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第二章 現(xiàn)代LCD技術(shù)第2.1節(jié) 液晶顯示原理 液晶顯示原理起源是在 1888 年時(shí),由奧地利植物學(xué)家萊尼茲發(fā)現(xiàn)了一種特殊的混合物質(zhì)，物質(zhì)在常態(tài)下是處?kù)豆虘B(tài)和液態(tài)之間，不僅如此，其還兼具固態(tài)物質(zhì)和液態(tài)物質(zhì)的雙重特性。在那個(gè)年代并沒(méi)有對(duì)於此物質(zhì)的適當(dāng)稱呼，因此就稱之為 Liquid Crystal(顧名思義 就是液態(tài)的晶體)。而液晶的組成物質(zhì)是一種有機(jī)化合物，也就是以碳為中心所構(gòu)成的化合物。液晶這一呈液體狀的化學(xué)物質(zhì)，象磁場(chǎng)中的金屬一樣，當(dāng)受到外界電場(chǎng)影響時(shí)，其分子會(huì)產(chǎn)生精確的有序排列。如果對(duì)分子的排列加以適當(dāng)?shù)目刂?，液晶分子將?huì)允許光線穿越。液晶的這些特點(diǎn)使得它可以被用來(lái)當(dāng)作一種開關(guān)，即可以阻礙光線，也可以允許光線通過(guò)。液晶單元的底層是由細(xì)小的脊構(gòu)成的，這些脊的作用是讓分子呈平行排列。上表面也是如此，在這兩側(cè)之間的分子平行排列，不過(guò)當(dāng)上下兩個(gè)表面之間呈一定的角度時(shí)，液晶成了隨著兩個(gè)不同方向的表面進(jìn)行排列，就會(huì)發(fā)生扭曲。結(jié)果便是這個(gè)扭曲了的螺旋層使通過(guò)的光線也發(fā)生扭曲。如果電流通過(guò)液晶，所有的分子將會(huì)按照電流的方向進(jìn)行排列，這樣就會(huì)消除光線的扭轉(zhuǎn)。如果將一個(gè)偏振濾光器放置在液晶層的上表面，扭轉(zhuǎn)的光線通過(guò)了，而沒(méi)有發(fā)生扭轉(zhuǎn)的光線將被阻礙。因此可以通過(guò)電流的通斷改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時(shí)射出，而不加電時(shí)被阻斷。也有某些設(shè)計(jì)了省電的需要，有電流時(shí)，光線不能通過(guò)，沒(méi)有電流時(shí)，光線通過(guò)。 無(wú)論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。位于最后面的一層是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線的背光層。背光層發(fā)出的光線在穿過(guò)第一層偏振過(guò)濾層之后進(jìn)入包含成千上萬(wàn)水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，液晶分子就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過(guò)第二層過(guò)濾層的過(guò)濾在屏幕上顯示出來(lái)。對(duì)于簡(jiǎn)單的單色LCD顯示器，如掌上電腦所使用的顯示屏，上述結(jié)構(gòu)已經(jīng)足夠了。但是對(duì)于筆記本電腦所采用的更加復(fù)雜的彩色顯示器來(lái)說(shuō)，還需要有專門處理彩色顯示的色彩過(guò)濾層。通常，在彩色LCD面板中，每一個(gè)像素都是由三個(gè)液晶單元格構(gòu)成，其中每一個(gè)單元格前面都分別有紅色，綠色，或藍(lán)色的過(guò)濾器。這樣，通過(guò)不同單元格的光線就可以在屏幕上顯示出不同的顏色?，F(xiàn)在，幾乎所有的應(yīng)用于筆記本或桌面系統(tǒng)的LCD都使用薄膜晶體管（TFT）激活液晶層中的單元格。TFT LCD技術(shù)能夠顯示更加清晰，明亮的圖象。早期的LCD由于是非主動(dòng)發(fā)光器件，速度低，效率差，對(duì)比度小，雖然能夠顯示清晰的文字，但是在快速顯示圖象時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生陰影，影響視頻的顯示效果，因此，如今只被應(yīng)用于需要黑白顯示的掌上電腦，呼機(jī)或手機(jī)中。受LCD液晶層中實(shí)際單元格數(shù)量的影響，LCD顯示器一般只能提供固定的顯示分辨率。如果用戶需要將800X600的分辨率提升到1024X768的話，只能借助于特定軟件的幫助實(shí)現(xiàn)模擬分辨率。 與傳統(tǒng)的CRT顯示器一樣，應(yīng)用于桌面系統(tǒng)的LCD也被設(shè)計(jì)成接收波形模擬信號(hào)，而非直接由PC產(chǎn)生的數(shù)字脈沖信號(hào)。這主要是因?yàn)槟壳白烂嫦到y(tǒng)中的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)顯卡仍然是在將視頻信息由最初的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)之后再傳送給顯示器顯示。雖然桌面系統(tǒng)的LCD被設(shè)計(jì)成可以接收模擬信號(hào)，但是LCD本身仍然只能處理數(shù)字信息，因此當(dāng)從顯卡接收到模擬信號(hào)之后，LCD需要將模擬信號(hào)再還原為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行處理。為了解決上述問(wèn)題帶來(lái)的顯示上的不足，最新的桌面LCD采用了一種特殊的帶有數(shù)字連接器圖形卡直接向LCD顯示器傳送數(shù)字信號(hào)。 隨著LCD技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，顯示屏幕的大小正在逐步增加。以往的筆記本電腦中都是采用8英寸（對(duì)角線）固定大小的LCD顯示器，現(xiàn)在，基于TFT技術(shù)的桌面系統(tǒng)LCD能夠支持14到18英寸的顯示面板。因?yàn)樯a(chǎn)廠商是按照實(shí)際可視區(qū)域的大小來(lái)測(cè)定LCD的尺寸，而非向CRT那樣由顯象管的大小決定，所以一般情況下，15英寸LCD的大小就相當(dāng)于傳統(tǒng)的17英寸彩顯的大小。液晶顯示的驅(qū)動(dòng)就是用來(lái)調(diào)整施加在液晶顯示器件電極上的電位信號(hào)的相位、峰值、頻率等，建立驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)液晶顯示器件的顯示效果。液晶顯示的驅(qū)動(dòng)方式有許多種，常用的驅(qū)動(dòng)方法有：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法。對(duì)于TN及STN-LCD一般采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)或多路驅(qū)動(dòng)方式。這兩種方式相比較各有優(yōu)缺點(diǎn)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度快、耗電少、驅(qū)動(dòng)電壓低，但驅(qū)動(dòng)電極度數(shù)必須與顯示筆段數(shù)相同，因而用途不如多路驅(qū)動(dòng)廣。1.靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法是獲得最佳顯示質(zhì)量的最基本的方法。它適用于筆段型液晶顯示器件的驅(qū)動(dòng)。表一示出此類液晶顯示器件的電極結(jié)構(gòu)，當(dāng)多位數(shù)字組合時(shí)，各位的背電極BP是連接在一起的。振蕩器的脈沖信號(hào)經(jīng)分頻后直接施加在液晶顯示器件的背電極BP上，而段電極的脈沖信號(hào)是由顯示選擇信號(hào)A與時(shí)序脈沖通過(guò)邏輯異或合成產(chǎn)生，當(dāng)某位顯示像素被顯示選擇時(shí)，A1，該顯示像素上兩電極的脈沖電壓相位相差180。，在顯示像素上產(chǎn)生2V的電壓脈沖序列，使該顯示像素呈現(xiàn)顯示特性；當(dāng)某位顯示像素為非顯示選擇時(shí)，A0，該顯示像素上兩電極的脈沖電壓相位相同，在顯示像素上合成電壓脈沖為0V，從而實(shí)現(xiàn)不顯示的效果。這就是靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法。