EDA技术实用教程课件第一章可编程逻辑器件简介
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第1章 EDA 概述PPT教学课件
EDA(Electronic Design Automation) 技术。
EDA技术的发 展分为三个阶段
2020/12/11
20世纪70年代 计算机辅助设计CAD 20世纪80年代 计算机辅助工程设计CAE 20世纪90年代 电子设计自动化EDA
13
一、 EDA技术的涵义 EDA（Electronic Design
本书中提到的EDA技术指的是狭义的EDA技术。
2020/其发展
EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展
在FPGA上实现DSP（数字信号处理）应用成为可能 在一片FPGA中实现一个完备的数字处理系统成为可能 功能强大的EDA软件不断推出 电子技术领域全方位融入EDA技术 EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容 基于EDA的用于ASIC设计的标准单元已涵盖大规模电子系统
CPLD/FPGA设计及应用
教研室
Qq：
2020/12/11
1
褚振勇，《 FPGA设计及应用(第2版)》，西安电子科技大 学出版社，2006年12月
罗朝霞，高书莉，《CPLD/FPGA设计及应用》，人民邮电 出版社，2007年7月
、
2020/12/11
2
《数字电路》为基础：学习了数字电路的基本 设计方法。
2020/12/11
4
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、非门等,在此基础上可实现 复杂的时序和组合逻辑功能。
可编程逻辑器件（PLD－－Programmable Logic
Device）：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，即由编程的方法来确定器件的逻 辑功能。
2020/12/11
EDA技术的发 展分为三个阶段
2020/12/11
20世纪70年代 计算机辅助设计CAD 20世纪80年代 计算机辅助工程设计CAE 20世纪90年代 电子设计自动化EDA
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一、 EDA技术的涵义 EDA（Electronic Design
本书中提到的EDA技术指的是狭义的EDA技术。
2020/其发展
EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展
在FPGA上实现DSP（数字信号处理）应用成为可能 在一片FPGA中实现一个完备的数字处理系统成为可能 功能强大的EDA软件不断推出 电子技术领域全方位融入EDA技术 EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容 基于EDA的用于ASIC设计的标准单元已涵盖大规模电子系统
CPLD/FPGA设计及应用
教研室
Qq：
2020/12/11
1
褚振勇，《 FPGA设计及应用(第2版)》，西安电子科技大 学出版社，2006年12月
罗朝霞，高书莉，《CPLD/FPGA设计及应用》，人民邮电 出版社，2007年7月
、
2020/12/11
2
《数字电路》为基础：学习了数字电路的基本 设计方法。
2020/12/11
4
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、非门等,在此基础上可实现 复杂的时序和组合逻辑功能。
可编程逻辑器件（PLD－－Programmable Logic
Device）：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，即由编程的方法来确定器件的逻 辑功能。
2020/12/11
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。
EDA 技术实用教程 第1章 概述
2 HDL综合器
FPGA Compiler II、DC-FPGA综合器、 Synplify Pro综合器、LeonardoSpectrum综合 器和Precision RTL Synthesis综合器
3 仿真器
4 适配器 5 下载器
