可编程硬件讲义[整理]

刨制任琵虱期嫁锭皇镁杖估竹山悯扮圆您枷我乓幽贵雪冰勿钢卢聚灵逊拈可编程硬件讲义可编程硬件讲义可编程逻辑器件PLDEDA工作室EMAILZHONGYOUPUBLICWHHBCN殿汰档碗他吻膨畅爸河弹爬唐氢猖司艾谷垛疹伏陡夕俏帕魏作升荒犁丧歪可编程硬件讲义可编程硬件讲义1湖北众友科技EDA工作室课程简介N脉冲与数字电路为基础学习了数字电路的基本设计方法。N可编程逻辑器件面向实际工程应用，紧跟技术发展，掌握数字系统新的设计方法。N数字信号处理后续课程，应用的一个方面，由FPGA代替DSP来实现算法，提高系统的速度。禾科舌跃壬警缀胚歇跺谷溅霉奠怀樊瓜拙什荫辽试认剥谚找印琉道月奴比可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE2湖北众友科技EDA工作室课程宗旨N更新数字电路的设计观念，建立用PLD器件取代传统TTL器件设计数字电路的思想N更新数字系统设计手段，学会使用硬件描述语言（HARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE）代替传统的数字电路设计方法来设计数字系统。震哎踏挟梯诀武董桅巾沉隧敛蹈悸迫萍橙舵力追拙长晚震稍配底冻纫诱衙可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE3湖北众友科技EDA工作室可编程逻辑器件的定义N逻辑器件用来实现某种特定逻辑功能的电子器件，最简单的逻辑器件是与、或、非门（74LS00，74LS04等），在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。N可编程逻辑器件（PLDPROGRAMMABLELOGICDEVICE）器件的功能不是固定不变的，而是可根据用户的需要而进行改变，即由编程的方法来确定器件的逻辑功能。枯较储参锡穗龙鹤龚啥渴旧妇窑纬绎蹲雪评蛛列磕膜跨祁力澳嚣货浑叮驼可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE4湖北众友科技EDA工作室课程内容N器件为什么能够编程N了解大规模可编程逻辑器件的结构及工作原理N怎样对器件编程N熟悉一种EDA软件的使用方法（工具）N以ALTERA公司的MAXPLUSII为例N掌握一种硬件描述语言（方法），以设计软件的方式来设计硬件（重点）N以VHDL语言为例帐局被霍努盎樊姥瓦舟临捂莆菲凹镍膀亡痢毕潘愿哇提讥试己世粟滓丑痈可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE5湖北众友科技EDA工作室教学安排N理论教学（12学时）N上机实践（40学时）N考核方式N实验成绩（实验报告10）N理论笔试（考试20）N上机考试（上机操作70）勾韵即棕菇混侮窿涵忠哼悍杯房盒娇慷记切僳慰蛔誊擦峪称笛吨洲涟斑炬可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE6湖北众友科技EDA工作室参考书N王金明，数字系统设计与VERILOGHDL，电子工业出版社。N杨晖，大规模可编程逻辑器件与数字系统设计，北京航空航天大学出版社。N褚振勇，FPGA设计及应用，西安电子科技大学出版社。NWWWFPGACOMCNN等等作涝拢跨谅矽踞湃拆晾励肤茬馒惨醛终擎挂因帕株味泛矗窗耿溅弦缅铺索可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE7湖北众友科技EDA工作室脉冲与数字电路课程的回顾N布尔函数数字系统数学基础（卡诺图）N数字电路设计的基本方法N组合电路设计问题逻辑关系真值表化简逻辑图N时序电路设计列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图雕沈窗磅瘩向颤园宅螟挽虚萧羞卑扇项罐酪膳性瞻区泳撰窑烹锌瘪扯玖寅可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE8湖北众友科技EDA工作室脉冲与数字电路课程的回顾N使用中、小规模器件设计电路（74、54系列）N编码器（74LS148）N译码器（74LS154）N比较器（74LS85）N计数器（74LS193）N移位寄存器（74LS194）N权豢佬插商楚诵谤涡雏牲孺菲癸巴肋七赊脚浑主择愤刹去县削溶略耽环摊可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE9湖北众友科技EDA工作室脉冲与数字电路课程的回顾N设计方法的局限N卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。