數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(何建新)第12章課件

第12章可編程邏輯器件是由編程來確定其邏輯功能的器件。ProgrammableLogicalDevice，簡(jiǎn)稱PLD第12章可編程邏輯器件是由編程來確定其邏輯功能的器件。1本章目標(biāo)賴祖亮@小木蟲1了解可編程邏輯器件FPGA/CPLD的基本工作原理及其分類234了解不同廠商的可編程邏輯器件FPGA/CPLD產(chǎn)品熟練根據(jù)設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)删幊踢壿嬈骷﨔PGA/CPLD進(jìn)行選型能夠根據(jù)FPGA/CPLD開發(fā)流程進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)本章目標(biāo)賴祖亮@小木蟲1了解可編程邏輯器件FPGA/CPLD2引言可編程邏輯器件是指可以通過軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成既定設(shè)計(jì)功能的數(shù)字集成電路。廣義上講，可編程邏輯器件是指一切通過軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成既定設(shè)計(jì)功能的數(shù)字集成電路。

當(dāng)今主流的可編程邏輯器件主要分為復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）2大類。采用可編程邏輯器件，通過定義器件內(nèi)部的邏輯和輸入、輸出引出端，將原來由電路板設(shè)計(jì)完成的大部分工作放在芯片設(shè)計(jì)中進(jìn)行。大大減輕了電路圖設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)的工作量和難度，從而有效地增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，提高了工作效率。引言可編程邏輯器件是指可以通過軟件手段更改、配置器件內(nèi)部3內(nèi)容提要Altera主流CPLD/FPGA最小硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)CPLD/FPGA廠商及產(chǎn)品概述CPLD/FPGA的基本結(jié)構(gòu)PLD的可編程原理PLD的發(fā)展及分類QuartusII軟件入門向?qū)?nèi)容提要Altera主流CPLD/FPGA最小硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4進(jìn)行可編程邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，通過定義器件內(nèi)部的邏輯和輸入、輸出引出端，將原來由電路板設(shè)計(jì)完成的大部分工作放在芯片設(shè)計(jì)中進(jìn)行。在采用PLD設(shè)計(jì)邏輯電路時(shí)，設(shè)計(jì)者借助計(jì)算機(jī)在相關(guān)集成開發(fā)軟件平臺(tái)上完成數(shù)字邏輯電路的描述，通過編譯和邏輯網(wǎng)表的生成后，將相關(guān)數(shù)據(jù)寫入PLD器件，最終在器件上實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)所做的邏輯電路描述和系統(tǒng)設(shè)計(jì)自20世紀(jì)80年代以來，PLD發(fā)展非常迅速，器件的速度指標(biāo)得到飛速提高，F(xiàn)PGA的門延時(shí)已小于5ns，CPLD的工作速度也已達(dá)到數(shù)百M(fèi)Hz以上。采用PLD設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)的工作速度及工作可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的中小規(guī)模數(shù)字邏輯器件12.1.1可編程邏輯器件綜述進(jìn)行可編程邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，通過定義器件內(nèi)部的邏輯和輸入、輸出引出5目前，可編程邏輯器件已發(fā)展為CPLD/FPGA兩大結(jié)構(gòu)陣營體系，分別適合于承擔(dān)組合邏輯設(shè)計(jì)及復(fù)雜的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)。12.1.2可編程邏輯器件的發(fā)展歷程目前，可編程邏輯器件已發(fā)展為CPLD/FPGA兩大結(jié)構(gòu)陣營體6按集成度進(jìn)行分類1按陣列進(jìn)行分類2乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)PLD：基本結(jié)構(gòu)為乘積項(xiàng)，采用“與-或陣列”。（大部分簡(jiǎn)單PLD和CPLD都屬于這個(gè)范疇）查找表結(jié)構(gòu)FPGA：簡(jiǎn)單的查找表構(gòu)成可編程門，再構(gòu)成陣列形式。（大多數(shù)FPGA屬于此類器件）12.1.3可編程邏輯器件的分類按集成度進(jìn)行分類1按陣列進(jìn)行分類2乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)PLD7按編程工藝進(jìn)行分類31．熔絲（Fuse）型器件：編程過程就是根據(jù)設(shè)計(jì)的熔絲圖文件來燒斷對(duì)應(yīng)的熔絲，達(dá)到編程的目的2．反熔絲（Anti-fuse）型器件：與熔絲燒斷獲得開路相反3．EPROM型：紫外擦除電可編程，與熔絲、反熔絲型不同，可多次編程4．EEPROM型：電可擦寫編程器件，不需紫外線擦除5．SRAM型：即SRAM查找表結(jié)構(gòu)的器件。大部分FPGA器件均采用此編程工藝。編程速度最快，在斷電后數(shù)據(jù)立即丟失，再次上電需要再次編程。通過外掛專用的EEPROM器件來輔助存儲(chǔ)編程數(shù)據(jù)，下次上電時(shí)自動(dòng)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入FPGA的SRAM6．Flash型：采用Flash工藝的反熔絲型器件，實(shí)現(xiàn)多次可編程，同時(shí)做到掉電后不需要重新配置按編程工藝進(jìn)行分類31．熔絲（Fuse）型器件：編程過程812.2簡(jiǎn)單PLD的可編程原理數(shù)字系統(tǒng)都是由基本門來構(gòu)成的任何組合邏輯電路都可以用“與門-或門”二級(jí)電路實(shí)現(xiàn)；任何時(shí)序邏輯電路都可以由組合邏輯電路加上存儲(chǔ)元件（觸發(fā)器、鎖存器構(gòu)成）人們由此提出乘積項(xiàng)可編程電路結(jié)構(gòu)，原理結(jié)構(gòu)如下：12.2簡(jiǎn)單PLD的可編程原理數(shù)字系統(tǒng)都是由基本9固定連接可編程連接斷開連接PLD中與門和或門的習(xí)慣畫法(a)(b)YCABCBAACBYYYCBA≥1AAAAAAPLD器件中連接的習(xí)慣畫法

