基于FPGA的等精度频率计设计.doc

1、兰州交通大学毕业设计（论文） I 摘 草鱼 草鱼 要 草鱼 伴随着集成电路 (IC)技术的发展 ， 鲤鱼 电子设计自动化 (EDA)逐渐成为重要的设计手段 ， 鲤鱼 已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域 。 草鱼 电子设计自动化是一种实现电系统或电子产品自动化设计的技术 ， 鲤鱼 它与电子技术 、 pork微电子技术的发展密切相关 ， 鲤鱼 它吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果 ， 鲤鱼 以高性能的计算机作为工作平台 ， 鲤鱼 促进了工程发展 。草鱼 草鱼 数字频率计是一种基本的测量仪器 。 草鱼 它被广泛应用与航天 、 pork电子 、 pork测控等领域 。 草鱼 采用等精度频

2、率测量方法具有测量精度 保持恒定 ， 鲤鱼 不随所测信号的变化而变化的特点 。 草鱼 本文首先综述了 EDA 技术的发展概况 ， 鲤鱼 FPGA/CPLD 开发的 涵义 、 pork优缺点 ， 鲤鱼 VHDL 语言的历史及其优点 ， 鲤鱼 概述了 EDA 软件平台 QUARTUS ； pork然后介绍了频率测量的一般原理 ， 鲤鱼 利用等精度测量原理 ， 鲤鱼 通过 FPGA 运用 VHDL 编程 ， 鲤鱼 利用 FPGA(现场可编程门阵列 )芯片设计了一个 8 位数字式等精度频率计 ， 鲤鱼 该频率计的测量范围为 0-100MHZ,利用 QUARTUS 草鱼 集成开发环境进行编辑 、 por

3、k综合 、 pork波形仿真 ， 鲤鱼 并下载 到 CPLD 器件中 ， 鲤鱼 经实际电路测试 ，鲤鱼 仿真和实验结果表明 ， 鲤鱼 该频率计有较高的实用性和可靠性 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 关键词 :电子设计自动化 ； porkVHDL 语言 ； pork频率测量 ； pork数字频率计 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 Abstract 草鱼 兰州交通大学毕业设计（论文） II The 草鱼 Electronic 草鱼 Design 草鱼 Automation 草鱼 (EDA) 草鱼 technology 草鱼 has 草鱼 bec

4、ome 草鱼 an 草鱼 important 草鱼 design 草鱼 method 草鱼 of 草鱼 analog 草鱼 and 草鱼 digital 草鱼 circuit 草鱼 system 草鱼 as 草鱼 the 草鱼 integrated 草鱼 circuits 草鱼 growing. 草鱼 The 草鱼EDA 草鱼 technology, 草鱼 which 草鱼 is 草鱼 closely 草鱼 connected 草鱼 with 草鱼 the 草鱼 electronic 草鱼 technology, 草鱼microelectronics 草鱼 technology 草鱼 and

5、草鱼 computer 草鱼 science, 草鱼 can 草鱼 be 草鱼 used 草鱼 in 草鱼 designing 草鱼 electronic 草鱼 product 草鱼 automatically. 草鱼草鱼 Digital 草鱼 frequency 草鱼 meter 草鱼 is 草鱼 a 草鱼 basic 草鱼 measuring 草鱼 instruments. 草鱼 It 草鱼 is 草鱼 widely 草鱼 used 草鱼 in 草鱼aerospace, 草鱼 electronics, 草鱼 monitoring 草鱼 and 草鱼 other 草鱼 fields. 草鱼

6、With 草鱼 equal 草鱼 precision 草鱼 frequency 草鱼measurement 草鱼 accuracy 草鱼 to 草鱼 maintain 草鱼 a 草鱼 constant, 草鱼 and 草鱼 not 草鱼 with 草鱼 the 草鱼 measured 草鱼 signal 草鱼varies.We 草鱼 firstly 草鱼 present 草鱼 some 草鱼 background 草鱼 information 草鱼 of 草鱼 EDA, 草鱼 FPGA/CPLD,VHDL 草鱼and 草鱼 the 草鱼 EDA 草鱼 software 草鱼 platform