VHDL仿真器 Verilog仿真器
Mixed HDL仿真器
其他HDL仿真器
约束
郑州工商学院
1.5 基于VHDL的自顶向下设计方法
1．设计说明书 2．建立VHDL行为模型
3．VHDL行为仿真 4．VHDL-RTL级建模
5．前端功能仿真 6．逻辑综合
7．测试向量生成 8．功能仿真
图1-4 自顶向下的设计流程
9．结构综合 10．门级时序仿真
11．硬件测试 12．设计完成
郑州工商学院
郑州工商学院
1.14 IP核简介
IP (Intellectual Property)
软IP
固IP
硬IP
郑州工商学院
习题
1-1 叙述EDA的FPGA/CPLD设计流程。 1-2 IP是什么？IP与EDA技术的关系是什么？ 1-3 叙述ASIC的设计方法。 1-4 FPGA/CPLD在ASIC设计中有什么用处？ 1-5 简述在基于FPGA/CPLD的EDA设计流程中所涉及的 EDA工具，及其在整个流程中的作用。
EDA 技术实用教程
第1章 概 述
1.1 EDA技术及其发展
EDA (Electronic Design Automation)
EDA技术发展的三个阶段
20世纪70年代
MOS工艺 CAD概念
20世纪80年代
CMOS时代 出现 FPGA
20世纪90年代
EDA技术和可编程逻辑器件
FPGA开发工具
Altera公司工具：MAX+plusII和QuartusII，工具易学易用，具有可 视化界面、集成设计环境、工业标准的工具接口等。设计人员无需精 通器件的内部原理，只需运用自己熟悉的输入方法进行设计，通过 MAX+plusII和QuartusII把设计转换为器件下载所需要的文件格式。 Xilinx公司工具：早期的Foundation和目前的ISE 。 Lattice公司工具：公司已推出第四代开发软件ispDesign EXPERT。
什么是FPGA
• 现场可编程门阵列FPGA是一种数字集成电路：FPGA芯片内部 有大量的逻辑块，这些逻辑块是可以编程的，逻辑块之间的连
接称为互连资源，这些互连资源也是可以编程的。通过对逻辑
块以及互连资源的编程可以实现各种数字电路、数字系统的设 计。对FPGA的编程有各种不同的实现方式。 • 一次性编程OTP（One Time Programmable）器件 • 多次编程工艺的FPGA：包括非易失性的和易失性的.
芯片的讨论，了解FPGA的工作原理、编程方法。
二、FPGA开发工具，介绍工具组成和使用，通过实际工具QuartusII 的介绍，了解FPGA的开发流程和工具使用。
三、FPGA芯片开发语言，通过VHDL介绍，学习电子系统的描述方法。
四、FPGA应用实例，通过实例学习FPGA的设计、验证、综合和实现。
EDA软件工具
通用EDA软件工具：
具有良好的标准化和兼容性，与半导体器件厂商无关。
专用EDA软件工具： 世界上比较有名的PLD器件厂商有Altera、Xilinx、 Lattice、Actel、AMD等。这些器件公司开发的EDA软件工
具，只能用来开发本公司的PLD器件，但在资源利用率、降
《可编程逻辑器件》PPT课件
13
2） 与、或全编程： 代表器件是FPLA（Field Programmable Logic
Array） 3）与编程、或固定： 代表器件PAL（Programmable Array Logic） 和GAL（Generic Array Logic） 、EPLD、FPGA （Field Programmable Gate Array ）。
2021/7/10
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GAL16V8逻辑图及引脚图
1
0
8
16
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31
CK
0
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OLM C
2
（ 19）
8
18
OLM C
3
（ 18）
16
4
17 OLM C （ 17）
24
16
5
OLM C （ 16）
可编程逻辑器件PLD
LDPLD （低密度 PLD）
HDPLD （高密度PLD）
PROM FPLA PAL GAL EPLD iSP FPGA
2021/7/10
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8.2 现场可编程逻辑阵列（FPLA）
