第02讲(可编程逻辑器件的基础知识).ppt

第1章可编程逻辑的基础知识 1 5硬件描述语言HDL HDL是一种利用文字描述数字电路系统的方法 可以起到和传统的电路原理图描述相同的效果 突破传统的 搭建 复杂电路设计的鸿沟 如同使用高级语言设计软件设计程序 硬件描述语言和数字电路系统相互促进 共同发展 目前 广泛使用的硬件描述语言有两种 VHDL和VerilogHDL 1 5硬件描述语言HDL VHDLVHDL VHSICHardwareDescriptionLanguage 是一种标准的硬件描述语言 它是在20世纪70 80年代中 由美国国防部资助的VHSIC VeryHighSpeedIntegratedCircuit 项目开发的产品 在这个语言首次开发出来时 其目标仅是使电路文本化的一种标准 为了使人们采用文本方式描述的设计 能够被其他人所理解 同时 它也被用来作为模型语言 用于进行仿真验证模拟 1 5硬件描述语言HDL 1987年 VHDL被正式确定为IEEE1076标准 VHDL是一种强类型语言 具有丰富的表达能力 可使各种复杂度 系统级 电路板级 芯片级 门级 的电路网络在同一抽象程度上被描述 VHDL已成为一个数字电路和系统的描述 建模 综合的工业标准 使用VHDL 可以快速地描述和综合电路设计 VHDL有如下所述的一些优点 1 5硬件描述语言HDL 1 功能强大 灵活性强 具有功能强大的语言结构 可用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计 2 不依赖于器件设计 同一个设计描述 可以采用多种不同的器件结构来实现其功能 若需对设计进行资源利用和性能方面的优化 也并不是要求设计者非常熟悉器件的结构才行 相反 你可以集中精力从事你的设计构思 当然 这并不是说设计者可以忽略电路结构 诸如数据通路优化技术方面的需要 1 5硬件描述语言HDL 3 可移植性 VHDL的设计描述可以被不同的工具所支持 可以在不同模拟工具 综合工具 工作平台中执行 4 性能评估能力 允许设计者采用不同的器件结构和不同的综合工具来评估设计 选用最适合你设计需求的器件 为了衡量综合的质量 同样可用不同的综合工具所得到的综合结果来进行分析 评估 5 上市时间快 成本低 1 5硬件描述语言HDL VerilogHDLVerilogHDL是一种硬件描述语言 用于从算法级 门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模 被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的电子数字系统之间 数字系统能够按层次描述 并可在相同描述中显式地进行时序建模 1 5硬件描述语言HDL VerilogHDL语言最初是于1983年由GatewayDesignAutomation公司为其模拟器产品开发的硬件建模语言 那时它只是一种专用语言 由于他们的模拟 仿真器产品的广泛使用 VerilogHDL作为一种便于使用且实用的语言逐渐为众多设计者所接受 到90年代早期 Cadence设计系统公司收购Gateway公司 取得Verilog的所有权 由于大多数EDA厂商无法从Cadence那里得到Verilog工具或者其语言的许可证 因此许多厂商开始转向作为公共标准的VHDL语言 1 5硬件描述语言HDL 1989年 Cadence公司对这个形式作出了回应 即成立Verilog开放化国际组织 OpenVerilogInternational OVI 作为一个非盈利的业界标准化组织 并将Verilog捐赠给这个组织 1995年 发布第一个VerilogHDL的标准 2003年发布再次修订的VerilogHDL标准 1 5硬件描述语言HDL VerilogHDL语言最大的特点就是易学易用 通过学习和使用 可以在短时间内掌握该语言 另外该语言的功能强 可以满足各个层次设计人员的需要 从高层的系统描述到底层的版图设计 都能很好地支持 由于VerilogHDL巨大的优越性 使得它广泛流行 尤其是在ASIC设计领域 更是处于主流地位 1 5硬件描述语言HDL VerilogHDL和VHDL有各自不同的特点 1 语法结构 VerilogHDL与C语言相似 VHDL类似与ADA语言 因此VerilogHDL学习和使用相对简单 2 VerilogHDL不支持用户自定义数据类型 而VHDL支持这一功能 因此VHDL可以更好地在较高的抽象级别上描述数字电路系统 3 VerilogHDL在门级和开关级的描述比VHDL强大 所以即使VHDL的设计环境 其底层也是由VerilogHDL描述的器件库所支持的 1 5硬件描述语言HDL 4 VerilogHDL对语法的要求比VHDL宽松的多 