為了提高顯示的對(duì)比度，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整脈沖的電壓即可。 2.動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法 當(dāng)液晶顯示器件上顯示像素眾多時(shí)，如點(diǎn)陣型液晶顯示器件，為了節(jié)省龐大的硬件驅(qū) 動(dòng)電路，在液晶顯示器件電極的制作與排列上作了加工，實(shí)施了矩陣型的結(jié)構(gòu)，即把水平一組顯示像素的背電極都連在一起引出，稱之為行電極，把縱向一組顯示像素的段電極都連接起來(lái)一起引出，稱之為列電極。在液晶顯示器上每一個(gè)顯示像素都由其所在的列與行的位置唯一確定。在驅(qū)動(dòng)方式上相應(yīng)地采用了類同于CRT的光柵掃描方法。液晶顯示的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法是循環(huán)地給行電極施加選擇脈沖，同時(shí)所有為顯示數(shù)據(jù)的列電極給出相應(yīng)的選擇或非選擇的驅(qū)動(dòng)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)某行所有顯示像素的顯示功能，這種行掃描是逐行順序進(jìn)行的，循環(huán)周期很短，使得液晶顯示屏上呈現(xiàn)出穩(wěn)定的圖象。我們把液晶顯示的掃描驅(qū)動(dòng)方式稱為動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法。 第2.2節(jié) 現(xiàn)代LCD技術(shù)簡(jiǎn)介在七十年代初液晶開始作為一種顯示媒體使用以來(lái)，液晶的應(yīng)用范圍被逐漸拓寬，到目前已涉及游戲機(jī)，手機(jī)/電話機(jī)，電視，筆記本電腦/掌上電腦，DC/DV以及液晶顯示器等領(lǐng)域。在1984年，歐美提出STN-LCD，而同時(shí)TFT-LCD技術(shù)也被提出，但仍不成熟，在80年代末，在日本掌握了STN-LCD的生產(chǎn)技術(shù)，在93年，日本又掌握了TFT-LCD生產(chǎn)技術(shù)，液晶顯示器開始向廉價(jià)低成本的方向發(fā)展，隨后DSTN-LCD誕生；另一方面高端的薄膜式液晶管TFT-LCD發(fā)展，97年，日本建成了一大批大基板尺寸的第三代TFT-LCD生產(chǎn)線。在此期間，韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣開始介入液晶顯示器生產(chǎn)領(lǐng)域，我國(guó)內(nèi)地企業(yè)也引進(jìn)生產(chǎn)線，生產(chǎn)TN-LCD，東亞地區(qū)逐漸發(fā)展成為世界液晶顯示器的主要生產(chǎn)地，第三代半及第四代TFT-LCD生產(chǎn)線開始建立，日本，韓國(guó)和中國(guó)（含臺(tái)灣?。┰谝壕э@示器生產(chǎn)及技術(shù)上開始走在世界前列。大家知道，液晶是一種具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物，它既不是固體也不是液體，它是介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)，把它加熱時(shí)它會(huì)呈現(xiàn)透明的液體狀態(tài)，把它冷卻時(shí)它則會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶顆粒的渾濁固體狀態(tài)。液晶按照分子結(jié)構(gòu)排列的不同分為三種：粘土狀的smectic液晶，細(xì)柱形的Nematic液晶和軟膠膽固醇狀的Cholestic液晶。這三種液晶的物理特性各不相同，而第二類的細(xì)柱形的Nematic液晶最適于制造液晶顯示器。按物理結(jié)構(gòu)常見的液晶顯示器可分為以下幾種:中文名英文名簡(jiǎn)稱屬性扭曲向外形Twisted NematicTN無(wú)源矩陣LCD超扭曲向外形Super TNSTN無(wú)源矩陣LCD雙層扭曲向外形Dual Scan Tortuosity NomogaraphDSTN無(wú)源矩陣LCD薄膜晶體管型Thin Film TransistorTFT有源矩陣LCD表2.1常見液晶顯示器大家從上面就可看出TN、STN、DSTN三種液晶都屬于無(wú)源矩陣LCD，它們的原理基本相同，不同之處只是各個(gè)液晶分子的扭曲角度略有差異而已，其中DSTN（俗稱“偽彩”）在早期的筆記本電腦顯示器及掌上游戲機(jī)上廣為應(yīng)用，但由于必須借用外界光源來(lái)顯像所以其有很大的應(yīng)用局限性，但這些早期的反射型單色或彩色沒(méi)有背光設(shè)計(jì)的LCD可以做的更薄、更輕和更省電，如果能在技術(shù)上對(duì)其進(jìn)行革新這些東東對(duì)于掌上型電腦和游戲機(jī)來(lái)說(shuō)還是非常有用的。而STN超扭曲向外型無(wú)源矩陣LCD則是我們今天小型液晶顯示器上應(yīng)用的主流，它具有屏幕反映速度快，對(duì)比度好，亮度高，可視角度大等優(yōu)點(diǎn)。最早的液晶顯示器TN它由玻璃板，偏光器、ITO膜組成兩個(gè)夾層等組成，它是所有液晶顯示器技術(shù)原理的鼻祖。而TN系列液晶顯示器一樣由玻璃基板、ITO膜、配向膜、偏光板等部分組成，它也同樣采用兩夾層間填充液晶分子的設(shè)計(jì)，只不過(guò)把TN上部夾層的電極改成FET晶體管，而下層改為共同電極。第2.3節(jié) LCD的特點(diǎn)、應(yīng)用和市場(chǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀 LCD也就是液晶顯示器的英文簡(jiǎn)稱，它可以顯示漢字、字符和圖形，同時(shí)還具有低壓、低功耗、體積小、重量輕和超薄等很多優(yōu)點(diǎn)。隨著嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，功能的越來(lái)越強(qiáng)大，許多工作在Linux下的圖形界面軟件包的開發(fā)和移植工作中都涉及到底層LCD驅(qū)動(dòng)的開發(fā)問(wèn)題，因此在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)LCD驅(qū)動(dòng)得以廣泛運(yùn)用。相比于其它終端顯示設(shè)備，液晶顯示器具有低壓、微功耗、顯示信息量大、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信終端、便攜計(jì)算機(jī)、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛用途，成為使用量最大的顯示器件。液晶顯示控制器作為液晶驅(qū)動(dòng)電路的核心部件通常由集成電路組成，通過(guò)為液晶顯示系統(tǒng)提供時(shí)序信號(hào)和顯示數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)液晶顯示。隨著大容量可編程邏輯器件的不斷涌現(xiàn)，F(xiàn)PGA技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用在大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)中。FPGA(Field Programmable Gate Array)具有功能強(qiáng)大、集成度高、靈活性好、速度快、高穩(wěn)定性和易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能等優(yōu)點(diǎn)。以FPGA為硬件編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的LCD控制器，具有易于集成到片上系統(tǒng) 、方便修改、適應(yīng)不同液晶顯示器的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，Nios系統(tǒng)的開發(fā)分硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩個(gè)流程，SOPC是可編程技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。