VHDL数字系统设计
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VHDL数字系统设计 （Digital System Design with
VHDL）
1
数字系统设计
第 1章 概 论
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 数字集成电路分类 可编程逻辑器件简介 数字系统的设计工具与设计流程 知识产权核 数字系统设计中的其他问题
2
数字系统设计
本章需要重点掌握的知识
22
数字系统设计
简单PLD原理
PLA逻辑阵列示意图
A 1 A0 或阵列 （可编程）
A0 A 0 A1 A1 与阵列（可编程）
23
F1
F0
数字系统设计
简单PLD原理
PAL
A1
A0 A0
PAL的常用表示
F0
A1 F1
全定制法 半定制法
门阵列法
标准单元法
可编程逻辑器件法
10
数字系统设计
标准单元法
压焊块 和I/O 标准单元
布线通道
11
数字系统设计
可编程逻辑器件（PLD）法： 在固定硬件电路的基础上，人为地改变电路 的逻辑功能。 这种方式对厂家而言是通用集成电路，可以 批量生产以降低成本；而对用户而言，可以按不 同的设计对芯片进行不同的“编程”使之成为专 用集成电路。PLD具有集成度高、工作速度快、 设计周期短、成本低和保密性强等优点，而且大 多数PLD还可以重复编程，因此PLD的出现，改 变了数字系统的传统设计方法，成为实现新型数 字系统的理想器件。
15
数字系统设计
2. 按不同的制造工艺划分：
①熔丝(Fuse)/反熔丝(Anti-fuse)工艺 UVCMOS工艺 ②悬浮栅工艺 EECMOS工艺 Flash CMOS工艺 ③ SRAM CMOS工艺
16
数字系统设计
3. 按不同的集成度划分：
可编程逻辑器件（PLD）
简单 PLD
复杂 PLD
PROM
结合双极-MOS两种工艺的特点： BiMOS—— 除输出级之外均采用 MOS 工艺， 而输出级采用双极型工艺。集成度比较高，功耗 比较低，抗干扰能力强，输出驱动能力强，速度 快。
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数字系统设计
2. 按生产目的划分： （1）通用集成电路： 是以供应市场为目的的。例如， 中小规模标准逻辑电路（ 74 系列、 4000 系列）、微处理器、存储器、 外围电路芯片等。
：
ASIC
数字 ASIC
混合 ASIC
模拟 ASIC
9
数字系统设计
3.
按制造方法划分：
按版图结构及制造方法分，有半定制(Semi-custom)和全 定制(Full-custom)两种实现方法。
全定制方法 是一种
基于晶体管级的，手工 设计版图的制造方法。
ASIC设计方法
半定制法 是一
种约束性设计方 式，约束的目的 是简化设计，缩 短设计周期，降 低设计成本，提 高设计正确率。
PROM表达的PLD图阵列
A1 A0 或阵列 （可编程）
A0 A 0 A1 A1 与阵列（固定）
21
F1
F0
数字系统设计
简单PLD原理
用PROM完成半加器逻辑阵列
A1 A0 或阵列 （可编程）
F 0 A0 A1 A0A1 F1 A1A0
A1 A1 A0 A 0 与阵列（固定） F1 F0
CPLD器 件
进入20世纪90年代后
内嵌复杂 功能模块 的SoPC
18
数字系统设计
电路符号表示
常用逻辑门符号与现有国标符号的对照
19
数字系统设计
电路符号表示
图a PLD的互补缓冲器
图b PLD的互补输入
图c PLD中与阵列表示
图d PLD中或阵列的表示
20
图e 阵列线连接表示
数字系统设计
简单PLD原理
13
数字系统设计
1.2.1 PLD的分类
PLD 有多种分类方法 ，下面介 绍几种常见的分类方法。
14
数字系统设计
1. 按不同的结构划分：
（ 1 ） PLD ：乘积项结构器件，其基本结构 为与-或阵列。
输 入 „ 输入 缓冲 电路 与 或 阵 列 输出 输 出 „
阵 列
缓冲 电路
（2）FPGA：由简单查找表构成的可编程 门阵列
PLA
PAL
GAL
CPLD
FPGA
17
数字系统设计
PLD的发展，是一个从低密度到高密度、从简单到 复杂的过程：
20世纪70年代 熔丝编程的 PROM和 PLA器件 20世纪70年代末 AMD公 司推出 PAL器件 20世纪80年代初 GAL器件
20世纪80年代中期 FPGA器 件 EPLD器 件
20世纪80年代末
12
数字系统设计
1.2 可编程逻辑器件简介
PLD（Programmable Logic Device）是实现数 字系统的理想器件。在采用PLD器件设计逻辑电路时， 设计者需要利用PLD器件开发软、硬件平台。 PLD器