语法检查不严格 因此书写代码时要特别注意 VHDL对语法的检查十分严格 设计出来的电路更可靠 但代价是代码更加繁琐 5 VerilogHDL自身带有仿真的指令 例如可以随时检测信号的变化 VHDL自身没有类似的指令 调试只能依靠仿真工具的支持 1 5硬件描述语言HDL VerilogHDL也处在不断发展之中 SystemVerilog是VerilogHDL的后续版本 它在继承了VerilogHDL的语法规则的基础上 对VerilogHDL的不足之处进行强化 另外又增加了一些新特性来适应当今数字电路设计的需要 1 增加用户自定义数据类型 弥补在系统描述中的不足 2 语法检查更加严格 增加设计出的可靠性 3 加入一些C 的元素 如允许创建类 允许类的继承等 丰富了硬件描述语言的内容 可以更加灵活地设计数据电路系统 1 5硬件描述语言HDL SystemVerilog整合了和语言的许多优秀特性 并且扩展大型设计的验证支持 实际上是创造了一种新的语言 即硬件描述与验证语言 hardwaredescriptionandverificationlanguage HDVL HDVL使得工程人员可以使用统一的标准语言对大型复杂的设计进行建模 并验证设计功能的正确性 验证环节是整个设计中的一个非常重要的环节 设计工程师的50 70 的工作量都放在设计验证工作之上 1 5硬件描述语言HDL 验证一个设计的正确是很困难的 这就存在一个验证的充分性的问题 即一个设计验证到什么程度才叫充分 对一个设计的验证采用什么样的验证策略和验证手段 使代价最低 耗时最少 采用什么样的工具来实施有效的验证 为验证工作趋于100 的充分性提供可能 1 5硬件描述语言HDL 对一个设计的验证决定采用什么样的验证手段和验证策略是一个非常复杂的决策过程 在众多的验证手段和验证策略中主要的验证手段可粗略地划分为 功能仿真技术 静态时序分析技术和形式验证技术 主要的验证策略包括 自顶向下的验证 自底向上的验证 基于平台的验证和基于系统接口的自动验证 正因为验证的重要性 硬件描述语言增加了对验证的支持 是不是大脑发昏 咱和你们一样 希望大家一起努力 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 随着集成电路技术的发展 可编程逻辑器件的规模越来越大 复杂度也越来越高 这为复杂数字系统单片化的现场实现创造了条件 同时也为数字系统现场集成的方法学提出了更高的要求 计算机技术的发展为集成电路的设计提供了强大的EDA工具 使得设计过程越来越简单 对工具的依赖性越来越大 设计方式正随着EDA工具的发展而经历着所谓的电路级设计 行为级设计 概念级设计的演进过程 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 关于系统的抽象层次 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 一个系统可以在不同的抽象层次上进行描述 如图 可以在5个层次上描述一个系统 抽象层次越高 所包含的信息就越少 抽象层次越低 所包含的细节就越多 电路级抽象程度最低 逻辑设计人员很小用到 逻辑级以门电路为基本单元 通过描述门与门之间的连接来描述数字电路系统 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 RTL级 RegisterTransferLevel 是通过描述寄存器之间数据的流动来描述数字电路系统 寄存器与寄存器之间的数据处理由组合电路完成 在描述中说明了存储什么样的信息 存储在那里以及在电路的工作过程中 信息是如何通过电路传递的 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 系统级和算法级是对数字电路系统的行为和功能进行为描述 硬件描述语言HDL可以在五个不同的抽象层次描述一个系统 在系统级或算法级建立的模型 称为行为模型 行为模型与具体的硬件实现没有任何关系 只是描述对象实现的功能 用RTL级 逻辑级或电路级建立的模型称为结构模型 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 关于基于IP的设计芯片的集成度越来越高 设计的难度越来越大 采用他人成功设计方案能降低设计难度 提高设计效率 缩短设计周期和提高设计的可靠性 可被别人重用的设计是包含设计者的创造性思维 具有很强的知识内涵 这些设计资料也称为具有知识产权的内核 IntellectualPropertyCore 简称IP核 IP核由三种表现形式 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 软核 Soft Core 