EDA技术与VHDL程序设计基础教程

重点内容：EDA技术发展和应用EDA工程设计流程EDA集成开发工具,第1章 EDA概述,一、EDA工程简介,EDA（Electronic Design Automation）工程是现代电子信息工程领域中一门发展迅速的新技术。EDA的定义有广义和狭义之分，广义定义EDA包括半导体工艺设计自动化、可编程器件设计自动化、电子系统设计自动化、印制电路板设计自动化、仿真与测试故障诊断自动化等。狭义定义的EDA就是电子设计自动化。EDA技术主要有四个方面： 1、可编程逻辑器件，即应用EDA技术完成电子系统设计的载体； 2、硬件描述语言（VHDL 或者 Verilog）。它用来描述系统的结构和功 能，是EDA的主要表达手段； 3、配套的软件工具。它用来完成电子系统的智能化设计； 4、实验开发系统。在整个EDA设计电子系统的过程中，实验开发系统是实现可编程器件下载和验证的工具，,二、EDA技术的发展历程和未来展望,现代EDA技术是20世纪90年代初从计算机辅助设计、辅助制造和辅助测试等工程概念发展而来的。它的成熟主要经历了三个阶段，即：计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）计算机辅助工程设计（CAED，Computer Aided Engineering Design）电子设计自动化（EDA，Electronic System DesignAutomation）。 随着工艺的进步和EDA技术的不断发展，软硬件协同设计将显得越来越重要。EDA技术的应用也将向广度和深度两个方向继续发展，今后还会超越电子设计的范畴，从而进入其他领域。随着SOC和SOPC的发展，IP核复用的概念越来越为业界所接受，这也正符合VHDL语言的设计理念。所以，未来电子系统的设计与规划将不再是电子工程师的专利。,三、EDA技术的应用,EDA技术的应用范畴很广主要有： 1、PCB印制电路板的设计 2、ASIC全定制数字电路 的设计 3、FPGA/CPLD等可编程器件上的电子系统设计,三、EDA技术的应用,PCB设计,PCB（Printed Circuit Board）印制电路板主要用作电子系统的载体，工程师通常将集成电路元件焊接在PCB板上完成整个电子系统的搭建、控制、通信等功能,点阵系统的原理图和版图,点阵系统的版图,三、EDA技术的应用,ASIC设计,ASIC（Application Specific Intergrated Circuits）专用集成电路是EDA技术应用在电子系统设计的高端产物。这种芯片的集成度极高，有全定制和半定制两种。,ASIC设计流程和所个步骤所使用的软件工具,三、EDA技术的应用,CPLD/FPGA设计,CPLD（Complex Programmable Logic Device）复杂可编程逻辑器件和FPGA（Field Programmable Garry Array）现场可编程门阵列随着EDA技术的发展已经成为电子设计领域的重要角色，其应用相当广泛。高集成度、高速度和高可靠性是CPLD/FPGA最明显的特点。,CPLD/FPGA的一般设计流程,四、EDA工程的设计流程,一个完整的EDA工程通常要涉及到系统建模、逻辑综合、故障测试、功能仿真、时序分析、形式验证等内容。1、设计输入 2、逻辑综合和优化 3、布局布线和适配 4、工程设计的仿真5、目标器件的编程和下载 6、硬件电路的后仿真验证和测 试,VHDL开发FPGA/CPLD 电子系统的流程图,五、EDA集成开发工具,目前比较流行的用于可编程器件的EDA集成开发工具主要有Altera公司的MAX+Plus II和Quartus II、Xilinx公司的Foundation和ISE以及Lattice公司的ispDesignEXPERT和ispLEVER。,Quartus II,Quartus II的GUI界面,它支持原理图、VHDL和Verilog语言文本输入方式和波形或EDIF格式的文件作为输入，且支持这些文件的混合设计。