测控新技术可编程逻辑器件的发展与应用

东北石油大学课程学习报告2013年12月20日课程测控新技术题目可编程器件技术原理与应用院系电气信息工程学院专业班级测控10-1班学生姓名学生学号上课教师东北石油大学课程报告任务书课程测控新技术题目可编程器件技术原理与应用报告主要内容1．可编程器件技术概述；2．可编程器件具体实现技术；3．可编程器件技术在某一个方面的应用；4．对这些技术应用特色、前景的综述和展望。报告基本要求1．对所讨论的理论和技术的综述完整、合理，在某一方面的具体应用应该与相关技术特点有密切的联系；2．可选择三种技术中其中的任意一种或两种技术进行研究，对该技术的基本理论、具体技术的发展历史、现状和发展前景进行讨论，要求必须有自己的综述见解和讨论；3．论文格式严格按样板要求完成，要求图文规范，其中要求必须要有清晰的图件。论文报告不少于6000字。主要参考资料[1]张文.可编程逻辑器件的发展与应用[J].大众科技，2006年01期[2]刘瑞友,王智勇,陶涛等.一种基于FPGA伪彩液晶显示系统的设计[J].液晶与显示,2007[3]邹虹.数字电路与逻辑设计[M].北京：人民邮电出版社，2008：269-285[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998：432－439[5]邓延安.可编程逻辑器件的发展概述[J].芜湖职业技术学院学报,2005年01期[6]赵红梅，王召东.可编程逻辑器件FPGA与CPLD的发展与应用一例[J].平顶山工学院学报.2007年[7]李文明，荆海，马凯.基于FPGA的AMOLED驱动控制系统设计[J].现代显示，2007[8]候剑舒，金星.可编程逻辑器件的现状及发展趋势[J].中国仪器仪表，2005年05期完成期限2013年12月20日上课教师专业负责人2013年12月20日目录前言..............................................................1第一章可编程逻辑器件的发展历程.....................................2第二章可编程逻辑器件的分类及开发工具...............................42.1可编程逻辑器件主要分类......................................42.2FPGA和CPLD的概况........................................42.3FPGA和CPLD的对比........................................5第三章可编程逻辑器件的特点.........................................7第四章可编程逻辑器件的应用........................................84.1可编程逻辑器件在电子技术领域中的应用........................84.2可编程逻辑器件在ASIC设计中的应用...........................84.3可编程逻辑器件在数字电路实验中的应用........................94.4可编程逻辑器件在电气传动中的应用...........................10第五章可编程逻辑器件的发展现状....................................12总结...............................................................13参考文献...........................................................14测控新技术课程报告1可编程器件技术原理与应用摘要本文介绍了可编程逻辑器件PLD的发展历程、分类、特点及其应用。可编程逻辑器件PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的器件，它具有在线修改能力即随时修改设计而不必改动其硬件电路，这一特点使其设计周期缩短、所设计系统的成本降低、稳定性提高。本文主要介绍了它在电子技术领域、ASIC设计、数字电路实验以及电气传动领域中的应用，并通过实例分析如何在可编程逻辑芯片中实现PWM技术。关键词：可编程逻辑器件，FPGA，ASIC，高密度可编程逻辑器件前言数字电路经历了由早期的电子管、晶体管、中小规模集成电路发展到超大规模集成电路以及具有特定功能的专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）的发展历程，ASIC的应用和发展标志着集成电路已进入了一个新的阶段。可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice,PLD）是通过编程来实现数字逻辑功能的可编程ASIC，随着微电子技术的高速发展，特别是ASIC的市场需求，出现了现场可编程逻辑器件FPLD(FieldProgrammableLogicDevice)，其中应用广泛的是现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)和复杂可编程逻辑器件CPLD(ComplexProgrammab1eLogicDevice)。可编程逻辑器件的问世被称为“冲击硅谷的第三次浪潮”。其应用领域日益广泛，由于PLD器件的可开发性和灵活性，使其能够实现较丰富的逻辑功能。实现系统之间的硬件接口与通信功能。尤其当使用计算机系统过于浪费，用中小集成电路芯片又过于繁杂和功能不足的场合下，PLD器件为电子设计师提供了较为合适的第三种选择。其灵活的可编程能力、快速的并行信号处理方式、足够多的内部资源、无复位问题和程序跑飞困扰等优点使其在电子领域和电气传动等领域中有广泛的应用。测控新技术课程报告2第一章可编程逻辑器件的发展历程PLD是可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice)的简称。可编程逻辑器件PLD是一种数字电路，它是20世纪70年代发展起来的一种划时代的新型逻辑器件，在电子设计领域中使用可编程逻辑器件是最具活力和发展前途的一项技术。它可以由用户来进行编程和配置，利用它可以解决不同的逻辑设计问题。PLD由基本逻辑门电路、触发器以及内部连接电路构成，利用软件和硬件（编程器）可以对其进行编程，从而实现特定的逻辑功能。