2015移动互联与接口技术-第04讲

Course

Outline课程主要内容微处理器/微控制器技术微处理器/微控制器技术特点；1▨▨

主流半导体公司MPU/MCU电路板设计技术简介。接口设计技术接口特点，BGA封装及其表贴工艺，多层2▨模拟信号接▨数字信号接术、DC-DC电源变换技术；术：以太网接口、USB接口、CAN接口、RS232/SPI接口；▨接口程序设计技术：状态转移法程序设计技术、Linux驱动程序设计技术。无线互联技术▨WiFi、蓝牙4.0、（Zigbee）及其组网技术；▨GSM、WCDMA、TD-SCDMA、TD-LTE通讯原理及其应用技术特点；▨无线通讯模块工程接入应用技术。FPGA应用设计技术▨FPGA/CPLD器件技术；▨基于Verilog

HDL的FPGA的应用逻辑设计技术。课程设计大作业基本要求：掌握以上各知识点的基本原理及应用方法。3452

/

25第四讲：FPGA应用技术FPGA应用技术现场可编辑逻辑闸阵列（英语：FieldProgrammable

Gate

Array,FPGA），它是在PAL、GAL、CPLD等可编程逻辑装置的基础上进一步发展的产物。它是作为特殊应用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了全定制电路的不足，又克服了原有可编程逻辑器件门电路数有限的缺点。3

/

25第四讲：FPGA应用技术FPGA（Field

Programmable

Gate

Array）目前以硬体描述语言（Verilog

HDL（Hardware

Description

Language）或VHDL）描述的逻辑电路，可以利用逻辑综合和布局、布线工具

，快速地烧录至FPGA上进

试，这一过程是现代集成电路设计验证的技术主流。这些可编程逻辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑闸数字电路（比如与门、或门、异或门、非门）或者更复杂一些的组合逻辑功能，比如译

等。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含

元件，例如触发器（Flip－flop）或者其它更加完整的 块，从而构成时序逻辑电路。系统设计师可以根据需要，通过可编辑的连接，把FPGA

的逻辑块连接起来。这就好像一个电路试验板被放在了一个里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者的需要而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA一般来说比特殊应用集成电路（ASIC）的速度要慢，无法完成更复杂的设计，并且会消耗

的电能。但是，FPGA具有很多优点，比如可以快速成品，而且其

逻辑可以被设计者反复修改，从而改正设计程序中的错误，此外，使用FPGA进行除错的成本较低。在一些技术更新比较快的行业，FPGA几乎是电子系统中的必要部件，因为在大批量供货前，必须迅速抢占市场，这时FPGA方便灵活的优势就显得很重要。4

/

25第四讲：FPGA应用技术FPGA（Field

Programmable

Gate

Array）FPGA中的基本逻辑单元查找表LUT–Look

Up

Table

、触发器Flip-flop、多路器……5

/

25第四讲：FPGA应用技术Altera

Cyclone

IV

LE（

Logic

Element）6

/

25第四讲：FPGA应用技术FPGA

结构7

/

25第四讲：FPGA应用技术FPGA

主流厂商Xilinx是全球第一大FPGA供应商。FPGA的发明者，Fabless无生产线半导体商业模式的创立者。也是全球第一款28nm产品的推出者，全球第一个All

Programmable

3D

IC的推出者，第一个

All

Programable

SoC的推出者。Xilinx和Altera是目前FPGA的领先厂商。AC

提供基于Flash架构的FPGA。Lattice

Semiconductor提供有SRAM以及非易失、基于flash的FPGA。……包括中国的设计公司8

/

25第四讲：FPGA应用技术FPGA厂商Xilinx

公司赛灵思（英语：Xilinx（英语发音：/ˈzaɪlɪŋks/））是一家位于

的可编程逻辑器件的生产商。该公司发明了现场可编程逻辑门阵列，并由此成名。赛灵思还是第一个无厂半导体公司(Fabless)。28nm时代，赛灵思提出AllProgrammable的概念，从单一的FPGA企业 为AllProgrammableFPGA、SoC和3DIC的全球领先供应商。行业领先的器件与新一代设计环境以及IP完美地整合在一起，可满足客户对可编程逻辑乃至可编程系统集成的广泛需求。赛灵思于1984年创建于

加利福尼亚州的硅谷，总部位于硅谷的圣何塞，并在科罗拉多州、爱尔兰、新加坡

、中国、

拥有分支机构。9

/

25第四讲：FPGA应用技术FPGA厂商Altera

公司Altera公司（中文名：拓朗半导体）是位于硅谷的一家可程式逻辑装置、以及可反复配置的复杂数字电路的制造企业。该公司于1984年推出了其首款可编程逻辑设备。Altera的主要产品为现场可编程逻辑门阵列（分属Stratix、Arria和Cyclone三大系列）、复杂可编程逻辑设备（MAX系列）和

