第一章CPLDFPGA可编程逻辑器件2015

1、CPLD/FPGA可编程逻辑器件主讲：王宗省1主要术语一EDA的概念二EDA的主要内容三EDA技术的主要特征四CPLD/FPGA知识概述主要学习方法五2EDA：电子设计自动化Electronic design automationPLD：可编程逻辑器件 Programmable logical deviceCPLD：复杂可编程逻辑器件 complex programmable logical deviceFPGA：现场可编程门阵列 field programmable gates arrayISP：在系统可编程 in system programmableASIC：专用集成电路 Applica

2、tion specific integrated circuitsSOC：片上系统 System On ChipSOPC：可编程片上系统 System On Chip IP：经过测试和优化的功能复杂的电路 Intellectual Property一、主要术语： 3 现代电子设计技术的核心就是EDA（电子设计自动化，Electronic Design Automation）技术。利用EDA技术，电子设计师可以方便地实现IC设计、电子电路设计和PCB设计等工作。 二、EDA的概念 4 在广义的EDA技术中，CAA技术和PCB-CAD技术不具备逻辑综合和逻辑适配的功能，因此它并不能称为真正意义上的

3、EDA技术。 广义的EDA技术，除了狭义的EDA技术外，还包括计算机辅助分析CAA技术(如PSPICE，EWB，MATLAB等)，印刷电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(如PROTEL，ORCAD等)。 5 狭义的EDA技术，就是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计开发工具的EDA技术。 6可编程逻辑器件（简称PLD）是一种由用户编程来实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。它不仅速度快、集成度高，能够完成用户定义的逻辑功能，还可以加密和重新定义编程，其允许编程次数可多达上万次。使用可编程逻辑器件

4、可大大简化硬件系统、降低成本、提高系统的可靠性、灵活性。 三、EDA的主要内容 1、可编程逻辑器件 7目前，PLD主要分为FPGA(现场可编程门阵列)和 CPLD(复杂可编程逻辑器件)两大类。FPGA和CPLD最明显的特点是高集成度、高速度和高可靠性。由于它们的明显特点，可以应用于超高速领域和实时测控方面以及嵌入式领域等等。 8VHDLVHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language VHDLVerilog HDLSystemVerilogSystemC 具有很强的电路描述和建模能力 具有与具体硬件电路

5、无关和与设计平台无关的特性 具有良好的电路行为描述和系统描述的能力 2 硬件描述语言VHDL 9 硬件描述语言（HDL）是各种描述方法中最能体现EDA优越性的描述方法。所谓硬件描述语言，实际就是一个描述工具，其描述的对象就是待设计电路系统的逻辑功能、实现该功能的算法、选用的电路结构以及其他各种约束条件等。通常要求HDL既能描述系统的行为，又能描述系统的结构。 10（1）Verilog-HDL Verilog-HDL语言是在1983年由GDA (Gateway Design Automation)公司首创的，主要用于数字系统的设计。 （2）VHDL VHDL语言是美国国防部于20世纪80年代后期

6、，出于军事工业的需要开发的。11 VHDL语言是一种高级描述语言，适用于电路高级建模，综合的效率和效果较好。 Verilog-HDL语言是一种低级的描述语言，适用于描述门级电路，容易控制电路资源，但其对系统的描述能力不如VHDL语言。 12 设计过程中的每一步都可称为一个综合环节。 (1) 从自然语言转换到VHDL语言算法表示，即自然语言综合； (2)从算法表示转换到寄存器传输级(Register Transport Level，RTL)，即从行为域到结构域的综合，即行为综合； (3) RTL级表示转换到逻辑门(包括触发器)的表示，即逻辑综合； (4) 从逻辑门表示转换到版图表示(ASIC设计

7、)，或转换到FPGA的配置网表文件，可称为版图综合或结构综合。有了版图信息就可以把芯片生产出来了。有了对应的配置文件，就可以使对应的FPGA变成具有专门功能的电路器件。（3）综合13把抽象的实体结合成单个或统一的实体。 编译器和综合功能比较 14 VHDL综合器运行流程 15自顶向下的设计流程 （4）基于VHDL的自顶向下设计方法 16 方案论证与系统级构建独立于硬件的系统行为评估和设计。系统仿真：包括系统级的硬件设计与仿真，软件设计与仿真现代电子系统设计流程将硬件系统设计文件转换成可综合（RTL）硬件描述语言（HDL）。 进行功能仿真将硬件描述语言转换成标准网表文件，如EDIF、VHDL、V