可编程逻辑器件（PLD）自70年代初期以来经历了从早期的可编程逻辑器件到结构上稍为复杂的可编程芯片再到功能齐全、编程灵活的可编程逻辑器件的发展过程，70年代初期的PLD主要用于解决各种类型的存储问题，如可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM），由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能；结构稍为复杂的可编程逻辑器件在设计上有很强的灵活性，可以实现速度特性较好的逻辑功能，但由于结构简单，它们只能实现规模较小的电路；80年代中期，Altera公司和Xilinx公司同期推出了CPLD（复杂可编程逻辑器件ComplexProgrammableLogicDevice）和FPGA（现场可编程门阵列FieldProgrammableGatesArray），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，可以实现较大规模的电路。进入90年代后，可编程逻辑集成电路技术进入了飞速发展的时期，除继续提高器件的集成度和速度等技术指标外，在系统可编程技术ISP（In—SystemProgrammability）和扫描测试技术的出现，使得可编程逻辑器件在器件编程技术和器件测试技术方面也获得了划时代的进步。可编程逻辑器件的特点随着数字集成电路的不断更新而不断增加，使得传统的数字系统设计方法发生了根本的改变。可编程逻辑器件的灵活性使得硬件系统设计师在实验室里用一台计算机、一套相应的EDA软件和可编程逻辑芯片就可以完成数字系统的设计与生产，而其中应用最广泛的可编程逻辑器件当属FPGA和CPLD。FPGA和CPLD都是可编程逻辑器件，它们是在可编程阵列逻辑（PAL）、通用阵列逻辑(GAL)等逻辑器件的基础上发展起来的。同以往的PAL、GAL比较，FPGA/CPLD的规模更大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGA/CPLD实际上就是一个子系统部件，因此它受到了世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎[1]。FPGA是新一代面向用户的可编程逻辑器件，它的功能密度远远超过其它PLD器件，一块FPGA可以替代100～200片标准器件或者（20～40）片GAL器件，其I/O引脚数多达100余条。所以一片FPGA芯片可以替代多个逻辑功能复杂的逻辑部件或一个小型数字系统。CPLD器测控新技术课程报告3件的结构是一种与阵列可编程、或阵列固定的与或阵列形式。PAL、GAL都采用这种形式，但CPLD同它们相比，增加了内部连线，对逻辑宏单元和I/O单元也有重大改进。一般情况下，CPLD器件中包含三种结构：可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元、可编程内部连线。部分CPLD器件内还集成了RAM、FIFO（先进先出）或双口RAM等存储器，以适应DSP应用设计的要求。CPLD器件具有同FPGA器件相似的集成度和易用性，在速度上还有一定的优势，因此，在可编程逻辑器件技术的竞争中它与FPGA并驾齐驱，成为两支领导可编程逻辑器件技术发展的力量之一[2]。测控新技术课程报告4第二章可编程逻辑器件的分类及开发工具2.1可编程逻辑器件主要分类复杂可编程逻辑器件(ComplexProgramLogicDevice)CPLD和现场可编程门阵列(FPGA)。CPLD内部结构与以往简单的PLD器件(如PAL或GAL)类似，只是容量比PLD高，一般采用EPROM、EEPROM或FLASH结构，其内部逻辑块大，特别适合控制逻辑、译码逻辑以及时序逻辑的应用。FPGA的内部结构与CPLD截然不同，它是由许多微小的逻辑块阵列组成，各个逻辑块阵列四周被I/O块包围，通过编程方式将这些微小的逻辑块连接起来，从而实现各种复杂的逻辑运算，因此FPGA具有逻辑单元小、密度高、数据通道资源丰富、寄存器多等特点，特别适合于复杂的逻辑运算。可编程逻辑器件的开发工具随着可编程逻辑芯片规模的不断扩大对芯片功能的2次开发就越来越依赖于专用的手段和工具，电子设计自动化技术(ElectronicDesignAutomation，EDA)顺应了这种需求，使人们利用集计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学、人工智能学等多种计算机应用学科的最新成果开发而成的一整套软件工具，进行芯片逻辑功能的设计、仿真、时序分析、逻辑综合等。CPLD/FPGA的设计开发采用功能强大的EDA工具,通过符合国际标准的硬件描述语言(如VHDL或VERILOG-HDL)来进行电子系统设计和产品开发,开发工具的通用性,设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的CPLD/FPGA器件的硬件结构没有关系,所以设计成功的逻辑功能软件有很好的兼容性和可移植性,开发周期短，易学易用,开发便捷[3]。2.2FPGA和CPLD的概况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的特点。这两种器件兼容了简单PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与ASIC（ApplicationSpecificIC）相比，具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定等优点，用户可以反复地编程、擦除、使用，或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的能以及可实时在线检验。因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。FPGA和CPLD由三大部分组成，即一个二维的逻辑块阵列，是PLD器件的逻辑组成核心；输入/输出块；连接逻辑块的互连资源。连线资源是由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关。它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连接。（1）FPGA：即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程测控新技术课程报告5器件的基础上进一步发展的产物。它是作为