浅谈基于FPGA的电路设计

浅谈基于FPGA的电路设计报告人：吴爱平2005/11/13参考资料VHDL电路设计技术国防工业出版社CPLD系统设计技术入门与应用电子工业出版社基于FPGA的嵌入式系统设计西电出版AlteraFPGA/CPLD设计(基础篇)EDA先锋工作室网站：的电路设计FPGA概述设计过程注意事项温馨提示如果你打算5年成为高手，你可能2-3年就可以达到；如果你打算1年成为高手，你可能5年达不到。---梁肇新汇报结束，敬请批评指正！FPGA概述可编程器件发展历程及现状内部结构及实现原理开发平台硬件开发语言可编程逻辑器件的发展历程70年代80年代90年代PROM和PLA器件改进的PLA器件GAL器件FPGA器件EPLD器件CPLD器件内嵌复杂功能模块的SoPC2000年PLD发展历程及现状FPGA（FieldProgrammableGatesArray）CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）三大公司全球最主要的可编程逻辑器件厂商AlteraXilinxLattice2005年第1季度（1～3月）结算公司名称销售额每股净盈亏（美元）（美元）与上年同期相比GAAP（含相当）ProFormaXilinx,Inc.3亿9100万-3％0.19—AlteraCorp.2亿6480万＋9％0.17—LatticeSemiconductorCorp.5130万-13％-0.10-0.06ActelCorp.4400万＋4％0.060.08QuickLogicCorp.1250万＋21％0.030.03主要PLD/FPGA厂商2005年一季度销售额和盈利状况表ALTERA公司器件简介早期器件：FLEX10KLC84TC144BC356FLEX10KATC100BC356ACEX1K1K101K301K50MAX7000EPM7128主流器件：MAXIIEPM2405701270CycloneEP1C3461220StratixEP1S10202530下一代器件：CycloneIIEP2C5820355070StratixIIEP2S15306090130XiLinx公司器件简介早期器件：XC3000XC4000XC9500XC9536，XC9572，XC95144主流器件：XC9500XLXC9536XL,72XLSpartan3/3LXC3S50,200,400VirtexIIXC2V40,80,250下一代器件：Spartan3EXC3S100E,250EVirtex-4LX4VLX15,25,40,60SX4VSX25,35,55FX4VFX12Lattice公司器件简介早期器件：isp1000/2000/5000/8000ispLSI1016,1024,1032,1048主流器件：ispMACH4000V/B/ZispMACH4032V,64V,128V,256VispMACH4032B,64B,128B,256BispMACH4032Z,64Z,128Z,256ZLatticeEC/ECPEC1,EC3,EC6/ECP6,EC15/ECP15代理商ALTERA公司骏龙(Cytech)艾睿(Arrow)时代益华(Achieva)富昌(Future)文晔(Wintech)XiLinx公司盈丰（Insight）和安富利（AVNET）Lattice公司金龙电子威建实业彦阳科技输入缓冲电路与阵列或阵列输出缓冲电路输入输出……基本PLD器件的原理结构图内部结构及实现原理兰色：逻辑阵列块红色：连线资源黄色：输入输出块内部结构及实现原理基于乘积项(Product-Term)基于查找表(Look-Up-Table)基于乘积项基于查找表传统CPLD/FPGA的区别结构不同工艺不同集成度掉电情况配置电路Tpd时间POR时间主要开发平台Altera公司MAXPLUSIIQUARTUSII开发工具Xilinx公司FoundationISELattice公司ispLEVERispDesignEXPERNT第三方工具ModleSimActiveHDLSynplify/SynplifyProDebussyIPCoreSOPCBuilderDSPBuilder硬件开发语言ABELAHDLVerilogVHDLsystemC和Handle-CABEL这是一种早期的硬件描述语言。支持逻辑电路的多种表达形式，其中包括逻辑方程，真值表和状态图。ABEL语言从早期可编程逻辑器件（PLD）的设计中发展而来ABEL-HDL被广泛用于各种可编程逻辑器件的逻辑功能设计。如GAL、LatticeispEXPERT,Xilinx的FOUNDATION和WEBPACK等EDA软件中。从长远来看，ABEL-HDL只会在较小的范围内继续存在。AHDLALTERA公司发明的HDL,特点是非常易学易用，学过高级语言的人可以在很短的时间（如几周）内掌握AHDL。