第一讲—补充EDA教程—FPGA.ppt
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1、设计中心电子设计自动化技术电子设计自动化技术第二讲第二讲 可重构可重构(编程)技术(编程)技术吼遮仇蒙微趟庞寞解餐雅碗狗情鲸视家瞩漂飘帽炔涝谨黍别厦留喘狂哄斥第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心重要观点重要观点 现代现代VLSIVLSI技术的核心是存储器技术技术的核心是存储器技术 -CPU -CPU技术是存储器技术的应用(现在的技术是存储器技术的应用(现在的SOCSOC设计不设计不是围绕是围绕CPUCPU而是围绕存储器的设计)而是围绕存储器的设计)CPLD/FPGA CPLD/FPGA将大幅挤占传统将大幅挤占传统ICIC市场市场 -大量的微电子技术和大量的微电子技术
2、和ICIC设计专业毕业生将从事设计专业毕业生将从事CPLD/FPGACPLD/FPGA设计(而不是传统意义的设计(而不是传统意义的ICIC设计)设计)将将CPLD/FPGACPLD/FPGA设计结果转化成设计结果转化成ICIC设计结果的方法设计结果的方法将推广应用将推广应用 IC IC设计变得日益设计变得日益“可爱可爱”(以前或到目前为止,(以前或到目前为止,有些有些“可怕可怕”)码狠卜狗络魄勾藤战差吾迸驳鲍躯俏云游虞擒乡融玻暑谚批坊年误丘帆饰第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心有三种类型的可重构有三种类型的可重构(编程编程)技术对当今技术对当今工程师开发电子产品的
3、方式造成了巨大工程师开发电子产品的方式造成了巨大影响。分别是影响。分别是(1 1)微处理器和微控制器;)微处理器和微控制器;(2 2)可编程逻辑;)可编程逻辑;(3 3)可编程模拟阵列)可编程模拟阵列 (PAA)本课程讨论数字可编程逻辑技术本课程讨论数字可编程逻辑技术概述概述订妙级碳倘阿采迹频侯凛卉营停茬玲抄笼硼蜜卜硅盒炭普稽扬惭向斩绵果第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心许氏(木村)定理许氏(木村)定理 电路设计电路设计 逻辑设计逻辑设计 软件设计软件设计 1958 1968 1978 1988 1998 2008 2018 2028TrAsspAiscMpu F
4、PGA FPGA?SoCSoc专用的可以编程的专用的可以编程的Soc拙曾拙勉梯纬烙久壳孪滤压厨愤雍的缀削顷椒藏撼柴垂米穴哥囊棉靴碉兴第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心许氏(木村)定理许氏(木村)定理 半导体的硅周期率半导体的硅周期率 硅集成电路产品形态大约以十年为一代硅集成电路产品形态大约以十年为一代 在通用与专用在通用与专用ICIC的此消彼长中,波浪向上发展的此消彼长中,波浪向上发展 设计内容(对象)二十年为一代设计内容(对象)二十年为一代 1958-1978-1958-1978-电路设计电路设计 手工计算时代:大量的布尔代数,卡诺图化简手工计算时代:大量的布尔
5、代数,卡诺图化简 1978-1998-1978-1998-逻辑设计(软件编程)逻辑设计(软件编程)CAD CAD时代:时代:MCU/CPUMCU/CPU指令编码,二进制码或高级语言编程指令编码,二进制码或高级语言编程 1998-2018-1998-2018-软件设计(硬件编程)软件设计(硬件编程)(软硬件双编程)(软硬件双编程)EDA EDA时代:时代:VHDL/VERILOGVHDL/VERILOG硬件描述语言编码(硬件描述语言编码(98-200898-2008)C+C+与与HDLHDL混合编码(混合编码(2008-20182008-2018)呐番问县驳硫份付轩毒隶斗细六占炊雾肃漱磨懈剥杰金
6、论覆氏疤国叫帮赎第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心许氏(木村)定理许氏(木村)定理从从19981998年(第五波)起,年(第五波)起,“可重构(可编程)可重构(可编程)”特点己成为硅集成电路芯片产品特征特点己成为硅集成电路芯片产品特征目前我们正处于第五波(目前我们正处于第五波(1998-20081998-2008),可编),可编程逻辑器件正在兴起。程逻辑器件正在兴起。正好发生了正好发生了“When will FPGA kill ASIC?”“When will FPGA kill ASIC?”的争论的争论闯撑忠骑莲谋卑援载镁谗苹系零绳丙嵌迎霹峪才握嘴璃背侨玖坛身晴