7、草鱼 QUARTUS 草鱼 in 草鱼 this 草鱼 thesis;porkthen 草鱼 introduced 草鱼 the 草鱼 general 草鱼 principle 草鱼 of 草鱼 frequency 草鱼 measurement, 草鱼 utilization 草鱼 of 草鱼 precision 草鱼 measuring 草鱼 principle, 草鱼 using 草鱼VHDL 草鱼 programming, 草鱼 use 草鱼 of 草鱼 FPGA 草鱼 (Field 草鱼 Programmable 草鱼 Gate 草鱼 Array) 草鱼 chip 草鱼 design

8、草鱼 such 草鱼 as 草鱼 the 草鱼 precision 草鱼 of 草鱼 a 草鱼 digital 草鱼 frequency 草鱼 meter, 草鱼 this 草鱼 frequency 草鱼 meters 草鱼 measuring 草鱼 range 草鱼is 草鱼 0-100MHZ,use 草鱼 QUARTUS 草鱼 integrated 草鱼 development 草鱼 environment 草鱼 for 草鱼 editing, 草鱼synthesis, 草鱼 wave 草鱼 simulation, 草鱼 and 草鱼 download 草鱼 to 草鱼 the 草鱼 CP

9、LD 草鱼 device, 草鱼 by 草鱼 the 草鱼 actual 草鱼 circuit 草鱼testing, 草鱼 simulation 草鱼 and 草鱼 experimental 草鱼 results 草鱼 show 草鱼 that 草鱼 the 草鱼 frequency 草鱼 meter 草鱼 has 草鱼 high 草鱼practical 草鱼 and 草鱼 reliability.草鱼 Keywords: 草鱼 Electronic 草鱼 Design 草鱼 Automation,VHDL, 草鱼 Frequency 草鱼 measurement,digital 草鱼freq

10、uency 草鱼 meter 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 兰州交通大学毕业设计（论文） III 目 草鱼 录 草鱼 摘 草鱼 草鱼 要 I 草鱼 Abstract I 草鱼 目 草鱼 录 III 草鱼 1. 草鱼 草鱼 绪 草鱼 论 1 草鱼 1.1 草鱼 草鱼 电子设计自动化 (EDA)发展概述 2 草鱼 1.1.1 什么是电子设计自动化 (EDA 草鱼 ) 2 草鱼 1.1.2EDA 的发展历史 2 草鱼 1.2 草鱼 草鱼 基于 EDA 的 FPGA/ 草鱼 CPLD 开发 3 草鱼 1.2.1FPGA/CPLD 简介 4 草鱼 1.2.

11、2 用 FPGA/CPLD 进行开发的优缺点 4 草鱼 1.3 草鱼 草鱼 硬件描述语言 (HDL) 6 草鱼 1.3.1VHDL 语言简介 7 草鱼 1.3.2 利用 VHDL 语言开发的优点 8 草鱼 1.4 草鱼 草鱼 QuartusII 概述 8 草鱼 2. 草鱼 草鱼 频率测量 10 草鱼 2.1 草鱼 草鱼 数字频率计工作原理概述 10 草鱼 2.2 草鱼 草鱼 测频原理及误差分析 11 草鱼 2.3.1 常用测频方案 11 草鱼 2.3.2 等精度测频原理 12 草鱼 2.3.3 误 差分析 13 草鱼 本章小结 13 草鱼 3. 草鱼 草鱼 数字频率计的系统设计与功能仿真 14

12、 草鱼 3.1 草鱼 草鱼 系统的总体设计 14 草鱼 3.2 草鱼 草鱼 信号源模块 15 草鱼 3.3 草鱼 草鱼 分频器 15 草鱼 3.4 草鱼 草鱼 测频控制信号产生器 16 草鱼 3.5 草鱼 草鱼 锁存器 16 草鱼 3.6 草鱼 草鱼 十进制 计数器 17 草鱼 3.7 显示模块 18 草鱼 3.7.1 显示模块设计 18 草鱼 兰州交通大学毕业设计（论文） IV 3.7.2 显示电路 18 草鱼 3.7.3 译码器 18 草鱼 本章小结 19 草鱼 结 草鱼 草鱼 论 20 草鱼 致 草鱼 草鱼 谢 20 草鱼 参考文献 21 草鱼 附录一 草鱼 草鱼 频率计顶层文件 21

