1、EDA与可编程逻辑器件概述,张智海 微系统中心313办公室：65104131 Z “2014可编程”群:311710271,一、题外话： 大学生应该学习哪些电子知识 老古,总结: 1.学习模拟电路和数字电路,高等数学等基础知识 2.必修单片机,PCB电路板设计 3.选修CPLD,DSP,高频电路,外壳设计等. 4.能力强的学多一些,能力小的,学少一些. 5.注重实践,多动手,理论要联系实际.,大学生机器人大赛,大学生机器人大赛,双臂机器人 项目代号：magus 制作人：googol(徐振华,机械工程与自动化，F0006101班),主控：MCU-aduc812 副控：CPLD-ISPLSI-10
2、32E,全国大学生光电设计竞赛,飞思卡尔智能车大赛,电子发展的前研技术,单片机 ：51系列，pic系列，AVR,MSP430ARM ：（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。DSP :数字信号处理芯片 可编程逻辑器件 FPGA /cpld：是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。,MCU (Micro Control Unit)单片机,单片机主要应用于仪器、仪表、家用电器
3、、医疗电子、航空航天等领域。 I/O口 、计数器/定时器、外围接口、显示接口、电源管理模块 MCS51 Intel Atmel、Philips、ADI 、STS Keil uvision 通用、软件支持成熟,MCU (Micro Control Unit) 单片机,PIC Microchip MAPLAB RISC 哈佛总线低功耗、抗干扰 工业控制、汽车电子 AVR（Atmel) MSP430(TI),ARM (Advanced RISC Machines ),ARM RISC处理器设计公司 向其他公司出售芯片使用授权 Intel、IBM、LG、NEC、SONY、Philips、NIARM7、
4、ARM9、ARM11,ARM (Advanced RISC Machines ),ARM (Advanced RISC Machines ),控制功能更强大、运行频率更高、可以独立于PC运行操作系统（嵌入式操作系统） 嵌入式操作系统Linux、uClinux、WinCE、uCOS-II、 VxWorks 工业控制、智能监控、手机（如NOKIA N97采用 ARM11内核， ARM inside就像电脑上的 Intel inside）、上网本、GPS等等。,DSP（Digital Signal Processing),DSP Digital Signal Processing/Digital S
5、ignal Processor 语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。 图像/图形：图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强 军事：保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索 仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理,DSP（Digital Signal Processing),自动控制：电机控制、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。 医疗：助听器、超声设备、核磁共振、病人监护 家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、玩具和游戏Freescale(飞思卡尔）：体积小、功耗低、高性能 适用于
6、通信领域。,DSP（Digital Signal Processing),TI（Texas Instruments ）德州仪器：DSP应用最广泛、市场份额最大、学习资料最多2000系列针对电力系统，运 动控制。学习板多是 TMS320LF2407/2812芯片,DSP（Digital Signal Processing),C5000系列针对手持式通信产品，低功耗，无线终端。当前学习板多是基于TMS320C5402（基本板）/TMS320C5509/5510(高级板)C6000系列则是针对高性能、多功能、复杂应用领域。,DSP（Digital Signal Processing),DaVinci
