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文档简介

1、FPGA and ASIC Technology Comparison - 1 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved数字系统的数字系统的VHDLVHDL设计设计通信工程学院郭杰通信工程学院郭杰北校区科技楼北校区科技楼B-501E-mail: Tel:Q: 1600273298 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 2 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC

2、Technology Comparison - 2 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved课程课程信息信息20+20学时学时成绩成绩 - 平时成绩平时成绩 - 实验部分实验部分 - 设计报告设计报告先修课程先修课程 - 模拟电子线路模拟电子线路 - 数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计 - 专用集成电路设计等专用集成电路设计等EDA工具软件工具软件 - ISE, ModelSim, Synplify等等硬件实验平台硬件实验平台 - Xilinx-Spartan3E实验开发实验开发 - Xilinx-Digilent Basys2实验实验开发开发 2007 X

3、ilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 3 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 3 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved教材信息教材信息侯伯亨侯伯亨, 刘凯刘凯, 顾新顾新. VHDL硬件描述语言与数硬件描述语言与数字逻辑电路设计字逻辑电路设计(第三第三版版),西安西安: 西安电子科技西安电子科技大学出版社大学出版社, 2009. 2007 Xil

4、inx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 4 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 4 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved参考资料参考资料学习网站学习网站 - - - - 参考书目参考书目- VHDL大学实用教程大学实用教程, 乔庐峰乔庐峰 等译等译, 北京北京: 电子工业出版社电子工业出版社, 2011.- VHDL嵌入式数字

5、系统设计教程嵌入式数字系统设计教程, 夏宇闻夏宇闻 等译等译, 北京北京: 北京航空航天大北京航空航天大学学, 2011. 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 5 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 5 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved课程内容课程内容“数字系统的数字系统的VHDL设计设计”组合逻组合逻辑电路辑电路时序逻时序逻辑

6、电路辑电路数字系统数字系统ASICFPGAVHDL语言语言使用使用VHDL语言在语言在FPGA平平台上进行数字系统设计台上进行数字系统设计 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 6 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 6 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved课程内容课程内容常用缩略语举例常用缩略语举例EDA Electronic De

7、sign AutomationHDLHardware Description LanguageVHSICVery High Speed Integrated CircuitVHDL VHSIC HDLASIC Application Specific Integrated Circuit FPGA Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列CPLD Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件SoC System on Chip 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and

8、 ASIC Technology Comparison - 7 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 7 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved课程内容课程内容数字系统硬件设计概述数字系统硬件设计概述VHDL语言语言FPGA设计基础设计基础数字系统设计数字系统设计(VHDL+FPGA) 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 8 2007

9、Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 8 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved课程目标课程目标掌握掌握VHDL语言语言熟悉熟悉EDA设计工具设计工具了解了解FPGA的相关知识的相关知识学会基于学会基于FPGA平台的数字系统设计平台的数字系统设计 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 9 2007 Xilinx, Inc. All Rights R

10、eservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 9 2009 Xilinx, Inc. All Rights ReservedVHDL语言语言所谓硬件描述语言(HDL, Hardware Description Language),就是可以描述硬件电路功能硬件电路功能、信号连接信号连接关系关系及定时关系定时关系语言。它能比电原理图更有效地表示硬件电路的特性。 VHDLHDLVerilog HDL最具代表性的 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison

11、- 10 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 10 2009 Xilinx, Inc. All Rights ReservedVHDL语言语言VHDL的发展史美国国防部在上个世纪70年代末和80年代初提出的Very High Speed Integrated Circuit, VHSIC计划的产物。1981年提出了一种新的硬件描述语言,简称为VHDL (VHSIC Hardware Description Language)。Verilog HDL的发展史Gateway Desig

12、n Automation公司于1983年创建的仿真与验证工具,之后又陆续开发了相关的故障仿真与时序分析工具,这是在C语言基础上发展起来的一种硬件描述语言。1989年Cadence公司收购GDA公司并促进了Verilog HDL的发展。 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 11 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 11 2009 Xilinx, Inc. All Righ

13、ts ReservedVHDL语言语言VHDL的标准化1987年12月VHDL被接纳为IEEE std-1076-1987标准,一般称为 VHDL87。1993年进一步修订,形成IEEE std-1076-1993标准,称为VHDL93。随后又经过陆续修订,形成IEEE std-1076-2002、 IEEE std-1076-2008等标准。Verilog HDL的标准化1990年Cadence公司公开发表Verilog HDL,并成立OVI组织促进其发展。1995年Verilog HDL成为IEEE标准,即IEEE std-1364-1995。随后又经过陆续修订,形成IEEE std-13

14、64-2001、 IEEE std-1364-2005等标准。 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 12 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 12 2009 Xilinx, Inc. All Rights ReservedEDA设计工具设计工具EDA(Electronic Design Automation)即电子设计自动化。EDA技术指的是以计算机硬件和系统软件为基本

15、工作平台,继承和借鉴前人在电路和系统、数据库、图形学、图论和拓扑逻辑、计算数学、优化理论等多学科的最新科技成果而研制成的商品化通用支撑软件和应用软件包。EDA旨在帮助电子设计工程师在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至PCB(Printed Circuit Board,印刷电路板)的自动设计。与早期的电子CAD软件相比,EDA软件的自动化程度更高,功能更完善,运行速度更快,而且操作界面友好,有良好的数据开放性和互换性,即不同厂商的EDA软件可相互兼容。因此,EDA技术很快在世界各大公司、企业和科研单位得到了广泛应用,并已成为衡量一个国家电子技术发展水平的重要标志。 20