(a)一般畫法

輸入緩沖電路(b)PLD中的習(xí)慣畫法電路符號(hào)表示1固定連接可編程連接斷開連接PLD中與門和或門的習(xí)慣畫法(a10輸入電路：用來產(chǎn)生所需的原變量及反變量與陣列：由多個(gè)多輸入與門組成，用以產(chǎn)生輸入變量的各乘積項(xiàng)或陣列：由多個(gè)多輸入或門組成，用以產(chǎn)生或項(xiàng)，即將輸入的某些乘積項(xiàng)相加可編程邏輯器件的基本結(jié)構(gòu)2輸入電路：用來產(chǎn)生所需的原變量及反變量與陣列：由多個(gè)多輸入與11CABCCABBAW7=ABCABCW0=●●●●●●ABC●●●Y3Y2Y1●●●●●●●●●●●●●與陣列或陣列左圖表示的邏輯式：

Y1=ABC+ABC+ABCY2=ABC+ABCY3=ABC+ABC可編程邏輯器件邏輯表達(dá)式輸出3乘積項(xiàng)陣列實(shí)際上就是一個(gè)“與或”陣列，每一個(gè)交叉點(diǎn)都是一個(gè)可編程熔絲，如果導(dǎo)通就是實(shí)現(xiàn)“與”邏輯，在“與”陣列后一般還有一個(gè)“或”陣列，用以完成最小邏輯表達(dá)式中的“或”關(guān)系?！芭c或”陣列配合工作，完成復(fù)雜的組合邏輯功能。CABCCABBAW7=ABCABCW0=●●●●●●1212.2PROM、PLA、PAL及GALPROM（可編程只讀存儲(chǔ)器）：只能用于組合電路可編程，不適于多輸入變量的組合函數(shù)，浪費(fèi)嚴(yán)重PAL（可編程陣列邏輯）：是PLA的改進(jìn)型與陣列可編程，或陣列固定，IO結(jié)構(gòu)不通用，不同的用途種類繁多，熔絲工藝，一次編程PLA（可編程邏輯陣列）：與、或陣列均可編程，利用率高，需要邏輯函數(shù)的最簡(jiǎn)與或表達(dá)式，公共與項(xiàng)難利用，軟件算法較復(fù)雜。GAL（通用陣列邏輯）：EEPROM工藝，改進(jìn)了IO結(jié)構(gòu)，增加了輸出邏輯宏單元（OLMC，OutputMacroCell），通用性好12.2PROM、PLA、PAL及GALPROM（13邏輯陣列固定與可編程的結(jié)構(gòu)示意圖邏輯陣列固定與可編程的結(jié)構(gòu)示意圖14PROM、PLA、PAL、GAL特征及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比隨著集成工藝的不斷發(fā)展，現(xiàn)代可編程邏輯器件已進(jìn)入大容量CPLD/FPGA時(shí)代，使得單片邏輯系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為事實(shí)。15PROM、PLA、PAL、GAL特征及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比隨著集成工藝12.3CPLD與FPGA的基本結(jié)構(gòu)早期的PROM只能存儲(chǔ)少量數(shù)據(jù)，完成簡(jiǎn)單邏輯功能；中期的PAL、GAL等能完成中大規(guī)模的數(shù)字邏輯功能；現(xiàn)代微電子設(shè)計(jì)技術(shù)與微電子工藝的發(fā)展，將可編程邏輯器件推進(jìn)到了新的高度，進(jìn)入了CPLD/FPGA時(shí)代當(dāng)今的復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）可以完成超大規(guī)模的復(fù)雜組合邏輯與時(shí)序邏輯；目前，在FPGA上已可集成中央處理器（CPU）或數(shù)字處理器（DSP）內(nèi)核，為實(shí)現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)（SOPC，SystemOnProgrammableChip）提供了強(qiáng)大的硬件支持。12.3CPLD與FPGA的基本結(jié)構(gòu)早期的PROM只能1612.3CPLD與FPGA的基本結(jié)構(gòu)早期的PROM只能存儲(chǔ)少量數(shù)據(jù)，完成簡(jiǎn)單邏輯功能；中期的PAL、GAL等能完成中大規(guī)模的數(shù)字邏輯功能；現(xiàn)代微電子設(shè)計(jì)技術(shù)與微電子工藝的發(fā)展，將可編程邏輯器件推進(jìn)到了新的高度，進(jìn)入了CPLD/FPGA時(shí)代當(dāng)今的復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）可以完成超大規(guī)模的復(fù)雜組合邏輯與時(shí)序邏輯；目前，在FPGA上已可集成中央處理器（CPU）或數(shù)字處理器（DSP）內(nèi)核，為實(shí)現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)（SOPC，SystemOnProgrammableChip）提供了強(qiáng)大的硬件支持。