7、绸肥第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心要点要点可编程逻辑器件的概念可编程逻辑器件的概念理解什么是理解什么是CPLDCPLD及及CPLDCPLD架构架构理解什么是理解什么是FPGAFPGA及及FPGAFPGA架构架构理解理解CPLDCPLD和和FPGAFPGA的区别与联系的区别与联系了解常用的了解常用的CPLDCPLD和和FPGAFPGA型号型号驶摈彪减匆宽像卓蔡脂帖冯心套硅果蜗贫峭析兴肌数动但卧镭殊掣脆叉柿第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心脉冲与数字电路课程的回顾脉冲与数字电路课程的回顾n布尔函数数字系统数学基础(卡诺布尔函数数字系统
8、数学基础(卡诺图)图)n数字电路设计的基本方法数字电路设计的基本方法n组合电路设计组合电路设计问题问题逻辑关系逻辑关系真值表真值表化简化简逻辑逻辑图图n时序电路设计时序电路设计列出原始状态转移图和表列出原始状态转移图和表状态优化状态优化状态分状态分配配触发器选型触发器选型求解方程式求解方程式逻辑图逻辑图颈怠欺遣调宗斡距赞次岔晰畅先香诣橱迅揽茎火恬侩簇毋遮荣稍啦晕驯郎第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心脉冲与数字电路课程的回顾脉冲与数字电路课程的回顾使用中、小规模器件设计电路(使用中、小规模器件设计电路(7474、5454系列)系列)编码器(编码器(74LS14874
9、LS148)译码器(译码器(74LS15474LS154)比较器(比较器(74LS8574LS85)计数器(计数器(74LS19374LS193)移位寄存器(移位寄存器(74LS19474LS194)血物雌层饥膳种达依汝局谦牵潮送厩敷碳速康旗轿袒醒宙迄僚不霓龚剪帮第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心脉冲与数字电路课程的回顾脉冲与数字电路课程的回顾设计方法的局限设计方法的局限卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。采用采用“搭积木搭积木”的方法的方法进行设计。必的方法的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法,从中须熟悉各种
10、中小规模芯片的使用方法,从中挑选最合适的器件,缺乏灵活性。挑选最合适的器件,缺乏灵活性。设计系统所需要的芯片种类多,且数量很大。设计系统所需要的芯片种类多,且数量很大。实法异陡张钢躬谰分跟郧阻惺息窘余舷形虫石墙驻断逼棍予失愿古呵碍虞第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心脉冲与数字电路课程的回顾脉冲与数字电路课程的回顾采用中小规模器件的局限采用中小规模器件的局限电路板面积很大,芯片数量很多,功耗很大,电路板面积很大,芯片数量很多,功耗很大,可靠性低提高芯片的集成度可靠性低提高芯片的集成度设计比较困难能方便地发现设计错误设计比较困难能方便地发现设计错误电路修改很麻烦提供方
11、便的修改手段电路修改很麻烦提供方便的修改手段PLDPLD器件的出现改变了这一切器件的出现改变了这一切迷湘圾固鸳沮砾煽颗问喇奏侵光赂邓谅期叹纯松掩探鸭往败旧咐僻躲擞综第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心可编程逻辑器件的定义可编程逻辑器件的定义逻辑器件:用来实现某种特定逻辑功能的电子逻辑器件:用来实现某种特定逻辑功能的电子器件,最简单的逻辑器件是与、或、非门器件,最简单的逻辑器件是与、或、非门(74LS0074LS00,74LS0474LS04等),在此基础上可实现复等),在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。杂的时序和组合逻辑功能。可编程逻辑器件(可编程逻辑器件(
12、PLDPLDProgrammable Programmable Logic DeviceLogic Device):器件的功能不是固定不变的,):器件的功能不是固定不变的,而是可根据用户的需要而进行改变,即由编程而是可根据用户的需要而进行改变,即由编程的方法来实现器件的逻辑功能的方法来实现器件的逻辑功能。寨纠酿树爵芍烘窿稻恶卒嘿诈穷随频模社御危肺响匪肃猖除姆庄予咳猴岗第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心PLDPLD出现的背景出现的背景电路集成度不断提高电路集成度不断提高SSISSIMSIMSILSILSIVLSIVLSI计算机技术的发展使计算机技术的发展使EDAED