,五、EDA集成开发工具,ISE+ModelSim,ispLEVER,五、EDA集成开发工具,其它开发工具,System Generator和Matlab联合开发DSP系统,六、EDA技术的学习重点和学习方法,1、EDA技术的学习方法 从实用角度讲，EDA技术需要掌握四个方面，即： 1）、可编程逻辑器件； 2）、硬件描述语言（VHDL 或者 Verilog）； 3）、配套的软件工具； 4）、实验开发系统；2、EDA技术的学习方法读者在学习EDA技术的过程中首先接触的就是VHDL的基本编程，在这里应该熟练掌握基本门电路、多路选择器和状态机的编写。然后掌握配套的CPLD/FPGA开发软件，通过实际的案例和应用设计边学边用。,重点内容：CPLD结构和工作原理FPGA结构和工作原理FPGA配置方式CPLD/FPGA应用选型,第2章,一、可编程逻辑器件概述,可编程逻辑器件 PROM、PLA和PAL的原理和特性,PROM,基于二极管和三极管的一次可编程PROM单元,一、可编程逻辑器件概述,PLA,PLA是Programmable Logic Array的缩写，它的出现主要是为了解决PROM的速度和输入端受到限制的问题。右图通过这种阵列结构PLA可以实现大量的组合函数，虽然不能完全覆盖所有的输入组合，但其较多的输入端和更快的速度使得它的应用超过了PROM。,一、可编程逻辑器件概述,PAL,可编程阵列逻辑PAL是PLA的一个发展版，与PLA类似，它也有一个宽输入。可编程的“与”阵列。最大的不同是PAL的“或”阵列不再可编程，而是变成了固定的。,可编程特性分类：从可编程特性分类可将PLD分为一次可编程和重复可编程两类。一次可编程器件主要以PROM、PAL和熔丝型FPGA为代表，其他的器件大多数是可重复编程的。熔丝型器件编程的主要原理是利用较大的编程电流将特定位置的熔丝烧断，从而完成所需的逻辑函数输出,一、可编程逻辑器件概述,对于多次可编程的器件而言，用紫外线擦除的器件一般只能使用几十次，而采用电擦除方式的器件编程次数会比紫外线方式的稍多一些，如果是采用E2MOS工艺的器件，擦写次数可以达到上千次。,一、可编程逻辑器件概述,可编程逻辑器件中的编程元件通常有五种： 熔丝型开关 可编程低阻电路 EPROM EEPROM SRAM,内部互联结构分类 如果从内部互联结构分类，可编程逻辑器件可以分为CPLD和FPGA两类。,二、PLD内部结构的表示方法,描述PLD内部电路结构的方法与普通逻辑电路的表示方法不同。它需要将芯片内部结构配置与逻辑图一一对应起来，从而使得器件制造商和电路设计这较容易掌握。PLD的表示方法在电路层、物理层以及版图的布局之间都有非常巧妙的映射，因而读起来十分方便。 。,1.互补输入缓冲电路,2.三态输出缓冲电路,二、PLD内部结构的表示方法,3.与或逻辑 与或逻辑是可编程器件的核心部件。 如图所示，（a）中三条竖线A、B、C均为输入线，输入到与门的横线为乘积线。乘积线与输入线的交叉点为编程点，在编程点处有编程器件，如熔丝或可编程的MOS器件等。当输入线与乘积线相连通时，在编程点处以“×”表示。（b）中三条竖线A、B、C也为输入线，输入到或门的横线为和线。和线与输入线的交叉点为编程点。 当输入线与和线相连通时， 在编程点处以“×”表示。 可以看出，图中电路表示 的逻辑表达式分别为Y=AB 和Y=A+B+C。,三、 CPLD的基本结构和工作原理,CPLD的基本结构可编程逻辑阵列块类似于一个低密度的PAL/GAL，包括乘积项的与阵列、乘积项分配和逻辑宏单元等。,基于乘积项阵列型CPLD的基本结构,三、 CPLD的基本结构和工作原理,ispLSI2128的结构示意图，它由输入（Input）、全局布线区（GRP）、通用逻辑块（GLB）、I/O单元、宏块和控制电路等组成。每个宏块包括8个通用逻辑块（GLB）、2个输出布线区（ORP）、1个32位输入总线和33个引脚。