7、（达芬奇系列）视频处理器 达芬奇视频处理器利用 TMS320C64x+ DSP 内核，包含可升级、可编程的处理器（从仅针对 ARM9 的低成本解决方案到基于数字信号处理器 (DSP) 的全功能 SoC，以及针对范围广泛的数字视频终端设备优化的加速器和外设。 最新的TMS320DM646x集成 了ARM9核,DSP（Digital Signal Processing),OMAP Application Processors具有丰富多媒体功能的外设、OpenGL ES 2.0 兼容图形引擎、视频加速器和 TMS320C64x+ DSP 内核，用于移动数字多媒体领域。 学习软件CCS（Code Co
8、mposer Studio）最新版本为CCS3.3 开发板：合众达（SEED）电子 美国 TI 公司授予代理商。,DSP（Digital Signal Processing) 最小系统,CPLD/FPGA（Complicated Programmable Logic Device/Field Programmable Gate Array),CPLD/FPGA（Complicated Programmable Logic Device/Field Programmable Gate Array),二、什么是FPGA,FPGA（Field Programmable Gate Array),是可编
9、程逻辑器件(简称PLD)的一种，是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的逻辑器件。 与CPU、MCU、DSP等区别大！ 与ASIC属近亲！,PLA - GAL - CPLD - FPGA,什么是FPGA,艺术家,电子设计者,FPGA能够做什么？,基于FPGA的ASIC原型验证,FPGA能够做什么？,基于FPGA的并行数字信号处理,FPGA能够做什么？,基于FPGA的数字嵌入式系统,本课程内容,FPGA能够做什么,TI DMD控制板,Xilinx virtex5FPGA,大规模FPGA,Nios嵌入式系统IP软核,Flash ROM,固体硬盘,SRAM,内存,SDRAM,内存,嵌入式Bios,嵌入式
10、ROM,嵌入式RAM,嵌入式FIFO,SDRAM控制模块,硬件DSP模块,RS232,CAN控制器,DMA,VGA控制器,RS232接口电路,PS2键盘接口,PS2鼠标接口,Ethernet接口,内部时钟,PIC接口,浮点算术协处理器,VGA接口,PS/2键盘/ 鼠标接口,D/A接口,A/D接口,LCD接口,LED接口,USB控制器,UART FIFO,并行接口,图象或语音采样接口,立体声输出接口,通用I/O口,应用系统,SOPC,三、课程目的与意义,传统的数字系统设计方法采用搭积木式的方法进行，即由器件搭成电路板，由电路板搭成数字系统。系统常用的“积木块”是固定功能的标准集成电路，如 74/
11、54系列（TTL）、4000/4500系列（CMOS）芯片和一些固定功能的大规模集成电路。设计者根据需要选择合适的器件，由器件组成电路板，最后完成系统设计。,目的与意义,现代数字系统设计方法EDA（电子设计自动化）技术的发展和普及给数字系统的设计带来了革命性的变化。在器件方面，可编程逻辑器件飞速发展。利用EDA工具，采用可编程逻辑器件，正在成为数字系统设计的主流。,目的与意义,目的与意义,采用可编程逻辑器件芯片和EDA软件，在实验室里就可以完成数字系统的设计和生产。可以实现无芯片EDA公司，专业从事IP模块生产。也可以实现无生产线集成电路设计公司的运作。可以说，当今的数字系统设计已经离不开可编
12、程逻辑器件和EDA设计工具。,探索改革。,目的与意义,密西根安亚伯分校电机系的大一作业,目的与意义,伊利诺州立大学香槟分校 数字系统设计课程,教材：EDA技术实用教程(潘松) 第三版 科学出版社,第一、二版采用MAXPLUS 2,第三、四版采用quatus 2,潘松的后续书籍,讲nios2,但是现在针对的版本已经过时,基于VHDL的FPGA和Nios II实例精炼,作 者：刘福奇 出版社： 北京航空航天大学出版社,Altera FPGA/CPLD设计基础篇,EDA先锋工作室;人民邮电出版社 本书结合作者多年工作经验，系统地介绍了FPGA/CPLD的基本设计方法。在介绍FPGA/CPLD概念的基
13、础上，介绍了Altera主流FPGA/CPLD的结构与特点，并通过丰富的实例讲解Quartus II与ModelSim、Synplify Pro等常用EDA工具的开发流程 深入地讨论了Altera FPGA/CPLD的设计、优化技巧。在讨论FPGA/CPLD设计指导原则的基础上，介绍了Altera器件的高级应用；引领读者学习逻辑锁定设计工具，详细讨论了时序约束与静态时序分析方法；结合实例讨论如何进行设计优化，介绍了Altera的可编程器件的高级设计工具与系统级设计技巧,FPGA学习,VHDL.Programming.by.Example McGraw.Hill.,FPGA学习 (SOPC),S
