EDA技术与Verilog设计 第一章 可编程逻辑器件概述
EDA 技术实用教程 第1章 概述
1.1 EDA技术及其发展 技术及其发展
EDA (Electronic Design Automation) 利用EDA技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点： ① 用软件的方式设计硬件；② 用软件方式设计的系统到硬件 系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；③ 设计过程中可 用有关软件进行各种仿真；④ 系统可现场编程，在线升级；⑤ 整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。 因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。
图1-1 EDA技术实现目标 技术实现目标
ASIC:
Application-Specific Integrated Circuits
ASIC的含义：指应特定用户要求或特定 的含义： 的含义 应用需要而设计制造的集成电路。 应用需要而设计制造的集成电路。 ASIC的概念早在上个世纪 年代就有人 的概念早在上个世纪60年代就有人 的概念早在上个世纪 提出，但其真正发展是在进入20世纪 世纪80 提出，但其真正发展是在进入 世纪 年代以后 以后。 年代以后
1.2 EDA技术实现目标 技术实现目标
半定制或全定制ASIC 2. 半定制或全定制ASIC 基于EDA技术的半定制或全定制ASIC，根据它们的实 现工艺，可统称为掩模ASIC 。可编程ASIC 与掩模ASIC相 ASIC ASIC ASIC 比，不同之处就在于它具有面向用户的灵活多样的可编程性。
1.1 EDA技术及其发展 技术及其发展
EDA技术发展的三个阶段 技术发展的三个阶段
20世纪 年代 世纪70年代 世纪
MOS工艺 CAD概念 工艺 概念
20世纪70年代，MOS工艺在集成电路制作方面得到广 泛应用，可编程逻辑技术及器件已经出现。计算机在科研领 域的广泛应用，促使了CAD技术的出现。 CAD即计算机辅 助设计(Computer Assist Design)。在这一阶段，人们开始利 用计算机取代手工劳动，辅助进行集成电路版图设计，PCB 布局布线等工作。
可编程逻辑器件第章第一章可编程逻辑器件简介
可编程逻辑器件第章第一章可编程逻辑器件简介引言电子设计的必由之路将是数字化，这已成为有目共睹的事实。
在数字化的道路上，我国电子设计技术的发展经历了许多重大的变革和飞跃。
从传统的应用SSI、MSI等通用的数字电路芯片构成电路系统到广泛地应用单片机，电子设计技术发生了一个巨大的飞跃。
今天，随着VLSI向更高层次的发展，电子产品市场运作节奏的进一步加快，电子设计技术已迈入一个全新的阶段，即CPLD/FPGA在EDA基础上的广泛应用。
它在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀部分，但在电子设计的技术操作和系统构成上却发生了质的飞跃。
CPLD/FPGA不但在逻辑实现上是无限的，而且可触及硅片电路线度的物理极限，并兼有串行、并行工作方式，高速、高可靠性以及宽口径适用性等诸方面的特点。
不但如此，随着EDA 技术的发展和CPLD/FPGA向深亚微米领域的进军，它们与MCU、MPU、DSP、A/D、D/A、ROM和RAM等独立器件之间的功能界限将日益模糊。
特别是软/硬件IP芯核产业的迅猛发展，嵌入式通用与标准CPLD/FPGA器件呼之欲出，片上系统（SOC）已近在咫尺。
同时，CPLD/FPGA还打破了软硬件之间最后的屏障，使软硬件工程师有了共同的语言。
可以预测，未来的电子设计将是EDA的时代，而掌握EDA这门技术无疑已成为现代每一位电子设计工程技术人员必不可少的基本技能。
本篇正是鉴于这样的背景，介绍了可编程逻辑器件（PLD）CPLD/FPGA的结构以及通用的硬件描述语言（VHDL），并着重介绍了Altera公司的软件平台MAX+PLUSII的使用和在此基础上的PLD基本设计原理。
第一章可编程逻辑器件简介1．1PLD设计的数字系统的特点可编程逻辑器件（ProgrammedLogicDevice），简称PLD，是一种由用户通过编程定义其逻辑功能，从而实现各种设计要求的集成电路芯片。
它是70年代发展起来的新型逻辑器件，发展至今，已相继出现了PROM、EPROM、PLA、PAL、GAL和ISP等多个品种。
可编程逻辑器件和EDA技术
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§1.1 EDA历史与发展