组合电路和时序电路结构的通用形式
A0~An-1
W0 D0
W(2n-1) Dm
2021/7/10
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卡诺图化简：
YL 0 B A
00 DC
00 1 01 1
01 11 10
1 1 11
11
10
YL 1
BA 00
01
11 10
DC
00
01
11
11
10 1 1
1
YL 2
BA 00
01
DC
00
EDA技术实用教程精品PPT课件
VerilogHDL与VHDL最常用
VerilogHDL与VHDL的比较
• VHDL来源于古老的Ada语言，VerilogHDL来源于 C语言，VerilogHDL受到一线工作的工程师的青 睐。
• 90%以上的公司采用verilogHDL进行IC设计， ASIC设计必须学习VerilogHDL,VerilogHDL在工 业界通用些，VHDL在大学教学中使用较多
自项向下的设计方法
• 设计说明书 • 行为模型 • 行为仿真 • RTL级建模 • 前端功能仿真 • 逻辑综合 • 测试向量生成 • 功能仿真 • 结构综合 • 门级时序仿真 • 硬件测试
“自顶向下”和“自下向顶”互 为补充
• 原先是采用“自下向顶”的设计方法 • 现在流行“自顶向下”的设计方法 • 两种方法各有利和弊，只强调“自顶向下”
运算步
寄存器传输级（RTL） 时钟周期
逻辑门级（Logic） 延时
门（电路）级（Gate）物理时间
物理级（版图级） （Layout）
几何图形
基本单位
电路的功能（行为） 描述
进程及通信
自然语言描述或ห้องสมุดไป่ตู้互 通信的进程
运算的控制
行为有限状态机、数 据流图、控制流图
寄存器、计数器、多 布尔方程、二元决策 路选择器、算术逻辑 图、有限状态机 单元
• 从算法表示转换到寄存器传输级，即行为 综合
• 从RTL级表示转换到逻辑门的表示，即逻辑 综合
• 从逻辑门表示转换为版图表示，即版图综 合或结构综合
综合与编译的比较
• 编译过程基本属于一种一一对应式的，机 械转换式的“翻译”行为
• 综合具有明显的能动性和创造性，根据设 计库、工艺库以及预先设置的各类约束条 件，选择最优的方式完成电路结构的设计。 对于相同的VHDL表述，综合器可以用不同 的电路结构实现相同的功能。
VerilogHDL与VHDL的比较
• VHDL来源于古老的Ada语言，VerilogHDL来源于 C语言，VerilogHDL受到一线工作的工程师的青 睐。
• 90%以上的公司采用verilogHDL进行IC设计， ASIC设计必须学习VerilogHDL,VerilogHDL在工 业界通用些，VHDL在大学教学中使用较多
自项向下的设计方法
• 设计说明书 • 行为模型 • 行为仿真 • RTL级建模 • 前端功能仿真 • 逻辑综合 • 测试向量生成 • 功能仿真 • 结构综合 • 门级时序仿真 • 硬件测试
“自顶向下”和“自下向顶”互 为补充
• 原先是采用“自下向顶”的设计方法 • 现在流行“自顶向下”的设计方法 • 两种方法各有利和弊，只强调“自顶向下”
运算步
寄存器传输级（RTL） 时钟周期
逻辑门级（Logic） 延时
门（电路）级（Gate）物理时间
物理级（版图级） （Layout）
几何图形
基本单位
电路的功能（行为） 描述
进程及通信
自然语言描述或ห้องสมุดไป่ตู้互 通信的进程
运算的控制
行为有限状态机、数 据流图、控制流图
寄存器、计数器、多 布尔方程、二元决策 路选择器、算术逻辑 图、有限状态机 单元
• 从算法表示转换到寄存器传输级，即行为 综合
• 从RTL级表示转换到逻辑门的表示，即逻辑 综合
• 从逻辑门表示转换为版图表示，即版图综 合或结构综合
综合与编译的比较
• 编译过程基本属于一种一一对应式的，机 械转换式的“翻译”行为
• 综合具有明显的能动性和创造性，根据设 计库、工艺库以及预先设置的各类约束条 件，选择最优的方式完成电路结构的设计。 对于相同的VHDL表述，综合器可以用不同 的电路结构实现相同的功能。
EDA 技术实用教程 第1章 概述PPT课件
VHDL综合器运行流程
VHDL 程序
工艺库
VHDL
约束
综合器
1、工艺库：对程序描述的功能，实现的电路原 理结构框图可确定图，表但对不同系列的芯片，其 功能模块或工艺库不同，实现的具体结构不同。
VHDL综合器运行流程
VHDL 程序
工艺库
VHDL