它作為SOC和PLD/FPGA相結(jié)合的一項(xiàng)綜合技術(shù)，集合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，適合于兩者的應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)代社會(huì)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的信息技術(shù)迅速發(fā)展，以及信息的爆炸式增長(zhǎng)，人類獲得的視覺(jué)信息很大部分是從各種各樣的電子顯示器件上獲得的，對(duì)這些顯示器件的要求也越來(lái)越高。在這些因素的驅(qū)動(dòng)下，顯示技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展。使用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)的液晶控制器具有很高的靈活性， 集成式的控制芯片具有包括了縮小了IC的體積、低功率消耗、降低封裝基于FPGA的LCD控制器設(shè)計(jì)的成本、節(jié)省電路板的數(shù)量及體積等優(yōu)點(diǎn)，并使材料成本及LCD后段組裝成本得以降低，因此許多廠商紛紛朝向高集成度控制芯片發(fā)展，并積極開發(fā)視訊應(yīng)用的控制芯片。而最新趨勢(shì)Smart Panel，在制程上則有簡(jiǎn)化流程、減少材料成本等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)資料顯示，Smart Panel可降低約10%15%的成本，這也是國(guó)外一些大廠所鐘愛(ài)的方式。 為降低控制IC 成本，眾多IC廠商紛紛推出集成式的單芯片控制IC。美國(guó)的Genesis最早推出集成式IC，將ADC、Scaler、OSD （內(nèi)置菜單）與PLL(鎖相環(huán))為一顆單芯片控制IC。接著更進(jìn)一步集成入DVI 組件，形成LCD 雙?？刂艻C。其組件集成數(shù)量持續(xù)增多，并漸漸添加Video 的功能。當(dāng)前Genesis 最高集成度的產(chǎn)品，集成入的組件已經(jīng)包括ADC、Scaler、PLL、OSD、TCON 與DVI，僅剩Video 的功能以及SDRAM 的組件尚未集成。 隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，液晶顯示器廠商的成本壓力越來(lái)越大，必須采用更簡(jiǎn)單的線路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的功能，以期降低成本，才能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。 LCD控制IC必將向高集成度方向發(fā)展，以滿足市場(chǎng)需要。而在LCD的應(yīng)用以及市場(chǎng)方面，雖然手機(jī)仍然是中小尺寸液晶顯示屏(LCD)的最主要應(yīng)用設(shè)備，但便攜導(dǎo)航設(shè)備(PND)、數(shù)碼相框和MP3/便攜媒體播放器(PMP)等新型設(shè)備，正在該市場(chǎng)的銷售額中占有越來(lái)越大的份額。由于這些產(chǎn)品使用的顯示屏大于手機(jī)所用的顯示屏，因此在供應(yīng)商的工廠中同樣需要更多的面板，這對(duì)于LCD面板生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)是個(gè)絕好的機(jī)會(huì)。各種中小尺寸LCD的產(chǎn)能擴(kuò)張和價(jià)格下降，促進(jìn)了其應(yīng)用領(lǐng)域的多元化。這又進(jìn)一步刺激了需求，并吸引許多其它產(chǎn)品來(lái)采用中小型LCD，如白色家電和零售標(biāo)牌。 大多數(shù)行業(yè)內(nèi)的公司認(rèn)為，為了利用手機(jī)市場(chǎng)和新興產(chǎn)品，中小尺寸顯示屏供應(yīng)商必須相應(yīng)地平衡和調(diào)整策略，否則就可能錯(cuò)失整個(gè)市場(chǎng)。 導(dǎo)航設(shè)備PND的主要功能是顯示GPS信息，因此能否顯示詳細(xì)并準(zhǔn)確地圖影像非常關(guān)鍵。這使得許多PND制造商把目光轉(zhuǎn)向了更加精確的小型LCD。 這方面出現(xiàn)的需求促使iSuppli公司把2011年P(guān)ND顯示屏市場(chǎng)的出貨量預(yù)測(cè)提高到了6,050萬(wàn)部。2006年的出貨量為1,080萬(wàn)部，2006-2011年出貨量的年復(fù)合增長(zhǎng)率是41.3%。Suppli以前預(yù)測(cè)2011年出貨量是5,400萬(wàn)部。 盡管中小尺寸LCD價(jià)格下降，但2011年P(guān)ND顯示屏的營(yíng)業(yè)額將從2006年的3.24億美元上升到7.76億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為19.1%。2007年一年，PND顯示屏銷售額將比2006年的3.24億美元增長(zhǎng)近一倍，達(dá)到6.35億美元。 媒體播放器但PND不是推動(dòng)中小尺寸顯示屏市場(chǎng)繁榮的唯一消費(fèi)電子產(chǎn)品。MP3/PMP目前是使此類顯示屏出貨量增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一。 iSuppli公司預(yù)測(cè)，2011年底MP3/PMP單位出貨量將達(dá)到2.05億，而2007年預(yù)計(jì)為1.63億。 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計(jì)這相當(dāng)于2011年顯示屏銷售額將達(dá)到16億美元，略低于2007年的17億美元，這主要是因?yàn)橹行⌒蚅CD價(jià)格隨著產(chǎn)能擴(kuò)張和制造工藝改進(jìn)而不斷下降。推動(dòng)顯示屏單位出貨量增長(zhǎng)的因素包括： 消費(fèi)電子公司蘋果和它的iPod產(chǎn)品線，以及距蘋果最近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手緊追不舍，從而推動(dòng)MP3/PMP市場(chǎng)整體增長(zhǎng)。 MP3音樂(lè)播放器變身進(jìn)入了PMP領(lǐng)域。有源矩陣LCD供應(yīng)商正在緊盯這個(gè)市場(chǎng)，以防止AMOLED供應(yīng)商染指。 因?yàn)镻MP是消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)中增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一，而且隨著更多的產(chǎn)品涌現(xiàn)，將需要更多的LCD來(lái)滿足需求。 數(shù)碼相框和便攜DVD播放器等其它應(yīng)用每年需要的顯示屏越來(lái)越多。這些應(yīng)用需要較大的顯示屏(7.0英寸)，因此它們的需求增長(zhǎng)可能對(duì)產(chǎn)能分配和供需平衡造成較大的影響。第2.3節(jié) STN-LCD技術(shù)的顯示原理 STN型的顯示原理與TN相類似，不同的是TN扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180270度。傳統(tǒng)的TN-LCD（扭曲向外液晶顯示器件）具有電光響應(yīng)速度緩慢，閥值特性很不明顯的弱點(diǎn)，這給多路驅(qū)動(dòng)造成困難，使其在大信息量的視頻顯示上受到限制。通過(guò)將TN-LCD液晶分子的扭曲角度由90加大到180至360之間就可以制成STN-I CD（超扭曲向外液晶顯示器件）。STN-I CD大大提高了顯示特性，目前幾乎所有的點(diǎn)陣圖形和大部分點(diǎn)陣字符LCD均已采用了STN模式，STN-I CD技術(shù)在液晶產(chǎn)業(yè)中已處于逐漸成熟和完善的階段。將涂有透明導(dǎo)電層的玻璃上光刻形成特定的透明電極，在兩片這種玻璃授板間夾上一層STN-I CD材料，四周密封，形成一個(gè)厚度僅為微米量級(jí)的扁平液晶盒。