FPGA與硬件描述語言-第一章-緒論課件

FPGA與

硬件描述語言2016.41精選課件ppt引言為何將這門課從第一周調整到從第九周開始？本門課和數電的關系？開設這門課的重要性？這是一門注重實踐的課程，目的是要掌握一門技能2精選課件ppt引言介紹本門課的教學大綱：教學內容安排教學內容講授實驗第一章：現代數字系統(tǒng)2第二章：可編程邏輯器件2第三章：VHDL概述和VHDL程序結構6第三章：VHDL的數據類型及運算操作符實驗1，實驗244第三章：VHDL的描述語句實驗3，實驗444第三章：有限狀態(tài)機實驗542合計（學時）22103精選課件ppt引言介紹本門課的教學大綱：考核及成績評定采用百分制，總評成績由平時成績、實踐教學成績和期末成績三部分組成平時成績占30%（其中出勤成績占10%，作業(yè)成績占20%）實踐設計成績占50%期末考核成績占20%4精選課件ppt引言介紹本門課的教學大綱：參考書教材：王振紅等，圖說VHDL數字電路設計，化學工業(yè)出版社，2009年1月參考書：褚振勇等，FPGA設計及應用，西安電子科技大學出版社，2002年6月答疑安排周四56節(jié)，第三實驗樓901電子郵箱：5精選課件ppt第一章緒論1.1現代數字系統(tǒng)1.1.1數字系統(tǒng)的概念1.1.2數字系統(tǒng)的實現1.1.3數字系統(tǒng)的設計工具1.2EDA技術的發(fā)展1.3現代數字系統(tǒng)的實現方法6精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念FPGAField

ProgrammableGateArray現場可編程門陣列7精選課件ppt8精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念數字系統(tǒng)優(yōu)點：穩(wěn)定性好。數字電路不像模擬電路那樣容易受到噪聲的干擾可靠性高。數字電路中只需分辨出信號的有與無，故電路的組件參數，可以允許有較大的變化（漂移）范圍能長期存儲。數字信息可以利用某種媒介，如磁帶、磁盤、光盤等進行長時期的存儲9精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念數字系統(tǒng)優(yōu)點：便于計算機處理。數字信號的輸出除了具有直觀、準確的優(yōu)點外，最主要的還是便于利用電子計算機來進行信息的處理便于高度集成化10精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念數字電路是由具有各種邏輯功能的數字邏輯器件組成的常用數字邏輯器件都包括哪些？11精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念門電路12精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念門電路13精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念門電路14精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念編碼器74LS148，8線-3線優(yōu)先編碼器譯碼器74LS138，3線-8線譯碼器加法器74LS183，雙全加器選擇器乘法器觸發(fā)器RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器計數器15精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念數字系統(tǒng)中都是由數字邏輯器件組成的嗎？16精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念17精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的概念數字系統(tǒng)的概念：用數字電路實現處理和傳輸信息的系統(tǒng)都稱為數字系統(tǒng)18精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現數字系統(tǒng)的發(fā)展史19精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現分立元件，由電阻、電容、晶體管等電子元件組成SSI（Small-ScaleIntegration）小規(guī)模集成電路，1-10個邏輯門典型電路：邏輯門器件，觸發(fā)器MSI（Medium-ScaleIntegration）

中規(guī)模集成電路，10-100個邏輯門典型電路：編碼器，譯碼器，計數器20精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現LSI（Large-ScaleIntegration）大規(guī)模集成電路，100-10000個邏輯門典型電路：微處理器，存儲器，

