了解、選取FPGA芯片.課件

1、FPGA應用技術及實踐第一講 了解、選取FPGA芯片1. 關于EDA技術2. 傳統(tǒng)硬件設計方法3. 利用VHDL語言的硬件電路設計方法4. 利用VHDL語言設計硬件電路的優(yōu)點5. EDA技術及其發(fā)展6. FPGA/CPLD產品介紹1.關于EDA技術EDA技術的含義 以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O計載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達方式，以計算機為設計工具，在EDA軟件平臺上完成設計文件的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA的幾個特點：用軟件的方式設計硬件；用軟件的方式設計的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉換

2、是由EDA軟件自動完成的；設計過程中可用軟件進行各種仿真；系統(tǒng)可現(xiàn)場編程、在線升級；整個系統(tǒng)可集成在一個芯片上，體積小、功耗低、可靠性高。2. EDA技術的發(fā)展歷程 20世紀70年代的CAD階段 20世紀80年代的計算機輔助工程設計CAE階段 20世紀90年代電子系統(tǒng)設計自動化EDA階段3. EDA技術的主要內容 大規(guī)模可編程邏輯器件 硬件描述語言(HDL) 軟件開發(fā)工具 實驗開發(fā)系統(tǒng)4. EDA軟件系統(tǒng)的構成 設計輸入子模塊 設計數(shù)據(jù)庫子模塊 分析驗證子模塊 綜合仿真子模塊 布局布線子模塊5. EDA設計流程源程序的編輯和編譯 原理圖輸入方式 狀態(tài)圖輸入方式 VHDL軟件程序的文本方式邏輯綜

3、合和優(yōu)化目標器件的布線適配目標器件的編程下載設計過程中的有關仿真硬件仿真硬件測試第一講 了解、選取FPGA芯片1. 關于EDA技術 2. 傳統(tǒng)硬件設計方法 3. 利用VHDL語言的硬件電路設計方法 4. 利用VHDL語言設計硬件電路的優(yōu)點 5. EDA技術及其發(fā)展 6. FPGA/CPLD產品介紹2.傳統(tǒng)硬件設計方法主要特征：1.采用自下而上的設計方法2.采用通用的數(shù)字邏輯器件3.在系統(tǒng)硬件設計的后期進行仿真和調試4.主要設計文件是電原理圖2.傳統(tǒng)硬件設計方法第一講 了解、選取FPGA芯片1. 關于EDA技術2. 傳統(tǒng)硬件設計方法 3. 利用VHDL語言的硬件電路設計方法 4. 利用VHDL語

4、言設計硬件電路的優(yōu)點 5. EDA技術及其發(fā)展 6. FPGA/CPLD產品介紹3.利用VHDL語言的硬件電路設計方法什么是硬件描述語言 就是可以描述硬件電路的功能、信號連接關系以及定時關系的語言。它能比電原理圖更有效地表示硬件電路的特性。VHDL語言只是硬件描述語言家族中的一員 硬件描述語言有數(shù)十種之多，常用的有VHDL、VerilogHDL、ABEL_HDL。三種語言的對比：1邏輯描述層次（分三個層次，即行為級、RTL級、門級描述） VHDL語言是一種高級描述語言，適用于行為級和RTL級的描述； Verilog語言和ABEL語言是一種較低級的描述語言，適用于RTL級和門電路級的描述；2設計

5、要求 VHDL進行電子系統(tǒng)設計時可以不了解電路的結構細節(jié)，設計者所做的工作較少；Verilog和ABEL語言進行電子系統(tǒng)設計時必須了解電路的結構細節(jié)，設計者所做的工作較多；3綜合過程 VHDL語言源程序綜合過程較復雜，幾乎不能直接控制門電路的生成；而Verilog和ABEL語言源程序綜合過程較簡單，易于控制電路資源；4對綜合器的要求 VHDL描述語言層次較高，不易控制底層電路，因而對綜合器的性能要求較高，Verilog和ABEL語言對綜合器的性能要求較低。5支持的EDA工具 支持VHDL和Verilog的EDA工具較多，但支持ABEL的綜合器僅DATAIO一家。6國際化程度 VHDL和Veri