机仿真技术和自动布线技术为核心的第一代EDA技术。设计工程 师可以通过软件工具来完成产品开发的设计、分析、生产、测试 等各项工作。但是，基于原理图进行设计开发的CAE工具，仍然 不能满足高集成度的复杂电了系统设计的要求，设计工程中的系 统优化设计也被固定的具体化的电路元件所制约。 3.电子系统设计自动化ESDA阶段
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§1.1 EDA历史与发展
1.计算机辅助设计CAD阶段 20世纪70年代，MOS工艺得到了广泛的应用，中、小规模的
集成电路有了新的发展。可编程逻辑技术和可编程逻辑器件的出 现，可以应用计算机技术，将平面图形设计与分析工具CAD代替 乎工制图、布线等，出现了第一代EDA技术。由于受计算机工作 平台的技术条件制约，当时的计算机辅助设计技术还比较差。 2.计算机辅助工程设计CAED阶段
狭义的EDA技术是指IES/ASIC自动化设计技术，是以计算 机为基本工作平台，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达 方式，以EDA工具软件为开发环境，以大规模可编程逻辑器件为 设计载体，以专用集成电路ASIC (Application Special Integrated Circuit)、单片电子系统SOC (System On Chip)芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品 设计自动化过程。
什么是EDA技术? EDA技术是现代电了产品设计技术中的一门综 合性新技术，包括广义和狭义的EDA技术。
广义的EDA技术，包括计算机辅助分析CAA技术(EWB, MATLAB等)，印制电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(Protel, Or CAD等)，专用集成电路设计ASIC技术等。
EDA技术与VHDL实用教程(第2版)电子课件 第1章EDA技术概述
2．计算机辅助工程设计CAE阶段
各种设计工具，如原理图输入、编译与 连接、逻辑模拟、测试码生成、版图自动布 局以及各种单元库均已齐全。由于采用了统 一数据管理技术，因而能够将各个工具集成 为一个CAE系统。
EDA技术与VHDL实用教程
作者: 苏莉萍 陈东 廖超平
3．电子系统设计自动化ESDA阶段
EDA技术与VHDL实用教程
作者: 苏莉萍 陈东 廖超平
三、 面向FPGA/CPLD的常用EDA工具
可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）是一种可根据用户需要而自行构造逻辑功 能的逻辑器件。目前主要有两大类型：CPLD（ Complex PLD）和FPGA(Field Programmable Gate Array)。借助于EDA工具软件，用原理图、硬件描 述语言等设计输入法，可设计生成相应的目标文件 ，最后用编程器下载到目标器件实现用户需要的逻 辑功能。生产PLD的厂家很多，但最有代表性的PLD 厂家为Altera、Xilinx和Lattice公司。
EDA技术与VHDL实用教程
作者: 苏莉萍 陈东 廖超平
1. ALTERA 其原先的开发工具MAX+PLUS II是较成功的PLD 开发平台，现在使用Quartus II开发软件。
2. XILINX 开发软件为Foundation和ISE。
3. Lattice-Vantis 开发工具ispLEVER比Altera和Xilinx略逊一筹。
EDA技术与VHDL实用教程
作者: 苏莉萍 陈东 廖超平
1. ALTERA 其原先的开发工具MAX+PLUS II是较成功的PLD 开发平台，现在使用Quartus II开发软件。
第1章EDA课件可编程逻辑器件FPGA课件
逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规
模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系
统为设计工具。
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EDA技术及CPLD/FPGA应用简明教程
1.1 EDA技术的涵义
清华大学出版社
什么叫EDA技术？
由于它是一门迅速发展的新技术，涉及面 广，内容丰富，理解各异，目前尚无统一的看 法。作者认为：EDA技术有狭义和广义之分， 狭义EDA技术就是以大规模可编程逻辑器件为 设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的 主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑 器件的开发软件及实验开发系统为设计工具。