约束
综合器
约束条件：目的是获得优化电路。当综合器把VHDL源码翻译 成通用原理图时，将识别各功能模块，每种功能模块(如加 法)的实现方案有多种，有图的表 面积小，速度慢；有的速度快， 面积大。VHDL行为描述强调的是电路的行为和功能，而不 是电路如何实现。选择电路的实现方案是综合器的任．综合 器选择一种能充分满足各项约束条件且成本最低的实现方案。
EDA技术实现目标
2、半定制或全定制ASIC 统称为掩模(MASK)ASIC，或直接称ASIC。 特点：用户设计IC，IC 厂家生产 三种级别：
A、半导体元件、连线的大小与尺寸，电路全定制 B、片内晶体管固定门，阵用列户AS设IC 计连线 半定制 C掩、模A库SIC内含标准单元标，准如单元SASSII逻C 辑块、MSI逻辑块、数 据通道模块、存储器、I全P定，制乃芯至片 系统级模块。用户在EDA 工具上进行开发/粘贴。
ASIC – Application Specific Integrated Circuit
（专用集成电路）
EDA技术实现目标
1. 超大规模可编程逻辑器件
FPGA、CPLD特点：直接面向用户， 具有极大的灵活性和通用性，使用方 便．硬件测试和实现快捷，开发效率高， 成本低，上市时间短，技术维护简单，工 作可靠性好等。
CAD 计算机辅助设计
CAE 计算机辅助工程
EDA技术实用教程ppt
EDA技术及其发展 EDA技术的主要内容 EDA设计方法 EDA技术及EDA工具的发展趋势
第一章 EDA技术概况
1.1 EDA技术及其发展
1.什么是EDA？ Electronic Design Automation 电子设计自动化
２. EDA技术定义 （广义定义）
半导体工艺设计自动化 可编程器件设计自动化 电子系统设计自动化 印刷电路板设计自动化 仿真与测试、故障诊断自动化 形式验证自动化 通称为EDA工程
1.4 EDA技术及EDA工具的发展趋势
1. EDA技术的发展趋势 （1）广度上：大型机——工作站——微机 （2）深度上： ESDA（Electronic System Design Automation ） CE（Concurrent Engineering 并行设计工程） SOC/SOPC （ system on a programmable chip 单 芯片集成）
3）计算机辅助工程设计CAE阶段
20世纪80年代初，出现了低密度的可编程逻辑 器件（PLA programmable array logic和GAL generic array logic），相应的EDA开发工具主 要解决电路设计没有完成之前的功能检测等问 题。 80年代后期，EDA工具已经可以进行初级的设 计描述、综合、优化和设计结果验证。
EDA技术极大的降低了硬件电路的设计难度，提 高了设计效率，是电子系统设计方法的质的飞跃
传统设计方法
自下而上(Bottom-up)的设计方法
优点
设计人员对于用这种方法进行设计比较熟悉 实现各个子块电路所需的时间短
缺点
一般来讲对系统的整体功能把握不足 实现整个系统的功能所需的时间长因为必须先将 各个小模块完成；使用这种方法对设计人员之间 相互进行协作有比较高的要求。
第1章EDA课件可编程逻辑器件FPGA课件
2007年2月10日
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。
2007年2月10日
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
2007年2月10日
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
2007年2月10日
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。
第1章 EDA技术概述PPT课件
27.07.2020
6
狭义EDA技术：
1）大规模PLD（Programmble Logic Devices)器件的设
计－－半定制芯片.由用户编程以实现特定逻辑功能的集成 器件。它的EDA设计从逻辑门电路、触发器开始进行，能
重复设计、任意修改。 2）专用集成芯片ASIC(Application Specific Integrated
20世纪70年代 EDA技术雏形
27.07.2020
20世纪80年代 EDA技术基础形成
20世纪90年代
EDA技术成熟和实用
