第一讲—补充EDA教程—FPGA
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– 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
– 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
• 可以反复地擦除、编程，方便设计的修改和升 级
• 灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短 系统开发时间
• 保密性好
设计中心 2020年3月16日星期一
设计中心 2020年3月16日星期一
电子设计自动化技术
第二讲 可重构 （编程）技术
设计中心 2020年3月16日星期一
重要观点
• 现代VLSI技术的核心是存储器技术
---- CPU技术是存储器技术的应用（现在的SOC设计不 是围绕CPU而是围绕存储器的设计）
• CPLD/FPGA将大幅挤占传统IC市场
---- 大量的微电子技术和IC设计专业毕业生将从事 CPLD/FPGA设计（而不是传统意义的IC设计）
• 将CPLD/FPGA设计结果转化成IC设计结果的方 法将推广应用 • IC设计变得日益“可爱”（以前或到目前为止， 有些“可怕”）
设计中心 2020年3月16日星期一
概述
• 有三种类型的可重构(编程)技术对当今 工程师开发电子产品的方式造成了巨大 影响。分别是
C++与HDL混合编码（2008-2018）
设计中心 2020年3月16日星期一
许氏（木村）定理
•从1998年（第五波）起，“可重构（可编 程）”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（1998-2008），可 编程逻辑器件正在兴起。 •正好发生了“When will FPGA kill ASIC?” 的争论
设计中心 2020年3月16日星期一
要点
•可编程逻辑器件的概念 •理解什么是CPLD及CPLD架构 •理解什么是FPGA及FPGA架构 •理解CPLD和FPGA的区别与联 系 •了解常用的CPLD和FPGA型号
设计中心 2020年3月16日星期一
脉冲与数字电路课程的回顾
布尔函数－－数字系统数学基础（卡诺 图）
设计中心 2020年3月16日星期一
脉冲与数字电路课程的回顾
• 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。 – 采用“搭积木”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 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。
设计中心 2020年3月16日星期一
• （1）微处理器和微控制器； • （2）可编程逻辑； • （3）可编程模拟阵列 （PAA）
本课程讨论数字可编程逻辑技术
设计中心 2020年3月16日星期一
许氏（木村）定理
? FPGA SoC Mpu Aisc Tr Assp
Soc 专用的可以编程的Soc 1958 1968 1978 1988 1998 2008 2018 2028
• 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 的方法来实现器件的逻辑功能。
设计中心 2020年3月16日星期一
PLD出现的背景
• 电路集成度不断提高
– SSIMSILSIVLSI
• 计算机技术的发展使EDA技术得到广泛百度文库用 • 设计方法的发展
可重构技术的国际先进水平
• 到90年代，PLD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 程ISP(In-System Programmability)等特 性。
• 比较常用的有XILINX公司的FPGA和ALTERA 及LATTICE公司的CPLD。
• 1992年LATTICE公司率先推出ISP(InSystem Programmability)，并推出 ISP_LSI1000系列高密度ISP器件。
– 自下而上自上而下
• 用户需要设计自己需要的专用电路
– 专用集成电路（ASIC－Application Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大，风险 大
– 可编程器件PLD：开发周期短，投入小，风险小
设计中心 2020年3月16日星期一
PLD器件的优点
• 集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片
数字电路设计的基本方法
组合电路设计 问题逻辑关系真值表化简逻辑图 时序电路设计 列出原始状态转移图和表状态优化状态分
配触发器选型求解方程式逻辑图
设计中心 2020年3月16日星期一
脉冲与数字电路课程的回顾
• 使用中、小规模器件设计电路（74、54 系列）
– 编码器（74LS148） – 译码器（74LS154） – 比较器（74LS85） – 计数器（74LS193） – 移位寄存器（74LS194） – ………
电路设计 逻辑设计 软件设计
设计中心 2020年3月16日星期一
许氏（木村）定理
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 • 在通用与专用IC的此消彼长中，波浪向上发展 • 设计内容（对象）二十年为一代
1958-1978----电路设计 手工计算时代：大量的布尔代数，卡诺图化简 1978-1998----逻辑设计（软件编程） CAD时代：MCU/CPU指令编码，二进制码或高级语言编程 1998-2018----软件设计（硬件编程） （软硬件双编程） EDA时代：VHDL/VERILOG硬件描述语言编码（98-2008）
脉冲与数字电路课程的回顾
• 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， 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 – 电路修改很麻烦－－提供方便的修改手段
• PLD器件的出现改变了这一切
设计中心 2020年3月16日星期一
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 器件，最简单的逻辑器件是与、或、非门 （74LS00，74LS04等），在此基础上可实现 复杂的时序和组合逻辑功能。
• 2000年出现了产品集成度200万门的FPGA产 品。同期Xilinx推出XC95288 CPLD拥有288 个宏单元。