件开发软件是根据设计要求，可进行逻辑电路设计输入、
编译、逻辑划分、优化和模拟，得到一个满足设计要求 的PLD编程数据。所设计的PLD器件逻辑功能可以进行 模拟运行，确定无误后一般要将PLD编程数据下载到编 程器，由编程器可将该编程数据写入PLD中。
双极型
TTL电路 HTL电路 ECL电路 IIL电路
CMOS电路 NMOS电路 PMOS电路
•54LS/74LS系列 •54AS/74AS系列 •54ALS/74ALS系列
•4000系列
按工艺区分
•54HC/74HC系列 •54HTC/74HTC系列
MOS型
Bi-CMOS型
5
Байду номын сангаас
数字系统设计
在上述工艺中： 双极型——工艺复杂，功耗大，集成度低， 生产成本高，速度快。 MOS —— 工艺简单，功耗小，集成度高， 生产成本低，但速度慢。
什么是可编程逻辑器件? CPLD、FPGA的工作原理？ 数字系统的设计流程？
3
数字系统设计
数字系统(Digital System)——使用数字技术传输 和处理信息的电子系统。数字系 统的硬件构成主要是数字集成电 路。
4
数字系统设计
1.1 数字集成电路的分类
1. 按生产工艺划分：
•54/74系列 •54H/74H系列
7
数字系统设计
8
数字系统设计
（2）专用集成电路(ASIC)
application-specific integrated circuit
ASIC(Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路) 是相对于通用集成电路而 言的，ASIC主要指用于某 一专门用途的集成电路器 件。ASIC分类大致可分为 数字ASIC、模拟ASIC和数 模混合ASIC。
VHDL）
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数字系统设计
第 1章 概 论
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 数字集成电路分类 可编程逻辑器件简介 数字系统的设计工具与设计流程 知识产权核 数字系统设计中的其他问题
2
数字系统设计
本章需要重点掌握的知识
22
数字系统设计
简单PLD原理
PLA逻辑阵列示意图
A 1 A0 或阵列 （可编程）
A0 A 0 A1 A1 与阵列（可编程）
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F1
F0
数字系统设计
简单PLD原理
PAL
A1
A0 A0
PAL的常用表示
F0
A1 F1
全定制法 半定制法
门阵列法
标准单元法
可编程逻辑器件法
10
数字系统设计
标准单元法
压焊块 和I/O 标准单元
布线通道
11
数字系统设计
可编程逻辑器件（PLD）法： 在固定硬件电路的基础上，人为地改变电路 的逻辑功能。 这种方式对厂家而言是通用集成电路，可以 批量生产以降低成本；而对用户而言，可以按不 同的设计对芯片进行不同的“编程”使之成为专 用集成电路。PLD具有集成度高、工作速度快、 设计周期短、成本低和保密性强等优点，而且大 多数PLD还可以重复编程，因此PLD的出现，改 变了数字系统的传统设计方法，成为实现新型数 字系统的理想器件。
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数字系统设计
2. 按不同的制造工艺划分：
①熔丝(Fuse)/反熔丝(Anti-fuse)工艺 UVCMOS工艺 ②悬浮栅工艺 EECMOS工艺 Flash CMOS工艺 ③ SRAM CMOS工艺
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数字系统设计
3. 按不同的集成度划分：
可编程逻辑器件（PLD）
简单 PLD
复杂 PLD
PROM
结合双极-MOS两种工艺的特点： BiMOS—— 除输出级之外均采用 MOS 工艺， 而输出级采用双极型工艺。集成度比较高，功耗 比较低，抗干扰能力强，输出驱动能力强，速度 快。
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数字系统设计
2. 按生产目的划分： （1）通用集成电路： 是以供应市场为目的的。例如， 中小规模标准逻辑电路（ 74 系列、 4000 系列）、微处理器、存储器、 外围电路芯片等。
：
ASIC
数字 ASIC
混合 ASIC
模拟 ASIC
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数字系统设计
3.