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EDA技术及CPLD/FPGA应用简明教程
清华大学出版社
什么叫EDA技术？
通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设 计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、 逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻 辑仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、 逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子 系统或专用集成芯片的一门新技术，或称为 IES/ASIC自动设计技术。
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EDA技术及CPLD/FPGA应用简明教程
清华大学出版社
2．20世纪80年代的计算机辅助工
程设计CAE阶段
初级阶段的硬件设计是用大量不同型号的标准
芯片实现电子系统设计的。随着微电子工艺的
发展，相继出现了集成上万只晶体管的微处理
器、集成几十万直到上百万储存单元的随机存
储器和只读存储器。此外，支持定制单元电路
设计的硅编辑、掩膜编程的门阵列，如标准单
元的半定制设计方法以及可编程逻辑器件
(PAL和GAL)等一系列微结构和微电子学的研
EDA技术与VHDL程序设计基础教程
二、EDA技术的发展历程和未来展望
现代EDA技术是20世纪90年代初从计算机辅助设计、辅助制造和辅 助测试等工程概念发展而来的。它的成熟主要经历了三个阶段，即：
计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design） 计算机辅助工程设计（CAED，Computer Aided Engineering Design） 电子设计自动化（EDA，Electronic System DesignAutomation）。
11 111 111 11111111 11
&
≥1
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≥1
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≥1
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≥1
1
三、 CPLD的基本结构和工作原理
1.输出逻辑宏单元 2.控制电路
3.全局布线区
属于ispLSI中的一种专用内部 互联结构。起作用是将GLB的 输出信号或I/O单元的输入信 号与GLB的输入端连接
EDA技术主要有四个方面： 1、可编程逻辑器件，即应用EDA技术完成电子系统设计的载体； 2、硬件描述语言（VHDL 或者 Verilog）。它用来描述系统的结构和功
能，是EDA的主要表达手段； 3、配套的软件工具。它用来完成电子系统的智能化设计； 4、实验开发系统。在整个EDA设计电子系统的过程中，实验开发系统是 实现可编程器件下载和验证的工具，
第2章
重点内容：
CPLD结构和工作原理 FPGA结构和工作原理 FPGA配置方式 CPLD/FPGA应用选型
一、可编程逻辑器件概述
可编程逻辑器件 PROM、PLA和PAL的原理和特性
PROM
基于二极管和三极管 的一次可编程PROM单 字线
元
二极管
上拉电阻
EDA技术及应用—Verilog HDL版(第三版) (1)
第2章 大规模可编程逻辑器件
(4) 封装代码。如Altera公司的EPM7128SLC84中的LC， 表示采用PLCC封装(Plastic Leaded Chip Carrier，塑料方形扁 平封装)。PLD封装除PLCC外，还有BGA(Ball Grid Array， 球形网状阵列)、C/JLCC(Ceramic /J-Leaded Chip Carrier,)、 C/M/P/TQFP(Ceramic/Metal/Plastic/Thin Quard Flat Package)、 PDIP/DIP(Plastic Double In line Package)、PGA(Ceramic Pin Grid Array)等，多以其缩写来描述，但要注意各公司稍有差 别，如PLCC，Altera公司用LC描述，Xilinx公司用PC描述， Lattice公司用J来描述。
第2章 大规模可编程逻辑器件
2.1.1 PLD的发展进程