缺点：移植性不好，通常只用于ALTERA自己的开发系统。VerilogVerilogHDL就是在应用最广泛的C语言的基础上发展起来的一种件描述语言。1990年CADENCE公司公开发表了VerilogHDL,并成立LVI组织以促进VerilogHDL成为IEEE标准，即IEEEStandard1364-1995。特点：1、语法自由2、国内资料相对较少3、IC设计中，90%的公司使用4、可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化VHDL全称：Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage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。有IEEE-1076和IEEE标准的1076-1993版本。特点：1、发展较早，语法严格2、可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化3、VHDL丰富的仿真语句和库函数开发设计软件设计下载板(线)的制作硬件设计用户板的制作软件设计流程设计输入逻辑综合布局布线下载调试约束文件功能仿真时序仿真STEP1：建立工作库文件夹STEP2：输入设计项目VHDL文本代码STEP3：存盘，注意文本取名STEP4：将设计项目设置成ProjectSTEP5：选择目标器件STEP11：硬件测试STEP9：引脚锁定并编译STEP8：仿真测试和波形分析STEP7：建立仿真波形文件STEP6：启动编译STEP10：编程下载/配置VHDL文本输入设计流程Step1建立工作库文件夹为设计全加器新建一个文件夹作工作库文件夹名取为My_prjct注意，不可用中文！Step2编辑输入并保存VHDL源文件新建一个设计文件使用文本输入方法设计，必须选择打开文本编辑器Step3在文本编辑窗中输入VHDL文件及存盘建立文本编辑器对话框文本编辑窗用键盘输入设计文件：多路选择器存盘文件名必须取为：mux21a.vhd注意，要存在自己建立的文件夹中文件存盘后，关键词将改变颜色！否则文件名一定有错！Step4将当前设计设定为工程首先点击这里然后选择此项，将当前的原理图设计文件设置成工程最后注意此路径指向的改变注意，此路径指向当前的工程！首先选择这里器件系列选择窗，选择ACEX1K系列根据实验板上的目标器件型号选择，如选EP1K30注意，首先消去这里的勾，以便使所有速度级别的器件都能显示出来Step5选目标器件选择编译器编译窗Step6编译及纠错选择VHDL文本编译版本号和排错选择此项选择VHDL1993项选择此项消去这里的勾编译出错！确定设计文件中的错误打开错误提示窗错误所在错误所在改正错误完成编译！首先选择此项，为仿真测试新建一个文件Step7建立波形文件选择波形编辑器文件从SNF文件中输入设计文件的信号节点点击“LIST”SNF文件中的信号节点用此键选择左窗中需要的信号进入右窗最后点击“OK”消去这里的勾，以便方便设置输入电平在Options菜单中消去网格对齐SnaptoGrid的选择(消去对勾)选择ENDTIME调整仿真时间区域。选择65微秒比较合适用此键改变仿真区域坐标到合适位置。点击‘1’，使拖黑的电平为高电平先点击‘b’，将其点为黑色然后先点击此处将弹出时钟周期设置窗设置输入信号‘b’的周期为800ns设置输入信号‘a’的周期为2us仿真波形文件存盘！选择仿真器运行仿真器Step8时序仿真mux21a仿真波形选择引脚锁定选项引脚窗Step9引脚锁定及再编译此处输入信号名此处输入引脚名按键“ADD”即可注意引脚属性错误引脚名将无正确属性！再编译一次，将引脚信息进去选择编程器，准备将设计好的半加器文件下载到目器件中去编程窗Step10编程下载/配置在编程窗打开的情况下选择下载方式设置选择此项下载方式下载（配置）成功！下载配置模式下载板电路图下载板电路图用户板的制作选择配置模式FPGA芯片库的制作FPGA外围电路的制作设计中注意事项软件设计硬件设计软件设计注意点合理规划设计实体进程中敏感信号的选取避免使用latch双向电路的输出控制多看RTL门级电路多用逻辑锁定多用同步电路，少用异步电路多用全局时钟，少用门控时钟BCDA硬件设计注意点下载配置方式的选取供电电压VCCINTVCCIO电源的滤波Pintopin兼容原则空闲I/O的处理时钟的走线输出调试信号器件选取命名方法系列符号器件类型封装类型工作温度引脚数速度等级EPF10K10TQFPC（0，70）84-1EPM7128PQFPI（-45，85）144-2EPC1，2CQFPM（-55，125）208-3EP1C3，4BGA240-4EP1S10，20PLCC356EP2C5，8PDIPEP2S15，30详情参阅：个数驱动能力工作环境特殊要求PLLDSP模块RAM大小内置FLASH大小自适应逻辑模块