13、草鱼 附录二 草鱼 草鱼 信号源模块源程序 22 草鱼 附录三 草鱼 草鱼 分频器源程序 23 草鱼 附录四 草鱼 草鱼 测频控制信号发生器源程序 25 草鱼 附录五 草鱼 草鱼 32 位锁存器源程序 26 草鱼 附录六 草鱼 草鱼 有时钟使能的十进制计数器的源程序 27 草鱼 附录七 草鱼 草鱼 显示模块源程序 29 草鱼 兰州交通大学毕业设计（论文） 1 1. 草鱼 草鱼 绪 草鱼 论 草鱼 21 世纪人类将全面进入信息化社会 ， 鲤鱼 对微电子信息技术和微电子 VLSI 基 础技术将不断提出更高的发展要求 ， 鲤鱼 微电子技术仍将继续是 21 世纪若干年代中 最为重要的和最有活力的高科技

14、领域之一 。 草鱼 而集成电路 (IC)技术在微电子领 域占有重要的 地位 。 草鱼 伴随着 IC技术的发展 ， 鲤鱼 电子设计自动化 (Electronic 草鱼 Design 草鱼 Automation, 草鱼 草鱼 EDA)己经逐渐成为重要设计手段 ， 鲤鱼 其广泛应用于模拟与数字电 路系统等许多领域 。 草鱼 草鱼 EDA 是指以计算机大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具 ， 鲤鱼 通过有关开发软件 ， 鲤鱼 自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译 、 pork逻辑化简 、 pork逻辑分割 、 pork逻辑综合及优化 、 pork逻辑布局布线 、 po

15、rk逻辑仿真 ， 鲤鱼 直至对于特定目标芯片的适配编译 、 pork逻辑 映 射 、 pork编程下载等工作 ， 鲤鱼 最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新 技术 1。 草鱼 草鱼 VHDL（超高速集成电路硬件描述语言）是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具 ， 鲤鱼 目前已经成为 IEEE（ The 草鱼 Institute 草鱼 of 草鱼 Electrical 草鱼 and 草鱼 Electronics 草鱼 Engineers）的一种工业标准硬件描述语言 。 草鱼 相比传统的电路系统的设计方法 ， 鲤鱼 VHDL 具有多层次描述系统硬件功能的能力 ， 鲤鱼 支持自顶向下（ T

16、op_Down）和基于库 （ LibraryBased）的设计的特点 ， 鲤鱼 因此设计者可以不必了解硬件结构 。 草鱼 从系统设计入手 ， 鲤鱼 在顶层进行系统方框图的划分和结构设计 ， 鲤鱼 在方框图一级用 VHDL 对电路的行为进行描述 ， 鲤鱼 并进行仿真和纠错 ， 鲤鱼然后在系统一级进行验证 ， 鲤鱼 最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表 ， 鲤鱼 下载到具体的 CPLD 器件中去 ， 鲤鱼 从而实现可编程的专用集成电路（ ASIC）的设计 。草鱼 草鱼 数字频率计是数字电路中的一个典型应用 ， 鲤鱼 实际的硬件设计用到的器件较多 ， 鲤鱼 连线比较复杂 ， 鲤鱼 而

17、且会产生比较大的延时 ， 鲤 鱼造成测量误差 ， 鲤鱼 可靠性差 。 草鱼 随着复杂可编程逻辑器件（ CPLD）的广泛应用 ， 鲤鱼 以 EDA 工具作为开发手段 ， 鲤鱼 运用 VHDL 语言 。 草鱼 将使整个系统大大简化 。 草鱼 提高整体的性能和可靠性 。 草鱼 草鱼 数字频率计是通信设备 、 por k音 、 pork视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器 。 草鱼 采用 VHDL编程设计实现的数字频率计 ， 鲤鱼 除被测信号的整形部分 、 pork键输入部分和数码显示部分外 ，鲤鱼 其余全部在一片 FPGA 芯片上实现 。 草鱼 整个系统非常精简 ， 鲤鱼 且具有灵活的现场可更改性

18、。草鱼 草鱼 本文用 VHDL 在 CPLD 器件上实 现一种 8 草鱼 位数字频率计测频系统 ， 鲤鱼 能够用十进制数码显示被测信号的频率 ， 鲤鱼 不仅能够测量正弦波 、 pork方波和三角波等信号的频率 ， 鲤鱼 而且能对其兰州交通大学毕业设计（论文） 2 他多种 频率信号 进行测量 。 草鱼 具有体积小 、 por k可靠性高 、 por k功耗低的特点 。 草鱼草鱼 1.1 草鱼 草鱼 电子设计自动化 (EDA)发展概述 草鱼 1.1.1 什么是电子设计自动化 (EDA 草鱼 )草鱼 在电子设计技术领域 ， 鲤鱼 可编程逻辑器件 (如 PLD, 草鱼 草鱼 GAL)的应用 ， 鲤鱼