12.3CPLD與FPGA的基本結(jié)構(gòu)早期的PROM只能17CPLD：復(fù)雜可編程邏輯器件1CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）是在PAL、GAL基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用EEPROM工藝，實(shí)現(xiàn)的邏輯功能比PAL、GAL有了大幅度的提升；CPLD一般可以完成設(shè)計(jì)中較復(fù)雜、較高速度的邏輯功能，如接口轉(zhuǎn)換、總線控制等。CPLD：復(fù)雜可編程邏輯器件1CPLD（Comple18FPGA：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列2FPGA（FieldProgrammableGateArray），是在CPLD的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用查找表結(jié)構(gòu)，是一種新型高性能可編程邏輯器件。FPGA采用SRAM工藝，集成度很高，器件密度從數(shù)萬系統(tǒng)門到數(shù)千萬系統(tǒng)門不等FPGA可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如數(shù)字信號(hào)處理、高速數(shù)據(jù)采集等。FPGA：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列2FPGA（FieldPr19ASIC：專用集成電路3ASIC是固定的或定制的邏輯器件，是為了滿足特定的用途而設(shè)計(jì)的芯片，ASIC通過固化的邏輯功能和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，降低了芯片的成本，同時(shí)提高了產(chǎn)品的可靠性。但是ASIC的設(shè)計(jì)已經(jīng)固定，今后升級(jí)改版難度、投資都比較大，靈活性差等缺陷制約著它的應(yīng)用范圍。FPGA可以零活地更改邏輯設(shè)計(jì)，根據(jù)需要，可以隨時(shí)隨地的設(shè)計(jì)、更改大規(guī)模數(shù)字邏輯，具有ASIC無法比擬的優(yōu)勢(shì)。不過，由于FPGA功耗、體積都比ASIC大，在邏輯設(shè)計(jì)的前期，采用FPGA進(jìn)行驗(yàn)證，待設(shè)計(jì)定型后再直接轉(zhuǎn)向ASIC投產(chǎn)，克服了直接進(jìn)行ASIC設(shè)計(jì)的弊端。ASIC：專用集成電路3ASIC是固定的或定制的邏輯器件2012.3.1

CPLD的基本結(jié)構(gòu)CPLD的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，基本都由可編程I/O單元、基本邏輯單元、布線池和其它輔助功能模塊構(gòu)成。12.3.1CPLD的基本結(jié)構(gòu)CPLD的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)21可編程I/O單元用來完成不同電氣特性下對(duì)輸入／輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與匹配。與FPGA相比，CPLD的可編程I/O的性能和復(fù)雜度都較低。基本邏輯單元是CPLD的主體，通過不同的配置，CPLD的基本邏輯單元可以完成不同類型的邏輯功能。MC的本質(zhì)是有一些與、或陣列加上觸發(fā)器構(gòu)成的；CPLD廣泛采用的乘積項(xiàng)代表了MC中與陣列的輸出，其數(shù)量標(biāo)志了CPLD的容量；可編程I/O單元

1基本邏輯單元

2可編程I/O單元用來完成不同電氣特性下對(duì)輸入／輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)22布線池本質(zhì)上就是一個(gè)開關(guān)矩陣，通過打結(jié)點(diǎn)可以完成不同MC的輸入與輸出項(xiàng)之間的連接。由于CPLD的布線池結(jié)構(gòu)固定，所以CPLD的輸入管腳到輸出管腳的標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)固定，被稱為PintoPin延時(shí)，用Tpd表示，它反應(yīng)了CPLD器件可以實(shí)現(xiàn)的最高頻率輔助功能模塊如JTAG（IEEE1532、IEEE1149.1）編程模塊，一些全局時(shí)鐘、全局使能、全局復(fù)位/置位單元等。布線池、布線矩陣3輔助功能模塊4布線池本質(zhì)上就是一個(gè)開關(guān)矩陣，通過打結(jié)點(diǎn)可以完成不同MC的輸2312.3.2