以硬件描述语言的语言代码的形式存在 不依赖任何实现工艺或技术 具有很大的灵活性 硬核 Hard Core 以集成电路版图 Layout 的形式存在 并经过实现工艺流片验证 硬核依赖特定的实现工艺 在物理尺寸 物理形态及性能不可改变 固核 Firm Core 处于软核和硬核之间 以电路网表 Netlist 的形式存在 并且通常采用硬件进行验证 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 一般 软核的开发成本相对较低 使用灵活 但其可预见性差 延时不一定能达到要求 而硬核的开发成本相对较高 但它的可预测性强 可靠性高 能够很快地投入使用 固核则介于硬核和软核之间 典型的IP核包括微处理器核 MPUcore 数字信号处理器核 DSPcore 存储器核 Memorycore 特定功能核 如MPEG等 以及一些标准接口IP核 如Ethemet USB PCI和IEEE1394核 等 由这些IP核可以非常方便地构成一个功能完整的电子系统 而且可以集成于一个芯片内部 构成系统芯片SOC 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 SOC SYSTEMONACHIPSOPC SYSTEMONAPROGAMMABLECHIPCSOC CONFIGURABLESYSTEMONACHIP SOC 各种接口模块 MCU 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 SOPC NIOS EthernetInterface ARM UART RAM ROMFIFO USB PCI DSPBlocks PLLs SDRAMCONTROL VGA PS2 MultiplyUnit JPEGCPL FIR IIR FFT 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 用户在设计一个电子系统时 可以自行设计各个功能模块 也可以购买第三方拥有知识产权的IP模块 近几年来 已经有越来越多的公司投入了IP核的开发 IP核作为一种商品 已经在Internet上广泛销售 作为设计者来说 要想在较短的时间内开发出新产品 迅速占领市场 一个比较好的方法就是购买合适的IP 再把这些IP在功能上进行整合 迅速形成产品 推向市场 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 综上所述 基于IP复用的开发给设计者带来了诸多方使 比如说节省时间 缩短开发周期 避免重复劳动 等等 当然 IP的发展还存在一些问题 比如IP版权的保护 IP的保密及IP的集成等 但基于IP复用的设计技术必将成为未来电子系统开发的主流技术之一 用QuartusII对Altera器件设计时 Altera提供的宏功能模块就属于IP的一种 Altera的IP核包括基本宏功能 Megafunction LPM 和MegaCore两种 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 基本宏功能包括一些简单的功能 如加减乘除 简单多路器 移位寄存器模块等 也包括一些Altera器件特有的资源 如片内RAM DSP PLL DDIO和高速收发电路等 MegaCore提供一些更复杂和通用的IP库 如PCI接口 SDRAM控制器等 这些宏单元被Altera针对器件进行过优化 用户利用这些宏单元功能块能更方便地设计出速度更快 利用资源更少地产品 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 EDA技术在进入21世纪后 得到了更大的发展 突出表现在以下几个方面 使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能 在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出 电子技术全方位纳入EDA领域 EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊 更加互为包容 1 6可编程逻辑器件的系统设计方法学 更大规模的FPGA和CPLD器件的不断推出 基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP核模块 软硬件IP核在电子行业的产业领域 技术领域和设计应用领域得到进一步确认 SoC高效低成本设计技术的成熟 第二章大规模现场可编程逻辑器件 2 1大规模现场可编程逻辑器件的基本分类 1 FPGA CPLD的生产厂家 Altera公司 最大的CPLD