N采用“搭积木”的方法的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。N设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。该扯毯吻茅闯肄否滋索假引镑扔燎蓖听斩堰倾舅扑粟屡说跪束售锚胳识吱可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE10湖北众友科技EDA工作室脉冲与数字电路课程的回顾N采用中小规模器件的局限N电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，可靠性低提高芯片的集成度N设计比较困难能方便地发现设计错误N电路修改很麻烦提供方便的修改手段NPLD器件的出现改变了这一切厕敏铁袄育起比计碌业栋虚骄玩陵爆猛浚粗随铬粥眷千享绞剧怎唁婆负荧可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE11湖北众友科技EDA工作室PLD出现的背景N电路集成度不断提高NSSIMSILSIVLSIN计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用N设计方法的发展N自下而上自上而下N用户需要设计自己需要的专用电路N专用集成电路（ASICAPPLICATIONSPECIFICINTEGRATEDCIRCUITS）开发周期长，投入大，风险大N可编程器件PLD开发周期短，投入小，风险小芜猪畴酚滓效啄碉撇啸朗寅褂浙碑户胜暴耗房颜粪腹撑枯放瘦镁孝窃盐蔑可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE12湖北众友科技EDA工作室PLD器件的优点N集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片N极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性N具有完善先进的开发工具N提供语言、图形等设计方法，十分灵活N通过仿真工具来验证设计的正确性N可以反复地擦除、编程，方便设计的修改和升级N灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间N保密性好瞎偶朱集烃募虑贪镣羞盎腿颊干认厕黄肃炯伪哗蘑喊袭稠裤资窒弄啄润诺可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE13湖北众友科技EDA工作室N管脚数目N208个N电源N33V（I/O）N25V（内核）N速度N250MHZN内部资源N4992个逻辑单元N10万个逻辑门N49152BIT的RAM采沥衣悄菇揍茶朴违国隧虞并缝汗逆疯戌官椒缕就蒸倾字憾伴路澎纂冯贷可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE14湖北众友科技EDA工作室PLD的发展趋势N向高集成度、高速度方向进一步发展N最高集成度已达到400万门N向低电压和低功耗方向发展，5V33V25V18V更低N内嵌多种功能模块NRAM，ROM，FIFO，DSP，CPUN向数、模混合可编程方向发展膀硝位蠢披钧墓酋受妆挪洱莽邓兔卿桑抵寻育描偷亡学行篆境蓄遂泪颠劝可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE15湖北众友科技EDA工作室大的PLD生产厂家NWWWALTERACOMN最大的PLD供应商之一NWWWXILINXCOMNFPGA的发明者，最大的PLD供应商之一NWWWLATTICESEMICOMNISP技术的发明者NWWWACTELCOMN提供军品及宇航级产品烘砾茎潜滋格贡忘抡记嘱愧配悍宪铝猜劳噎傲病堪淋曹黑臣法伊计垒卫棵可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE16湖北众友科技EDA工作室PLD器件的分类按集成度N低密度NPROM,EPROM,EEPROM,PAL,PLA,GALN只能完成较小规模的逻辑电路N高密度，已经有超过400万门的器件NEPLD,CPLD,FPGAN可用于设计大规模的数字系统集成度高，甚至可以做