由于玻璃內(nèi)表面涂有定向膜并進(jìn)行了定向處理，盒內(nèi)液晶分子沿玻璃表面平行排列，如果兩片玻璃內(nèi)表面定向?qū)犹幚淼姆较虺室欢ǖ膴A角，則液晶分子在這兩片玻璃之間以角度扭曲由于STN-LCD液晶分子在盒中的扭曲螺旋距比可見光波長(zhǎng)大的多，所以當(dāng)垂直于玻璃表面一側(cè)的直線偏振光入射后，其偏光方向在通過(guò)整個(gè)赦晶層后會(huì)被扭曲角度一側(cè)的直線偏振光入射后，其偏光方向在通過(guò)整個(gè)赦晶層后回被扭曲角度另一側(cè)射出，因此此液晶盒具有在成角度偏振片間透光的作用和功能。如果在液晶盒上施加一個(gè)電壓并達(dá)到一定值后，液晶分子長(zhǎng)軸將開始沿電場(chǎng)方向傾斜，當(dāng)電壓達(dá)到2倍閥值電壓后，除電極表面的分子外，所有的赦晶盒內(nèi)兩電極之間的液晶分子都變成沿電場(chǎng)方向的再排列，這時(shí)角度旋光功能消失，在成角度的偏光片之間失去了旋光作用使器件不能再透光。因此，將STN LCD放在成角度的偏振片之間就可以用給液晶盒通電的辦法使光改變其透過(guò)和遮住狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)顯示的功能。液晶屏幕的驅(qū)動(dòng)方式：?jiǎn)渭兙仃囼?qū)動(dòng)方式是由垂直與水平方向的電極所構(gòu)成，選擇要驅(qū)動(dòng)的部分由水平方向電壓來(lái)控制，垂直方向的電極則負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)液晶分子。在TN與STN型的液晶顯示器中，所使用單純驅(qū)動(dòng)電極的方式，都采用X、Y軸的交叉方式來(lái)驅(qū)動(dòng)，因此如果顯示部分越做越大的話，那么中心部分的電極反應(yīng)時(shí)間可能就會(huì)比較持久。而為了讓屏幕顯示一致，整體速度就會(huì)變慢。講的簡(jiǎn)單一點(diǎn)，就好像是CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快，那是使用者就會(huì)感到屏幕閃爍、跳動(dòng)；或者是當(dāng)需要3D動(dòng)畫顯示時(shí)，但顯示器的顯示速度卻無(wú)法跟上，顯示出來(lái)的結(jié)果可能就會(huì)有延遲的現(xiàn)象。第2.4節(jié) 動(dòng)態(tài)STN-LCD驅(qū)動(dòng)方法 STN-LCD的顯示效果是由于在顯示像素上施加了電場(chǎng)的緣故，而這個(gè)電場(chǎng)是由顯示像素前后兩個(gè)電極上的電壓信號(hào)所產(chǎn)生的。在顯示像素上建立直流電場(chǎng)并不困難，但直流電場(chǎng)將導(dǎo)致液晶材料的化學(xué)反應(yīng)和點(diǎn)擊老化。從而迅速降低液晶材料的壽命，因此必須建立交流電場(chǎng)，并要求這個(gè)電場(chǎng)中的直流分量盡可能小，通常要求小于50mv。因此STN-LCD必須采用交流驅(qū)動(dòng)。STN-LCD顯示驅(qū)動(dòng)方法有很多種，常用的有靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法。當(dāng)STN-LCD顯示像素眾多時(shí)，若使用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法將會(huì)產(chǎn)生眾多的引腳以及龐大的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有困難，因此常用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法中STN-LCD電極的制作和排布為矩陣型結(jié)構(gòu)，即把水平一組顯示像素的電極連接在一起引出稱之為行電極，用COM符號(hào)表示，把縱向一組顯示像素的電極連在一起引出，稱之為列電極，用符號(hào)SEG表示。每個(gè)STN-LCD顯示像素都由其所有行和列的位置唯一確定。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法就是采用逐行、逐環(huán)地給行電極施加選擇脈沖，同時(shí)所有的列電極給出該行像素對(duì)應(yīng)的選擇或非選擇脈沖，從而實(shí)現(xiàn)一行所有顯示像素的驅(qū)動(dòng)，循環(huán)一次稱為一幀。這種掃描是逐行順序進(jìn)行的，循環(huán)周期很短，使得STN-LCD顯示屏上呈現(xiàn)穩(wěn)定的圖像效果。一幀中每一行的選擇時(shí)間是相等的，若一幀的掃描行數(shù)為N，則一行所占用的掃描時(shí)間為一幀的1/N，該值稱為占空比系數(shù)。在特定電壓下，掃描行數(shù)的增加將使占空比下降，從而引發(fā)液晶像素上交變電場(chǎng)有效值的下降，降低了顯示質(zhì)量，因而隨著顯示像素的增多就需要適度的提高電場(chǎng)電壓的有效值來(lái)保證顯示質(zhì)量。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式下，某一液晶像素顯示效果是由施加在行電極上的選擇與施加在列電極上的選擇電壓的臺(tái)成來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與該像素不在同一行及同一列上的像素都處于非選擇狀態(tài)下，而與該像素在同一行或同一列的像素均有選擇電壓加入，稱為半選擇點(diǎn)。當(dāng)半選擇點(diǎn)的電壓接近液晶閥值電壓時(shí)屏上將出現(xiàn)不應(yīng)該有的半顯示現(xiàn)象，這回使得對(duì)比速度下降，這種現(xiàn)象叫做“交叉效應(yīng)”，在動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法中可采用偏壓技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。平均電壓法是解決“交叉效應(yīng)”的有效辦法，其原理是把半選擇點(diǎn)和非選擇點(diǎn)上的電壓平均化。若顯示點(diǎn)電壓為Vlcd,則半選擇點(diǎn)和非選擇點(diǎn)電壓為Vlcd/，其中為整數(shù)，稱為偏壓比。平均電壓法適度提高非選擇點(diǎn)上的電壓來(lái)抵消半選擇點(diǎn)上的電壓，從而擴(kuò)大選擇點(diǎn)和半選擇點(diǎn)的電壓之間的差距，提高顯示對(duì)比度，又使非選擇和半選擇點(diǎn)的顯示更均勻一致。對(duì)比度是衡量液晶顯示質(zhì)量的重要標(biāo)志。只要驅(qū)動(dòng)電壓的有效值足夠大液晶就可以實(shí)現(xiàn)顯示，且選通時(shí)的透過(guò)率與有效值成正比，而對(duì)比度是透過(guò)率之比，所以只要確定了選通電壓有效值與非選通電壓有效值之比就能預(yù)測(cè)出顯示對(duì)比度的好壞。第3章 現(xiàn)代ARM與FPGA技術(shù)第3.1節(jié) ARM概述 ARM（AdvancedRISCMachines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。 ARM處理器是一個(gè)32位元精簡(jiǎn)指令集(RISC)處理器架構(gòu),其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) ARM處理器特點(diǎn)：1、 體積小、低功耗、低成本、高性能； 2、 支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件； 3、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快； 4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； 5、尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高； 6、指令長(zhǎng)度固定。 ARM處理器系列 ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列 Secur-Core系列Intel的X scaleIntel的Strong Arm ARM11系列 其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。