FPGA的基本結(jié)構(gòu)不同廠商的FPGA的基本構(gòu)架都可簡(jiǎn)化為6個(gè)部分，分別為可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核等12.3.2FPGA的基本結(jié)構(gòu)不同廠商的FPGA的基本24輸入/輸出（Input/Output）單元簡(jiǎn)稱I/O單元，它們是芯片與外界電路的接口部分?；究删幊踢壿媶卧强删幊踢壿嫷闹黧w，通過改變其內(nèi)部連接與配置來不同的邏輯功能；FPGA一般基于SRAM工藝，其基本可編程邏輯單元幾乎都是由查找表（LUT，LookUpTable）和寄存器（Register）組成的；可編程I/O單元

1基本可編程邏輯單元2在應(yīng)用設(shè)計(jì)中進(jìn)行器件選型時(shí)，一個(gè)基本的原則就是根據(jù)底層配置單元的LUT和Register比率來對(duì)器件規(guī)模進(jìn)行估算，從而選擇合適的器件。輸入/輸出（Input/Output）單元簡(jiǎn)稱I/O單元，它25FPGA內(nèi)部一般都包含嵌入式塊RAM單元，實(shí)現(xiàn)RAM、ROM、CAM、FIFO等存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。布線資源是FPGA內(nèi)部各單元的連接紐帶，連線的長度和工藝決定著信號(hào)在連線上的驅(qū)動(dòng)能力和傳輸速度嵌入式塊RAM3豐富的布線資源4為了滿足一定的要求，F(xiàn)PGA開始嵌入如PLL（PhaseLockedLoop，鎖相環(huán)）、DSP（DigitalSignalProssor，數(shù)字信號(hào)處理器）、CPU（CentralProcessingUnit，中央處理器）等底層嵌入功能單元5FPGA內(nèi)部一般都包含嵌入式塊RAM單元，實(shí)現(xiàn)RAM、ROM2612.3.3

CPLD與FPGA的比較12.3.3CPLD與FPGA的比較2712.3.4主流CPLD/FPGA廠商及其代表產(chǎn)品目前市場(chǎng)上CPLD/FPGA芯片主要來自Xilinx和Altera公司，它們占據(jù)了FPGA80％以上的市場(chǎng)份額。Lattice公司只提供CPLD器件，Actel公司主要生產(chǎn)反融絲結(jié)構(gòu)的FPGA，主要應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域產(chǎn)品，價(jià)格較高，因此，Lattice及Actel在FPGA的市場(chǎng)占有比例較低12.3.4主流CPLD/FPGA廠商及其代表產(chǎn)品目前市28Lattice是最早推出PLD的公司，是GAL器件的發(fā)明者。20世紀(jì)90年代，Lattice首創(chuàng)了ISP技術(shù)（In-SystemProgrammability，在系統(tǒng)可編程），使CPLD的應(yīng)用領(lǐng)域有了巨大的擴(kuò)展，也為設(shè)計(jì)人員調(diào)試程序提供了極大的方便。Lattice公司的CPLD產(chǎn)品主要有GAL、ispLSI、ispMACH、LatticeEC、LatticeECP系列等。Lattice公司及其CPLD/FPGA器件1Xilinx公司及其CPLD/FPGA器件2Xilinx在1985年推出了業(yè)界首款FPGA，隨后不斷推出新的集成度更高、速度更快、價(jià)格更低、功耗更小FPGA器件系列，目前已成為世界領(lǐng)先的CPLD/FPGA器件供應(yīng)商，Xilinx的CPLD器件以CoolRunner、XC9500系列為代表，F(xiàn)PGA器件以XC4000、Spartan、Virtex系列為代表，其性能不斷提高。Lattice是最早推出PLD的公司，是GAL器件的發(fā)明者。29Altera是著名的PLD生產(chǎn)廠商，多年來一直占據(jù)著行業(yè)領(lǐng)先的地位。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，此外它還提供了功能全面的開發(fā)工具和豐富的IP核、宏功能庫等，因此Altera的產(chǎn)品獲得了廣泛的應(yīng)用。其可編程邏輯器件可以分為高密度FPGA、低成本FPGA和CPLD等3類，每個(gè)產(chǎn)品類別在不同時(shí)期都有其主流產(chǎn)品。Altera公司及其CPLD/FPGA器件3Actel公司的FPGA器件4Actel公司生產(chǎn)的FPGA采用了反熔絲工藝，反熔絲工藝未編程時(shí)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)開路，編成后接通，去傳統(tǒng)編程方法正好相反，使用Flash存儲(chǔ)器，加密性能最好，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事等保密性要求高的場(chǎng)合Altera是著名的PLD生產(chǎn)廠商，多年來一直占據(jù)著行業(yè)領(lǐng)先3012.3.5工程項(xiàng)目中CPLD/FPGA芯片的選型原則

