FPGA与硬件描述语言_第一章_绪论

1、FPGA与硬件描述语言2016.4引言引言1. 为何将这门课从第一周调整到从第九周开始？2. 本门课和数电的关系？3. 开设这门课的重要性？4. 这是一门注重实践的课程，目的是要掌握一门技能引言引言介绍本门课的教学大纲：1. 教学内容安排教学内容教学内容讲授讲授实验实验第一章：现代数字系统2第二章：可编程逻辑器件2第三章：VHDL概述和VHDL程序结构6第三章：VHDL的数据类型及运算操作符实验1，实验244第三章：VHDL的描述语句实验3，实验444第三章：有限状态机实验542合计（学时）2210引言引言介绍本门课的教学大纲：2. 考核及成绩评定 采用百分制，总评成绩由平时成绩、实践教学成绩

2、和期末成绩三部分组成 平时成绩占30% （其中出勤成绩占10%，作业成绩占20%） 实践设计成绩占50% 期末考核成绩占20%引言引言介绍本门课的教学大纲：3. 参考书 教材：王振红等，图说VHDL数字电路设计，化学工业出版社，2009年1月 参考书：褚振勇等，FPGA设计及应用，西安电子科技大学出版社，2002年6月4. 答疑安排 周四56节，第三实验楼901 电子邮箱：第一章第一章 绪论绪论1.1 现代数字系统1.1.1 数字系统的概念1.1.2 数字系统的实现1.1.3 数字系统的设计工具1.2 EDA技术的发展1.3 现代数字系统的实现方法绪论绪论数字系统的概念数字系统的概念FPGAF

3、ield Programmable Gate Array现场可编程门阵列绪论绪论数字系统数字系统的概念的概念 数字系统优点：1. 稳定性好。数字电路不像模拟电路那样容易受到噪声的干扰2. 可靠性高。数字电路中只需分辨出信号的有与无，故电路的组件参数，可以允许有较大的变化（漂移）范围3. 能长期存储。数字信息可以利用某种媒介，如磁带、磁盘、光盘等进行长时期的存储绪论绪论数字系统数字系统的概念的概念 数字系统优点：4. 便于计算机处理。数字信号的输出除了具有直观、准确的优点外，最主要的还是便于利用电子计算机来进行信息的处理5. 便于高度集成化绪论绪论数字系统数字系统的概念的概念 数字电路是由具有各

4、种逻辑功能的数字逻辑器件组成的常用数字逻辑器件都包括哪些？绪论绪论数字系统数字系统的概念的概念1. 门电路绪论绪论数字系统数字系统的概念的概念1. 门电路绪论绪论数字系统数字系统的概念的概念1. 门电路绪论绪论数字系统数字系统的概念的概念2. 编码器 74LS148，8线-3线优先编码器3. 译码器 74LS138，3线-8线译码器4. 加法器 74LS183，双全加器5. 选择器6. 乘法器7. 触发器 RS触发器、JK触发器、D触发器8. 计数器绪论绪论数字系统数字系统的概念的概念 数字系统中都是由数字逻辑器件组成的吗？绪论绪论数字系统数字系统的概念的概念绪论绪论数字系统数字系统的概念的概

5、念 数字系统的概念：用数字电路实现处理和传输信息的系统都称为数字系统绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现分立元件小规模集成电路中规模集成电路大规模集成电路超大规模集成电路数字系统的发展史绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现 分立元件，由电阻、电容、晶体管等电子元件组成 SSI（Small-Scale Integration） 小规模集成电路，1-10个逻辑门 典型电路：逻辑门器件，触发器 MSI（Medium-Scale Integration） 中规模集成电路，10-100个逻辑门 典型电路：编码器，译码器，计数器绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现 LSI（Large-Scale Inte

6、gration） 大规模集成电路，100-10000个逻辑门 典型电路：微处理器，存储器， 可编程逻辑器件 VLSI（Very-Large-Scale Integration） 超大规模集成电路，10000个逻辑门以上绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现 传统的数字系统像其他电子系统一样，通常采用搭积木式的方法实现，先由器件搭成电路板，再用电路板搭成电子系统 早期数字系统设计特点：“积木块，搭积木”绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现ABCOBABABAS输入输入输出输出ABSCO0000011010101101半加器的真值表半加器的逻辑表达式半加器的逻辑图和符号绪论绪论数字系统的实现数字系统

7、的实现CIACIBBACOCIABBCIACIBACIBAS全加器的逻辑表达式全加器的逻辑图和符号绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现4位串行进位加法器绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现 早期的数字系统体积大、重量大、功耗大、生产周期长、成本高、可靠性差 可靠性差的主要原因：1. 出现故障的机会大大增加2. 平均失效时间将大大下降绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现 微控制器是在单一芯片上实现的CPU，它是一种通用型器件，只需配以一定的程序（通常固化于外部的ROM中）和一些外围电路，即可任意实现复杂的组合逻辑功能绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现 基于通用微控制器进行数字系统设计的方法具有