19、已有了 很好的普及 。 草鱼这些器件为数字系统的设计带来极大的灵活性 。 草鱼 由于这类器 件可 以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构 ， 鲤鱼 使得硬件的设计可以 如同软件设计那样方便快捷 。 草鱼这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法 、 pork设计过程 、 pork乃至设计观念 。 草鱼 纵观可编程逻辑器件的发展史 ， 鲤鱼 它在结构原理 、 pork集 成规模 、 pork下载方式 、 pork逻辑设计手段等方面的每一次进步都为现代电子设计技术 的革命与发展提供了不可或缺的强大动力 。 草鱼 随着可编程逻辑器件集成规模不断 扩大 ， 鲤鱼 自身功能的不断完善和计算机辅助

20、设计技术的提高 ， 鲤鱼 在现代电子系 统设 计领域中的 EDA 便应运而生了 。 草鱼 草鱼 电子设计自动化 (EDA)是一种实现电子系统或电子产品自动化设计的技术 ， 鲤鱼 它与电子技术 、 pork微电子技术的发展密切相关 ， 鲤鱼 吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果 ， 鲤鱼 以高性能的计算机作为工作平台 ， 鲤鱼 是 20 世纪 90 年代初从 草鱼 CAD(计算机辅助设计 )、 porkCAM(计算机辅助制造 )、 por kCAT(计算机辅助测试 )和 CAE(计算机辅助工程 )的概念发展而来的 。 草鱼EDA 技术就是以计算机为工具 ， 鲤鱼 在 EDA 软件平台上 ，

21、鲤鱼 根据硬件描述语言 HDL 完成的设 计文件 ， 鲤鱼 自动地完成逻辑编译 、 pork化简 、 pork分割 、 pork综合及优化 、 pork布局线 、 pork仿真 ， 鲤鱼 直至对于特定目标芯片的适配编译 、 pork逻辑映 射 和编程下载等工作 。 草鱼 设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述 ， 鲤鱼 在 EDA 工具的帮助下和应用相应的FPGA/CPLD 器件 ， 鲤鱼 就可以得到最后的设计结果 。 草鱼 尽管目标系统是硬件 ， 鲤鱼 但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效 。 草鱼 当然 ， 鲤鱼 这里的所谓 EDA 主要是指数字系统的自动

22、化设计 ， 鲤鱼 因为这一领域的软硬件方面的技术已比 较成熟 ， 鲤鱼 应用的普及程度也比较大 。 草鱼 而仿真电子系统的 EDA 正在进入实用 ， 鲤鱼 其初期的 EDA 工具不一定需要硬件描述语言 。 草鱼 此外 ， 鲤鱼 从应用的广度和深度来说 ， 鲤鱼 由于电子信息领域的全面数字化 ， 鲤鱼 基于 EDA的数字系统的设计技术具有更大的应用市场和更紧迫的需求性 。 草鱼 草鱼 1.1.2EDA 的发展历史 草鱼 EDA 技术的发展始于 70 年代 ， 鲤鱼 至今经历了三个阶段 。 草鱼 电子线路的 CAD(计算机辅助计 )是 EDA 发展的初级阶段 ， 鲤鱼 是高级 EDA 系统的重要组

23、成部分 。 草鱼 它利用计算机的图形编辑 、 pork分析和存储等能力 ， 鲤 鱼 协助工程师设计电子系统的电路图 、 pork印制电路板和集成电路板图 ;por k采用二维图形编辑与分析 ， 鲤鱼 主要解决电子线路设计后期的大量重复性工作 ， 鲤鱼 可以减兰州交通大学毕业设计（论文） 3 少设计人员的繁琐重复劳动 ， 鲤鱼 但自动化程度低 ， 鲤鱼 需要人工干预整个设计过程 。 草鱼 这类专用软件大多以微机为工作平台 ， 鲤鱼 易于学用 ， 鲤鱼 设计中小规模电子系统可靠有效 ， 鲤鱼 现仍有很多这类专用软件被广泛应用于工程设计 。 草鱼 80 年代初期 ， 鲤鱼 EDA 技术开始设计过程的