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EDA技术发展分为三个阶段 ：
1）．20世纪70年代的计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）阶段
2）．20世纪80年代的计算机辅助工程设计CAE （Computer Aided Engineering）阶段 3）．20世纪90年代电子系统设计自动化EDA阶段
设计结束后仍可利用计算机对硬件系统进行完整的测试。
27.07.2020
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1.5 面向FPGA的EDA开发流程
完整地了解EDA技术的设计流程，对于正确选 择和使用EDA软件、优化设计项目、提高设计效率 十分有益。一个完整的EDA设计流程既是自顶向下 设计方法的具体实施途径，也是EDA工具软件本身 的组成结构。在实践中进一步了解支持这一设计流 程的诸多设计工具，有利于有效地排除设计中出现 的问题、提高设计质量及总结经验。
专用集成芯片（ASIC）的设计和实现。
ASIC是容纳用户通过EDA技术奖电子应 用系统的既定功能和技术指标具体实现的硬件 物理实体平台。
27.07.2020
14
1.2 EDA技术应用对象
ASIC的实现途径：
EDA可编程逻辑器件结构与原理课件
迎来到《EDA可编程逻辑器件结构与原理》课程。在本课程中，我们将探讨 EDA可编程逻辑器件的定义、结构、工作原理、应用领域、设计流程、优势与 局限以及发展趋势。
什么是EDA可编程逻辑器件？
EDA可编程逻辑器件，简称PLD（Programmable Logic Device），是一种集成电路，用于实现数字逻 辑函数。它可以根据用户的需求进行编程，灵活地实现各种逻辑电路。
EDA可编程逻辑器件的工作原理
1
编程
使用特定的编程语言编写逻辑功能，
配置
2
并将其加载到可编程逻辑器件中。
将逻辑功能映射到器件的可编程部
分，实现用户定义的逻辑电路。
3
运行
经过配置后的可编程逻辑器件将开 始运行，执行用户定义的逻辑功能。
EDA可编程逻辑器件的应用领域
1 数字电路设计
2 嵌入式系统开发
可编程逻辑器件广泛应用于数字电路设 计，如ASIC开发、FPGA设计等。
可编程逻辑器件可用于开发嵌入式系统， 如处理器控制、通信接口等。
3 自动化控制
4 通信设备
可编程逻辑器件可用于控制系统的设计 和实现，如工业自动化、机器人控制等。
可编程逻辑器件被广泛应用于通信设备， 如路由器、交换机、光纤通信等。
局限
资源占用：逻辑功能复杂时，可能需要较 大的器件。
EDA可编程逻辑器件的发展趋势
更高集成度
未来可编程逻辑器件将不断 提高集成度，实现更多功能 在同一器件上。
人工智能与自动化
可编程逻辑器件将与人工智 能和自动化技术相结合，实 现更智能化的应用。
量子计算
可编程逻辑器件可能在量子 计算领域发挥重要作用，推 动计算机技术的发展。
EDA可编程逻辑器件的结构和组成
什么是EDA可编程逻辑器件？
EDA可编程逻辑器件，简称PLD（Programmable Logic Device），是一种集成电路，用于实现数字逻 辑函数。它可以根据用户的需求进行编程，灵活地实现各种逻辑电路。
EDA可编程逻辑器件的工作原理
1
编程
使用特定的编程语言编写逻辑功能，
配置
2
并将其加载到可编程逻辑器件中。
将逻辑功能映射到器件的可编程部
分，实现用户定义的逻辑电路。
3
运行
经过配置后的可编程逻辑器件将开 始运行，执行用户定义的逻辑功能。
EDA可编程逻辑器件的应用领域
1 数字电路设计
2 嵌入式系统开发
可编程逻辑器件广泛应用于数字电路设 计，如ASIC开发、FPGA设计等。
可编程逻辑器件可用于开发嵌入式系统， 如处理器控制、通信接口等。
3 自动化控制
4 通信设备
可编程逻辑器件可用于控制系统的设计 和实现，如工业自动化、机器人控制等。
可编程逻辑器件被广泛应用于通信设备， 如路由器、交换机、光纤通信等。
局限
资源占用：逻辑功能复杂时，可能需要较 大的器件。
EDA可编程逻辑器件的发展趋势
更高集成度
未来可编程逻辑器件将不断 提高集成度，实现更多功能 在同一器件上。
人工智能与自动化
可编程逻辑器件将与人工智 能和自动化技术相结合，实 现更智能化的应用。
量子计算
可编程逻辑器件可能在量子 计算领域发挥重要作用，推 动计算机技术的发展。
EDA可编程逻辑器件的结构和组成
EDA技术实用教程第五版第一张