ARM處理器結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) 1、 CISC（ComplexInstructionSetComputer，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）。在CISC指令集的各種指令中，大約有20%的指令會(huì)被反復(fù)使用，占整個(gè)程序代碼的80%。而余下的80%的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計(jì)中只占20%。 2 RISC（ReducedInstructionSetComputer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長(zhǎng)度固定，指令格式和尋地方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等 RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點(diǎn)： 1、采用固定長(zhǎng)度的指令格式，指令歸整、簡(jiǎn)單、基本尋址方式有23種。 2、使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行。 3、大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作，只有加載/存儲(chǔ)指令可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器，以提高指令的執(zhí)行效率。 除此以外，ARM體系結(jié)構(gòu)還采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積，并降低功耗： 4、所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率。 5、可用加載/存儲(chǔ)指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。 6、可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時(shí)完成邏輯處理和移位處理。 7、在循環(huán)處理中使用地址的自動(dòng)增減來(lái)提高運(yùn)行效率。寄存器結(jié)構(gòu)ARM處理器共有37個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組（BANK），這些寄存器包括： 1、31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器。 2、6個(gè)狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。指令結(jié)構(gòu) ARM微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長(zhǎng)度，Thumb指令為16位長(zhǎng)度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價(jià)的 ARM代碼相比較，可節(jié)省30%40%以上的存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。市場(chǎng)前景微軟公司（2011年）宣布，下一版Windows將正式支持ARM處理器。這是計(jì)算機(jī)工業(yè) 發(fā)展歷史上的一件大事，標(biāo)識(shí)著x86處理器的主導(dǎo)地位發(fā)生動(dòng)搖。目前在移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)，ARM處理器的市場(chǎng)份額超過(guò)90%；在服務(wù)器市場(chǎng)，今年（2011年）就會(huì)有2.5GHz的服務(wù)器上市；在桌面電腦市場(chǎng)，現(xiàn)在又有了微軟的支持。ARM成為主流，恐怕指日可待。難怪有人驚呼，Intel公司將被擊敗！與這場(chǎng)轟轟烈烈的變革相比，它的主角ARM公司卻沒(méi)有受到太多的關(guān)注，顯得不太起眼。這家遠(yuǎn)離硅谷、位于劍橋大學(xué)的英國(guó)公司，到底是怎么走到今天的，居然能將芯片巨人Intel拉下馬？ 展望未來(lái)，即使Intel成功地實(shí)施了Atom戰(zhàn)略，將x86芯片的功耗和價(jià)格大大降低，它與ARM競(jìng)爭(zhēng)也將非常吃力。因?yàn)锳RM的商業(yè)模式是開放的，任何廠商都可以購(gòu)買授權(quán)，所以未來(lái)并不是Intel vs. ARM，而是Intel vs. 世界上所有其他半導(dǎo)體公司。那樣的話，Intel的勝算能有多少呢？ 第3.2節(jié) EDA簡(jiǎn)介一、概述： EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation）縮寫，是90年代初從CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試）和CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）的概念發(fā)展而來(lái)的。EDA技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為工具，根據(jù)硬件描述語(yǔ)言HDL（ Hardware Description language）完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合及優(yōu)化、布局布線、仿真以及對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯和編程下載等工作。典型的EDA工具中必須包含兩個(gè)特殊的軟件包，即綜合器和適配器。綜合器的功能就是將設(shè)計(jì)者在EDA平臺(tái)上完成的針對(duì)某個(gè)系統(tǒng)項(xiàng)目的HDL、原理圖或狀態(tài)圖形描述，針對(duì)給定的硬件系統(tǒng)組件，進(jìn)行編譯、優(yōu)化、轉(zhuǎn)換和綜合，最終獲得我們欲實(shí)現(xiàn)功能的描述文件。綜合器在工作前，必須給定所要實(shí)現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)參數(shù)，它的功能就是將軟件描述與給定的硬件結(jié)構(gòu)用一定的方式聯(lián)系起來(lái)。也就是說(shuō)，綜合器是軟件描述與硬件實(shí)現(xiàn)的一座橋梁。綜合過(guò)程就是將電路的高級(jí)語(yǔ)言描述轉(zhuǎn)換低級(jí)的、可與目標(biāo)器件FPGA/CPLD相映射的網(wǎng)表文件。適配器的功能是將由綜合器產(chǎn)生的王表文件配置與指定的目標(biāo)器件中，產(chǎn)生最終的下載文件，如JED文件。適配所選定的目標(biāo)器件（FPGA/CPLD芯片）必須屬于在綜合器中已指定的目標(biāo)器件系列。硬件描述語(yǔ)言HDL是相對(duì)于一般的計(jì)算機(jī)軟件語(yǔ)言，如：C、PASCAL而言的。HDL語(yǔ)言使用與設(shè)計(jì)硬件電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它能描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接方式。設(shè)計(jì)者可利用HDL程序來(lái)描述所希望的電路系統(tǒng)，規(guī)定器件結(jié)構(gòu)特征和電路的行為方式；然后利用綜合器和適配器將此程序編程能控制FPGA和CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)邏輯功能的的門級(jí)或更底層的結(jié)構(gòu)網(wǎng)表文件或下載文件。目前，就FPGA/CPLD開發(fā)來(lái)說(shuō)，比較常用和流行的HDL主要有ABEL-HDL、AHDL和VHDL。 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法正逐步退出歷史舞臺(tái)，而基于EDA技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)正在成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。