8、erilog等通过结构综合或适配（芯片内的布线布局），将标准网表文件转换成芯片下载文件。进行时序仿真硬件系统实现。硬件系统测试与调试HARDWEAR DEBUGERRING软件设计与调试。SOFTWEAR DEBUGERRING系统设计完成传统电子系统设计流程根据方案和系统指标选购硬件，并设计电路板，即硬件系统实际自顶向下的设计流程自底向上的设计流程方案论证，与算法确定软件设计与调试。SOFTWEAR DEBUGERRING硬件系统测试与调试系统设计完成，或系统中的某一模块实际完成EDA设计流程与传统技术设计流程比较17 目前在国内比较流行的EDA 软件工具主要有Altera公司的MAX+pl

9、us和Quartus、Lattice公司的Expert LEVER和Synario、Xilinx公司的Foundation和Alliance、Actel公司的Actel Designer等。 3、EDA软件 18EDA开发软件特性 厂商EDA软件名称软件适用器件系列软件支持的描述方式AlteraMAX+plusMAX、FLEX等逻辑图、波形图、AHDL文本、Verilog-HDL文本、VHDL文本等QuartusMAX、FLEX、APEX等XilinxAllianceXilinx各种系列逻辑图、VHDL文本等FoundationXC系列LatticeSynarioMACH GAL、ispLSI

10、、pLSI等逻辑图、ABEL文本、VHDL文本等Expert LEVERIspLSI、pLSI、 MACH等逻辑图、VHDL文本等ActelActel DesignerSX系列、MX系列逻辑图、VHDL文本等19EDA技术的3个层次（1）EWB、PSpice、protel的学习作为EDA的最初级内容；（2）利用VHDL完成对CPLD/FPGA的开发等作为中级内容；（3）ASIC的设计作为最高级内容20（1）高层综合与优化的理论与方法取得了很大的进展，其结果大大缩短了复杂的ASIC的设计周期，同时改进了设计质量；（2）采用硬件描述语言来描述10万门以上的设计，形成了国际通用的VHDL等硬件描述语

11、言。它们均支持不同层次的描述，使得复杂IC的描述规范化，便于传递、交流、保存与修改，并可建立独立的工艺设计文档，便于设计重用； 四、EDA技术的主要特征 1、EDA技术主要有以下这些特征 21（3）开放式的设计环境（各厂家均适合）；（4）自顶向下的算法；（5）丰富的元器件模块库；（6）具有较好的人机对话界面与标准的CAM接口；（7）建立并行设计工程框架结构的集成化设计环境，以适应当今ASIC的特点：规模大而复杂，数字与模拟电路并存，硬件与软件并存，产品上市更新快。 22EDA技术的发展分为三个阶段 20世纪70年代计算机辅助设计CAD阶段20世纪80年代 计算机辅助工程设计阶段20世纪90年代

12、 电子系统设计自动化阶段2、EDA技术主要发展阶段 23 EDA与传统电子设计方法的比较手工设计方法的缺点是： 1)复杂电路的设计、调试十分困难。 2)如果某一过程存在错误，查找和修改十分不便。 3)设计过程中产生大量文档，不易管理。 4)对于集成电路设计而言，设计实现过程与具体生产工艺直接相关，因此可移植性差。 5)只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实测。EDA技术有很大不同： 1)采用硬件描述语言作为设计输入。 2)库(Library)的引入。 3)设计文档的管理。 4)强大的系统建模、电路仿真功能。 5)具有自主知识产权。 6)开发技术的标准化、规范化以及IP核的可利用性。 7)适用于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案。 8)全方位地利用计算机自动设计、仿真和测试技术。 9)对设计者的硬件知识和硬件经验要求低。10)高速性能好。11)纯硬件系统的高可靠性。24 EDA与传统电子设计方法的比较FPGA和DSP芯片实现FIR滤波器的速度对比8位FIR滤波器阶数FPG