最早的可编程逻辑器件出现在20世纪70年代初，主要是 可编程只读存储器(PROM)和可编程逻辑阵列(PLA)。20世 纪70年代末出现了可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，简称PAL)器件。20世纪80年代初期，美国Lattice公 司推出了一种新型的PLD器件，称为通用阵列逻辑(Generic Array Logic，简称GAL)，一般认为它是第二代PLD器件。 随着技术进步，生产工艺不断改进，器件规模不断扩大，逻 辑功能不断增强，各种可编程逻辑器件如雨后春笋般涌现， 如PROM、EPROM、EEPROM等。
第2章 大规模可编程逻辑器件
采用ISP技术之后，硬件设计可以变得像软件设计那样灵活 而易于修改，硬件的功能也可以实时地加以更新或按预定的 程序改变配置。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统的设 计和调试周期，而且还省去了对器件单独编程的环节，因而 也省去了器件编程设备，简化了目标系统的现场升级和维护 工作。
第1章EDA课件可编程逻辑器件FPGA课件
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第1章EDA课件可编程逻辑器件 FPGA课件
2．20世纪80年代的计算机辅助工 程设计CAE阶段
初级阶段的硬件设计是用大量不同型号的标准 芯片实现电子系统设计的。随着微电子工艺的 发展，相继出现了集成上万只晶体管的微处理 器、集成几十万直到上百万储存单元的随机存 储器和只读存储器。此外，支持定制单元电路 设计的硅编辑、掩膜编程的门阵列，如标准单 元的半定制设计方法以及可编程逻辑器件(PAL 和GAL)等一系列微结构和微电子学的研究成 果都为电子系统的设计提供了新天地。
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第1章EDA课件可编程逻辑器件 FPGA课件
1.3.1. 大规模可编程逻辑器件
可编程逻辑器件(简称PLD)是一种由用户编程以
实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。FPGA和
CPLD分别是现场可编程门阵列和复杂可编程逻
辑器件的简称，现在，FPGA和CPLD器件的应
用已十分广泛，它们将随着EDA技术的发展而成
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第1章EDA课件可编程逻辑器件 FPGA课件
•本教材共10章内容
第一章 绪论 第二章 大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA 第三章 硬件描述语言VHDL编程基础 第四章 常用EDA工具软件操作指南 第五章 基本逻辑电路设计 第六章 CPLD/FPGA在数字系统中的应用 第七章 CPLD/FPGA在通信工程中实践应用 第八章 CPLD/FPGA在DSP领域中的应用 第九章 CPLD/FPGA在微机工程中实践应用 第十章 CPLD/FPGA实验
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第1章EDA课件可编程逻辑器件 FPGA课件
这时的EDA工具不仅具有电子系统设计的能力， 而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力， 具有高级抽象的设计构思手段。例如，提供方框 图、状态图和流程图的编辑能力，具有适合层次 描述和混合信号描述的硬件描述语言(如VHDL、 AHDL或Verilog-HDL)，同时含有各种工艺的标准 元件库。只有具备上述功能的EDA工具，才可能 是电子设计工程师在不熟悉各种半导体工艺的情 况下，完成电子系统的设计。
《EDA技术与Verilog HDL》PPT第3版 第1章 EDA技术概述
1．熔丝(Fuse)型器件 2．反熔丝(Anti-fuse)型器件 3．EPROM型 4．EEPROM型 5．SRAM型 6．Flash型
1.6 可编程逻辑器件
1.6.2 PROM可编程原理
图1-5 两种不同版本的国际标准逻辑门符号对照表
1.6 可编程逻辑器件
1.6.2 PROM可编程原理
1.6 可编程逻辑器件
1.8.3 内嵌Flash的FPGA器件
1.9 硬件测试技术
1.9.1 内部逻辑测试 1.9.2 JTAG边界扫描测试
1.10 编程与配置
基于电可擦除存储单元的EEPROM或Flash技术 基于SRAM查找表的编程单元。 基于反熔丝编程单元。
主动配置方式
被动配置方式
1.11 Quartus II
HDL
VHDL Verilog HDL SystemVerilog System C
在EDA设计中使用最多，也得到几 乎所有的主流EDA工具的支持
这两种HDL语言还处于完善过程中， 主要加强了系统验证方面的功能。
1.4 EDA技术的优势