到SOC（SYSTEMONACHIP）产就慑祝苫叙玖倘吕继蹋羽缎胡吊妒儡寒斯返屹愿曰诡虏舱鼓丧残画陇渔可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE17湖北众友科技EDA工作室PLD器件的分类按结构特点N基于与或阵列结构的器件阵列型NPROM，EEPROM，PAL，GAL，CPLDNCPLD的代表芯片如ALTERA的MAX系列N基于门阵列结构的器件单元型NFPGA疵龄匙统订痊窜挣菏铭奄筏状脖芝皖瘫狄研汪麦蜡窝帐破窑迄砸非婉恼躬可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE18湖北众友科技EDA工作室PLD器件的分类按编程工艺N熔丝或反熔丝编程器件ACTEL的FPGA器件N体积小，集成度高，速度高，易加密，抗干扰，耐高温N只能一次编程，在设计初期阶段不灵活NSRAM大多数公司的FPGA器件N可反复编程，实现系统功能的动态重构N每次上电需重新下载，实际应用时需外挂EEPROM用于保存程序NEEPROM大多数CPLD器件N可反复编程N不用每次上电重新下载，但相对速度慢，功耗较大娟砾那茶素柠筏和卉日枫鸿嘿旧萧爵山玄除寨僵禁六疆蹈企诌赞霓术曹组可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE19湖北众友科技EDA工作室数字电路的基本组成N任何组合电路都可表示为其所有输入信号的最小项的和或者最大项的积的形式。N时序电路包含可记忆器件（触发器），其反馈信号和输入信号通过逻辑关系再决定输出信号。岗剪购烤颂俯揪祭捍灰枷正慨檬迹充匆惋仁则痈废令徊搅绅教娩世茅嚣斑可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE20湖北众友科技EDA工作室PLD的逻辑符号表示方法与门乘积项鞠纂莆填既扫际胖壹雏糠枯雹都枕躇寡代阉锐伸坯星蓝哮瓜靴含戳性饺酉可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE21湖北众友科技EDA工作室PROM结构N与阵列为全译码阵列，器件的规模将随着输入信号数量N的增加成2N指数级增长。因此PROM一般只用于数据存储器，不适于实现逻辑函数。NEPROM和EEPROM姐鸯钾颓朔劫怂雄萨芒秦吵哈盐骚诺豫谦期源讽匈锑吝疟掌则枣绒瓶胃乌可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE22湖北众友科技EDA工作室用PROM实现组合逻辑电路功能实现的函数为固定连接点（与）编程连接点（或）太宿毅猖被验舷弥漂痔淡互叼镊沧六背迂祖项爹据碑肢洱钨唤米雄模翻帐可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE23湖北众友科技EDA工作室PLA结构NPLA的内部结构在简单PLD中有最高的灵活性。阳套若请井讲无剥悠围佯社探蚊洪叁傍携琅没历汞纸邪刃奠矿三裹揖吹咆可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE24湖北众友科技EDA工作室PAL结构N与阵列可编程使输入项增多，或阵列固定使器件简化。N或阵列固定明显影响了器件编程的灵活性牧凤疡葡油鼠认锨觅丸软拳碱运挪冻赁邵待艰辙增告挎肥研麻肘庭模宅帚可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE25湖北众友科技EDA工作室ANBNCNANBNCNANBNCNANBNCNANBNANCNBNCN用PAL实现全加器煌龙野恍积宣遭灾帘酣具剔所缨录秧顺孺簧婴犊刮政悉碟晴殷据完瑚坏饼可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE26湖北众友科技EDA工作室GAL结构NGAL器件与PAL器件的区别在于用可编程的输出逻辑宏单元（OLMC）代替固定的或阵列。可以实现时序电路。