24、分析 ，鲤鱼 推出了以仿真 (逻辑模拟 、 pork定时分析和故障仿真 )和自动布局与布线为核心的 EDA 产品 ，鲤 鱼这一阶段的 EDA 已把三维图形技术 、 pork窗口技术 、 por k计算机操作系统 、 por k网络数据交换 、 por k数据库与进程管理等一系列计算机学科的最新成果引入电子设计 ， 鲤鱼 形成了 草鱼 CAE 计算机辅助工程 。 草鱼 也就是所谓的 EDA 技术中级阶段 。 草鱼 其主要特征是具备了自动布局布线和电路的计算机仿真 、 pork分析和验证功能 。 草鱼 其作用已不仅仅是辅助设计 ， 鲤鱼 而且可以代替人进行某种思维 。 草鱼 CAE 这种以原理图为

25、基础的 EDA 系统 ， 鲤鱼 虽然直观 ， 鲤鱼 且易于理解 ， 鲤鱼 但对复杂的电子设计很难达到要求 ， 鲤鱼 也不宜于设计的优化 。 草鱼 所以 ， 鲤鱼 90 年代出现了以自动综合器和硬件描述语言为基础 ， 鲤鱼 全面支持电子设计自动化的 ESDA(电子系统设计自动化 )，鲤鱼 即高级 EDA 阶段 、 pork也就是目前常说的 EDA。 草鱼 过去传统的电子系统电子产品的设计方法是采用自底而上 (Bottom_Up)的程序 ， 鲤鱼 设计者先对系统结构分块 ， 鲤鱼 直接进行电路级的设计 。 草鱼 这种设计方式使设计者不能预测下一阶段的问题 ， 鲤鱼 而且每一阶段是否存在问题 ， 鲤

26、鱼往往在系统整机调试时才确定 ， 鲤鱼 也很难通过局部电路的调整使整个系统达到既定的功能和指针 ， 鲤鱼 不能保证设计一举成功 。 草鱼 EDA 技术高级阶段采用一种新的设计概念 :自顶而下(Top_Down)的设计程序和并行工程 (Concurrent 草鱼 engineering 草鱼 )的设计方法 ， 鲤鱼 设计者的精力主要集中在所要电子产品的准确定义上 ， 鲤鱼 EDA 系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计 。 草鱼 此阶段 EDA 技术的主要特征是支持高级语言对系统进行描述 ， 鲤鱼 高层次综合(High 草鱼 Level 草鱼 Synthesis 草鱼 )理论得到了巨大的发展

27、， 鲤鱼 可进行系统级的仿真和综合 。 草鱼 草鱼 图 1.1 给出了上述三个阶段的示意图 。 草鱼 草鱼 草鱼 图 1.1 草鱼 草鱼 EDA 发展阶段示意图 草鱼 1.2 草鱼 草鱼 基于 EDA 的 FPGA/ 草鱼 CPLD 开发 草鱼 我国的电子设计技术发展到今天 ， 鲤鱼 将面临一次更大意义的突破 ， 鲤鱼 即 草鱼 FPGA/CPLD 草鱼 ( 草鱼 Field 草鱼 Programmable 草鱼 Gate 草鱼 Array， 鲤鱼 现场可编程门阵列 /Complex 草鱼 Programmable 草鱼 Logic 草鱼 Device，鲤鱼 复杂可编程逻辑器件 )在 EDA

28、基础上的广泛应用 。 草鱼 从某种意义上说 ， 鲤鱼 新的电子系统运转的物理机制又将 回到原来的纯数字电路结 构 ， 鲤鱼 但却是一种更高层次的循环 ， 鲤鱼 它在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀 部分 ， 鲤鱼 对 (Micro 草鱼 Chip 草鱼 Unit 草鱼 ) 草鱼 MCU 系统是一种扬弃 ， 鲤鱼在电子设计的技术操作 和系统构成的整体上发生了质的飞跃 。 草鱼 如果说 MCU 在逻辑的实兰州交通大学毕业设计（论文） 4 现上是无限的 话 ， 鲤鱼 那么 FPGA/CPLD 不但包括了 MCU 这一特点 ， 鲤鱼 而且可以触及硅片电路线 度的物理极限 ， 鲤鱼 并兼有串 、 po