Xilinx和Altera公司都是知名的CPLD/FPGA供應(yīng)商，二者的產(chǎn)品各有特色。一般根據(jù)設(shè)計(jì)者對(duì)其硬件的熟悉程度選擇一個(gè)公司的產(chǎn)品，這樣有利于加快開發(fā)的進(jìn)度。選擇Altera還是Xilinx公司的產(chǎn)品1優(yōu)先選擇開發(fā)軟件成熟、界面良好、開發(fā)人員熟悉的開發(fā)軟件相關(guān)產(chǎn)品。考慮開發(fā)平臺(tái)212.3.5工程項(xiàng)目中CPLD/FPGA芯片的選型原則31CPLD器件邏輯規(guī)模小于FPGA，價(jià)格低廉，在用于簡(jiǎn)單邏輯控制等場(chǎng)合，選擇CPLD即可。FPGA是專為數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)，邏輯容量大、內(nèi)嵌許多專用功能模塊，在對(duì)成本不敏感及復(fù)雜的時(shí)序設(shè)計(jì)的場(chǎng)合適宜選擇FPGA。選擇CPLD還是FPGA器件3從邏輯容量、應(yīng)用的速度要求、功耗、可靠性及內(nèi)嵌功能塊等方面綜合考慮型號(hào)選型。其中邏輯容量是考慮的首要方面。選擇器件所屬系列和型號(hào)4CPLD器件邏輯規(guī)模小于FPGA，價(jià)格低廉，在用于簡(jiǎn)單邏輯控3212.4CPLD/FPGA的開發(fā)流程CPLD/FPGA只是數(shù)字可編程邏輯設(shè)計(jì)的承載器件，而邏輯的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)則依靠軟件進(jìn)行，進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過傳統(tǒng)的原理圖方式進(jìn)行，也可以通過專有的硬件描述語言（HDL）來實(shí)現(xiàn)CPLD/FPGA開發(fā)流程圖12.4CPLD/FPGA的開發(fā)流程CPLD/FPGA3312.4.1設(shè)計(jì)輸入方式設(shè)計(jì)輸入方式主要分為圖形輸入法和文本輸入法，見下表

12.4.1設(shè)計(jì)輸入方式設(shè)計(jì)輸入方式主要分為圖形輸入法和34文本輸入法需要通過VHDL或Verilog語言來進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)的描述，這需要設(shè)計(jì)者對(duì)于這類HDL語言的語法規(guī)則有初步的語法基礎(chǔ)原理圖輸入方式與使用PROTEL繪制電路原理圖類似，設(shè)計(jì)直觀，易于掌握，設(shè)計(jì)者進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)不需要增加新的相關(guān)知識(shí)（VHDL或VevilogHDL），便于CPLD/FPGA入門使用。由于圖形設(shè)計(jì)方式?jīng)]有標(biāo)準(zhǔn)化，造成不同的EDA軟件中的圖形處理工具對(duì)圖形的設(shè)計(jì)規(guī)則、存檔格式和圖形編譯方式都不同。因此，圖形文件兼容性差。正是由于圖形文件兼容性較差，一些性能優(yōu)秀的電路模塊的移植和再利用十分困難文本輸入法需要通過VHDL或Verilog語言來進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)3512.4.2常用硬件描述語言（HDL）簡(jiǎn)介硬件描述語言(HardwareDescriptionLanguage，HDL)就是指對(duì)硬件電路進(jìn)行行為描述、寄存器傳輸描述或者結(jié)構(gòu)化描述的一種語言HDL是用文本的形式描述硬件電路的功能、信號(hào)連接關(guān)系以及時(shí)序關(guān)系。它可以進(jìn)行大規(guī)模，多個(gè)芯片的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前主流硬件描述語言有VHDL和VerilogVHDL起源于美國國防部的VHSIC，Verilog起源于集成電路(ASIC)的(仿真)設(shè)計(jì)。它們?cè)诟鞣矫嬗兄约旱奶攸c(diǎn)。12.4.2常用硬件描述語言（HDL）簡(jiǎn)介硬件描述語言36VHDL與VerilogHDL的對(duì)比VHDL與VerilogHDL的對(duì)比3712.4.3主流EDA軟件概述

