面包板上连接电路做试验 4 做印刷电路板 5 焊接电路 6 系统总调需要修改设计则重复步骤 4 5 6 缺点 1 开发周期长 2 开发投入高 3 保密性差 5 采用可编程技术的数字系统设计方法 1 在计算机平台上设计满足功能要求的逻辑图或文本文件 硬件描述语言 2 编辑仿真源文件对设计进行仿真测试 如不符合功能要求 重新修改设计 3 逻辑设计符合功能要求后 由计算机对设计文件进行编译并进行器件适配 生成配置文件 SOF 4 将配置文件通过计算机的并行口下载到安装在电路中的可编程器件 PLD 中 5 系统总调 6 若修改设计 只需重新编译 适配 下载 6 可编程技术使用户能够在无需从印制线路板上拆下器件的情况下 改变芯片的逻辑内容 这种技术能大大缩短电子系统设计周期 简化生产流程 降低生产成本 并可在现场对系统进行逻辑重构升级 可编程技术的发展 使硬件随时能够改变组态 实现了硬件设计软件化 使硬件修改变得像软件修改一样方便 系统的可靠性也因此而提高 革命性地改变了电子系统设计的传统概念和方法 7 一 PLD器件 1 可编程器件的基本结构和类型 2 编程方法 3 目前国内教学应用较多的可编程器件 8 1 PLD器件的基本结构和类型 1 1基本结构可编程器件PLD ProgrammableLogicDevice 由用户自行设计逻辑功能的大规模 超大规模集成电路 基本结构 与 或阵列和存储单元 9 1 2 可编程器件的基本类型 低密度可编程器件 LDPLD 高密度可编程器件 HDPLD 10 低密度可编程器件 LDPLD PROM ProgrammableReadOnlyMemoryPLA ProgrammableLogicArrayPAL ProgrammableArrayLogicGAL GenericArrayLogic需用专用的编程装置 11 12 高密度可编程器件 HDPLD 1 CPLD ComplexProgrammableLogicDevice内部结构以可编程的通用逻辑块 GLB 为基础 密度在数千门之间 可编程的联线集中在一个全局布线区 集总布线区GRP 编程原理基于半导体物理结构 所以断电后编程信息能保存 13 CPLD基本内部结构 14 2 FPGA FieldProgrammableGateArray内部结构以基本门单元为基础 构成门单元阵列 密度在上万门之间 可编程的联线分布在门单元与门单元之间的布线区 这种结构一般称为FPGA 现场可编程门阵列 编程原理基于电路的逻辑记忆功能 断电后编程信息消失 15 FPGA基本结构RETURN 16 优点 功能集成度高设计灵活 电路可反复修改重构 工作速度高 可达数百兆 设计方便 借助计算机辅助 实现电路设计 模拟仿真等烦琐的工作 保密性强 17 2 编程方法熔丝编程的PROM 一次性编程 PN结击穿法PROM 一次性编程 可擦除PROM 简称EPROM 需编程器 紫外光擦除 电可擦除的EPROM或E2PROM 无需编程器 上百次编程 18 3 目前国内教学中应用较多的HDPLD有 公司产品型号举例支持辅助设计软件Latticeisp1000系列ispEXPERTAlteraFLEX10K系列QuartusII4 2XilinxVirtex系列ISE6 3 19 二 FLEX10K系列简介 1 FLEX10K系列器件的基本结构 2 Altera公司可编程器件的开发环境 20 1 FLEX10K系列器件的基本结构 内部 逻辑块 布线区外部 I O口 电源端 复位端 下载口 FLEX10K中有102个I O口 TDI TDO TMS NSTATUS 21 FLEX10K外围接口图 22 2 Altera公司ISP器件的开发环境软件平台 QuartusII主要功能 1 设计输入 原理图方式或硬件描述语言方式 2 编译 逻辑综合 检查设计规则是否正确 3 仿真 供设计者判断逻辑是否正确 4 器件适配 产生具体器件的编程数据文件 5 下载计算机通过并行口 编程电缆将器件编程数据文件 sof或 pof文件 下载到在用户系统中的ISP器件中去 其他公司的开发环境基本相似 只是界面有所不同 23 三 LP 2900实验装置介绍 1 结构图 2 