1．保证设计过程的正确性，大大降低设计成本，缩短设计周期。 2．有各类库的支持。 3．极大地简化设计文档的管理。 4．日益强大的逻辑设计仿真测试技术。 5．设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞。 6．良好的可移植与可测试性，为系统开发提供了可靠的保证。 7．能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中。 8．EDA不但在整个设计流程上充分利用计算机的自动设计能力，而 且在各个设计层次上利用计算机完成不同内容的仿真模拟，在系统 板设计结束后仍可利用计算机对硬件系统进行完整的测试。
1.5.3 适配（布线布局）
1.5 面向FPGA和CPLD的开发流程
eda技术实用教程verilog(第四版)前两章考试复习资料
第一章 EDA 基础知识1．EDA 技术概念答：利用EDA技术可以实现专用集成电路ASIC的设计和实现（FPGA和CPLD是实现这一途径的主流器件。
FPGA和CPLD通常也被称为可编程专用IC，或可编程ASIC。
FPGA和CPLD 的应用是EDA技术有机融合软硬件电子设计技术、SoC（片上系统）和ASIC设计，以及对自动设计与自动实现最典型的诠释。
）2． EDA 技术发展的 3 个阶段（CAD ， CAE ，EDA）答：（1）20世纪70年代：CAD阶段-CAD概念已见雏形，人们开始利用计算机及取代手工劳动，辅助进行集成电路板图编辑、PCB（印制电路板）布局布线等工作。
（2）20世纪80年代：CAE阶段。
（3）20世纪90年代：EDA阶段。
3． EDA 技术实现目标答：利用EDA技术进行电子系统设计的最后目标是完成专用集成电路ASIC或印制电路板（PCB）的设计和实现（图1-1）。
4．EDA 技术实现目标的途径答：（1）可编程逻辑器件：；FPGA和CPLD是实现这一途径的主流器件。
FPGA和CPLD通常也被称为可编程专用IC，或可编程ASIC。
FPGA和CPLD的应用是EDA技术有机融合软硬件电子设计技术、SoC（片上系统）和ASIC设计，以及对自动设计与自动实现最典型的诠释。
（2）半定制或全定制ASICa:门阵列ASICb:标准单元ASIC(3)混合ASIC5．硬件描述语言答： VHDL、Verilog HDL、SystemVerilog、System C6． VERILOG HDL的发展过程（1）含义（2）创建时间答：1983年、创建公司：Gateway Design Automation(GDA)（3）特点:答：a：参照C语言的语法设立的（但与C有本质的区别）b：代码简明扼要，使用灵活，且语法规定不是很严谨，很容易上手。
c：具有很强的电路描述和建模能力。
7． VERILOG HDL 的设计方法，分为哪几个阶段答：8．自顶向下，自底向上方法比较答：自底向上：低效、低可靠性、费时费力、成本高昂。
EDA技术与Verilog设计第九章课后习题答案
EDA技术与Verilog设计第九章课后习题答案第一章EDA技术概述一、填空题1、电子设计自动化2、非常高速集成芯片硬件描述语言3、CAD、CAE、EDA4、原理图输入、状态图输入、文本输入5、VHDL、VerilogHDL6、硬件特性二、选择题1、A2、C3、A4、D5、C6、D7、A第二章可编程逻辑器件基础一、填空题1、PLD2、Altera公司、Xilinx公司、Lattice公司3、基于反熔丝编程的FPGA4、配置芯片二、选择题1、D2、C3、C4、D第三章VHDL程序初步——程序结构一、填空题1、结构、行为、功能、接口2、库和程序包、实体、结构体、配置3、实体名、类型表、端口表、实体说明部分4、结构体说明语句、功能语句5、端口的大小、实体中子元件的数目、实体的定时特性6、设计库7、元件、函数8、进程PROCESS、过程PROCEDURE9、顺序语句、并行语句二、选择题1、D2、C3、C4、B5、D6、B7、A8、C三、简答题2、LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITYnand_3inISPORT(a,b,c:INSTD_LOGIC;y:OUTSTD_LOGIC);END; ARCHITECTUREbhvOFnand_3inIS BEGINy<=NOT(aANDbANDc); ENDbhv;5、00006247）第四章VHDL基础一、填空题1、顺序语句、并行语句2、跳出本次循环3、等待、信号发生变化时4、函数、过程5、值类属性、函数类属性、信号类属性、数据类型类属性、数据范围类属性6、程序调试、时序仿真7、子程序、子程序二、选择题1、B2、A3、A4、C5、B6、C7、D三、判断题1、√2、√3、√4、√5、×6、×四、简答题9、修改正确如下所示：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITYcountISPORT(clk:INBIT;q:OUTBIT_VECTOR(7DOWNTO0)); ENDcount; ARCHITECTUREaOFcountIS