目前，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?PLD)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其強(qiáng)大的功能也逐漸從各種器件中顯露出來(lái)。如今的可編程器件其自身功能愈加強(qiáng)大的同時(shí)，更使系統(tǒng)趨于小型化，高集成度和高可靠性。與此同時(shí)，器件所具有的靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期大大縮短，降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，極大的提高了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和通用性?？删幊踢壿嬈骷N類很多，其中現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA)編程靈活，應(yīng)用范圍廣。器件技術(shù)成熟，一片F(xiàn)PGA就可替代上百片標(biāo)準(zhǔn)器件，有多達(dá)數(shù)百條Io引腳，更主要的邏輯功能較以在一片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)。因此，著名的可編程邏輯器件生產(chǎn)廠家美國(guó)Altera公司提出了基于PLD的SOC(System on Chip，片上系統(tǒng))設(shè)計(jì)方案一SOPc(System on a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng))。SOPC是SOC技術(shù)和可編程邏輯技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是基于FP(；A解決方案的SOC，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。首先它是SOC，即可以由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它還是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備一定的系統(tǒng)可編程功能。將SOPC技術(shù)引入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將會(huì)使設(shè)計(jì)功耗更低，體積更小，性能更加優(yōu)越，功能更加強(qiáng)大。復(fù)雜的小型系統(tǒng)可二、基于EDA工具的FPGA/CPLD開發(fā)流程：開發(fā)步驟：1、 文本/原理圖編輯與修改。首先利用EDA工具的文本或圖形編輯器將設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖用文本（ABEL-HDL程序）或圖形方式（原理圖或狀態(tài)圖）表達(dá)出來(lái)。2、 編譯。完成設(shè)計(jì)描述后即可通過(guò)編譯器進(jìn)行排錯(cuò)編譯，變成特定的文本格式，為下一步的綜合做準(zhǔn)備。3、 綜合。這是將軟件設(shè)計(jì)與硬件的可實(shí)現(xiàn)性掛鉤，是將軟件轉(zhuǎn)化為硬件電路的關(guān)鍵步驟。綜合后HDL綜合器可生成ENIF、XNF或VHDL等格式的網(wǎng)表文件，他們從門級(jí)開始描述了最基本的門電路結(jié)構(gòu)。4、 行為仿真和功能仿真。利用產(chǎn)生的網(wǎng)表文件進(jìn)行功能仿真，以便了解設(shè)計(jì)描述與設(shè)計(jì)意圖的一致性。（該步驟可以略去）5、 適配。利用FPGA/CPLD布局布線適配器將綜合后的網(wǎng)表文件針對(duì)某一具體的目標(biāo)器件進(jìn)行邏輯映射操作，其中包括底層器件配置、邏輯分割、邏輯優(yōu)化、布局布線。該操作完成后，EDA軟件將產(chǎn)生針對(duì)此項(xiàng)設(shè)計(jì)的適配報(bào)告和JED下載文件等多項(xiàng)結(jié)果。適配報(bào)告指明了芯片內(nèi)資源的分配與利用、引腳鎖定、設(shè)計(jì)的布爾方程描述情況。6、 功能仿真和時(shí)序仿真。該不妨真實(shí)接近真實(shí)器件運(yùn)行的方針，仿真過(guò)程已將器件的硬件特性考慮進(jìn)去了，因此仿真精度要高的多。（該步驟也可略去）7、 下載。如果以上的所有過(guò)程都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就可以將適配器產(chǎn)生的下載文件通過(guò)FPGA/CPLD下載電纜載入目標(biāo)芯片F(xiàn)PGA或CPLD中。8、 硬件仿真與測(cè)試。第3.3節(jié) FPGA的概念以及發(fā)展?fàn)顩rFPGA（FieldProgrammable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。一、背景FPGA作為一種可編程邏輯器件，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的出現(xiàn)是可編程邏輯器件發(fā)展變化的必 然，它的出現(xiàn)推動(dòng)著可編程邏輯器件的進(jìn)一步發(fā)展。因此說(shuō)，了解了可編程邏輯器件的的發(fā) 展歷程，也就了解了FPGA的發(fā)展歷程。 可編程邏輯器件(FPGA)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型期間。它的應(yīng)用不僅簡(jiǎn)化 了電路設(shè)計(jì)，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且給數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式帶來(lái)了革命性 的變化。 可編程邏輯器件的發(fā)展是以微電子創(chuàng)作技術(shù)的不斷進(jìn)步為基礎(chǔ)的， 其結(jié)構(gòu)和工藝的 變化經(jīng)歷了一個(gè)不斷發(fā)展變革的過(guò)程。 20世紀(jì)70年代， 早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存儲(chǔ)器， 紫外線可擦除制度儲(chǔ)存 器和電可擦除只讀儲(chǔ)存器3種。 隨后，出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜的可編程芯片，即可編程邏輯陣列(PLA)。PLA在結(jié)構(gòu) 上由一個(gè)可編程的與陣列和可編程的或陣列構(gòu)成，陣列規(guī)模小，編程過(guò)程復(fù)雜繁瑣。PLA既 有現(xiàn)場(chǎng)可編程的，也有掩膜可編程的。 在這之后出現(xiàn)了可編程陣列邏輯(PAL)器件，它由一個(gè)可編程的“與”平面和一個(gè)固定 EPROM技術(shù)和EEPROM 的“或” 平面構(gòu)成， 是現(xiàn)場(chǎng)可編程的。 它的實(shí)現(xiàn)工藝由反熔絲技術(shù)、 技術(shù)3種。在PLA的基礎(chǔ)上，又發(fā)展除了一種通用陣列邏輯(GAL)，如GAL16V8、GAL22V10 等。它采用了輸出邏輯宏單元結(jié)構(gòu)和EEPROM工藝，實(shí)現(xiàn)了電可擦除、電可改寫，由于其 輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而其設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的靈活性，至今仍有許多應(yīng)用。 這些早期的PLD器件的一個(gè)共同特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能， 但由于其結(jié) 構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，因此，只能用于實(shí)現(xiàn)較小規(guī)模的電路設(shè)計(jì) 為了彌補(bǔ)這一缺陷，20世紀(jì)80年代中期，著名的可編輯邏輯器件廠商Altera和Xilinx分 別推出了擴(kuò)展型的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和類似于標(biāo)準(zhǔn)門陣列的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)。