可編程邏輯器件VLSI（Very-Large-ScaleIntegration）

超大規(guī)模集成電路，10000個邏輯門以上21精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現傳統(tǒng)的數字系統(tǒng)像其他電子系統(tǒng)一樣，通常采用搭積木式的方法實現，先由器件搭成電路板，再用電路板搭成電子系統(tǒng)早期數字系統(tǒng)設計特點：“積木塊，搭積木”22精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現輸入輸出ABSCO0000011010101101半加器的真值表半加器的邏輯表達式半加器的邏輯圖和符號23精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現全加器的邏輯表達式全加器的邏輯圖和符號24精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現4位串行進位加法器25精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現早期的數字系統(tǒng)體積大、重量大、功耗大、生產周期長、成本高、可靠性差可靠性差的主要原因：出現故障的機會大大增加平均失效時間將大大下降26精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現微控制器是在單一芯片上實現的CPU，它是一種通用型器件，只需配以一定的程序（通常固化于外部的ROM中）和一些外圍電路，即可任意實現復雜的組合邏輯功能27精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現基于通用微控制器進行數字系統(tǒng)設計的方法具有靈活高效、成本低、系統(tǒng)開發(fā)風險小以及可移植性好等諸多優(yōu)點微控制器的出現從根本上改變了傳統(tǒng)的數字系統(tǒng)設計方法，是對傳統(tǒng)數字系統(tǒng)的一次革命28精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現基于微控制器的設計方法的缺點也逐步顯現：系統(tǒng)速度低易受到干擾，使系統(tǒng)癱瘓尚無可靠地方法對程序進行加密29精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現ASIC（專用集成電路）ApplicationSpecificIntegratedCircuits一個復雜的數字系統(tǒng)只要一片或數片ASIC即可實現30精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現ASIC的優(yōu)點ASIC的缺點相對于MCU而言，ASIC不易被破解，可保護設計者的成果不被盜用ASIC的設計開發(fā)和生產需要比較長的時間從市場角度看，一個數字系統(tǒng)就是一個產品，可將產品的成本降至最低設計費用高昂使用ASIC制成的設備體積小、重量輕、功耗低、速度高、成本低生產完成后不易修改31精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現PLD（可編程邏輯器件）ProgrammableLogicDevicePLD的優(yōu)點在于產品研制時間段，設計費用低，風險接近于零使本來是微電子工程師才能完成的ASIC設計，完全轉移給了電路設計工程師，大大縮短了數字系統(tǒng)設計的時間32精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現PLD的優(yōu)點基于芯片的設計方法允許設計者定義、編輯和修改器件的內部邏輯和管腳，使得硬件設計變得和軟件設計一樣方便這種方法也將原來由電路板設計完成的大部分工作放在芯片設計中進行，這樣可以通過芯片設計實現多種數字邏輯系統(tǒng)功能由于管腳定義的靈活性，大大減輕了電路板設計的工作量和難度，從而有效地增強了設計的靈活性，提高了工作效率PLD的價格越來越低，使它的應用范圍也不僅局限于產品試制階段，而是被直接用于產品生產中33精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的實現為了高效地實現數字系統(tǒng)，人們越來越多地采用軟硬件協(xié)同的設計方法進行系統(tǒng)設計集成電路制造工藝的迅速發(fā)展使微控制器嵌入ASIC或PLD成為現實，因此，一顆芯片即可完成整個系統(tǒng)功能，這就是近幾年得到迅速發(fā)展的片上系統(tǒng)（SoC，SystemonChip）設計技術34精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的設計工具傳統(tǒng)數字系統(tǒng)設計的流程35精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的設計工具現代數字系統(tǒng)的設計工作不僅需要完成功能設計，而且還需要對時序、功能等性能指標進行優(yōu)化，僅僅依靠手工是無法完成設計工作的，所有的設計工作都需要在計算機上通過專用的EDA工具完成36精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的設計工具EDA（電子設計自動化）ElectronicDesignAutomation設計者計算機完成對系統(tǒng)功能的描述，設定設計的約束條件電子系統(tǒng)的設計、仿真、邏輯綜合和布線借助EDA工具，數字系統(tǒng)和芯片的設計調試就可以像軟件的調試修改一樣方便37精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的設計工具設計輸入工具：用于輸入設計源文件，主要包括代碼輸入和原理圖輸入工具綜合和布局布線工具：是設計實現工具，用于完成設計的物理實現仿真工具：用于驗證設計是否正確，是進行設計驗證的最重要手段38精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的設計工具EDA工具只能完成設計工作，而實現則需要可編程邏輯器件的支持，可編程邏輯器件和EDA工具的結合給現代硬件系統(tǒng)設計者提供了強有力的工具39精選課件ppt緒論—數字系統(tǒng)的設計工具AlteraXilinxLattice40精選課件ppt緒論—EDA技術的發(fā)展20世紀70年代20世紀80年代20世紀90年代到本世紀初這個時期的EDA工具僅能完成系統(tǒng)的輔助設計工作，無法完成系統(tǒng)的功能和性能的驗證工作這個階段的EDA工具一般被稱為CAD（ComputerAidedDesign，計算機輔助設計）這個時期的EDA工具是以數字電路設計驗證工具為代表，主要是解決電路，尤其是數字電路設計完成之前的功能驗證問題這個時期的EDA工具包括了硬件行為仿真、邏輯綜合、參數分析、物理實現和測試等一系列的工具，能夠提供系統(tǒng)設計需要的全部工具；電子設計自動化開始真正實現41精選課件ppt緒論—EDA技術的發(fā)展廣度深度在過去，EDA技術的普及率低，原因是EDA軟件昂貴、硬件要求很高從2000年開始，EDA軟件開始向PC機擴展，目前支持多種PC平臺，隨著PC機的性能不斷提高，EDA軟件在PC機上越來越普及，軟件功能將會更完善在過去，EDA工具中系統(tǒng)仿真、邏輯綜合、布局布線等工具是彼此獨立的EDA工具將朝著一體化方向發(fā)展可編程邏輯器件廠商都提供了一體化設計工具，如Altera公司的QuartusII，Xilinx