硬件演示实验

1、CN. 104000210Basis of Computer Systems 计算机系统基础计算机系统基础 Network CompilerCADataOS20132013年年1 11 1月月郭艳郭艳教学实验中心教学实验中心计算机学院计算机学院西北工业大学西北工业大学硬件演示硬件演示实验实验NW CCCADDOS2目录p1： PCB简介简介p2： FPGA简介简介p3：SOPC简介简介NW CCCADDOSPCB简介简介 PCB（Printed Circuit Board），中文名称），中文名称为印制电路板，是电子元器件的支撑体，也是电为印制电路板，是电子元器件的支撑体，也是电子元器件电气连接

2、的提供者。由于它是采用电子子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为印刷术制作的，故被称为“印刷印刷”电路板。电路板。PCB是电子工业的重要部件之一，几乎每种电子设备是电子工业的重要部件之一，几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，都要使用印制电路板。子设备，军用武器系统，都要使用印制电路板。 PCB基板是由绝缘隔热、不易弯曲的材质制基板是由绝缘隔热、不易弯曲的材质制成。在表面可以看到的细小线路材料是铜箔，这成。在表面可以看到的细小线路材料是铜箔，这些线路被称作导线（些线路被称作导线（con

3、ductor pattern）或称布）或称布线，并用来提供线，并用来提供PCB上零件的电路连接。上零件的电路连接。NW CCCADDOS 单面板（单面板（Single-Sided Boards） 零件集中在其中一面，导线集中在另一面上。因为单面零件集中在其中一面，导线集中在另一面上。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制（因为只有一面，布线板在设计线路上有许多严格的限制（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类的板子。才使用这类的板子。 双面板（双面板（Double-Sided Boards） 这种电路板的

4、两面都有布线。两面之间通过导孔连接（这种电路板的两面都有布线。两面之间通过导孔连接（via）。导孔是在）。导孔是在PCB上充满或涂上金属的小洞，它可以上充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。双面板布线可以互相交错（可以绕与两面的导线相连接。双面板布线可以互相交错（可以绕到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。 多层板（多层板（Multi-Layer Boards） 为了增加可以布线的面积，多层板使用数片双面板，并为了增加可以布线的面积，多层板使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢（压合）。板子的层数在每层板间放进一层绝

5、缘层后黏牢（压合）。板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。包含最外侧的两层。NW CCCADDOSn 如果如果PCB上有某些零件需要在制作完成后也可以拿掉或装上有某些零件需要在制作完成后也可以拿掉或装回去，可以在回去，可以在PCB上安装插座（上安装插座（Socket），插座是直接），插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆装。焊在板子上的，零件可以任意的拆装。n 金手指可以将两块金手指可以将两块PCB相互连结，金手指上包含了许多裸相互连结，金手指上包含了许多裸露的铜垫。通常连接时，将其中一片露的铜垫。通常

6、连接时，将其中一片PCB上的金手指插进上的金手指插进另一片另一片PCB的插槽（的插槽（Slot）上。）上。n PCB上的绿色或是棕色是阻焊漆（上的绿色或是棕色是阻焊漆（solder mask）的颜色）的颜色。这是一层绝缘的防护层，可以保护铜线，也可以防止零。这是一层绝缘的防护层，可以保护铜线，也可以防止零件被焊到不正确的地方。件被焊到不正确的地方。n 在阻焊层上另外会印刷上一层丝网印刷面（在阻焊层上另外会印刷上一层丝网印刷面（silk screen）。通常在这上面会印上文字与符号，以标示出各零件在板。通常在这上面会印上文字与符号，以标示出各零件在板子上的位置。子上的位置。NW CCCADDOS

7、零件封装技术零件封装技术n 插入式封装技术（插入式封装技术（Through Hole Technology） THT封装是将零件安置在板子的一面，将接脚焊在另封装是将零件安置在板子的一面，将接脚焊在另一面上。这种零件需要占用大量的空间，并且要为每只接一面上。这种零件需要占用大量的空间，并且要为每只接脚钻一个洞。但另一方面，脚钻一个洞。但另一方面，THT零件和零件和SMT零件比起来，零件比起来，与与PCB连接的构造比较好，像排线的插座和类似的界面都连接的构造比较好，像排线的插座和类似的界面都需要能耐压力，所以通常它们都是需要能耐压力，所以通常它们都是THT封装。封装。 n 表面黏贴式封装（表面黏