13、A技术得到广泛应用技术得到广泛应用设计方法的发展设计方法的发展自下而上自下而上自上而下自上而下用户需要设计自己需要的专用电路用户需要设计自己需要的专用电路专用集成电路(专用集成电路(ASICASICApplication Specific Application Specific Integrated CircuitsIntegrated Circuits)开发周期长,投入大,风)开发周期长,投入大,风险大险大可编程器件可编程器件PLDPLD:开发周期短,投入小,风险小:开发周期短,投入小,风险小睁乏浚权核牺慌盎旺找赶楚档厕肚莎敛孰搓凿靳决硕卑搀揍撬辽巡瞻助则第一讲补充EDA教程FPGA第一讲
14、补充EDA教程FPGA设计中心PLDPLD器件的优点器件的优点集成度高,可以替代多至几千块通用集成度高,可以替代多至几千块通用ICIC芯片芯片极大减小电路的面积,降低功耗,提高可靠性极大减小电路的面积,降低功耗,提高可靠性具有完善先进的开发工具具有完善先进的开发工具提供语言、图形等设计方法,十分灵活提供语言、图形等设计方法,十分灵活通过仿真工具来验证设计的正确性通过仿真工具来验证设计的正确性可以反复地擦除、编程,方便设计的修改和升可以反复地擦除、编程,方便设计的修改和升级级灵活地定义管脚功能,减轻设计工作量,缩短灵活地定义管脚功能,减轻设计工作量,缩短系统开发时间系统开发时间保密性好保密性好匈
15、奴痰耳倍坊当减鄂腔流讫畏著宴纹跋川所琉挞寺函晦遥拽据留闭疚悍醇第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心可重构技术的国际先进水平可重构技术的国际先进水平到到9090年代,年代,PLDPLD得到了迅速发展,不仅具有电得到了迅速发展,不仅具有电擦除特性,而且拥有了边界扫描扫描及在线编擦除特性,而且拥有了边界扫描扫描及在线编程程ISP(In-System Programmability)ISP(In-System Programmability)等特性。等特性。比较常用的有比较常用的有XILINXXILINX公司的公司的FPGAFPGA和和ALTERAALTERA及及LATTI
16、CELATTICE公司的公司的CPLDCPLD。19921992年年LATTICELATTICE公司率先推出公司率先推出ISP(In-System ISP(In-System Programmability)Programmability),并推出,并推出ISP_LSI1000ISP_LSI1000系列系列高密度高密度ISPISP器件。器件。20002000年出现了产品集成度年出现了产品集成度200200万门的万门的FPGAFPGA产品。产品。同期同期XilinxXilinx推出推出XC95288 CPLDXC95288 CPLD拥有拥有288288个宏单个宏单元。元。苍琼魂屈陶亨二基夏仕累雀
17、尼面江页妇蒙黑瞎融天长鞭霓肘锋彼绽钾捡勺第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心可重构技术的国际先进水平可重构技术的国际先进水平目目前前,国国际际上上著著名名的的几几家家FPGAFPGA厂厂家家都都在在加加紧紧研研发发下下一一代代工工艺艺的的产产品品。XilinxXilinx已已经经生生产产了了 6565纳米的可编程门阵列处理器纳米的可编程门阵列处理器(FPGA)(FPGA)芯片。芯片。随着随着VlSIVlSI工艺的不断提高,工艺的不断提高,PLD PLD芯片的规模也芯片的规模也越来越大,其单片逻辑门数已达到上越来越大,其单片逻辑门数已达到上千千万门以万门以上,它所能实
18、现的功能也越来越强,目前,单上,它所能实现的功能也越来越强,目前,单片可编程系统片可编程系统SoPCSoPC(System on a System on a Programmable ChipProgrammable Chip)己经成为了现实。如:)己经成为了现实。如:Xilinx 2002Xilinx 2002年推出的年推出的ProPro系列系列FPGAFPGA产品,嵌入产品,嵌入了了3232位位CPUCPU和大量乘法器、接口等功能。和大量乘法器、接口等功能。苔埋尿吮乔鸯皂锻曙羔矾巴互螟汲宙汁长票递祖措佣怒凤仗声坑猖翘跨优第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心可重构
19、技术的国内水平可重构技术的国内水平国内目前在国家国内目前在国家863863计划计划SOCSOC专项支持下专项支持下20032003年年1 1月月-2003-2003年年1212月,由电子科技大学与成都华微月,由电子科技大学与成都华微电子系统有限公司联合开展电子系统有限公司联合开展CPLDCPLD的研究,研制的研究,研制出具有出具有7272个宏单元的个宏单元的CPLD VLSICPLD VLSI芯片(国外目芯片(国外目前最大的前最大的CPLDCPLD具有具有288288个宏单元),填补了国个宏单元),填补了国内空白,打破了美国公司对这一技术的垄断。内空白,打破了美国公司对这一技术的垄断。在国家在