EDA技术及其发展 EDA技术实现目旳 硬件描述语言VHDL VHDL综合 基于VHDL旳自顶向下设计措施 EDA与老式电子设计措施旳比较 EDA旳发展趋势
1.1 EDA技术旳概念
1.1.1 EDA技术旳实例引入
EDA( Electronic Design Automation)技术
❖ GPS DIGITAL--TV HDTV RADER-- SYSTEM 等等
1.2 EDA技术实现目的
因为单元库和功能模块电路越加成熟，全定制设计旳 措施渐渐被半定制措施所取代。在目前旳IC设计中，整 个电路均采用全定制设计旳现象越来越少。
3.混合ASIC 既具有面对顾客旳FPGA可编程功能和逻辑资源，
同步也具有可以便调用和配置旳硬件标志单元模块， 如CPU、RAM、加法器、乘法器等。
EDA技术旳主要应用领域
❖数字系统设计：软件、硬件技术成熟，普及程度大；面
广
❖模拟电路设计：正在进入实用。面小
电子信息领域全方面数字化，当代电子设备已极少单纯用模 拟电路。一般只在薄弱信号放大、高速数据采集和大功率输出等 局部采用模拟电路，其他部分如信号处理等均采用数字电路。大 多数电子系统旳主体部分是数字系统。
❖ 注重实践：经过上机熟悉软件使用方法、EDA流程， 强 化了解、利用电子系统旳EDA设计措施。
❖ 学会自学：内容广泛、名词概念繁多;涉及模拟、 数字电子技术，计算机操作、测试技术 学科知识旳应用;技术发展迅速。
❖ 按时完毕作业，做好试验预习和试验报告，并练习 科技论文旳写作措施。
参照书目
书目名称
ASIC ---专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit） SoC ---（System on a Chip ）系统级芯片/单片电子系统
EDA技术概述(课件)
EDA技术与VHDL 第1章EDA技术概述1.1 EDA技术现代电子设计技术的核心已日趋转向基于计算机的电子设计自动化技术EDA（Electronic Design Automation）技术。
20世纪70年代EDA技术雏形20世纪80年代EDA技术基础形成20世纪90年代EDA技术成熟和实用1.1 EDA技术21世纪后●在FPGA上实现DSP应用成为可能。
●在一单片FPGA中实现一个完备的可随意重构的嵌入式系统成为可能。
●在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出。
●电子领域各学科的界限更加模糊，更互为包容。
●用于ASIC设计的标准单元已涵盖大规模电子系统及复杂IP核模块。
●软硬IP核在电子行业的产业领域广泛应用。
●SoC高效低成本设计技术的成熟。
●复杂电子系统的设计和验证趋于简单。
1.2 EDA技术应用对象1. 可编程逻辑器件2. 半定制或全定制ASIC3. 混合ASIC1.3 硬件描述语言VHDLHDLVHDLVerilog HDLSystemVerilogSystem 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 面向FPGA的EDA开发流程1.5.1 设计输入1. 图形输入2. 硬件描述语言代码文本输入1.5 面向FPGA的EDA开发流程1.5.2 综合(1)自然语言综合(2)行为综合(3)逻辑综合(4)版图综合或结构综合1.5 面向FPGA的EDA开发流程1.5.2 综合1.5.3 适配（布线布局）1.5 面向FPGA的EDA开发流程1.5.4 仿真1.5.5 RTL描述(1) 时序仿真(2) 功能仿真1.6 可编程逻辑器件1.6.1 PLD 的分类以集成度分低集成度芯片高集成度芯片从结构上分乘积项结构器件查找表结构器件从编程工艺上划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1.6.2 PROM可编程原理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1.6.3 GAL1.7 CPLD的结构与可编程原理1.7 CPLD的结构与可编程原理1．逻辑阵列块1.7 CPLD的结构与可编程原理2．逻辑宏单元3．可编程连线阵列1.7 CPLD的结构与可编程原理4．I/O控制块1.8 FPGA的结构与工作原理1.8.1 查找表逻辑结构1.8.2 Cyclone III系列器件的结构原理1.8 FPGA 的结构与工作原理1.8 FPGA的结构与工作原理1.8.2 Cyclone III系列器件的结构原理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。