FPGA供应商之一 Altera公司从1983年起便将其发明的可编程逻辑技术与软件工具 IP和设计服务相结合 为世界范围内的用户提供超值的可编程解决方案 在1983年成功推出第一款商业化的PLD即 Classic器件 之后 Altera公司分别在1988年和1992年推出了基于乘积项MAX架构的CPLD和基于查找表 LUT FLEX架构的FPGA 进一步巩固了其在行业中的技术领先地位 1 FPGA CPLD的生产厂家 Altera公司业界领先的FPGA CPLD和结构化ASIC产品已经获得传统市场的广泛接受 并且迅速进入了许多新的应用领域 在获得大奖荣誉的Stratix器件系列的基础上 StratixIIFPGA提供了两倍的性能和比第一代产品低40 的成本 适用于高密度通用性应用 Altera公司通过第一代Cyclone系列器件建立起了低成本FPGA的领先地位 CycloneIIFPGA继承了这一领先优势 提供了一个灵活的 低风险和低成本的解决方案 使之成为了中低密度ASIC最吸引人的替代产品 HardCopyII器件给大量应用设计人员提供了一种无缝移植到低成本结构化ASIC的解决方案 1 FPGA CPLD的生产厂家 在MAX架构的基础上 MAXIICPLD创建了新的CPLD标准 扩展了Altera公司15年的市场领先地位 多种IP核组成的IP库 包括NiosII处理器 给予了用户强大的竞争优势 通过新近推出的更新 更强大和更高效的QuartusII开发系统和广泛的IP功能 Altera公司再次证明其在可编程片上系统 SOPC 领域中处于前沿和领先的地位 1 FPGA CPLD的生产厂家 Xilinx公司FPGA的发明者 最大的PLD供应商之一 Xilinx公司成立于1984年 Xilinx首创了现场可编程逻辑阵列 FPGA 这一创新性的技术 并于1985年首次推出商业化产品 目前Xilinx满足了全世界对FPGA产品一半以上的需求 Xilinx产品线还包括复杂可编程逻辑器件 CPLD 在某些控制应用方面CPLD通常比FPGA速度快 但其提供的逻辑资源较少 1 FPGA CPLD的生产厂家 1 主流PLD产品 XC9500Flash工艺PLD 常见型号有XC9536 XC9572 XC95144等 型号后两位表示宏单元数量 CoolRunner II 1 8v低功耗PLD产品 2 Xilinx的主流FPGA分为两大类 一种侧重低成本应用 容量中等 性能可以满足一般的逻辑设计要求 如Spartan系列 还有一种侧重于高性能应用 容量大 性能能满足各类高端应用 如Virtex系列 1 FPGA CPLD的生产厂家 Spartan 3 3L 新一代FPGA产品 结构与VirtexII类似 全球第一款90nm工艺FPGA 1 2v内核 成本低廉 是在低端FPGA市场上的主要产品 Virtex II 2002年推出 0 15um工艺 1 5v内核 大规模高端FPGA产品 1 FPGA CPLD的生产厂家 Virtex IIpro 基于VirtexII的结构 内部集成CPU和高速接口的FPGA产品 Virtex 4 Xilinx最新一代高端FPGA产品 各项指标比上一代VirtexII均有很大提高 获得2005年EDN杂志最佳产品称号 是未来几年Xilinx在高端FPGA市场中的最重要的产品 Virtex 5 最新的FPGA产品 65nm 1 FPGA CPLD的生产厂家 Lattice公司Lattice是ISP技术的发明者 ISP技术极大地促进PLD产品地发展 相比与Xilinx和Altera 其开发工具略逊一筹 中小规模地PLD比较有特色 种类齐全 是世界第三大PLD器件供应商 ISP In SystemProgramming 在系统可编程 指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码 而不需要从电路板上取下器件 已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程 ISP技术是未来发展方向 1 FPGA CPLD的生产厂家 莱迪思 Lattice 半导体公司提供业界最广范围的现场可编程门阵列 FPGA 可编程逻辑器件 PLD 及其相关软件 包括现场可编程系统芯片 FPSC 复杂的可编程逻辑器件 CPLD 可编程混合信号产品 ispPAC 和可编程数字互连器件 ispGDX 1 FPGA CPLD的生产厂家 Actel公司Actel公司1988年推出第一个抗熔断FPGA产品 它的FPGA产品被广泛应用于通讯 计算机 工业控制 军事 航空和其他电子系统 由于采用了独特的反熔丝硅体系结构 Actel公司的FPGA产品具有可靠性高 抗辐射强 能够在极端环境条件下使用等特点 因而被美国宇航局的太空飞船 