8、贴式封装（Surface Mounted Technology） 使用使用SMT封装的零件，接脚是焊在与零件同一面。这封装的零件，接脚是焊在与零件同一面。这种技术不用为每个接脚的焊接在种技术不用为每个接脚的焊接在PCB上钻洞。上钻洞。SMT也比也比THT的零件要小。和使用的零件要小。和使用THT零件的零件的PCB比起来，使用比起来，使用SMT技术的技术的PCB板上零件要密集很多，板上零件要密集很多，SMT封装零件也封装零件也比比THT的要便宜。的要便宜。NW CCCADDOSNW CCCADDOSNW CCCADDOSNW CCCADDOS可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件简介 可编程逻辑器件英

9、文全称为：可编程逻辑器件英文全称为：programmable logic device 即即 PLD。PLD与一般数字芯片不同与一般数字芯片不同的是：的是：PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划内部的数字电路可以在出厂后才规划决定，有些类型的决定，有些类型的PLD也允许在规划决定后再次也允许在规划决定后再次进行变更、改变，而一般数字芯片在出厂前就已进行变更、改变，而一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路，无法在出厂后再次改变。经决定其内部电路，无法在出厂后再次改变。 PLD是做为一种通用集成电路产生的，这些是做为一种通用集成电路产生的，这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方器件可以通

10、过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。设计那样方便快捷。NW CCCADDOSCPLD CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（主要是由可编程逻辑宏单元（LMC，Logic Macro Cell）围绕中心的可编程互连矩阵）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中单元组成，其中LMC逻辑结构较复杂，并具有复逻辑结构较复杂，并具有复杂的杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于定的电路结构，完成一定的功能。由于 CPLD内内部采用固定长度

11、的金属线进行各逻辑块的互连，部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。到分段式互连结构时序不完全预测的缺点。到90年年代，代，CPLD发展更为迅速，不仅具有电擦除特性发展更为迅速，不仅具有电擦除特性，而且出现了边缘扫描及在线可编程等高级特性，而且出现了边缘扫描及在线可编程等高级特性。较常用的有。较常用的有Xilinx公司的公司的EPLD和和Altera公司的公司的CPLD。 NW CCCADDOSFPGA简介简介 FPGA通常包含三类可编程资源：可编程逻辑通常包含三类可编程资

12、源：可编程逻辑功能块、可编程功能块、可编程I/O块和可编程互连。块和可编程互连。 可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元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；，它们通常排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程可编程I/O块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程内部互，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程内部互连包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开连包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或关，它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来。块连接起来。 较常用的有较

13、常用的有Altera、Xilinx和和Actel公司的公司的FPGA。NW CCCADDOSFPGA开发流程开发流程设计验证设计验证需求定义设计输入设计综合设计实现配置下载综合结果分析实际电路验证静态时序分析时序仿真系统整合验证功能仿真NW CCCADDOS设计输入设计输入n 原理图输入（对大型设计很少使用）原理图输入（对大型设计很少使用）n 硬件描述语言硬件描述语言VerilogHDL，VHDLNW CCCADDOS设计综合设计综合 综合就是将综合就是将HDL 语言、原理图等设计输入翻语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门和译成由与、或、非门和RAM、触发器等基本逻辑、触发器等基本逻辑单

14、元的逻辑连接（网表），并根据目标和要求单元的逻辑连接（网表），并根据目标和要求（约束条件）优化所生成的逻辑连接。（约束条件）优化所生成的逻辑连接。软件开发工具软件开发工具pAltera： QuartusIIpXilinx ： ISE pLattice：IspLeverp第三方第三方 Synplicity： Synplify ProNW CCCADDOS设计实现设计实现 实现是将综合输出的逻辑网表翻译成所选器实现是将综合输出的逻辑网表翻译成所选器件的底层模块与硬件原语，将设计映射到器件结件的底层模块与硬件原语，将设计映射到器件结构上，进行布局布线，达到在选定器件上实现设构上，进行布局布线，达到在