6、log已成為IEEE標準，而ABEL正朝國際化標準努力。3.利用VHDL語言的硬件電路設計方法硬件描述語言設計的特點：1.采用自上至下的設計方法3.利用VHDL語言的硬件電路設計方法2.系統(tǒng)中大量采用ASIC芯片3.采用系統(tǒng)早期仿真4.降低了硬件電路設計的難度5.主要設計文件是HDL源程序3.利用VHDL語言的硬件電路設計方法EDA與傳統(tǒng)電子設計方法的比較第一講 了解、選取FPGA芯片1. 關于EDA技術2. 傳統(tǒng)硬件設計方法3. 利用VHDL語言的硬件電路設計方法 4. 利用VHDL語言設計硬件電路的優(yōu)點 5. EDA技術及其發(fā)展 6. FPGA/CPLD產品介紹4.利用VHDL語言設計硬件

7、電路的優(yōu)點優(yōu)點：1.設計技術齊全、方法靈活、支持廣泛VHDL語言誕生于1982年，早在1987年12月就已作為IEEE_STD_1076標準公開發(fā)表，因此VHDL語言早已成為事實上的通用硬件描述語言，幾乎所以EDA工具都支持VHDL語言。VHDL不同于其它語言，它不僅支持同步電路的描述，而且支持異步電路、FPGA及其它隨機電路的描述。2.系統(tǒng)硬件描述能力強具體體現(xiàn)為：VHDL語言較其它HDL語言具有更強的行為描述能力，從而決定了它成為系統(tǒng)設計領域最佳的硬件描述語言，因為強大的行為描述能力是避開具體器件結構，從邏輯行為上描述和設計大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證；VHDL豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任

8、何大系統(tǒng)的設計早期就能驗證設計系統(tǒng)的功能可行性，隨時可對設計進行仿真模擬；VHDL語句的行為描述能力和程序結構決定了它具有支持大規(guī)模設計的分解和已有設計的再利用功能。4.利用VHDL語言設計硬件電路的優(yōu)點優(yōu)點：3.VHDL語言可以與工藝無關編程VHDL對設計的描述具有相對獨立性，設計者可以不懂硬件的結構，也不必關心最終設計實現(xiàn)的目標芯片是什么，而進行獨立的設計。正因為VHDL的硬件描述與具體的工藝技術和硬件結構無關，VHDL設計程序的實現(xiàn)目標器件才具有廣闊的選擇范圍（不同廠家、不同芯片、不同結構）。4.VHDL語言標準、規(guī)范、易于共享和復用由于VHDL具有類屬描述語句和子程序調用等功能，對于已

9、完成的設計，在不改變源程序的條件下，只需改變類屬參量或函數(shù)，就能輕易地改變設計的規(guī)模和結構。因此任何設計成果都便于共享、復用和交流。第一講 了解、選取FPGA芯片1. 關于EDA技術2. 傳統(tǒng)硬件設計方法3. 利用VHDL語言的硬件電路設計方法4. 利用VHDL語言設計硬件電路的優(yōu)點 5. EDA技術及其發(fā)展 6. FPGA/CPLD產品介紹5.EDA技術及其發(fā)展 EDA技術在進入21世紀后，得到了更大的發(fā)展，突出表現(xiàn)在以下幾個方面：使電子設計成果以自主知識產權的方式得以明確表達和確認成為可能；在仿真和設計兩方面支持標準硬件描述語言的功能強大的EDA軟件不斷推出。電子技術全方位納入EDA領域；