BEGINPROCESS(clk)IFclk'EVENTANDclk='1'THENq<=q+1;ENDPROCESS;ENDa;10、修改正确如下所示：…SIGNALinvalue:ININTEGER SIGNALoutvalue:OUTSTD_LOGIC;…CASEinvalueISWHEN0=>outvalue<='1';WHEN1=>outvalue<='0';WHENOTHERS=>NULL;ENDCASE;…11、修改正确如下所示：ARCHITECTUREbhvOFcom1ISBEGINSIGNALa,b,c:STD_LOGIC;pro1:PROCESS（clk）BEGINIFNOT(clk'EVENTANDclk='1')THENx<=aXORbORc;ENDIF;ENDPROCESS;END;12、(1)PROCESS(…)--本题中两条IF语句均为信号c进行可能赋值，VHDL语言不允许IFa=bTHENc<=d;ENDIF;IFa=4THENc<=d+1;ENDIF;ENDPROCESS;(2)ARCHITECTUREbehaveOFmuxIS--同时为q进行多次可能赋值，VHDL语言不允许BEGINq<=i0WHENa='0'ANDb='0'ELSE'0';--WHENELSE语句语法错误q<=i1WHENa='0'ANDb='1'ELSE'0';q<=i2WHENa='1'ANDb='0'ELSE'0';q<=i3WHENa='1'ANDb='1'ELSE'0';ENDbehave;13、next1<=1101WHEN(a='0'ANDb='0')ELSEdWHENa='0'EL。
《EDA技术与Verilog设计》第1章：EDA技术概述
IP核与 核与SOC设计 核与 设计
--用 等硬件描述语言描述的功能块， 软IP--用VHDL等硬件描述语言描述的功能块，但 -等硬件描述语言描述的功能块 是并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能。 是并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能。 --完成了综合的功能块 固IP--完成了综合的功能块。 --完成了综合的功能块。
现代EDA技术的特征 技术的特征 现代
1．硬件描述语言设计输入 ． 2．“自顶向下”设计方法（Top-down） ． 自顶向下”设计方法（Top-down） 3．开放性和标准化 ． 4．高层综合与优化 ．
1.2 Top-down设计与 核设计 设计与IP核设计 设计与
Top-down的设计 的设计 须经过“设计—验 须经过“设计 验 修改设计—再 证—修改设计 再 修改设计 验证”的过程， 验证”的过程，不 断反复， 断反复，直到结果 能够实现所要求的 功能，并在速度、 功能，并在速度、 功耗、 功耗、价格和可靠 性方面实现较为合 理的平衡。 理的平衡。
IP(Intellectual Property)核 核
IP（Intellectual Property）：原来的含义是指 （ ）：原来的含义是指 ）： 知识产权、著作权， 知识产权、著作权，在IC设计领域指实现某 设计领域指实现某 种功能的设计。 种功能的设计。 IP核（IP模块）：指功能完整，性能指标可 模块）：指功能完整， 核 模块）：指功能完整 已验证的、可重用的电路功能模块。 靠，已验证的、可重用的电路功能模块。 IP复用（IP reuse） 复用（ 复用 ）
（b）硬件语言设计目标流程 ）
适 配
适配器也称为结构综合器， 适配器也称为结构综合器，它的功能是将由综合 器产生的网表文件配置于指定的目标器件中， 器产生的网表文件配置于指定的目标器件中，并产 生最终的可下载文件 器件而言， 对CPLD器件而言，产生熔丝图文件，即JEDEC 器件而言 产生熔丝图文件， 文件； 器件则产生Bitstream位流数据文件 文件；对FPGA器件则产生 器件则产生 位流数据文件
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编程连线阵列（PIA）和I/O控制块等五部分。
第1章 概述
1.2.2 CPLD的结构与工作原理
1．逻辑阵列块(LAB)
MAX7128S的结构
第1章 概述
1.2.2 CPLD的结构与工作原理
2．宏单元
MAX7000系列中的宏单元
逻辑与阵列
乘积项选择矩阵
可编程寄存器
三种时钟输入模式
全局时钟信号
全局时钟信号由高电平有效的时钟信号使能 用乘积项实现一个阵列时钟