QuartusII是Altera公司的綜合性CPLD/FPGA開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL等多種HDL語言，以及它們之間的混合輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計(jì)流程ISE是由著名的可編程器件開發(fā)商Xilinx公司提供的集成化開發(fā)平臺(tái)。ISE具有界面良好、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使得ISE成為了非常通用的FPGA工具軟件。ISE提供了包括代碼編寫、庫管理以及HDL綜合、仿真、下載等幾乎所有FPGA開發(fā)所需的功能QuartusII概述1ISE概述212.4.3主流EDA軟件概述QuartusII是Al38仿真是指在軟件環(huán)境下，驗(yàn)證電路的行為和設(shè)計(jì)意圖是否一致。在邏輯設(shè)計(jì)領(lǐng)域，仿真與驗(yàn)證時(shí)整個(gè)設(shè)計(jì)流程中最重要、最復(fù)雜與最耗時(shí)的步驟Altera公司的QuartusII和Xilinx公司的ISE本身也具備仿真功能，它們自帶的仿真功能有限，一般在小型設(shè)計(jì)中較為常用。在從事大型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，軟件自帶的仿真工具仿真起來十分耗時(shí)。ModelSim概述3MentorGraphicsModelSim是業(yè)界公認(rèn)的最優(yōu)秀的HDL語言仿真器，它提供最友好的調(diào)試環(huán)境，是單內(nèi)核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器，是作FPGA/ASIC設(shè)計(jì)的RTL級(jí)和門級(jí)電路仿真的首選。ModelSim采用直接優(yōu)化的編譯技術(shù)、Tcl/Tk技術(shù)、和單一內(nèi)核仿真技術(shù)，編譯仿真速度快，編譯的代碼與平臺(tái)無關(guān)，便于保護(hù)IP核。ModelSim個(gè)性化的圖形界面和用戶接口，為用戶加快調(diào)錯(cuò)提供強(qiáng)有力的手段。仿真是指在軟件環(huán)境下，驗(yàn)證電路的行為和設(shè)計(jì)意圖是否一致。在邏3912.5.1

FPGA最小系統(tǒng)一個(gè)最基本的CPLD/FPGA最小系統(tǒng)是可以使CPLD/FPGA正常工作的最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，只包括CPLD/FPGA必要的電源電路、下載/配置電路、外部時(shí)鐘電路、I/O接口電路等基于現(xiàn)代集成工藝的CPLD/FPGA為了在更小的體積與更高的集成度基礎(chǔ)上上獲得更多的輸出引腳，往往采用了薄型扁平封裝（LQFP、PQFP）及陣列球珊封裝（BGA）。右圖是一個(gè)基本的FPGA最小系統(tǒng)的樣板例子，外引了IO，預(yù)設(shè)了幾個(gè)LED燈和撥碼開關(guān)