14、OPC Rapid Prototyping of digital system Sopc edition Nios II,FPGA设计指南器件、工具和流程,不涉及具体的技术而是专门介绍有关FPGA的概念性的问题 ,整体感强，点到则止,课外学习硬件平台altera cyclone芯片为核心的开发板,课外学习硬件平台altera cyclone芯片为核心的开发板,推荐网站,http:/ 可编程逻辑器件 中文网站 http:/ fpga学习网 http:/ EDA设计自学指导网,第一台电子管计算机,第一个三极管,第一个IC,今天的奔腾4,SOC（System on Chip,片上系统）技术,SOC的
15、工作开始于20世纪90年代,虽然对SOC至今尚无非常明确的定义，但一般认为，采用深亚微米（0.6微米）工艺技术，IP核的复用和软硬件协同设计是SOC的三大技术特征。,按照1999年国际半导体技术发展指南(ITRS1999），目前组成SOC的模块单元可以包括微处理器核，嵌入式SRAM、DRAM和FLASH单元以及某些特定的逻辑单元。ITRS99认为，开发SOC的根本目标是提高性能和降低成本,另外，Soc开发的另一个重要的考虑是他的可编程特性（通过软件、fpga,flash或其他手段来实现）。,IP（Intellectual Property)核是SOC的建造基础 今天所称的IP是指那些较高集成度
16、并具有完整功能的单元模块，如MPU、DSP、DRAM、FLASH等模块. IP模块的再利用，除了可以缩短SOC芯片的设计时间外，还能大大降低设计和制造的成本，提高可靠性。,关于IP核的开发应用,IP核从技术层面上可分为软核、固核、硬核三种 从满足SOC的设计要求来说，它必须有四个特征： 1.必须是符合设计再利用的要求按嵌入式专门设计的。 2.必须是经多次优化设计，达到通常的“四最”（芯片面积最小，运算速度最快，功耗最小，工艺容差最大）的目标。 3.必须是允许多家公司在支付一定费用后商业运用的，而不是本公司内部专用的。 4.必须符合IP标准。1996年9月，世界35个著名公司组成一个国际性企业联
17、合组织棗虚拟插座接口联盟VSIA。,IP核,IP（Intellectual Property）就是常说的知识产权。美国Dataquest咨询公司将半导体产业的IP定义为用于ASIC、ASSP、PLD等当中，并且是预先设计好的电路功能模块。分为软IP、固IP和硬IP三种。 软核（Soft Core）软IP用计算机高级语言的形式描述功能块的行为，但是并不涉及用什么电路和电路元件实现 这些行为。软IP的最终产品基本上与通常的应用软件大同小异，开发过程与应用软件也十分相象，只是所需的开发软、硬件环境，尤其工具软件要昂贵很多。软 IP的设计周期短，设计投入少，由于不涉及物理实现，为后续设计留有很大的发挥
18、空间，增大了IP的灵活性和适应性。当然软IP的一个不可避免的弱点是：会 有一定比例的后续工序无法适应软IP设计，从而造成一定程度的软IP修正。（最终产品是RTL级的HDL代码） 固核（Firm Core）固IP是完成了综合的功能块（netlist），有较大的设计深度，以网表(netlist)的形式提交客户使用。如果客户与固IP使用同一个生产线的单元库，IP的成功率会比较高。 硬核（Hard Core）硬IP提供设计的最终阶段产品：版图掩膜（GDSII）。随着设计深度的提高，后续工序所需要做的事情就越少，当然，灵活性也就越少。不同的客户可以根据自己的需要订购不同的IP产品。,HDL概述,随着ED
19、A技术的发展，使用硬件语言设计PLD/FPGA成为一种趋势。目前最主要的硬件描述语言是VHDL和Verilog HDL。 HDL VHDL Verilog HDL 其它HDL : ABEL，AHDL，硬件C语言,VHDL语言简介,VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language）诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。现在，VHDL和Verilog HDL作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog HDL语言将承担起大部分的数字系统设计任务。,VHDL例子,ENTITY reg12 IS PORT( d : IN BIT_VECTOR(11 DOWNTO 0); clk : IN BIT; q : OUT BIT_VECTOR(11 DOWNTO 0); END reg12; ARCHITECTURE a OF reg12 IS BEGIN PROCESS BEGIN WAIT UNTIL clk = 1; q = d; END PROCESS; END a;,