哈勃望远镜修复 火星探测器 国际空间站等项目所采用 1 FPGA CPLD的生产厂家 Actel公司的产品主要以FPGA为主 其中包括 1 SX A系列 1999年9月推出 是目前世界上速度最快的FPGA产品 功耗低 具有极高的性能价格比 2 SX系列 1998年4月推出 特点是采用独创的sea of modules体系结构 可作为高性能ASIC替代品 3 MX系列 1997年10月推出 它是Actel公司历史上最畅销的产品 其特点是具有可编程逻辑电路的优点而价格和ASIC相似 4 ProASIC系列 1999年6月推出 是第一个基于快闪技术的非易失可编程高集成度FPGA器件 5 其它系列 如1200XL 3200DX ACT3和ACT1等 2 按元胞结构分类 在可编程逻辑器件中 内嵌阵列分布的可编程逻辑单元是器件技术特点的表征参数 如果器件内嵌的可编程逻辑单元数量多 其内的逻辑资源少 且逻辑之间的布线通道丰富 则这种器件的逻辑可编程的灵活性就高 反之 如果逻辑单元数量少 每个单元之内逻辑资源丰富 且逻辑单元之间的布线资源少 则器件的逻辑可编程灵活性就低 一般而言 可将FPGA按元胞结构分为 2 按元胞结构分类 1 细粒度元胞的FPGA器件在目前的可编程逻辑器件中 反熔丝FPGA的逻辑元胞尺寸最小 则Actel的反熔丝FPGA器件可以称为细粒度的产品 2 中粒度元胞的FPGA器件SRAMFPGA的内部可编程逻辑元胞的尺寸适中 则Xilinx公司的SRAMFPGA产品是中粒度产品 3 粗粒度元胞的FPGA器件Altera公司的CPLD产品的内嵌可编程逻辑单元 LAB 逻辑资源丰富 功能较强 属粗粒度产品 3 按功能特征分类 1 全数字可编程逻辑阵列器件如上所述的可编程逻辑器件产品 无论是细粒度 中粒度 粗粒度的逻辑单元的器件 基本上都是全数字可编程逻辑阵列器件 可用于数字逻辑的现场集成应用中 3 按功能特征分类 2 系统级可编程逻辑阵列器件随着系统集成的规模和功能需求的发展 人们常需要将系统功能现场集成于单片FPGA之中 或将标准的复杂的可编程逻辑器件 CPLD FPGA 和特殊功能的模块组合到一块芯片上 于是产生了系统级可编程逻辑阵列器件的需求 实现可编程单片系统的方法主要有 一种是在可编程器件FPGA中嵌入CPU内核或DSP等功能内核 获得可编程系统平台 另一种是将可编程模块置入ASIC之中 得到具有可配置功能的ASIC 3 按功能特征分类 关于系统级可编程器件 比如 Actel公司的VariCore内核 是基于SRAM的嵌入式可编程门阵列 EPGATM IP内核 具有较小的片上可重编程 SOC 裸片面积 比标准FPGA的性能 裸片面积比更高 也比其他标准软件IP方案具有更佳的性能 功耗比 是完整的从前端至后端的嵌入式可重编程固核 可用于ASIC和ASSP的系统级芯片中 增强ASIC和ASSP单片系统设计的灵活性 有效降低设计风险 加速产品投放市场 ASSP即ApplicationSpecificStan dardparts 3 按功能特征分类 Altera公司的Stratix器件提供大容量RAM和逻辑单元 同时包括了专用DSP功能 能够实现比一般PLD快两倍的DSP和复杂计算应用 是容量大又速度快的可编程逻辑器件 Altera公司的Excalibur嵌入处理器方案集成了ARM922T处理器 除了处理器内核及其相关缓冲和存储管理单元外 还包括外加的内部SRAM和DPRAM存储器 外设 外部存储控制器和软件调试的JTAG接口 可编程逻辑可多达38400个逻辑单元 同时提供可配置成RISC通用处理器的Nios软核处理器 Nios软核和基于ARM的嵌入处理器为可编程单芯片系统 SOPC 提供了灵活性 3 按功能特征分类 Lattice公司的FPSC器件 将ASIC宏单元和FPGA门阵列集成于同一个硅片上 将该技术称为单片现场可编程系统 FPSC 与带有嵌入式FPGA的ASIC相比 FPSC器件是提供系统解决方案的器件 FPSC器件将ORCASeries4型FPGA可编程逻辑结构与总线接口 高速线路接口及高速收发器等内嵌的IP核组合起来 形成优化的ASIC系统芯片 嵌入式宏单元拥有工业标准IP核 诸如PCI 高速线接口和高速收发器 当这些宏单元与成千上万的可编程门结合起来时 它们可应用在各种不同的高级系统设计中 3 按功能特征分类 3 模拟 混合信号的可编程逻辑阵列器件混合信号 数模混合 可编程器件设计和使用均与可编程逻辑器件同样方便 灵活和快捷 与数字器件相比 它具有简洁 经济 高速度 低功耗等优势 而与普通模拟电路相比 它又具有全集成化 适用性强 便于开发和维护 升级 等显著优点 并可作为模拟ASIC开发的中间媒介和低风险过渡途径 因此 它特别适用于小型化 低成本 中低精度电子系统的设