29、rk并行工作方式 ， 鲤鱼 高速 、 pork高可靠性以及宽口径适用性 等诸多方面的特点 。 草 鱼不但如此 ， 鲤鱼 随着 EDA 技术的发展和 FPGA/CPLD 在深亚微 米领域的进军 ， 鲤鱼 它们与 MCU, 草鱼 MPU, 草鱼 DSP, 草鱼 A/D, 草鱼 D/A, 草鱼 RAM 和 ROM 等独立 器件间的物理与功能界限已日趋模糊 。 草鱼 特别是软 /硬 IP 芯核 (知识产权芯核 ;porkIntelligence 草鱼 Property 草鱼 Core， 鲤鱼 一种已注册产权的电路设计 )产业的迅猛发展 ， 鲤鱼 嵌入式通用及标准 FPGA 器件的呼之欲出 ， 鲤鱼 片

30、上系统 (SOC)已经近在咫尺 。 草鱼 FPGA/CPLD 以其不可替代的地位及伴随而来的 极具知识经济特征的 IP 芯核产业的崛起 ， 鲤鱼 正越来越受到业内人士的密切关注 。 草鱼 草鱼 1.2.1FPGA/CPLD 简介 草鱼 FPGA 和 CPLD 都是高密度现场可编程逻辑芯片 ， 鲤鱼 都能够将大量的逻辑功 能集成于一个单片集成电路中 ， 鲤鱼 其集成度已发展到现在的几百万门 。 草鱼 复杂可编 程逻辑器件 CPLD 是由 PAL 草鱼 ( 草鱼 Programmable 草鱼 Array 草鱼 Logic， 鲤鱼 可编程数组逻辑 )或 GAL 草鱼 ( 草鱼 Generic 草鱼

31、 Array 草鱼 Logic，鲤鱼 通用数组逻辑 )发展而来的 。 草鱼 它采用全局金属互连 导线 ， 鲤鱼 因而具有较大的延时可预测性 ，鲤鱼 易于控制时序逻辑 ;por k但功耗比较大 。 草鱼 现 场可编程门阵列 (FPGA)是由掩膜可编程门阵列(MPGA)和可编程逻辑器件 二者演变而来的 ， 鲤鱼 并将它们的特性结合在一起 ， 鲤鱼 因此 FPGA既有门阵列的高逻 辑密度和通用性 ， 鲤鱼 又有可编程逻辑器件的用户可编程特性 。 草鱼 FPGA 通常由布线资 源分隔的可编程逻辑单元 (或宏单元 )构成数组 ， 鲤鱼 又由可编程 I/O 单元围绕 数组构成整个芯片 。 草鱼 其内部资源

32、是分段互联的 ， 鲤鱼 因而延时不可预测 ， 鲤鱼 只有编程 完毕后才能实际测量 。 草鱼 草鱼 CPLD和 FPGA建立内部可编程逻辑连接关系的编程技术有三种 :基于反熔丝技术的器件只允许对器件编程一次 ， 鲤鱼 编程后不能修改 。 草鱼 其优点是集成度 、 pork工作频率和可靠性都很高 ， 鲤鱼 适用于电磁辐射干扰较强的恶劣环境 。 草鱼 基于 EEPROM 内存技术的可编程逻辑芯片能够重复编程 100 次以上 ， 鲤鱼 系统掉电后编程信息也不会丢失 。 草鱼 编程方法分为在编程器上编程和用下载电缆编程 。 草鱼 用下载电缆编程的器件 ，鲤鱼 只要先将器件装焊在印刷电路板上 ， 鲤鱼 通

33、过 PC, 草鱼 SUN 工作站 、 porkATE(自动测试仪 )或嵌入式微处理器系统 ， 鲤鱼 就能产生编程所用的标准 5V, 草鱼 3.3V 或 2.5V 逻辑电平信号 ， 鲤鱼 也称为 ISP 草鱼 ( 草鱼 In 草鱼 System 草鱼Programmable)方式编程 ， 鲤鱼 其调试和维修也很方便 。 草鱼 基于 SRAM 技术的器件编程数据存储于器件的RAM 区中 ， 鲤鱼 使之具有用户设计的功能 。 草鱼 在系统不加电时 ， 鲤鱼 编程数据存储在 EPROM、 pork硬盘 、 pork或软盘中 。 草鱼 系统加电时将这些编程数据实时写入可编程器件 ， 鲤鱼 从而实现板级或

34、系统级的动态配置 。 草鱼 草鱼 1.2.2 用 FPGA/CPLD 进行开发的优缺点 草鱼 我们认为 ， 鲤鱼 基于 EDA 技术的 FPGA/CPLD 器件的开发应用可以从根本上解 决 MCU 所兰州交通大学毕业设计（论文） 5 遇到的问题 。 草鱼 与 MCU 相比 ， 鲤鱼 FPGA/CPLD 的优势是多方面的和根本 性的 :草鱼 (1).编程方式简便 、 pork先进 。 草鱼 FPGA/CPLD 产品越来越多地采用了先进的 草鱼 IEEE1149.1 边界扫描测试 (BST)技术 (由联合测试行动小组 ， 鲤鱼 JTAG 开发 )和 草鱼 ISP(在系统配置编程方式 )。 草鱼在