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20 .12.12 20.12 .12Sa turday , December 12, 2020
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。 00:56: 2600: 56:26 00:56 12/12 /2020 12:56:26 AM
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20 .12.12 00:56 :2600 :56D ec-201 2-Dec -20
字线 Wi
UCC
字线 Wi
熔丝
位线 Di
熔丝
位线 Di
EPROM用编程器烧录
可擦除的PROM
可擦除的可编程只读只读存储器（EPROM) 高电压编程，紫外线擦除
电可擦除的可编程只读只读存储器 （E2PROM) 高电压编程，擦除
快闪存储器FLASH MEMORY 高密度、大容量、低成本、使用方便 （10年、100000次）
来自邻级 输 出 (m)
CLK
OE
（ 至 寄 存 器 输 出 单 元（）至 寄 存 器 输 出 单 元 ）
OLMNC 本宏单元
未连
XOR(n) NC
I/O(n)
来自邻级 CLK OE 输出(m)
(d)
来自 与逻辑 阵列
反馈
CLK
OE
OLMC(n)
XOR(n)
Q
D
NC NC
沟道中的电场足够强，则会造成雪崩，产生很多高能量
的电子。此时若在Gc上加高压正脉冲，形成方向与沟道 垂直的电场，便可以使沟道中的电子穿过氧化层面注入
到Gf，于是Gf栅上积累了负电荷。由于Gf栅周围都是绝 缘的二氧化硅，泄漏电流很小，所以一旦电子注入到浮
栅之后，就能保存相当长时间(通常浮栅上的电荷10年才 损失30%)。
图是快闪存储器采用的叠栅MOS管示意图。其结构与 EPROM中的SIMOS管相似，两者区别在于浮栅与衬底间 氧化层的厚度不同。在EPROM中氧化层的厚度一般为 30~40 nm，在快闪存储器中仅为 10~15 nm, 而且浮栅和源 区重叠的部分是源区的横向扩散形成的，面积极小, 因而 浮栅-源区之间的电容很小，当Gc和S之间加电压时，大部 分电压将降在浮栅-源区之间的电容上。快闪存储器的存 储单元就是用这样一只单管组成的，如图 所示。
浮栅
控制栅
S
Gf Gc
D
N＋
N＋
P
几十伏高压脉冲
SiO2
D
Gc Gf S
图 SIMOS管的结构和符号
② E2PROM的存储单元如图 所示，图中称为 浮栅隧道氧化层MOS管(Flotox)，其结构如图 9-10 所示。Flotox管的浮栅与漏极区(N+)之间 有一小块面积极薄的二氧化硅绝缘层(厚度在 2×10-8m以下)的区域，称为隧道区。当隧道区 的电场强度大到一定程度(＞107V/cm)时，漏区
3。Lattice：Lattice是ISP技术的发明者,ISP 技术极大的促进了PLD产品的发展，与ALTERA 和XILINX相比，其开发工具比ALTERA和 XILINX略逊一筹。中小规模PLD比较有特色， 不过其大规模PLD、FPGA的竞争力还不够 强 1999年推出可编程模拟器件。99年收购 Vantis（原AMD子公司）,成为第三大可编程逻 辑器件供应商。2001年12月收购agere公司 （原Lucent微电子部）的FPGA部门。主要产 品有ispLSI2000/5000/8000, MACH4/5， ispMACH4000等
工艺上采用了E2PROM 延用了PAL与阵列可编程，或阵列固定结构 结构上增加了输出逻辑宏单元OLMC
（Output Logic Macro Cell)
1 0
0
8
16
24 31
2 8
3 16
4 24
5 32
6 40
7 48
8 56
63 9
(a)
CK OLMC
(19)
OLMC (18)
OLMC (17)
掩模ROM
A1 A0
W0
地 址
W1
译 码
W2
器 W3
字线
R
R
R
R
三态控制
位线
D3
输出缓冲级
D2
D1
D0
ROM的数据表
W0
A1
0
地 址
W1
译 码
W2
A00
器 W3
1 R1 R
R
R
三态控制 D3
输出缓冲级
D2
D1
D0
VDD
W0 W1 W2 W3
D3
D2
D1 D0