12.5.1FPGA最小系統(tǒng)一個(gè)最基本的CPLD/F4012.5.2

SOPC-NiosII-EP2C35實(shí)驗(yàn)教學(xué)開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)述完備的FPGA開發(fā)平臺(tái)擁有豐富的外設(shè)資源和接口器件12.5.2SOPC-NiosII-EP2C35實(shí)驗(yàn)教學(xué)開41EP2C35核心板系統(tǒng)功能框圖EP2C35核心板系統(tǒng)功能框圖42FPGA系統(tǒng)平臺(tái)功能框圖FPGA系統(tǒng)平臺(tái)功能框圖4312.5.3實(shí)例設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)8位流水燈，在秒脈沖作用下，實(shí)現(xiàn)8個(gè)LED燈7亮1暗循環(huán)流動(dòng)。軟件：QuartusII6.0實(shí)現(xiàn)平臺(tái)：SOPC-NiosII-EP2C35實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)整個(gè)設(shè)計(jì)過程在QuartusII上完成，將涉及如下應(yīng)用：①Q(mào)uartusII工程創(chuàng)建及屬性設(shè)置；②QuartusIIHDL設(shè)計(jì)及原理圖設(shè)計(jì)輸入方式；③QuartusII時(shí)序仿真；④QuartusII引腳鎖定；⑤QuartusII工程編譯；⑥QuartusII硬件下載。12.5.3實(shí)例設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)8位流水燈，在秒脈沖作用44QuartusII軟件入門向?qū)д?qǐng)參照后面的步驟，提前做好預(yù)習(xí)，熟悉QuartusII軟件的操作環(huán)境；QuartusII軟件安裝時(shí)要注意它的破解步驟。QuartusII軟件入門向?qū)д?qǐng)參照后面的步驟，提前做好預(yù)習(xí)45工程創(chuàng)建時(shí)的準(zhǔn)備工作QuartusII通過“工程（Project）”來管理設(shè)計(jì)文件，必須為此工程創(chuàng)建一個(gè)放置與此工程相關(guān)的所有設(shè)計(jì)文件的文件夾；此文件夾名不宜用中文，也最好不要用數(shù)字，應(yīng)放到磁盤上容易找到的地方，不要放在軟件的安裝目錄中；建立完工程文件夾后再進(jìn)行后續(xù)操作……在QuartusII6.0環(huán)境下建立工程工程創(chuàng)建時(shí)的準(zhǔn)備工作QuartusII通過“工程（Proje461、項(xiàng)目創(chuàng)建向?qū)Чこ涛募?，任取，建立在用戶自己的目錄下，不要使用軟件的安裝目錄或系統(tǒng)目錄選擇文件的存放路徑頂層實(shí)體名，一般和工程名相同文件菜單基于已有項(xiàng)目創(chuàng)建工程（一般不使用）設(shè)置完畢后單擊“Next”1、項(xiàng)目創(chuàng)建向?qū)Чこ涛募?，任取，建立在用戶自己的目錄下，?72、為創(chuàng)建的工程添加設(shè)計(jì)文件添加用戶的設(shè)計(jì)文件選中待添加的文件后點(diǎn)擊“Add”，若暫無文件，直接點(diǎn)擊“Next”設(shè)置完畢后單擊“Next”2、為創(chuàng)建的工程添加設(shè)計(jì)文件添加用戶的設(shè)計(jì)文件設(shè)置完畢后單擊483、器件選擇選擇FPGA器件型號(hào)選擇FPGA器件所屬系列實(shí)驗(yàn)開發(fā)板所使用的器件為ALtera公司CycloneII系列（Family）的EP2C35F484C8（Avaliabledevices）設(shè)置完畢后單擊“Next”3、器件選擇選擇FPGA器件型號(hào)選擇FPGA器件所屬系列實(shí)驗(yàn)494、EDA工具設(shè)置選擇第三方EDA工具（如ModelSim、Synplify等）這里不需要，都不打勾該步驟可單擊“Next”直接跳過4、EDA工具設(shè)置選擇第三方EDA工具（如ModelSim505、完成!工程創(chuàng)建完畢，在工程管理器界面出現(xiàn)所選用的器件系列、器件名及工程文件名“CycloneII”；單擊“Finish”，完成工程創(chuàng)建5、完成!工程創(chuàng)建完畢，在工程管理器界面出現(xiàn)所選用的器件系列51綜上所述，創(chuàng)建工程時(shí)的幾個(gè)步驟如下（1）指定工程所在的工作庫文件夾、工程名及設(shè)計(jì)實(shí)體名；（2）將設(shè)計(jì)文件加入工程中，若無設(shè)計(jì)文件直接跳過；（3）選擇仿真器和綜合器類型（默認(rèn)“None”為選擇QuartusII自帶的）；（4）選擇目標(biāo)芯片（開發(fā)板上的芯片類型）；（5）工具設(shè)置，默認(rèn)為都不選擇，可直接跳過；（6）完成創(chuàng)建。工程建立后，若需要新增設(shè)計(jì)文件，可以通過菜單項(xiàng)Project/Add_Remove……在工程中添加新建立的設(shè)計(jì)文件，也可以刪除不需要的設(shè)計(jì)文件。編譯時(shí)將按此選項(xiàng)卡中列出的文件處理。