35、+5 草鱼 V工作电平下可随时对正在工作的系统上的 草鱼 FPGA/CPLD进行全部或部分地在系统编程 ， 鲤鱼 并可进行所谓菊花链式多芯片串 行编程 ， 鲤鱼 对于 SRAM 结构的 FPGA， 鲤鱼 其下载编程次数几乎没有限制 (如 Altera 公司的 FLEXIOK 系列 )。 草鱼 这种编程方式可轻易地实现红外编程 、 pork超声编程或无 线编程 ， 鲤鱼 或通过电话线远程在线编程 。 草鱼 这些功能在工控 、 pork智能仪器仪表 、 por k通讯 和军事上有特殊用途 。 草鱼 草鱼 (2).高速 。 草鱼 FPGA/CPLD 的时钟延迟可达纳秒级 ， 鲤鱼 结合其并行工作方式

36、 ， 鲤鱼 在 超高速应用领域和 实时测控方面有非常广阔的应用前景 。 草鱼 草鱼 (3).高可靠性 。 草鱼 在高可靠应用领域 ， 鲤鱼 MCU 的缺憾为 FPGA/CPLD 的应用留 下了很大的用武之地 。 草鱼 除了不存在 MCU 所特有的复位不可靠与 PC 可能跑飞 等固有缺陷外 ， 鲤鱼FPGA/CPLD 的高可靠性还表现在几乎可将整个系统下载于同 一芯片中 ， 鲤鱼 从而大大缩小了体积 ， 鲤鱼 易于管理和屏蔽 。 草鱼 草鱼 (4).开发工具和设计语言标准化 ， 鲤鱼 开发周期短 。 草鱼 由于 FPGA/CPLD 的集成规 模非常大 ， 鲤鱼集成度可达数百万门 。 草鱼 因此

37、， 鲤鱼 FPGA/ 草 鱼 CPLD 的设计开发必须利用功 能强大的 EDA 工具 ，鲤鱼 通过符合国际标准的硬件描述语言 (如 VHDL 或 草鱼 Verilog-HDL)来进行电子系统设计和产品开发 。 草鱼 由于开发工具的通用性 、 por k设计语言 的标准化以及设计过程几乎与所用的FPGA/ 草鱼 CPLD 器件的硬件结构没有关 系 ， 鲤鱼 所以设计成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性 ， 鲤鱼 它几乎 可用于任何型号的 FPGA/ 草鱼 CPLD 中 ， 鲤鱼 由此还可以 以 知识产权的方式得到确认 ， 鲤鱼 并 被注册成为所谓的 IP 芯核 ， 鲤鱼 从而 使得片

38、上系统的产品设计效率大幅度提高 。 草鱼 由 于相应的 EDA 软件功能完善而强大 ， 鲤鱼 仿真方式便捷而实时 ， 鲤鱼 开发过程形象而 直观 ， 鲤鱼 兼之硬件因素涉及甚少 ， 鲤鱼 因此可以在很短时间内完成十分复杂的系统设计 ， 鲤鱼 这正是产品快速进入市场的最宝贵的特征 。 草鱼 美国 TI 公司认为 ， 鲤鱼 一个 ASIC 草鱼 80 草鱼 %的功能可用 IP 芯核等现成逻辑合成 。 草鱼 EDA 专家预言 ， 鲤鱼 未来的大系统的 FPGA/ 草鱼 CPLD 设计仅仅是各类再应用逻辑与 IP 芯核的拼装 ， 鲤鱼 其设计周期最少仅数分钟 。 草鱼 草鱼 (5).功能强大 ， 鲤鱼

39、 应用广阔 。 草鱼 目前 ， 鲤鱼 FPGA/ 草鱼 CPLD 可供选择范围很大 ， 鲤鱼 可根 据不同的应用选用不同容量的芯片 。 草鱼 利用它们可实现几乎任何形式的数字电路 或数字系统的设计 。 草鱼随着这类器件的广泛应用和成本的大幅度下降 ， 鲤鱼 FPGA/ 草鱼 CPLD 在系统中的直接应用率正直逼 ASIC 的开发 。 草鱼 草鱼 兰州交通大学毕业设计（论文） 6 同时 ， 鲤鱼 FPGA/CPLD 设计方法也有其局限性 。 草鱼 这主要体现在以下几点 :草鱼 (1).FPGA/CPLD 设计软件一般需要对电路进行逻辑综合优化 (Logic 草鱼 Synthesis 草鱼 & 草