基于三级管的一次性可编程PROM单元
幂递增
1.2.2可编程逻辑阵列PLA
X1
Xn
与阵列 或阵列 均可编程
···
·· ·
与阵列
· · ·
W1
或阵列
Wl
·
A1
A0
A1 A1 A0 A0
F1
F0
时序型PLA结构图
·
··
X1
Qk
·· ·
与阵列 Q1
Xn
· · ·
W1
···
或阵列
Wl
触发器
···
···
Z1 Zm
PLA优缺点：
对于多输入、多输出的函数，逻辑化简难 运行速度下降了
2。XILINX：FPGA的发明者，老牌PLD公司， 是最大可编程逻辑器件供应商之一。产品种类 较全，主要有：XC9500/4000， Coolrunner(XPLA3) ，Spartan, Virtex等。 开发软件为Foundition和ISE。通常来说，在 欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用 ALTERA的人多，在美国则是平分秋色。全球 PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx 提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD 技术的发展方向。
和浮栅之间出现导电隧道，电子可以双向通过， 形成电流。这种现象称为隧道效应。
S Gf Gc
D
N＋
N＋
P
隧道区
D Gc
Gf S
图 Flotox管的结构和符号
Wi (字 线 )
（
D1
V2
Gc
V1
S1
位 线
（
Di
图 E2PROM的存储单元
③ 快闪存储器(Flash Memory)是新一代电信号擦除的可编 程ROM。它既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点， 又保留了E2PROM用隧道效应擦除快捷的特性，而且集成
CLK OE 输出(m)
(a)
CLK
OE
OLMC(n)
NC
NC
I/O(n)
来自 与逻辑 阵列
反馈
来自邻级 输 出 (m)
XOR(n) NC
NC NC
CLK OE
(c)
(a) 专用输入模式； (b) 专用组合输出模式； (c) 反馈组合输出模式； (d) 时序电路中的组合 输出模式； I/O(n)(e) 寄存器输出模式
真值表 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
输出D 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 1
PROM构成时序逻辑
A0 D 0
A1
D1
A2 D 2
D3
输出1
输出2 输出3
1D
次 态 CP C1
Q
现 Q态
PROM的逻辑阵列结构
OLMC (16)
OLMC (15)
OLMC (14)
OLMC (13)
OLMC (12)
OE
19
18
图GAL16V8逻辑 图 (a) 逻辑图； 17 (b) 引脚图
16
15
14
13
1
20
UCC
2
19
3
18
4
17
5 GAL 16
12
6 16V8 15
7
14
8
13
9
12
GND 10
11
11
(b)
GAL16V8
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。 2020年 12月1 2日星 期六上 午12时 56分2 6秒00: 56:26 20.12 .12
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年12 月上午1 2时56 分20.1 2.120 0:56D ecem ber 12, 2020
AC0*
AC1(m)*
AC1(n)
CLK
来 自 邻 级 输m)出 ( OE
来自 与逻辑
阵列
反馈
CLK OLMC(n) OE 至另一个邻级
NC
NC
图 OLMC 5 种工作模
反馈
CLK
OE
OLMC(n)
NC
UCC NC
XOR(n) NC NC NC CLK OE (b)
I/O(n)
NC
NC NC 来自邻级
第1章 可编程逻辑 器件简介
1.1可编程逻辑器件（PLD)的分类
<1000门 低密度
可编程逻辑器件
>1000门 高密度
PROM PLA PAL GAL EPLD CPLD FPGA
逻辑符号说明
(a)
(a)
(a)
A B
F
A B
FA
F
(b)
(b)
(b)
A B
&
F
A ≥1 B
F
A
1
F