1、郑硕士论文题目作者姓名学科门类专业名称导师姓名、职称州大学位授予乒砖碍学号或申请号密级学论文可编程逻辑芯片在光纤通信系统中的应用安亚飞工学通信与信息系统叶会英副教授二五年五月摘要摘要技术是电子设计领域的一场革命目前正处于高速发展阶段。广泛使用器件是提高电子产品性能和竞争能力的主要技术措旌之一应当大力普及推广。因此本文以可编程逻辑器件为载体设计了一个点对点的小型光纤通信系统。本文首先确定了光纤通信系统的总体设计方案及主要技术指标并对可编程逻辑器件的选型和下载配置进行了说明建立了片上系统的硬件开发平台。然后论述了基于的发送子系统和基于的接收子系统的设计和实现方法。以“ 自顶向下”的设计思路按功能将
2、 发 送子系统划分为时分复用信号源、编译码、线路编码、扰码、和数字调制、四个相对独立的模块接收子系统划分为线路译码、数字终端位同步、帧同步、分接及串口通信接收模 块。文中介绍了各模块的软件设计思路对部分模块提出了基于时序状态机的设计算法并给出了各模块在中进行开发和仿真的结果。最后本文给出了系统的整体软件设计原理图和硬件调试结果并对软件设计中的问题和硬件调试结果进行了分析。软件仿真和硬件调试结果表明通信系统设计正确性能良好。关键词光纤通信可编程逻辑器件硬件描绘语言自顶向下“”郑重声明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的学位论文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为否则本人愿意承
3、担由此产生的一切法律责任和法律后果特此郑重声明。学位论文作者签名谩亚飞卅年月日第章引言第章引言技术基础现代电子设计技术的核心是技术。技术依赖功能强大的计算机在工具软件平台上对以硬件描绘语言为系统逻辑描绘手段完成的设计文件自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合布局布线 以及逻辑优化和仿真测试直至实现既定的电子线路系统功能【”。技术使得设计者仅 利用软件方式、即利用硬件描绘语言和软件便可完成对系统硬件功能的实现。下面介绍与有关的几个概念“ 自顶向下”的设计思想 传统电予设计 的基本思路是选择标准集成电路“ 自底向上”构造出一个新的系统这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔不仅效率
4、低、成本高而且容易出错。高层次设计给我们提供了一种“自顶向下”的全新设计方法这种设计方法首先从系统设计入手在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错并利用硬件描绘语言对高层次的系统行为进行描绘在系统一级进行验证。然后用综合优化工具生成具体门电路网表其对应的物理级实现可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的这一方面有利于早期发现结构设计上的错误避免设计工作的浪费同时也减少了逻辑功能仿真的工作量提高了设计的一次成功率。目前技术的发展使得设计师们有可能实现真正的自顶向下的设计。“”的设计思想如 图所示。第章引言图“” 的设计思想设计现 代电
5、子产品的复杂度日益加深一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题。解决这一问题的有效方法就是采用芯片进行设计。按照设计方法的不同可分为全定制半定制可编程也称为可编程逻辑器件。设计全定制芯片时设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则最后将设计结果交由厂家掩膜制造完成。优点是芯片可以获得最优的性能即面积利用率高、速度快、功耗低。缺点是开发周期长费用高只适合大批量产品开发【。半定制芯片的版图设计方法有所不同分为门阵列设计法和标准单元设计法这两种方法都是约束性的设计其主要目的是简化设计以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。可编程逻辑芯片与上述掩膜的不同之