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• 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 – 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 级
• 灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短 系统开发时间
• 保密性好
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电子设计自动化技术
第二讲 可重构 （编程）技术
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重要观点
• 现代VLSI技术的核心是存储器技术
---- CPU技术是存储器技术的应用（现在的SOC设计不 是围绕CPU而是围绕存储器的设计）
• CPLD/FPGA将大幅挤占传统IC市场
---- 大量的微电子技术和IC设计专业毕业生将从事 CPLD/FPGA设计（而不是传统意义的IC设计）
• 将CPLD/FPGA设计结果转化成IC设计结果的方 法将推广应用 • IC设计变得日益“可爱”（以前或到目前为止， 有些“可怕”）
设计中心 2020年3月16日星期一
概述
• 有三种类型的可重构(编程)技术对当今 工程师开发电子产品的方式造成了巨大 影响。分别是
C++与HDL混合编码（2008-2018）
设计中心 2020年3月16日星期一
许氏（木村）定理
•从1998年（第五波）起，“可重构（可编 程）”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（1998-2008），可 编程逻辑器件正在兴起。 •正好发生了“When will FPGA kill ASIC?” 的争论
设计中心 2020年3月16日星期一
要点
•可编程逻辑器件的概念 •理解什么是CPLD及CPLD架构 •理解什么是FPGA及FPGA架构 •理解CPLD和FPGA的区别与联 系 •了解常用的CPLD和FPGA型号
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脉冲与数字电路课程的回顾
布尔函数－－数字系统数学基础（卡诺 图）
设计中心 2020年3月16日星期一
脉冲与数字电路课程的回顾
• 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。 – 采用“搭积木”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 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。
设计中心 2020年3月16日星期一
• （1）微处理器和微控制器； • （2）可编程逻辑； • （3）可编程模拟阵列 （PAA）
本课程讨论数字可编程逻辑技术
设计中心 2020年3月16日星期一
许氏（木村）定理
? FPGA SoC Mpu Aisc Tr Assp
Soc 专用的可以编程的Soc 1958 1968 1978 1988 1998 2008 2018 2028
• 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 的方法来实现器件的逻辑功能。
设计中心 2020年3月16日星期一
PLD出现的背景
• 电路集成度不断提高
– SSIMSILSIVLSI
• 计算机技术的发展使EDA技术得到广泛百度文库用 • 设计方法的发展
可重构技术的国际先进水平
• 到90年代，PLD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 程ISP(In-System Programmability)等特 性。
• 比较常用的有XILINX公司的FPGA和ALTERA 及LATTICE公司的CPLD。
• 1992年LATTICE公司率先推出ISP(InSystem Programmability)，并推出 ISP_LSI1000系列高密度ISP器件。
– 自下而上自上而下
• 用户需要设计自己需要的专用电路
– 专用集成电路（ASIC－Application Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大，风险 大
– 可编程器件PLD：开发周期短，投入小，风险小
设计中心 2020年3月16日星期一
PLD器件的优点
• 集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片
数字电路设计的基本方法
组合电路设计 问题逻辑关系真值表化简逻辑图 时序电路设计 列出原始状态转移图和表状态优化状态分
配触发器选型求解方程式逻辑图
设计中心 2020年3月16日星期一
脉冲与数字电路课程的回顾
• 使用中、小规模器件设计电路（74、54 系列）
– 编码器（74LS148） – 译码器（74LS154） – 比较器（74LS85） – 计数器（74LS193） – 移位寄存器（74LS194） – ………
电路设计 逻辑设计 软件设计
设计中心 2020年3月16日星期一
许氏（木村）定理
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 • 在通用与专用IC的此消彼长中，波浪向上发展 • 设计内容（对象）二十年为一代
1958-1978----电路设计 手工计算时代：大量的布尔代数，卡诺图化简 1978-1998----逻辑设计（软件编程） CAD时代：MCU/CPU指令编码，二进制码或高级语言编程 1998-2018----软件设计（硬件编程） （软硬件双编程） EDA时代：VHDL/VERILOG硬件描述语言编码（98-2008）
脉冲与数字电路课程的回顾
• 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， 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 – 电路修改很麻烦－－提供方便的修改手段
• PLD器件的出现改变了这一切
设计中心 2020年3月16日星期一
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 器件，最简单的逻辑器件是与、或、非门 （74LS00，74LS04等），在此基础上可实现 复杂的时序和组合逻辑功能。
• 2000年出现了产品集成度200万门的FPGA产 品。同期Xilinx推出XC95288 CPLD拥有288 个宏单元。
设计中心 2020年3月16日星期一