綜上所述，創(chuàng)建工程時(shí)的幾個(gè)步驟如下（1）指定工程所在的工作庫52在QuartusII6.0工程下建立設(shè)計(jì)文件1、在File菜單下點(diǎn)擊“New”，即彈出新建文件窗口QuartusII支持原理圖輸入、VHDL語言輸入等多種設(shè)計(jì)輸入方式，后面以原理圖輸入（BlockDiagram/SchematicFile）為例介紹選此后單擊OK在QuartusII6.0工程下建立設(shè)計(jì)文件1、在File菜532、建立原理圖設(shè)計(jì)文件原理圖編輯區(qū)繪圖輔助工具工程文件名上圖中，選擇第二項(xiàng)：BlockDiagram/SchematicFile，點(diǎn)擊ok后即得如下界面：2、建立原理圖設(shè)計(jì)文件原理圖編輯區(qū)繪圖輔助工具工程文件名上圖543、調(diào)用參數(shù)化元件（內(nèi)置元件）在繪圖區(qū)雙擊鼠標(biāo)左鍵，即彈出添加元件的窗口在此輸入已知的元件名，可以快速地調(diào)出元件/端口并預(yù)覽點(diǎn)擊“+”號(hào)可展開查看查看庫中所有的元件/端口3、調(diào)用參數(shù)化元件（內(nèi)置元件）在繪圖區(qū)雙擊鼠標(biāo)左鍵，即彈出添55分別輸入“input”和“74138”時(shí)的預(yù)覽窗口輸入74138，庫里已有的元件會(huì)預(yù)覽在這里輸入INPUT，庫里已有的端口符號(hào)會(huì)預(yù)覽在這里單擊OK，即可將預(yù)覽的端口符號(hào)/元件放置在繪圖區(qū)分別輸入“input”和“74138”時(shí)的預(yù)覽窗口輸入74156繪圖輔助工具欄介紹1、畫線及選擇工具2、文本工具3、符號(hào)工具，點(diǎn)擊后可調(diào)出前面添加元件的窗口4、窗口縮放工具5、窗口全屏顯示，按“ESC”退出注意：使用窗口縮放工具按鈕后，請(qǐng)切換回畫線及選擇工具按鈕，才能對(duì)繪圖進(jìn)行編輯。其余工具按鈕不常用，這里不介紹選中后，右鍵放大，左鍵縮小繪圖輔助工具欄介紹1、畫線及選擇工具2、文本工具3、符號(hào)工具57從符號(hào)庫中調(diào)出74138、VCC、GND、INPUT、OUTPUT等符號(hào)/端口，排放整齊;完成畫線連接操作（鼠標(biāo)放到端點(diǎn)處，會(huì)自動(dòng)變?yōu)樾∈中?，按下左鍵拖動(dòng)到目標(biāo)處，釋放后即完成本次畫線操作），若要畫折線，在轉(zhuǎn)折處單擊一次左鍵，繼續(xù)拖動(dòng)即可；為OUTPUT端口命名：雙擊該輸出端口，在彈出的窗口中輸入名稱即可。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)自定義的端口名從符號(hào)庫中調(diào)出74138、VCC、GND、INPUT、OUT58重復(fù)上述步驟，依次輸入JKFF、INPUT，按下圖進(jìn)行連接，完成分頻器及計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)；使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)關(guān)聯(lián)2個(gè)原理圖：如何添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)：在需要添加網(wǎng)路標(biāo)號(hào)的連線上單擊右鍵，彈出的菜單上選擇“Properties”后輸入網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)即可網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)用來實(shí)現(xiàn)將兩根未連通的線進(jìn)行“不畫線”的連接重復(fù)上述步驟，依次輸入JKFF、INPUT，按下圖進(jìn)行連接，59全程編譯在下拉菜單“Processing”中選擇“StartCompilation”，啟動(dòng)全程編譯編譯完成后的信息報(bào)告窗口全程編譯在下拉菜單“Processing”中選擇“Start60關(guān)于全程編譯啟動(dòng)全程編譯：選擇Processing/StartCompilation,自動(dòng)完成分析、排錯(cuò)、綜合、適配、匯編及時(shí)序分析的全過程。編譯過程中，錯(cuò)誤信息通過下方的信息欄指示（紅色字體）。雙擊錯(cuò)誤信息，可以定位到錯(cuò)誤所在處，改正后再次進(jìn)行編譯直至排除所有錯(cuò)誤；編譯成功后，會(huì)彈出編譯報(bào)告，顯示相關(guān)編譯信息。關(guān)于全程編譯啟動(dòng)全程編譯：61工程編譯完成后，設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求，可以通過時(shí)序仿真來分析；時(shí)序仿真主要包含如下的設(shè)置步驟：打開波形編輯器；設(shè)置仿真時(shí)間區(qū)域；波形文件存盤；將端口節(jié)點(diǎn)信號(hào)選入波形編輯器中；編輯輸入波形（輸入激勵(lì)信號(hào)）；總線數(shù)據(jù)格式設(shè)置啟動(dòng)仿真器觀察仿真結(jié)果（波形編輯文件及產(chǎn)生的波形報(bào)告文件分開顯示）若無法觀察完整波形，可以使用熱鍵Ctrl+W,即可看到完整的仿真波形。也可使用鼠標(biāo)左右鍵，方法如下：選中后，右鍵放大，左鍵縮小順序并不是唯一的時(shí)序仿真工程編譯完成后，設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求，可以通過時(shí)序仿真來621、建立波形矢量文件（左圖）；2、添加引腳節(jié)點(diǎn)1、建立波形矢量文件（左圖）；63添加引腳節(jié)點(diǎn)（續(xù)）在Filter下選擇“Pins：unassigned”，再單擊“List”，列出引腳端口”在NodesFound下方的列表下選擇所列出的端口，將其拖放到波形文件的引腳編輯區(qū)添加引腳節(jié)點(diǎn)（續(xù)）在Filter下選擇“Pins：unass643、設(shè)置仿真時(shí)間長度默認(rèn)為1us，這里將其設(shè)置為100us3、設(shè)置仿真時(shí)間長度默認(rèn)為1us，這里將其設(shè)置為100us654、設(shè)置仿真時(shí)間周期默認(rèn)為10ns，由于競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的存在，在仿真時(shí)信號(hào)波形和大量毛刺混疊在一起，影響仿真結(jié)果因此，這里設(shè)置為500ns4、設(shè)置仿真時(shí)間周期默認(rèn)為10ns，由于競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的存在，在仿665、編輯輸入端口信號(hào)窗口縮放（左鍵放大，右鍵縮?。┮丫庉嫼玫臅r(shí)鐘波形選中CP后，點(diǎn)擊此符號(hào)，直接編輯周期脈沖信號(hào)5、編輯輸入端口信號(hào)窗口縮放（