CPLD和FPGA的功能基本相同，只是芯片的內(nèi)部原理和結(jié)構(gòu)有些差別。這兩種器 件兼容了PAL和GAL器件的優(yōu)點(diǎn)，具有體系結(jié)構(gòu)靈活、邏輯資源豐富、集成度高以及適用范 圍廣等特點(diǎn)，可用于實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，編程也很靈活，所以，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的 原型設(shè)計(jì)和小批量生產(chǎn)之中。幾乎所有使用PAL、GAL和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場(chǎng)合 均可應(yīng)用CPLD和FPGA器件。 如今，F(xiàn)PGA器件已成為當(dāng)前主流的可編輯邏輯器件之一。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，可編輯 邏輯器件已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步， 資源更加豐富， 使用越來(lái)越方便。 將來(lái)的可編程邏輯器件， 密度會(huì)更高、速度會(huì)更快、功耗會(huì)更低，同時(shí)還會(huì)增加更多新的功能，向著集成了可編程邏輯、CPU、儲(chǔ)存期等組件的可編程單片系統(tǒng)(SOPC)方向發(fā)展目前以硬件描述語(yǔ)言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn) 單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進(jìn)行測(cè)試，是現(xiàn)代 IC 設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flipflop）或者其他更加完整的記憶塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要通過(guò)可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來(lái)，就好像一個(gè)電路試驗(yàn)板被放在了一個(gè)芯片里。一個(gè)出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計(jì)者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。 FPGA一般來(lái)說(shuō)比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無(wú)法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點(diǎn)比如可以快速成品，可以被修改來(lái)改正程序中的錯(cuò)誤和更便宜的造價(jià)。廠商也可能會(huì)提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因?yàn)檫@些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計(jì)的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到一個(gè)類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件備）。 二、CPLD與FPGA的關(guān)系早在1980年代中期，F(xiàn)PGA已經(jīng)在PLD設(shè)備中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相對(duì)大數(shù)量的可編輯邏輯單元。CPLD邏輯門的密度在幾千到幾萬(wàn)個(gè)邏輯單元之間，而FPGA通常是在幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)。 CPLD和FPGA的主要區(qū)別是他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。CPLD是一個(gè)有點(diǎn)限制性的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)由一個(gè)或者多個(gè)可編輯的結(jié)果之和的邏輯組列和一些相對(duì)少量的鎖定的寄存器。這樣的結(jié)果是缺乏編輯靈活性，但是卻有可以預(yù)計(jì)的延遲時(shí)間和邏輯單元對(duì)連接單元高比率的優(yōu)點(diǎn)。而FPGA卻是有很多的連接單元，這樣雖然讓它可以更加靈活的編輯，但是結(jié)構(gòu)卻復(fù)雜的多。 CPLD和FPGA另外一個(gè)區(qū)別是大多數(shù)的FPGA含有高層次的內(nèi)置模塊（比如加法器和乘法器）和內(nèi)置的記憶體。因此一個(gè)有關(guān)的重要區(qū)別是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系統(tǒng)內(nèi)重新配置。允許他們的設(shè)計(jì)隨著系統(tǒng)升級(jí)或者動(dòng)態(tài)重新配置而改變。一些FPGA可以讓設(shè)備的一部分重新編輯而其他部分繼續(xù)正常運(yùn)行。 三、FPGA芯片結(jié)構(gòu)目前主流的FPGA仍是基于查找表技術(shù)的，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能（如RAM、時(shí)鐘管理和DSP）的硬核（ASIC型）模塊。FPGA芯片主 要由7部分完成，分別為：可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、完整的時(shí)鐘管理、嵌入塊式RAM、豐富的布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌專用硬件模塊。 四、FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)每個(gè)模塊的功能如下： 1、可編程輸入輸出單元（IOB） 可編程輸入/輸出單元簡(jiǎn)稱I/O單元，是芯片與外界電路的接口部分，完成不同電氣特性下對(duì)輸入/輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與匹配要求，F(xiàn)PGA內(nèi)的I/O按組分類，每組都能夠獨(dú)立地支持不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)軟件的靈活配置，可適配不同的電氣標(biāo)準(zhǔn)與I/O物理特性，可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的大小，可以改變上、下拉電阻。目前，I/O口的頻率也越來(lái)越高，一些高端的FPGA通過(guò)DDR寄存器技術(shù)可以支持高達(dá)2Gbps的數(shù)據(jù)速率。 外部輸入信號(hào)可以通過(guò)IOB模塊的存儲(chǔ)單元輸入到FPGA的內(nèi)部，也可以直接輸入FPGA 內(nèi)部。當(dāng)外部輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)IOB模塊的存儲(chǔ)單元輸入到FPGA內(nèi)部時(shí)，其保持時(shí)間（Hold Time）的要求可以降低，通常默認(rèn)為0。為了便于管理和適應(yīng)多種電器標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)PGA的IOB被劃分為若干個(gè)組（bank），每個(gè)bank的接口標(biāo)準(zhǔn)由其接口電壓VCCO決定，一個(gè)bank只能有 一種VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。