16、07 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 13 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 13 2009 Xilinx, Inc. All Rights ReservedEDA设计工具设计工具传统的数字系统设计只能对电路板进行设计,把所需的具有固定功能的标准集成电路像积木块一样堆积于电路板上,通过设计电路板来实现系统功能。利用EDA工具,采用可编程器件,通过设计芯片来实现系统功能,这样

17、不仅可以通过芯片设计实现多种数字逻辑系统功能,而且由于管脚定义的灵活性,大大减轻了电路图设计和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;同时基于芯片的设计可以减少芯片的数量,缩小系统体积,降低能源消耗,提高系统的性能和可靠性。这种基于芯片的设计方法正在成为现代电子系统设计的主流。现在,只要拥有一台计算机、一套相应的EDA软件和空白的可编程逻辑器件芯片,在实验室里就可以完成数字系统的设计和生产。当今的数字系统设计已经离不开可编程逻辑器件和EDA设计工具。 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Techn

18、ology Comparison - 14 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 14 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved数字系统设计概述数字系统设计概述什么是数字系统?什么是数字系统?数字系统的基本组成数字系统的基本组成传统数字系统设计方法传统数字系统设计方法现代数字系统设计方法现代数字系统设计方法 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison

19、 - 15 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 15 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved什么是数字系统?什么是数字系统?数字系统是用来数字系统是用来处理逻辑信息处理逻辑信息或以或以数字形式表示的物理量数字形式表示的物理量的电的电子器件组合。子器件组合。 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 16 2007 Xilinx, Inc.

20、All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 16 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved数字系统设计概述数字系统设计概述什么是数字系统?什么是数字系统?数字系统的基本组成数字系统的基本组成传统数字系统设计方法传统数字系统设计方法现代数字系统设计方法现代数字系统设计方法 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 17 2007 Xilinx, Inc. All Rights Reser

21、vedFPGA and ASIC Technology Comparison - 17 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved数字系统的基本组成数字系统的基本组成控制控制电路电路运算运算电路电路应答信号应答信号控制信号控制信号输入输入输出输出接口接口数据输出数据输出存存储储器器数据输入数据输入系统核心系统核心系统核心系统核心:由:由组合逻辑组合逻辑和和时序逻辑时序逻辑电路组成电路组成 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 18 2007 Xilin

22、x, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 18 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved典型数字系统典型数字系统输入输出接口系统功能单元 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 19 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 19 2009 Xilinx, I

23、nc. All Rights Reserved数字系统设计概述数字系统设计概述什么是数字系统?什么是数字系统?数字系统的基本组成数字系统的基本组成传统数字系统设计方法传统数字系统设计方法现代数字系统设计方法现代数字系统设计方法 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 20 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 20 2009 Xilinx, Inc. All Rights R

24、eserved传统数字系统设计方法传统数字系统设计方法自下至上的设计方法自下至上的设计方法 - 对系统的功能进行细化,合理划分功能模块 - 选择具体的元器件完成各个功能模块的逻辑电路设计 - 将各功能模块连接起来,完成整个系统的硬件设计采用通用的逻辑元器件采用通用的逻辑元器件设计后期进行仿真和调试设计后期进行仿真和调试主要设计文件是电原理图主要设计文件是电原理图 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 21 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFP

25、GA and ASIC Technology Comparison - 21 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved数字系统设计概述数字系统设计概述什么是数字系统?什么是数字系统?数字系统的基本组成数字系统的基本组成传统数字系统设计方法传统数字系统设计方法现代数字系统设计方法现代数字系统设计方法 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 22 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Tech

26、nology Comparison - 22 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved现代数字系统设计方法现代数字系统设计方法自上至下的设计方法自上至下的设计方法 - 行为描述(对整个系统的数学模型的描述) - RTL描述,即寄存器传输描述,得到系统的逻辑表达式 - 逻辑综合(利用逻辑综合工具,将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件(门级网表) - 实现(做成ASIC芯片或下载FPGA器件)可大量采用可大量采用ASIC芯片或可编程逻辑器件芯片或可编程逻辑器件系统早期仿真系统早期仿真降低了硬件电路的设计难度降低了硬件电路的设计难度主要设计文件是用主

27、要设计文件是用HDL编写的源程序编写的源程序 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 23 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 23 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved自上至下自上至下(Top Down)的设计方法的设计方法 自上至下自上至下(Top Down)的设计方法是首先从系统设计入手的,的设计方法是首先从系统设计入手的,因而从

28、顶层进行功能划分和结构设计。因而从顶层进行功能划分和结构设计。 系统的总体仿真是顶层进行功能划分的重要环节,这时的设系统的总体仿真是顶层进行功能划分的重要环节,这时的设计是与工艺无关的。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层计是与工艺无关的。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次完成的,所以能够早期发现结构设计上的错误,避免设计工次完成的,所以能够早期发现结构设计上的错误,避免设计工作的浪费,同时也减少了逻辑仿真的工作量。作的浪费,同时也减少了逻辑仿真的工作量。 自上至下自上至下(Top Down)的设计方法方便了系统级划分和管理整的设计方法方便了系统级划分和管理整个项目,使得几十万门甚至几千万

29、门规模的复杂数字电路的设个项目,使得几十万门甚至几千万门规模的复杂数字电路的设计成为可能,并可以减少设计人员,避免不必要的重复设计,计成为可能,并可以减少设计人员,避免不必要的重复设计,提高设计的一次成功率。提高设计的一次成功率。 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 24 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 24 2009 Xilinx, Inc. All Rights

30、 Reserved设计流程对比设计流程对比 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 25 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 25 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved设计流程对比设计流程对比 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 26 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Comparison - 26 2009 Xilinx, Inc. All Rights Reserved实验硬件平台实验硬件平台Spartan-3E FPGA开发平台 2007 Xilinx, Inc. All Rights ReservedFPGA and ASIC Technology Compariso

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