系统总体构成 24 2020 1 7 25 26 LP 2900实验装置的总体构成 1 FPGA器件 FLEX10KEPF10K10TC144 4 2 按键资源 8个双刀双掷带灯开关按下为1 灯亮 16个DIPSW 3 发光二极管 LP 2900共有26个LED分成2组 一组是由4组红黄绿三色LED所组成 下标有N E W S便于实验所用 另一组是以6个LED做成的电动骰子 高电平有效 共阴极在141 142脚 4 七段数码显示器 LP 2900共有六位七段数码显示器 其共阴极由其内部的一个74138译码器的前六位输出控制 27 5 键盘 具有一个3 4键盘可做键盘扫描的实验及其它资料的输入 6 蜂鸣器 脉冲控制 频率可调 7 时钟振荡分频区 10MHz晶振 另有八个LED及两个按键 可供做分频实验所用 按键低有效 LED共阴极为内部74138的第7位输出 8 8 8点阵显示器 这是一个可显示红 绿两种颜色的8 8LED显示器 由列向管脚来控制两种颜色的选择 28 9 16 2LCD显示模组 两行16字的LCD显示器 10 脉冲开关 上升沿触发 下降沿触发各有两组 11 A D D A 模数转换为ADC0804 数模转换为AD7528 29 四 QuartusII简介 30 软件的主要特征 1 输入方式l原理图输入 bdf l硬件描述语言ABEL HDL输入 tdf l硬件描述语言VHDL输入 vhd l硬件描述语言Verilog HDL输入 v 2 逻辑模拟l功能模拟3 编译器l结构综合 映射 自动布局与布线4 支持的器件l支持所有Altera公司的器件5 下载软件lISP菊花链下载软件 31 五 计算机辅助设计步骤 建立项目Project 输入设计源文件 BDF TDF或 VHD 编译Compile 仿真Simulate 选择器件进行器件适配Assignment 编程下载Programmer 32 1 建创项目Project 主要工作 定义项目名 选择器件 系统不管大小 一个设计要求必须建一个项目注意 1 设计项目不可以存在根目录下 中文目录下或MyDocuments下 必须建立一个英文字母 数字 目录 2 设计项目的文件名也同上 3 建议不要在一个目录中放入多个设计项目 可以用新建文件夹建立一个有实际含义的目录结构来保存不同的设计项目 33 2 输入设计源文件 主要工作 建立实现设计要求所需的逻辑关系逻辑关系可以用下列方法描述 1 原理图方式 Schematic 即用逻辑符号形式构成 文件后缀名 BDF 2 硬件描述语言HDL HardDeviceLanguage 描述 有ABEL HDL VHDL VerilogHDL等语言 文件后缀名 tdf vhd和 v 34 一个项目可能有多个设计文件 但只能有一个顶层设计文件 根文件 其他下层文件 子文件 与顶层文件间呈树形关系 即各在其上层文件中以一个逻辑符号表示 35 3 编译Compile 计算机对设计源文件进行逻辑综合 并编译成逻辑方程表达式 如果有逻辑语法错误 编译不能通过 产生Report 注意 逻辑功能错误不能报告 36 4 功能仿真Simulate 主要工作 建立模拟仿真源文件 为该项目设计源提供所需的模拟输入信号然后要求计算机根据所提供的输入信号对设计源进行功能模拟仿真 并将系统的输出 输入关系用波形图的形式表现 以便设计者了解系统的功能是否满足设计要求 37 一个项目只能有一个模拟仿真源文件 模拟仿真源文件可以用测试向量方式描述 建立Vectortestbench文件 后缀名 vec 或用激励波形图方式描述 建立WaveformStimulus文件 后缀名 vwf 模拟仿真文件中的输入 输出端口必须与设计源顶层文件中的端口匹配 38 5 器件适配Assignment 将设计项目所需的逻辑资源分配到所选的器件中去 组合逻辑资源 时序逻辑资源和I O端口等 适配成功后生成器件的编程对象文件 pof CPLD 或SRAM对象文件 sof FPGA 器件编程文件名与项目 非设计源名 相同 39 6 下载Programmer 通过下载电缆将编程文件下到器件中用下载电缆将PC机与实验设备相连 系统通电 在菜单中选择Programmer项