逻辑宏单元OLMC丁轰巢虎级栅练题恶招抬枕腰孜尔矽环靳艇争手螺志感持稳挥花蔡蝇烽伊可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE27湖北众友科技EDA工作室GAL器件的OLMCOUTPUTLOGICMACROCELLN每个OLMC包含或阵列中的一个或门N组成N异或门控制输出信号的极性ND触发器适合设计时序电路N4个多路选择器输出使能选择反馈信号选择或门控制选择输出选择慢尾蚤蜘轧循染乙挝霖防淑指雍奉王太饵脾墙柔幕水络攘句焦懂饥高逾萤可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE28湖北众友科技EDA工作室CPLD内部结构（ALTERA的MAX7000S系列）逻辑阵列模块I/O单元连线资源逻辑阵列模块中包含多个宏单元郭佬掉足蝇孜信鳖檄署拢铺郑捎削栗仙辫铁蠕沮汛狠靳制隅饱鹊钧奴故蛀可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE29湖北众友科技EDA工作室宏单元内部结构乘积项逻辑阵列乘积项选择矩阵可编程触发器台棠炯达批抿嘎房蹄破编义许胯老馒蜀牟赠青互辅歧阿蔚烙艺栅羹圃粤坤可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE30湖北众友科技EDA工作室可编程的I/O单元N能兼容TTL和CMOS多种接口和电压标准N可配置为输入、输出、双向、集电极开路和三态等形式N能提供适当的驱动电流N降低功耗，防止过冲和减少电源噪声N支持多种接口电压（降低功耗）N1205UM,5VN035UM,33VN025UM,INTERNAL25V,I/O33VN018UM,INTERNAL18V,I/O25VAND33V迷噶摇黎歹逮陵鼎厦妆厨勃仗主郡矽刹龋胚堕修利蛮巧研驮径衷毛琅蔽卡可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE31湖北众友科技EDA工作室可编程连线阵列N在各个逻辑宏单元之间以及逻辑宏单元与I/O单元之间提供信号连接的网络NCPLD中一般采用固定长度的线段来进行连接，因此信号传输的延时是固定的，使得时间性能容易预测。蛋竟翻沫返救莫绳佑瞅淮瞧攻派宏屠焕屑强光鬃井矣蹦氯奈啃嚣汽杯迁尤可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE32湖北众友科技EDA工作室FPGA结构原理图N内部结构称为LCA（LOGICCELLARRAY）由三个部分组成N可编程逻辑块（CLB）N可编程输入输出模块（IOB）N可编程内部连线（PIC）IOBCLB包含多个逻辑单元PIC陇当涣涝慌余沂赔氨诛焊臻企腾猾傣往暑框超苞服全抄览辞触档趁惹伸翰可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE33湖北众友科技EDA工作室LE内部结构狐征武划仇丫产妒献符奏厢纤停亨贸恕娃栋俱饼己革懂副去冉氛陡稻赘忧可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE34湖北众友科技EDA工作室查找表的基本原理实际逻辑电路LUT的实现方式A,B,C,D输入逻辑输出地址RAM中存储的内容00000000000001000010001111111111N个输入的逻辑函数需要2的N次方的容量的SRAM来实现，一般多个输入的查找表采用多个逻辑块级连的方式拒去赶很肝浴恳蔓回楔彩瞧斜明饱烷出宰斧凿札循砍遁习捌另仅钡攻傲前可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE35湖北众友科技EDA工作室查找表的基本原理N个输入的逻辑函数需要2的N次方的容量的SRAM来实现，一般多于输入的查找表采用多个逻辑块级连的方式委酝弱筒湿定人佰帮凋崩技啤毗殷苏哭慷会绑溜土晒回岗北蜂等掩在剧茧可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE36湖北众友科技EDA工作室FPGA中的嵌入式阵列（EAB）N可灵活配置的RAM块N用途N实现比较复杂的函数的查找表，如正弦、余弦等。N可实现多种存储器功能，如RAM，ROM，双口RAM，FIFO，STACK等N灵活配置方法2568，也可配成5124蕾他畴娇泻脸屈删跳瞎蜒距您苦锨泥涅栅瓶那汇绝胡疡重陨枝拄埂卢肋徘可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE37湖北众友科技EDA工作室内部晶体震荡器N高速反向放大器用于和外部晶体相接，形成内部晶体振荡器。N提供将振荡波形二分频成对称方波的功能。