按制造方法划分：
按版图结构及制造方法分，有半定制(Semi-custom)和全 定制(Full-custom)两种实现方法。
全定制方法 是一种
基于晶体管级的，手工 设计版图的制造方法。
ASIC设计方法
半定制法 是一
种约束性设计方 式，约束的目的 是简化设计，缩 短设计周期，降 低设计成本，提 高设计正确率。
PROM表达的PLD图阵列
A1 A0 或阵列 （可编程）
A0 A 0 A1 A1 与阵列（固定）
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F1
F0
数字系统设计
简单PLD原理
用PROM完成半加器逻辑阵列
A1 A0 或阵列 （可编程）
F 0 A0 A1 A0A1 F1 A1A0
A1 A1 A0 A 0 与阵列（固定） F1 F0
CPLD器 件
进入20世纪90年代后
内嵌复杂 功能模块 的SoPC
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数字系统设计
电路符号表示
常用逻辑门符号与现有国标符号的对照
19
数字系统设计
电路符号表示
图a PLD的互补缓冲器
图b PLD的互补输入
图c PLD中与阵列表示
图d PLD中或阵列的表示
20
图e 阵列线连接表示
数字系统设计
简单PLD原理
13
数字系统设计
1.2.1 PLD的分类
PLD 有多种分类方法 ，下面介 绍几种常见的分类方法。
14
数字系统设计
1. 按不同的结构划分：
（ 1 ） PLD ：乘积项结构器件，其基本结构 为与-或阵列。
输 入 „ 输入 缓冲 电路 与 或 阵 列 输出 输 出 „
阵 列
缓冲 电路
（2）FPGA：由简单查找表构成的可编程 门阵列
PLA
PAL
GAL
CPLD
FPGA
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数字系统设计
PLD的发展，是一个从低密度到高密度、从简单到 复杂的过程：
20世纪70年代 熔丝编程的 PROM和 PLA器件 20世纪70年代末 AMD公 司推出 PAL器件 20世纪80年代初 GAL器件
20世纪80年代中期 FPGA器 件 EPLD器 件
20世纪80年代末
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数字系统设计
1.2 可编程逻辑器件简介
PLD（Programmable Logic Device）是实现数 字系统的理想器件。在采用PLD器件设计逻辑电路时， 设计者需要利用PLD器件开发软、硬件平台。 PLD器
件开发软件是根据设计要求，可进行逻辑电路设计输入、
编译、逻辑划分、优化和模拟，得到一个满足设计要求 的PLD编程数据。所设计的PLD器件逻辑功能可以进行 模拟运行，确定无误后一般要将PLD编程数据下载到编 程器，由编程器可将该编程数据写入PLD中。
双极型
TTL电路 HTL电路 ECL电路 IIL电路
CMOS电路 NMOS电路 PMOS电路
•54LS/74LS系列 •54AS/74AS系列 •54ALS/74ALS系列
•4000系列
按工艺区分
•54HC/74HC系列 •54HTC/74HTC系列
MOS型
Bi-CMOS型
5
Байду номын сангаас
数字系统设计
在上述工艺中： 双极型——工艺复杂，功耗大，集成度低， 生产成本高，速度快。 MOS —— 工艺简单，功耗小，集成度高， 生产成本低，但速度慢。
什么是可编程逻辑器件? CPLD、FPGA的工作原理？ 数字系统的设计流程？
3
数字系统设计
数字系统(Digital System)——使用数字技术传输 和处理信息的电子系统。数字系 统的硬件构成主要是数字集成电 路。
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数字系统设计
1.1 数字集成电路的分类
1. 按生产工艺划分：
•54/74系列 •54H/74H系列
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数字系统设计
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数字系统设计
（2）专用集成电路(ASIC)
application-specific integrated circuit
ASIC(Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路) 是相对于通用集成电路而 言的，ASIC主要指用于某 一专门用途的集成电路器 件。ASIC分类大致可分为 数字ASIC、模拟ASIC和数 模混合ASIC。