集成电路（

系列）。公司推出名为Quartus

II的电子设计自动化工具。10

/

25第四讲：FPGA应用技术Verilog

HDL在集成电路设计（特别是超大规模集成电路的计算机辅助设计）的电子设计自动化领域中，Verilog

HDL是一种用于描述、设计电子系统（特别是数字电路的硬件描述语言。Verilog是电气电子工程师学会（IEEE）的1364号标准。Verilog能够在多种抽象级别对数字逻辑系统进行描述：既可以在晶体管级、逻辑门级进行描述，也可以在寄存器传输级对电路信号在寄存器之间的传输情况进行描述。除了对电路的逻辑功能进行描述，Verilog代码还能够被用于逻辑仿真、逻辑综合，其中后者可以把寄存器传输级的Verilog代码转换为逻辑门级的网表，从而方便在现场可编程逻辑门阵列上实现硬件电路，或者让硬件厂商制造具体的

集成电路。设计 还可以利用Verilog的扩展部分Verilog-AMS进行模拟电路和混合信号集成电路的设计。2009年，IEEE

1364-2005和IEEE

1800-2005两个部分合并为IEEE

1800-2009，成为了一个新的、 的SystemVerilog硬件描述验证语言。11

/

25第四讲：FPGA应用技术VHDL，全称VHDL速集成电路硬件描述语言（英语：VHSIC

hardwaredescription

language），在基于复杂可程式逻辑装置、现场可编程逻辑门阵列和特殊应用积体电路的数字系统设计中有着广泛的应用。VHDL语言诞生于1983年，1987年被

国防部和IEEE确定为标准的硬件描述语言。自从IEEE发布了VHDL的第一个标准版本IEEE

1076-1987后，各大EDA公司都先后推出了自己支援VHDL的EDA工具。VHDL在电子设计行业得到了广泛的认同。此后IEEE又先后发布了IEEE

1076-1993和IEEE

1076-2000版本。12

/

25第四讲：FPGA应用技术设计实例通过示例讲解和演示，了解FPGA应用特点和基本设计方法。13

/

25第四讲：FPGA应用技术课程小结加深理解各基本接口器件的功能与作用、及其在接口电路设计中的应用特点；需要在工程工作实践中不断扩充专业知识面，注重对包括对系统、

、数字、模拟等 软硬件各方面最新技术的了解和吸收。14

/

25接

术补充关注和考虑可编程逻辑器件（PLD）技术在系统 接口中的灵活应用：PROM、PLA、PAL、GAL等（SPLD）□

CPLD

（复杂可编程逻辑器件）FPGA

（Field

Programmable

Gate

Array，现场可编程门阵列）☆

“对于FPGA，如果你使用的是在上一年进入市场的FPGA产品，你应该视其为十几岁（拟人）。一方面，如果你对未来

很高的希望，他或她可能成长为

得主或美国总统。另一方面，要实现你的目标将会有一些

，你必须适应它，学习与之相关的一些知识。一个FPGA到了上市两年的时候（相当于一个30岁的人了），你可以把它当作一个很成熟的人，而且它的能力尖峰也变得有些圆滑。经过3年以后（45岁了），FPGA开始有些沉稳就像一个中年人，而到了第4年（60岁），你应当尊重他，而且一定不要试图让他像拉车的马一样工作。”----

摘自 电子与电气工程

：《FPGA设计指南：器件、工具和流程》[美]

Clive

“Max”Maxfield，ELSEVIER

，人民邮电

译补充：PID算法简介■

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例（

Proportional）、积分（Integral）、微分（Differential）控制，简称PID

控制，又称PID

调节。■

PID

控制算法在工业控制中有着广泛的应用，大约有90

％的工业控制系统都采用了PID

控制算法。■

PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。■

其调节的实质就是根据系统的偏差，按照比例、积分、微分之间的函数关系进行运算，用运算结果作为控制量，对系统进行控制。交通大学学院系统接口设计技术----补充：PID算法简介■

PID

调节器是一种线性调节器，其输入是系统的偏差信号

e，输出是控制量u。

系统偏差经过比例、积分、微分的线性组合，构成控制量，如下图所示。■

实际应用中，可以根据需要，灵活改变其结构。根据不同的线性组合，形成比例（

P

）调节器、比例积分〔PI)调节器、比例微分（

PD

）调节器、比例积分微分（PID）调节器等。交通大学学院系统接口设计技术补充：PID算法简介

设调节器目标值为r(t)，实际值为y(t)，则误差e(t)为：

e(t)=r(t)-y(t)模拟PID调节器的调节律（控制律）为：u

(t

)

=k

P

⋅e

(t

)+k

I

⋅e

(t

)dt

+k⋅

de

(t

)

dtD∫系统接口设计技术补充：PID算法简介u

(t

)