6、处在于设计人员完成版图设计后在实验室内就可以烧制出自己的芯片无须厂家的参与大大缩短了开发周期。上述芯片尤其是可编程逻辑芯片已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。硬件描述语言所谓硬件描述语言就是可以描绘硬件电路的功能、信号连接关系及定时关系的语言。它用 软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路第章引言结构和连接形式与传统的门级描述方式相比更适合大规模系统的设计。硬件描述语言有多种类型在众多的硬件描述语言中最具有代表性的、且应用比较广泛的是美国国防部开发的语言和公司开发的语言。作为电子设计主流硬件的描绘语言其英文全名是于年由美国国防部发起创建由进一步发展并在年作为“标准”发布。从此成为硬件描
7、绘语言的业界标准之一【 。是一种全方位的硬件描述语言包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次支持结构、数据流、行 为三种描述形式的混合描述。因此几乎覆盖了以往各种硬件描绘语言的功能整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用完成。系统框架结构系统框架结构是一套配置和使用软件包的规范目前主要的系统都建立了框架结构如公司的公司的而且这些框架结构都遵守国际组织制定的统一技术标准。能将来自不同厂商的工具软件进行优化组合集成在一个易于管理的统一的环境之下而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中信息的传输与共享是并行工程和设计方法的实现基础。可编程逻辑器件可编程逻辑器件是世纪年代发展
8、起来的器件是一种由用户根据自己的需求来设计逻辑功能并对此器件进行编程后实现的。随着微电子技术的发展系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路芯片并且希望的设计周期尽可能短最好是在实验室就能设计出台适的芯片并且立即投入实际的应用中去因而出现第章引言了现场可编程逻辑器件其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件。器件发展历程早期的可编程逻辑器件有可编程只读存储器、紫外线可擦除只读存储器和电可擦除只读存储器三种。由于结构的限制它们只能完成简单的数字逻辑功能。其后出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片即可编程逻辑器件它能够完成各种数字逻辑功能。典型的由一个“与”门和一个“或” 门阵列组成而其中任
9、意一个组合逻辑都可以用“与一一或 ”表达式来描述所以能以乘 积项 的形式完成大量的组合逻辑功能【。早期的产品主要有可编程阵列逻辑和通用阵列逻辑。由一个可编程的“ 与”平面和一个固定的“ 或” 平面构成。在基础上又发展了一种通用阵列逻辑。这些早期的器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷世纪年代中期和分别推出了类似于结构的扩展型和与标准门阵列类似的它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。新一代的甚至集成了中央处理器或数字信号处理器内核在一片上进行软硬件协同设计为实现片上可编程系统提供了强大的硬件支
10、持。与比较都是由大部分组成输入输出模块、二维逻辑阵列模块构成了器件的逻辑组成核心、连线资源。通常包括三类可编程资源可编程逻辑功能块、可编程块和可编程内部互连主要是由可编程第章引言逻辑宏单元围绕中心的可编程互连矩阵单元组成】其中逻辑结构比较复杂并具有复杂的单元互连。二者内部结构稍有不同的二维逻辑阵列是基于查找表结构的而的二维逻辑阵列模块是基于乘积项结构的。的逻辑单元从功能上而言比的组合乘积项及宏单元要简单的多但是它却可由各种逻辑单元的级联组合来创建很大的函数功能更类似于半定制的门阵列器件。通常中寄存器资源比较丰富适合做同步时序电路较多的设计中组合逻辑资源比较丰富适合做组合电路较多的设计。在设计实
11、现上的中心任务主要是将逻辑分配到各个逻辑块中并通过可编程内部互连进行连接而面向的逻辑综合、布局布线工作则主要围绕着根据器件结构对设计逻辑和信号传输路径进行优化以便在密度和速度之间取得一个合理的折中。可编程逻辑器件开发平台对于的设计来说除了要求设计人员有较高的专业知识水平外成功与否在很大程度上取决于开发软件。在提供高性能芯片的同时公司也提供了强大而易于使用的软件开发平台。可编程逻辑开发平台提供了一种与结构无关的设计环境它使通用可编程逻辑器件系列的设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。使用 设计者无需精通器件内部的复杂结构只需运用自己熟悉的输入工具如原理图输入或高级行为语言进行设计通过把