,三、 CPLD的基本结构和工作原理,GLB结构： 通用逻辑块GLB是Gerneric Logic Block的缩写，也是整个器件的逻辑核心。它由与阵列、乘积项共享阵列（Product Term Sharing Array）、输出逻辑宏单元（OLMC）和控制电路四部分组成，分布在GRP的四周，可实现类似GAL/PAL的功能,三、 CPLD的基本结构和工作原理,1.输出逻辑宏单元 2.控制电路,3.全局布线区,属于ispLSI中的一种专用内部互联结构。起作用是将GLB的输出信号或I/O单元的输入信号与GLB的输入端连接,三、 CPLD的基本结构和工作原理,4、I/O单元结构 I/O单元常称为输入/输 出单元，是器件外部封 装引脚与内部信号之间 的接口电路,5、宏块结构每个宏块包含8个GLB、16位输入总线、2个输出布线区（ORP）、32个I/O单元、2个专用输入和1个公用乘积项GOE。,三、 CPLD的基本结构和工作原理,三、 CPLD的基本结构和工作原理,Altera公司的CPLD器件总结起来可以概括为五个部分： 可编程逻辑阵列块（LAB）； 宏单元； 扩展乘积项； 输入/输出块； 互联资源；,MAX7128结构原理图,2、宏单元。由3个功能块组成：逻辑阵列、乘积项选择矩阵和可编程寄存器。各部分可以被独自配置为时序逻辑和组合逻辑工作方式。,三、 CPLD的基本结构和工作原理,1.可编程逻辑阵列块（LAB），对于每个LAB有下列输入信号。 A来自作为通用逻辑输入的PIA的36个信号 B全局控制信号，用于寄存器辅助功能 C从I/O引脚到寄存器的直接输入通道,三、 CPLD的基本结构和工作原理,3.扩展乘积项利用扩展项可保证在实现逻辑综合时，用尽可能少的逻辑资源实现尽可能快的工作速度。具体的扩展乘积项分为共享扩展项和并联扩展项。,并联扩展项的原理图,共享扩展乘积项结构,三、 CPLD的基本结构和工作原理,4.可编程连线阵列PIA,5.输入/输出控制块（I/O）,四、 FPGA的结构和工作原理,1.基于SRAM编程的FPGA基于SRAM编程的FPGA以Xilinx的逻辑单元阵列（LCA，Logic Cell Array）为例 FPGA由可配置逻辑模块（CLB，Configurable Logic Block）、可编程布线资源（PI，Progammable Interconnection）和可编程输入/输出模块（IOB，Input/Output Block）三部分组成。,四、 FPGA的结构和工作原理,2.基于反熔丝编程的FPGA,采用反熔丝编程的FPGA具有集成度高、功耗低、保密性强、抗辐射和抗 干扰性好等优点。,四、 FPGA的结构和工作原理,Altera公司的FPGAFLEX 10K系列的FPGA是工业界第一款嵌入式PLD器件，采用了可重复配置的CMOS SRAM工艺和灵活逻辑单元矩阵（FLEX，Flexble Logic Element Matrix）框架，具有高密度、 低成本、低功耗等特点。内部包括四个部分 ： 嵌入式阵列块 逻辑阵列块 快速通道/互联通道 输入/输出单元,四、 FPGA的结构和工作原理,逻辑阵列块（LAB）,2.嵌入式阵列块,四、 FPGA的结构和工作原理,3.快速通道/互联通道,4、输入/输出单元,四、 FPGA的结构和工作原理,Xilinx公司的FPGA,主要包含：,1、可配置的逻辑 模块（CLB）,2、可编程布线资源（PI）。由纵横分布在CLB阵列之间的金属线网络和位于纵横线交叉点上的可编程开关矩阵组成。,3、可编程的输入/输出模块（IOB）由输入触发器、输入缓冲器和输出触发/锁存器、输出缓冲器组成，每个IOB控制一个外部引出端。,四、 FPGA的结构和工作原理,五、 FPGA的配置方式,FPGA的配置方式是指FPGA用来完成设计师的逻辑配置和外部连接方式。逻辑配置是指FPGA的下载，即开发系统将用户的设计输入进行编译产生配置数据文件，然后装入FPGA芯片内部的可配置存储器的过程。,