第1章 概述
可编程逻辑器件的分类 :
可编程逻辑器件（PLD）
简单 PLD
复杂 PLD
PROM
PLA
PAL
GAL
CPLD
FPGA
第1章 概述
1.2 可编程逻辑器件的基本结构
1.2.1 简单PLD的基本结构 简单PLD包括PROM、 PLA、 PAL和GAL。 其结 构特点是由与阵列和或阵列组成， 能有效地实现“积 之和”形式的布尔逻辑函数， 与或阵列在硅片上也非 常容易实现。与或表达式是布尔代数的常用表达式形
第1章 概述
可编程开关矩阵
CLB CLB CLB C LB
可编程输入/输出模块
CLB CLB CLB CLB
互连资源
可编程逻辑模块
CLB CLB CLB CLB
CLB
CLB
CLB
CLB
FPGA的基本结构
第1章 概述
1. 可编程逻辑块CLB
CLB是FPGA的主要组成部分， 是实现逻辑功能的 基本单元。 XC4000系列的CLB基本结构框图如图所示， 它主要由逻辑函数发生器、 触发器、 数据选择器等电 路组成。
第1章 概述
EDA技术发展的三个阶段
20世纪70年代 20世纪80年代
MOS工艺
CAD阶段
CMOS时代
CAE阶段
20世纪90年代
ASIC设计技术
EDA阶段
CAD（Computer Aided Design）计算机辅助设计 CAE（Computer Aided Engineering）计算机辅助工程设计 MOS (Metal-Oxide Semiconductor) 金属氧化物半导体 CMOS (Comlementary Metal-Oxide Semiconductor) 互补型 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 专用集成电路
制， 双长度线不与其它线相连。
第1章 概述
F4 G1 C1 K F1 X XQ
C4
G4
YQ Y G3
CLB C3 F3 F2 C2 G2
专用长线
专用长线
XC4000的长线连接结构
第1章 概述
1.3 可编程逻辑器件的设计
1.3.1 基本设计方法 1. 传统的系统硬件电路设计方法 在EDA出现以前， 人们采用传统的硬件电路设计 方法来设计系统。 传统的硬件电路采用自下而上 （Bottom Up）的设计方法。 其主要步骤是： 根据系
第1章 概述
1.2.2 CPLD的结构与工作原理
3．扩展乘积项
局部连线
宏单元的 乘积项 逻辑
共享扩展 项提供的 “与非” 乘积项
宏单元的 乘积项 逻辑
共享扩展乘积项结构
第1章 概述
1.2.2 CPLD的结构与工作原理
3．扩展乘积项
并联扩展项馈送方式
第1章 概述
1.2.2 CPLD的结构与工作原理
第1章 概述
EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展 ：
电子设计成果
自主知识产权
仿真和设计 EDA软件不断推出 电子技术全方位纳入EDA领域 传统设计建模理念发生重大变化 EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊 更加互为包容 更大规模的FPGA和CPLD器件的不断推出 EDA工具 ASIC设计 涵盖大规模电子系统及复杂IP核模块 软硬件IP核在电子行业广泛应用 IP－Intellectual Property SoC高效低成本设计技术的成熟 硬件描述语言出现（如System C） 设计和验证趋于简单
第1章 概述
CLB
CLB
CLB 双长度线
PSM
PSM
单长度线 双长度线
CLB
CLB
CLB
PSM
PSM
CLB
CLB
CLB
XC4000的单长度线和双长度线结构
第1章 概述
可编程开关矩阵PSM的结构如图所示。 每个连线
点上有6个选通晶体管， 进入开关矩阵的信号， 可与 任何方向的单、 双长度线互连。
第1章 概述
第1章 概述
SRAM型FPGA的突出优点是可反复编程， 系统 上电时， 给FPGA加载不同的配置数据就可完成不同 的硬件功能， 甚至在系统运行中改变配置， 实现系统 功能的动态重构。 快闪EPROM型FPGA具有非易失性 和可重复编程的双重优点， 但不能动态重构， 功耗也 较SRAM型高。 目前FPGA的主流仍然是Xilinx公司的 产品， 下面就以Xilinx公司的FPGA为例， 分析其结构 特点。FPGA一般由三种可编程电路和一个用于存放编 程数据的SRAM组成， 这三种可编程电路是： 可编程 逻辑块CLB（Configurable Logic Block）、 输入／输出 模块IOB（I/O Block）和互连资源IR（Interconnect Resource）， 其基本结构如下图所示。
每个开关矩阵 的连线点上有 6 个选通晶体管
XC4000的PSM结构
第1章 概述