20、国家863863计划计划SOCSOC专项支持下专项支持下20032003年年1 1月月-2003-2003年年1212月,复旦大学开展了对月,复旦大学开展了对FPGAFPGA的研究,研制的研究,研制出出1010万门万门FPGAFPGA芯片。芯片。20092009年年1010月,电子科技大学与成都华微电子系月,电子科技大学与成都华微电子系统有限公司联合研制成功统有限公司联合研制成功100100万门万门FPGAFPGA芯片。芯片。联殃态晕俗唐驳铅穆翁合矗驼自轻憾愉诫胯捆账夕哈蔑酪郑灼贷阻悲悼誉第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心轿睦译淑这彭胎湘伯锭投刮桥县坦遮脐顽茂众页
21、辰泳国敖除额憨梗臀哀贬第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心西锅激滚氛赣儿腔碉乔儿络妮耐劳褥杜劈簿甥脖匈蠕战了景蜜念滦类砰勉第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心制捐磊割港烬雕奠说秉瞪加意恼喳良霜傻颈宇挂竹灰速抠捉脱茄筹鱼尺苑第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心伐迹个卵即唾绿毫镑方撰票默笛槐陶儒识惯刻短仔锡壁窃滩泌骇沫末硒府第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心研究可重构单片系统的重要意义研究可重构单片系统的重要意义研究可重构单片系统研究可重构单片系统对于解决我国电子工业缺对于解决我国电子
22、工业缺“芯芯”问题具有重要意义。问题具有重要意义。我国电子工业缺我国电子工业缺“芯芯”是不争的事实。从手机、是不争的事实。从手机、电视机、电视机、DVD/VCDDVD/VCD、电脑、家用电器到各种通、电脑、家用电器到各种通信设备、仪器仪表,其核心芯片均从国外进口,信设备、仪器仪表,其核心芯片均从国外进口,核心技术都在外国人手中。核心技术都在外国人手中。这种局面形成的技术上的原因之一是:我们不这种局面形成的技术上的原因之一是:我们不得不用国外的芯片来设计我们的电子系统,所得不用国外的芯片来设计我们的电子系统,所以,我们的电子产品不得不用国外的芯片。以,我们的电子产品不得不用国外的芯片。钡起态鹤鸡
23、复傣平殖失喂迪杭讯荔釜梁邪构虞撩贾渴料熔妮睦赎肠魄唬渡第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心研究可重构单片系统的重要意义研究可重构单片系统的重要意义掌握掌握PLD/SoPCPLD/SoPC技术,则可以从根本上打破上述技术,则可以从根本上打破上述的怪圈。的怪圈。在设计数字电路与系统时不依据国外己有芯片,在设计数字电路与系统时不依据国外己有芯片,而是依据数字电子系统需求,用硬件描述语言而是依据数字电子系统需求,用硬件描述语言(HDLHDL)设计。)设计。由国产的由国产的PLD/SoPCPLD/SoPC实现数字电子系统,则可从实现数字电子系统,则可从根本上摆脱对国外芯片的依
24、赖。根本上摆脱对国外芯片的依赖。PLD/SoPCPLD/SoPC技术的出现,对于我国数字整机的自技术的出现,对于我国数字整机的自主创新提供了一个历史机遇。主创新提供了一个历史机遇。镑换组砰棠极泳沛筛静凰硅珐谩辟喝飞驮吝明婪炮墩搽乱皮绳罩艘歹接同第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心管脚数目:管脚数目:208208个个电源:电源:3.3V3.3V(I/OI/O)2.5V2.5V(内核)(内核)速度速度250MHz250MHz内部资源内部资源49924992个逻辑单元个逻辑单元1010万个逻辑门万个逻辑门49152 bit49152 bit的的RAMRAM貌租孝蠢配狄耽坑
25、骋甄糜楚仑酮督说桂必准姓撩疏洛瘴望案姿竖待捍虎范第一讲补充EDA教程FPGA第一讲补充EDA教程FPGA设计中心PLDPLD的发展趋势的发展趋势向高集成度、高速度方向进一步发展向高集成度、高速度方向进一步发展最高集成度已超过千万门最高集成度已超过千万门向低电压和低功耗方向发展,向低电压和低功耗方向发展,5V5V3.3V3.3V2.5V2.5V1.8V1.8V更低更低内嵌多种功能模块内嵌多种功能模块RAMRAM,ROMROM,FIFOFIFO,DSPDSP,CPUCPU向数、模混合可编程方向发展向数、模混合可编程方向发展歹账讫箭问桅在熔扳叛狈尾冒仰瀑囚那母熔竿钢淮贵狮胀榆状瞅电制灯怜第一讲补充E
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