15、选定器件上实现设计的目的。实现工具计的目的。实现工具pAltera： QuartusIIpXilinx： ISE pLattice：IspLeverNW CCCADDOS功能仿真功能仿真仿真工具仿真工具n Altera： QuartusIIn Xilinx： ISE n Lattice： IspLevern 第三方第三方Monter：ModelSimNW CCCADDOS下载调试下载调试n 内嵌式逻辑分析仪内嵌式逻辑分析仪Altera：SignalTapXilinx： ChipScopeLattice：Revealn 示波器示波器示波器也是有力的调试工具。示波器也是有力的调试工具。NW CCC

16、ADDOSXilinx简介简介 Xilinx(赛灵思赛灵思)是全球领先的可编程逻辑完整是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商。解决方案的供应商。Xilinx研发、制造并销售范研发、制造并销售范围广泛的高级集成电路、软件设计工具以及作为围广泛的高级集成电路、软件设计工具以及作为预定义系统级功能的预定义系统级功能的IP（Intellectual Property）核。客户使用核。客户使用Xilinx及其合作伙伴的自动化软件及其合作伙伴的自动化软件工具和工具和IP核对器件进行编程，从而完成特定的逻核对器件进行编程，从而完成特定的逻辑操作。辑操作。 Xilinx公司成立于公司成立于 1984年，首

17、创了现场可编年，首创了现场可编程逻辑阵列（程逻辑阵列（FPGA）这一创新性的技术，并于）这一创新性的技术，并于1985年首次推出商业化产品。眼下年首次推出商业化产品。眼下Xilinx满足了满足了全世界对全世界对 FPGA产品一半以上的需求。产品一半以上的需求。NW CCCADDOSIP( Intellectual Property )核简介核简介 从从20世纪世纪90年代至今，年代至今，IC设计能力正在发生一次质的设计能力正在发生一次质的飞跃，即由飞跃，即由ASIC设计方法向设计方法向SoC（System on Chip）设计方法转变。设计方法转变。SoC设计方法使设计方法使IC设计开始进一步

18、分工细设计开始进一步分工细化，出现了化，出现了IP设计和设计和SoC系统设计。系统设计。 IP核是指那些己验证的、可重利用的、具有某种确定核是指那些己验证的、可重利用的、具有某种确定功能的功能的IC模块。分为软模块。分为软IP (soft IP core )、固、固IP (firm IP core)和硬和硬IP (hard IP core )。 软软IP是用某种高级语言来描述功能块的行为，但是并是用某种高级语言来描述功能块的行为，但是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。 固固IP完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节，一完成了门电路级综合和时序仿真

19、等设计环节，一般以门电路级网表形式提交用户使用。般以门电路级网表形式提交用户使用。 硬硬IP则是完成了综合的功能块，已有固定的拓扑布局则是完成了综合的功能块，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并己经经过工艺验证，具有可保证的性能。和具体工艺，并己经经过工艺验证，具有可保证的性能。NW CCCADDOSMicroBlaze简介简介 MicroBlaze 是基于是基于Xilinx公司公司FPGA的微处的微处理器理器IP核，和其它外设核，和其它外设IP核一起，可以完成可编核一起，可以完成可编程系统芯片（程系统芯片（System-on-a-Programmable-Chip）的设计。）的设计。NW CCC

20、ADDOSXilinx EDK简介简介 应用应用EDK（ Embedded Development Kit ）可以进）可以进行基于行基于MicroBlaze IP核的核的SOPC开发。工具包中集成了开发。工具包中集成了硬件平台生成器、软件平台生成器、软件编译器和软件调硬件平台生成器、软件平台生成器、软件编译器和软件调试工具等。试工具等。EDK中提供一个集成开发环境中提供一个集成开发环境XPS（Xilinx Platform Studio），以便使用系统提供的所有工具，完），以便使用系统提供的所有工具，完成嵌入式系统开发的整个流程。成嵌入式系统开发的整个流程。 EDK中还带有一些外设接口的中还带