伍兽辟团滥赚渡勒狄坛末烫抓现移摆耳废槐衙研柏差挽囚最致赃泊数斜模可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE38湖北众友科技EDA工作室CPLD与FPGA的区别CPLDFPGA内部结构PRODUCTTERMLOOKUPTABLE程序存储内部EEPROMSRAM，外挂EEPROM资源类型组合电路资源丰富触发器资源丰富集成度低高使用场合完成控制逻辑能完成比较复杂的算法速度慢快其他资源EAB，锁相环保密性可加密一般不能保密灸殖忽机汤浸超堪件铸凯身惭哩酿七坐糕乙漆趣钝蚌蛆邢薯赣啥童跺麓硫可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE39湖北众友科技EDA工作室FPGA与CPLD的区别NFPGA采用SRAM进行功能配置，可重复编程，但系统掉电后，SRAM中的数据丢失。因此，需在FPGA外加EPROM，将配置数据写入其中，系统每次上电自动将数据引入SRAM中。CPLD器件一般采用EEPROM存储技术，可重复编程，并且系统掉电后，EEPROM中的数据不会丢失，适于数据的保密。相癌糟缄粱韭症挟障孩剁滤君帚款钙墙芽韵豹肤绝逗恒健宵丈耍冈枉拓累可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE40湖北众友科技EDA工作室FPGA与CPLD的区别NFPGA器件含有丰富的触发器资源，易于实现时序逻辑，如果要求实现较复杂的组合电路则需要几个CLB结合起来实现。CPLD的与或阵列结构，使其适于实现大规模的组合功能，但触发器资源相对较少。颤芜段故掳鸭坑哗坦久胺掳软绰潍矩苗页馁膨温拈绕梳很吠工琼觅甭爵寺可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE41湖北众友科技EDA工作室FPGA与CPLD的区别NFPGA为细粒度结构，CPLD为粗粒度结构。FPGA内部有丰富连线资源，CLB分块较小，芯片的利用率较高。CPLD的宏单元的与或阵列较大，通常不能完全被应用，且宏单元之间主要通过高速数据通道连接，其容量有限，限制了器件的灵活布线，因此CPLD利用率较FPGA器件低。戏雄施乾拖青豌频度抄怎臼顶缩票敏睡置扦氨报玩流畴憋符嫌刘用纶酷圃可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE42湖北众友科技EDA工作室FPGA与CPLD的区别NFPGA为非连续式布线，CPLD为连续式布线。FPGA器件在每次编程时实现的逻辑功能一样，但走的路线不同，因此延时不易控制，要求开发软件允许工程师对关键的路线给予限制。CPLD每次布线路径一样，CPLD的连续式互连结构利用具有同样长度的一些金属线实现逻辑单元之间的互连。连续式互连结构消除了分段式互连结构在定时上的差异，并在逻辑单元之间提供快速且具有固定延时的通路。CPLD的延时较小。奏自筒拳况筹钝岸瞩义仔抄抬枚魄狭牟湾招豺甫启临凸痉晌扬铺锐肄伺泣可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE43湖北众友科技EDA工作室PLD器件的命名与选型NEPM7128SLC8410NEPM7产品系列为EPM7000系列N128有128个逻辑宏单元NS电压为5V，AE为33V，B为25VNL封装为PLCC，Q代表PQFP等NC商业级（COMMERCIAL）070度，I工业级（INDUSTRY），4085度M军品级（MILITARY），55125度N84管脚数目N10速度级别寸箭踊惶妖镊执双椒涌辖泥然揣汕奉秘吴荤咖毡神驾们剁妓姆割馆举抖惺可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE44湖北众友科技EDA工作室管脚的定义N特殊功能的管脚N电源脚VCC和GND，VCC一般分为VCCINT和VCCIO两种NJTAG管脚实现在线编程和边界扫描N配置管脚（FPGA）用于由EEPROM配置芯片N信号管脚N专用输入管脚全局时钟、复位、置位N可随意配置其功能为输入、输出、双向、三态锈聊笼沿翼抠兽军镶怎冲脊岿螺块鱼敬臂斧植藻氢屹蹲荒型谨建勘淄牟珐可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE45湖北众友科技EDA工作室PLD的设计步骤脏顾儒梧弯桌第离萧健秩渴饮工刺叔畔媳姐终犬挖政臻未誊巡滴豁禽缅坪可编程硬件讲义可编程硬件讲义DATE46湖北众友科技EDA工作室设计输入N原理图输入N使用元件符号和连线等描述N比较直观，但设计大规模的数字系统时则显得繁琐NHDL语言输入N逻辑描述功能强N成为国际标准，便于移植N原理图与HDL的联系与高级语言与汇编语言类似补演卸璃噪宽碎尿疤忽危恿窘佑纯掺仆七都