40、鱼Optimization)， 鲤鱼 以得到易于实现的结果 ， 鲤鱼 因此 ， 鲤鱼 最终设计和原始设计之间在逻辑实现和时延方面具有一定的差异 。 草鱼 从而使传统设计方法中经常采 用的一些电路形式 (特别是一些异步时序电路 )在 FPGA/CPLD 设计方法中并不适用 。 草鱼 这就要求设计人员更加了解FPGA/CPLD 设计软件的特点 ， 鲤鱼 才能得到优化的设计 。 草鱼草鱼 (2).FPGA 一般采用查找表 (LUT)结构 (Xilinx), 草鱼 AND-OR结构 (Altera)或多路 选择器结构(Actel)， 鲤鱼 这些结构的优点是可编程性 ， 鲤鱼 缺点是时延过大 ， 鲤鱼

41、造成原 始设计中同步信号之间发生时序偏移 。 草鱼 同时 ， 鲤鱼 如果电路较大 ， 鲤鱼 需要经过划分才 能实现 ， 鲤鱼 由于引出端的延迟时间 ，鲤鱼 更加大了延迟时间和时序偏移 。 草鱼 时延问题是 草鱼 ASIC 设计当中常见的问题 ， 鲤鱼 要精确地控制电路的时延是非常困难的 ， 鲤鱼 特别是 在像 FPGA/CPLD 这样的可编程逻辑当中 。 草鱼 草鱼 (3).FPGA/CPLD 的容量和 I/O 数目都是有限的 ， 鲤鱼 因此 ， 鲤鱼 一个较大的电路必 须经过逻辑划分 (Logic 草鱼 Partition)才能用多个 FPGA/CPLD 芯片实现 ， 鲤鱼 划分算法 的优劣

42、直接影响设计的性能 。 草鱼草鱼 (4).由于目标系统的 PCB 板的修改代价很高 ， 鲤鱼 用户一般希望能够在固定引出端分配的前提下对电路进行修改 。 草鱼 但在芯片利用率提高 ， 鲤鱼 或者芯片 I/O 引出端很多的情况下 ， 鲤鱼 微小的修改往往会降低芯片的布通率 。 草鱼 草鱼 (5).早期的 FPGA 芯片不能实现内存 、 por k模拟电路等一些特殊形式的电路 。 草鱼 最新的一些FPGA 产品集成了通用的 RAM 结构 。 草鱼 但这种结构要么利用率不 高 ， 鲤鱼 要么不完全符合设计者的需要 。 草鱼 这种矛盾来自于 FPGA 本身的结构局限性 ， 鲤鱼 短期内很难得到很好的解

43、决 。草鱼 草鱼 (6).尽管 FPGA 实现了 ASIC 设计的硬件仿真 ， 鲤鱼 但是由于 FPGA 和门阵列 、 pork标准单元等传统 ASIC 形式的延时特性不尽相同 ， 鲤鱼 在将 FPGA 设计转向其它 草鱼 ASIC 设计时 ， 鲤鱼 仍然存在由于延时不匹配造成设计失败的可能性 。 草鱼 针对这个问 题 ， 鲤鱼 国际上出现了用 FPGA 数组对 ASIC 进行硬件仿真的系统 (如 Quickturn 公司的硬件仿真系统 )。 草鱼 这种专用的硬件仿真系统利用软硬件结合的方法 ， 鲤鱼 用 草鱼 FPGA 数组实现了 ASIC 快速原型 ， 鲤鱼 接入系统进行测试 。 草鱼 该系统可以接受指定 的测试点 ， 鲤鱼 在 FPGA 数组中可以直接观测 (就像软件模拟中一样 )， 鲤鱼 所以大大 提高了仿真的准确性和效率 。 草鱼 草鱼 1.3 草鱼 草鱼 硬件描述语言 (HDL)草鱼 硬件描述语言 (HDL)是相对于一般的计算机软件语言如 C 草鱼 , 草鱼 Pascal而言的 。 草鱼 草鱼 HDL 是用