8、灵活高效、成本低、系统开发风险小以及可移植性好等诸多优点 微控制器的出现从根本上改变了传统的数字系统设计方法，是对传统数字系统的一次革命绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现基于微控制器的设计方法的缺点也逐步显现： 系统速度低 易受到干扰，使系统瘫痪 尚无可靠地方法对程序进行加密绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现ASIC（专用集成电路）Application Specific Integrated Circuits 一个复杂的数字系统只要一片或数片ASIC即可实现绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现ASIC的优点的优点ASIC的缺点的缺点相对于MCU而言，ASIC不易被破解，可保护设计者的成果

9、不被盗用ASIC的设计开发和生产需要比较长的时间从市场角度看，一个数字系统就是一个产品，可将产品的成本降至最低设计费用高昂使用ASIC制成的设备体积小、重量轻、功耗低、速度高、成本低生产完成后不易修改绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现PLD（可编程逻辑器件）Programmable Logic Device PLD的优点在于产品研制时间段，设计费用低，风险接近于零 使本来是微电子工程师才能完成的ASIC设计，完全转移给了电路设计工程师，大大缩短了数字系统设计的时间绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现PLD的优点的优点 基于芯片的设计方法允许设计者定义、编辑和修改器件的内部逻辑和管脚，使得硬件

10、设计变得和软件设计一样方便 这种方法也将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯片设计中进行，这样可以通过芯片设计实现多种数字逻辑系统功能 由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路板设计的工作量和难度，从而有效地增强了设计的灵活性，提高了工作效率 PLD的价格越来越低，使它的应用范围也不仅局限于产品试制阶段，而是被直接用于产品生产中绪论绪论数字系统的实现数字系统的实现 为了高效地实现数字系统，人们越来越多地采用软硬件协同的设计方法进行系统设计 集成电路制造工艺的迅速发展使微控制器嵌入ASIC或PLD成为现实，因此，一颗芯片即可完成整个系统功能，这就是近几年得到迅速发展的片上系统（SoC，System

11、 on Chip）设计技术绪论绪论数字系统的设计工具数字系统的设计工具传统数字系统设计的流程绪论绪论数字系统的设计工具数字系统的设计工具 现代数字系统的设计工作不仅需要完成功能设计，而且还需要对时序、功能等性能指标进行优化，仅仅依靠手工是无法完成设计工作的，所有的设计工作都需要在计算机上通过专用的EDA工具完成绪论绪论数字系统的设计工具数字系统的设计工具EDA（电子设计自动化）Electronic Design Automation设计者设计者计算机计算机完成对系统功能的描述，设定设计的约束条件电子系统的设计、仿真、逻辑综合和布线借助EDA工具，数字系统和芯片的设计调试就可以像软件的调试修改一

12、样方便绪论绪论数字系统的设计工具数字系统的设计工具 设计输入工具：用于输入设计源文件，主要包括代码输入和原理图输入工具 综合和布局布线工具：是设计实现工具，用于完成设计的物理实现 仿真工具：用于验证设计是否正确，是进行设计验证的最重要手段绪论绪论数字系统的设计工具数字系统的设计工具 EDA工具只能完成设计工作，而实现则需要可编程逻辑器件的支持，可编程逻辑器件和EDA工具的结合给现代硬件系统设计者提供了强有力的工具绪论绪论数字系统的设计工具数字系统的设计工具 Altera Xilinx Lattice绪论绪论EDA技术的发展技术的发展20世纪世纪70年代年代20世纪世纪80年代年代20世纪世纪9

13、0年代年代到本世纪初到本世纪初这个时期的EDA工具仅能完成系统的辅助设计工作，无法完成系统的功能和性能的验证工作这个阶段的EDA工具一般被称为CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）这个时期的EDA工具是以数字电路设计验证工具为代表，主要是解决电路，尤其是数字电路设计完成之前的功能验证问题这个时期的EDA工具包括了硬件行为仿真、逻辑综合、参数分析、物理实现和测试等一系列的工具，能够提供系统设计需要的全部工具；电子设计自动化开始真正实现绪论绪论EDA技术技术的的发展发展广度广度深度深度在过去，EDA技术的普及率低，原因是EDA软件昂贵、硬件要求很高从2000年开始，EDA软件开始向PC机扩展，目前支持多种PC平台，随着PC机的性能不断提高，EDA软件在PC机上越来越普及，软件功能将会更完善在过去，EDA工具中系统仿真、逻辑综合、布局布线等工具是彼此独立的EDA工具将朝着一体化方向发展可编程逻辑器件厂商都提供了一体化设计工具，如Altera公司的Quartus II，Xilinx公司的ISE绪论绪论现代数字系统现代数字系统的实现方