长线连接结构如图所示。 由长线网构成的金属网 络， 布满了阵列的全部长和宽， 这些长线不经过可编 程开关矩阵， 信号延时小， 长线用于高扇出以及关键 信号的传输。 每条长线中间有可编程分离开关， 使长 线分成两条独立的连线通路， 每条连线只有阵列的宽 度或高度的一半。 CLB输入可以由邻近的任一长线驱 动， 输出可以通过三态缓冲器驱动长线。 单长度线和 长线之间的连接由位于线交叉处的可编程互连点所控
因而具有高密度、 高速度和低功耗等特点。
第1章 概述
目前主要的半导体器件公司(如Xilinx、 Altera、
Lattice和AMD等公司)在各自的高密度PLD产品中都有 着自己的特点， 但总体结构大致相同。 大多数EPLD 和CPLD器件中至少包含了三种结构： 可编程逻辑宏 单元， 可编程I/O单元和可编程内部连线。 Altera公司的MAX7000A系列器件是高密度高性能 的EPLD， 其基本结构如图1.10所示， 包括逻辑阵列块 （LAB）、 宏单元、 扩展乘积项（共享和并联）、 可
第1章 概述
单长度线和双长度线结构如图所示。 单长度线是
贯穿CLB之间的八条垂直和水平金属线段， 在这些金 属线段的交叉点处是可编程开关矩阵PSM。 CLB的输 入输出分别接至相邻的单长度线与开关矩阵相连， 通 过编程可将某个CLB与其它CLB或IOB连在一起。 双 长度线是四条垂直和水平金属线， 其长度为单长度金 属线的两倍， 要穿过两个CLB之后， 这些金属线段才 与PSM相连。 因此， 利用双长度线可使两个相间（非 相邻）的CLB连接在一起。
第1章 概述
第1章 可编程逻辑器件概述
1.1 EDA和PLD发展概况 1.2 可编程逻辑器件的基本结构 1.3 可编程逻辑器件的设计
第1章 概述
1.1 EDA技术的发展概况
1.1.1 EDA的概念和发展历史
EDA (Electronic Design Automation) 电子设计自动化
就是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统 逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开 发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完 成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、 逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至完成 对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终 形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。
式， 根据布尔代数的知识， 所有的逻辑函数均可以用
与或表达式描述。
第1章 概述
简单PLD的基本结构框图如图所示：
输 入
„
输入 缓冲 电路
与 阵 列
或 阵 列
输出 缓冲 电路
„
输 出
第1章 概述
电路符号表示 ：
常用逻辑门符号与现有国标符号的对照
第1章 概述
PLD的互补缓冲器
PLD的互补输入
PLD中与阵列表示
4．可编程连线阵列(PIA)
PIA信号布线到LAB的方式
第1章 概述
1.2.2 CPLD的结构与工作原理
5．I/O控制块
EPM7128S器件的I/O控制块
第1章 概述
1.2.3 FPGA的基本结构
FPGA的发展非常迅速， 形成了各种不同的结构。 按逻辑功能块的大小分类， FPGA可分为细粒度FPGA 和粗粒度FPGA。 细粒度FPGA的逻辑功能块较小， 资 源可以充分利用， 但连线和开关多， 速度慢； 粗粒度 FPGA的逻辑功能块规模大， 功能强， 但资源不能充 分利用。从逻辑功能块的结构上分类， 可分为查找表 结构、 多路开关结构和多级与非门结构。
第1章 概述
PLD中或阵列的表示
阵列线连接表示
KX康芯科技
第1章 概述
四种简单PLD电路的结构特点
第1章 概述
1.2.2 CPLD的结构与工作原理
EPLD和CPLD是从PAL、 GAL基础上发展起来的
高密度PLD器件， 它们大多采用CMOS、 EPROM、 E2PROM和快闪存储器（Flash Memory）等编程技术，
第1章 概述
根据编程方式， FPGA可分为一次编程型和可重复
编程型两类。 一次编程型采用反熔丝开关元件， 具有 体积小、 集成度高、 互连线特性阻抗低、 寄生电容小 和高速度的特点， 此外还具有加密位、 防拷贝、 抗辐 射、 抗干扰、 不需外接PROM或EPROM的特点， 但 只能一次编程， 比较适合于定型产品及大批量应用， Actel公司和Quicklogic公司提供此类产品。可重复编程 型FPGA采用SRAM开关元件或快闪EPROM控制的开 关元件， 配置数据存储在SRAM或快闪EPROM中。