12、这些设计转换成最终结构所需的格式。由于有关结构的详细知识已装入开发工具设计者不需手工优化自己的设计因此设计速度非常快。公司开发平台具有下列个特点”?全集成化的环境。开发平台包含有一般可编程逻辑器件开发所要求的设计输入、编译、 验证和最后阶段的编程等功能这些功能都集成在的图形界面下。该软件简单易学同时其快速的纠错能力缩短了丌发第章引言周期。?广泛支持各种硬件描述语言。开发平台支持多种硬件描绘语言包括、和公司的语言。 这个特点使设计人员能够跟上用硬件描绘语言设计电路的步伐。?开放的接口。开发平台与其它工具的接口符合和的标准它可以支持诸如、等工具。设计人员可以用各种工具完成设计输入然后调用开发平台的
13、进行编译也可以借助其它工具作器件级和系统级的仿真测试以达到优化设计的目的。基于这些特点】被誉为业界最易学易用的软件因此本次设计选择作为开发平台。可编程逻辑器件的开发过程开发可编程逻辑器件的过程形式上是器件设计芯片设计但是由于可编程逻辑器件的集成度越来越高一个可编程逻辑器件所实现的电路常常是一个数字系统。从形式上看对可编程逻辑器件的开发实质上是系统设计。基于可编程的数字系统设计流程如图所示一般可分为设计输入、设计实现和编程个设计步骤。设计输入图基于可编稃逻辑器件的数字系统设计流稗第章引言设计输入是由设计者对器件所实现的数字系统的逻辑功能进行描述。设计输入最常用的两种输入形式是电路图输入和硬件描述
14、语言输入。在设计过程中往往采用层次化方法分模块、分层次的进行设计描述。描述系统总功能的为顶层设计描述系统中较小单元的设计为底层设计。?设计实现从设计输入文件到熔丝图文件对于或位流文件对于的编译过程称为设计实现它是数字系统设计的处理环节由可编程逻辑器件的开发系统自主完成。?器件编程器件编程也称为器件下载或器件配置也就是将实现数字系统的编程数据放到具体的可编程逻辑器件中去。? 设计验证针对设计输入、设计实现和器件编程设计校验可分为前仿真、后仿真和实验验证。其中前二者统称为设计仿真它是可编程逻辑器件设计的必不可少的过程可以通过仿真软件实现。实验验证是将已经编程的器件与它的相关器件和接口相连以验证可编
15、程逻辑器件所实现的逻辑功能是否满足整个系统的要求。使用可编程逻辑器件的必要性用可编程逻辑器件取代传统的标准集成电路、接口电路、专用集成电路已成为数字技术发展的趋势。在构成数字系统时这种器件具有下述特点由于一片可编程逻辑器件的集成规模可达数千乃至数万个等效门可以代替数十个至数百个分立器件因此能够大大缩小硬件系统的体积减轻重量降低功耗还可以提高系统的可靠性使之易于获得高性能并具有很强的保密性同时也可以降低系统成本并且可以反复地编程、擦除使用者在外围电路不动的情况下用不同软件即可实现不同的功能。设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计提高了设计和使用的灵活性。第
16、章引言技术是电子设计领域的一场革命目前正处于高速发展阶段每年都有新的工具面世我国的设计和生产能力还比较薄弱绝大多数电子产品的密度和速度又不是太高批量也比较小。因此广泛使用器件是最适合提高我国电子产品的性能和竞争能力的主要技术措施之一应当大力普及推广。本文内容安排课题引入和简介本课题来源于河南省教育厅项目“ 波分复用系统中偏振模色散的研究” 希望利用高性能的硬件 设备进行光纤通信中偏振模色散的研究及测量同时也可用于实验室建设以及学科建设。另外本课题设计的主电路基于的光纤通信实验平台可配合“ 通信原理 ”和“光纤通信”类 通信课程理论教学用来帮助加深理解通信系统组成原理知识培养动手能力。本文主要完成的工作有设计用于光纤通信系统的专用芯片能够完成通信系统基本数字电路功能包括数字信号源、线路编解码、数字信号的调制以及数字终端位同步、 帧同步、分接、串口通信等功能。完整的传输系统系统中实现了标准的一次群传输功能模块。可编程芯片配置电路设计专门设计芯下载电缆接口电路可以通过跳线选择用专用器件配置或用机并口电缆直接进行的在系 统重新配置真正做到提高动手能力。系统调试由机将程序加载到以可编程逻辑器件为核心的硬件平台上进行调试。.