只有相同電氣標(biāo)準(zhǔn)的端口才能連接在一起，VCCO電壓相同是接口標(biāo)準(zhǔn)的基本條件。 2、可配置邏輯塊（CLB） CLB是FPGA內(nèi)的基本邏輯單元。CLB的實(shí)際數(shù)量和特性會(huì)依器件的不同而不同，但是每個(gè)CLB都包含一個(gè)可配置開關(guān)矩陣，此矩陣由4或6個(gè)輸入、一些 選型電路（多路復(fù)用器等）和觸發(fā)器組成。開關(guān)矩陣是高度靈活的，可以對(duì)其進(jìn)行配置以便處理組合邏輯、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中，CLB由多個(gè)（一般為4個(gè)或2個(gè)）相同的Slice和附加邏輯構(gòu)成，每個(gè)CLB模塊不僅可以用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯、時(shí)序邏輯，還可以配置為分布式RAM和分布式ROM。 Slice是Xilinx公司定義的基本邏輯單位，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-4所示，一個(gè)Slice由兩個(gè)4輸入的函數(shù)、進(jìn)位邏輯、算術(shù)邏輯、存儲(chǔ)邏輯和函數(shù)復(fù)用器組成。算術(shù)邏輯包括一個(gè)異或門（XORG）和一個(gè)專用與門（MULTAND），一個(gè)異或門可以使一個(gè)Slice實(shí)現(xiàn) 2bit全加操作，專用與門用于提高乘法器的效率；進(jìn)位邏輯由專用進(jìn)位信號(hào)和函數(shù)復(fù)用器（MUXC）組成，用于實(shí)現(xiàn)快速的算術(shù)加減法操作；4輸入函數(shù)發(fā)生 器用于實(shí)現(xiàn)4輸入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器（Virtex-5系列芯片的Slice中的兩個(gè)輸入函數(shù)為6輸入，可以實(shí)現(xiàn)6輸入LUT或 64比特移位寄存器）；進(jìn)位邏輯包括兩條快速進(jìn)位鏈，用于提高CLB模塊的處理速度。 3、數(shù)字時(shí)鐘管理模塊（DCM） 業(yè)內(nèi)大多數(shù)FPGA均提供數(shù)字時(shí)鐘管理（Xilinx的全部FPGA均具有這種特性）。Xilinx推出最先進(jìn)的FPGA提供數(shù)字時(shí)鐘管理和相位環(huán)路鎖定。相位環(huán)路鎖定能夠提供精確的時(shí)鐘綜合，且能夠降低抖動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)過(guò)濾功能。 4、嵌入式塊RAM（BRAM） 大多數(shù)FPGA都具有內(nèi)嵌的塊RAM，這大大拓展了FPGA的應(yīng)用范圍和靈活性。塊RAM可被配置為單端口RAM、雙端口RAM、內(nèi)容地址存儲(chǔ)器 （CAM）以及FIFO等常用存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。RAM、FIFO是比較普及的概念，在此就不冗述。CAM存儲(chǔ)器在其內(nèi)部的每個(gè)存儲(chǔ)單元中都有一個(gè)比較邏輯，寫入 CAM中的數(shù)據(jù)會(huì)和內(nèi)部的每一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并返回與端口數(shù)據(jù)相同的所有數(shù)據(jù)的地址，因而在路由的地址交換器中有廣泛的應(yīng)用。除了塊RAM，還可以將 FPGA中的LUT靈活地配置成RAM、ROM和FIFO等結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，芯片內(nèi)部塊RAM的數(shù)量也是選擇芯片的一個(gè)重要因素。 單片塊RAM的容量為18k比特，即位寬為18比特、深度為1024，可以根據(jù)需要改變其位寬和深度，但要滿足兩個(gè)原則：首先，修改后的容量（位寬 深度）不能大于18k比特；其次，位寬最大不能超過(guò)36比特。當(dāng)然，可以將多片塊RAM級(jí)聯(lián)起來(lái)形成更大的RAM，此時(shí)只受限于芯片內(nèi)塊RAM的數(shù)量，而 不再受上面兩條原則約束。 5、豐富的布線資源 布線資源連通FPGA內(nèi)部的所有單元，而連線的長(zhǎng)度和工藝決定著信號(hào)在連線上的驅(qū)動(dòng)能力和傳輸速度。FPGA芯片內(nèi)部有著豐富的布線資源，根據(jù)工藝、長(zhǎng)度、寬度和分布位置的不同而劃分為4類不同的類別。第一類是全局布線資源，用于芯片內(nèi)部全局時(shí)鐘和全局復(fù)位/置位的布線；第二類是長(zhǎng)線資源，用以完成芯片 Bank間的高速信號(hào)和第二全局時(shí)鐘信號(hào)的布線；第三類是短線資源，用于完成基本邏輯單元之間的邏輯互連和布線；第四類是分布式的布線資源，用于專有時(shí)鐘、復(fù)位等控制信號(hào)線.在實(shí)際中設(shè)計(jì)者不需要直接選擇布線資源，布局布線器可自動(dòng)地根據(jù)輸入邏輯網(wǎng)表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件選擇布線資源來(lái)連通各個(gè)模塊單元。從本質(zhì)上講，布線資源的使用方法和設(shè)計(jì)的結(jié)果有密切、直接的關(guān)系。 6 底層內(nèi)嵌功能單元 內(nèi)嵌功能模塊主要指DLL（Delay Locked Loop）、PLL（Phase Locked Loop）、DSP和CPU等軟處理核（SoftCore）?，F(xiàn)在越來(lái)越豐富的內(nèi)嵌功能單元，使得單片F(xiàn)PGA成為了系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)工具，使其具備了軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)的能力，逐步向SOC平臺(tái)過(guò)渡。DLL和PLL具有類似的功能，可以完成時(shí)鐘高精度、低抖動(dòng)的倍頻和分頻，以及占空比調(diào)整和移相等功能。Xilinx公司生產(chǎn)的芯片上集成了 DLL，Altera公司的芯片集成了PLL，Lattice公司的新型芯片上同時(shí)集成了PLL和DLL。PLL 和DLL可以通過(guò)IP核生成的工具方便地進(jìn)行管理和配置。 7. 內(nèi)嵌專用硬核 內(nèi)嵌專用硬核是相對(duì)底層嵌入的軟核而言的，指FPGA處理能力強(qiáng)大的硬核（Hard Core），等效于ASIC電路。為了提高FPGA性能，芯片生產(chǎn)商在芯片內(nèi)部集成了一些專用的硬核。例如：為了提高FPGA的乘法速度，主流的FPGA 中都集成了專用乘法器；為了適用通信總線與接口標(biāo)準(zhǔn)，很多高端的FPGA內(nèi)部都集成了串并收發(fā)器（SERDES），可以達(dá)到數(shù)十Gbps的收發(fā)速度。 Xilinx公司的高端產(chǎn)品不僅集成了Power PC系列CPU，還內(nèi)嵌了DSP Core模塊，其相應(yīng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具是EDK和Platform Studio，并依此提出了片上系統(tǒng)（System on Chip）的概念。通過(guò)PowerPC、Miroblaze、Picoblaze等平臺(tái)，能夠開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的DSP處理器及其相關(guān)應(yīng)用，達(dá)到SOC的開發(fā)目 的。 五、基本特點(diǎn)1）采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。 3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。 4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。 可以說(shuō)，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)P