10、EDA使得電子領域各學科的界限更加模糊，更加互為包容；5.EDA技術及其發(fā)展更大規(guī)模的FPGA和CPLD器件的不斷推出；基于EDA工具的ASIC設計標準單元已涵蓋大規(guī)模電子系統(tǒng)及IP核模塊；軟硬件IP核在電子行業(yè)的產業(yè)領域、技術領域和設計應用領域得到進一步確認；SOC高效低成本設計技術的成熟。5.EDA技術及其發(fā)展SOC：SYSTEM ON A CHIPSOPC：SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIPCSOC：CONFIGURABLE SYSTEM ON A CHIP6.FPGA/CPLD產品介紹超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA/CPLD2. 半定制或全定制ASIC3. 混合A

11、SIC6.FPGA/CPLD產品介紹2003年7月Forbes 福布斯報道FPGA芯片叫板微處理器- 如果沒有微處理器,電腦會怎樣?答案令人驚訝- 它的處理速度比常規(guī)電腦更快,而且快出很多倍! 盡管FPGA芯片的主頻要低于奔騰處理器,但是由于FPGA芯片可并行處理多項任務,因此處理速度要比奔騰處理器或數(shù)字信號處理器快得多! FPGA芯片叫板微處理器 美國贏通系統(tǒng)公司（WincomSystems）推出一款令人驚嘆的服務器。這款專為網(wǎng)站運行而設計的服務器尺寸僅有DVD播放機大小，工作能力卻相當于,甚至超過50臺戴爾、IBM或SUN公司售價5000美元的服務器。贏通公司的這款服務器并未采用目前電腦中

12、不可或缺的微處理器。 傳統(tǒng)的個人電腦及服務器通常采用英特爾的奔騰處理器或SUN計算機系統(tǒng)公司的SPARC芯片作為中央處理單元。而贏通的這一產品卻沒有采用微處理器，而是由FPGA芯片驅動。 FPGA芯片的運行速度比奔騰處理器慢，但可并行處理多項任務，而微處理器一次僅能處理一項任務。因此，贏通公司的服務器只需配置幾個價格僅為2000多美元的FPGA芯片，便可擊敗SUN計算機系統(tǒng)公司的服務器或采用英特爾處理器的電腦，“我們的服務器處理速度要比普通服務器快50到300倍”。 FPGA芯片在一定程度上正在蠶食微處理器的市場。FPGA芯片也開始用于消費類的電子設備中，包括手機和數(shù)碼相機。飛利浦、諾基亞、P

13、alm及索尼均在其消費類的電子產品中采用了FPGA芯片。 XILINX的首席執(zhí)行官W.Roelandts親眼目睹了FPGA如何改變電腦構架。50多年前，匈牙利數(shù)學家紐曼（John von Neumann）提出了電腦的設計構想-通過中央處理器從存儲器中存取數(shù)據(jù)，并逐一處理各項任務?，F(xiàn)在，通過采用可編程芯片F(xiàn)PGA取代微處理器，電腦可并行處理多項任務。 W.Roelandts說，“由紐曼提出的電腦架構已經走到盡頭”，“可編程芯片將掀起下一輪應用高潮。 盡管FPGA芯片的時鐘頻率要低于奔騰處理器，但是由于FPGA芯片可并行處理各種不同的運算，所以可完成許多復雜的任務。例如網(wǎng)頁顯示，全球天氣建摸及基因

14、組合核對等，而且處理速度比奔騰處理器或數(shù)字信號處理器快得多。在通用計算方面，F(xiàn)PGA仍然不敵Intel的處理器。對于那些只需要進行重復單任務操作的機器而言，使用FPGA芯片顯然是大材小用。 位于內華達州的TimeLogic公司也間接受益于FPGA。戴爾和SUN公司生產的某些標準服務器采用了ALTERA公司的FPGA芯片。TimeLogic公司對這些標準服務器加以改進之后，生產了一種用于基因研究的高速處理設備?！拔覀兊脑O備比原來的產品至少快1000倍”，TimeLogic公司總監(jiān)Christopher Hoover說。該公司的這一設備售價25萬美元。 馬里蘭州的Annapolis Micro Systems公司在其電腦芯片電路板中也集成了XILINX的FPGA芯片，以提高產品性能。又如加州的BlueArc公司用ALTERA的FPGA開發(fā)出一種存儲器產品，其速度比Ne