基于FPGA的电子密码锁的设计.doc

1、 I 基于 FPGA的 多功能 电子密码锁 草鱼 参赛队员 ： por k谭建军 草鱼 摘要 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼基于 FPGA 设计的电子密码锁是一个小型的数字系统 ， 鲤鱼 与普通机械锁相比 , 草鱼具有许多独特的优点 : 草鱼 保密性好 , 草鱼 防盗性强 , 草鱼 可以不用钥匙 , 草鱼 记住密码即可开锁等 。草鱼目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术 , 草鱼以单片机为主要器件 , 草鱼其编码器与解码器的生成为软件方式 。 草鱼 在实际应用中 , 草鱼由于程序容易跑飞 , 草鱼系统的可靠性能较差 。 草鱼 本文介绍一种基于现场 可编程门阵列

2、FPGA 草鱼 器件的电子密码锁的设计方法采用 VHDL 语言对系统进行描述 ， 鲤鱼 并在 FLEX10K10LC84-4 上实现 。 草鱼 草鱼 系统所实现的功能 ： pork用户给电子密码锁设定一个密码 ， 鲤鱼 当使用本机键盘开锁时 ， 鲤鱼该密码与用户设定的密码比较 ， 鲤鱼 如果密码正确 ， 鲤鱼 则开锁 ； pork如果密码不正确 ， 鲤鱼 则允许用户重新输入密码 ， 鲤鱼 最多可输入三次 ， 鲤鱼 若三次都不正确 ， 鲤鱼 则扬声器报警 ， 鲤鱼 直到按复位键才允许再次输入代码 。 草鱼 草鱼 通过仿真调试 ， 鲤鱼 利用可编程器件 FPGA 的电子密码锁的设计基本达到了预期

3、目的 。草鱼 当然 ， 鲤鱼 该系统在一些细节的设计上还需要不断的完善和改进 ， 鲤鱼 特别是对系统的扩展有很好的实用和设计的价值 。 草鱼 草鱼 草鱼 关键词 ： pork现场可编程门阵列 , 草鱼 硬件描述语言 , 草鱼 电子密码锁 , 草鱼 扬声器 草鱼草鱼 1 1 草鱼 绪言 草鱼 系统以利用可编程器件实现电子密码锁的设计为研究背景 、 por k现状以及发展方向 ， 鲤鱼 明确指出了电子密码锁面临的问题和所解决的方法 。 草鱼草鱼 草鱼 1.1 课题背景 草鱼 基于 FPGA 的电子密码锁是新型现代化安全管理系统 ， 鲤鱼 它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体 ， 鲤鱼 它涉

4、及电子 ， 鲤鱼 机械 ， 鲤鱼 计算机技术 ， 鲤鱼 通讯技术 ， 鲤鱼 生物技术等诸多新技术 。 草鱼 它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施 ， 鲤鱼 适用各种场合 ， 鲤鱼 如银行 、 pork宾馆 、 pork机房 、 pork军械库 、 pork机要室 、 pork办公间 、 pork智能化小区 、 pork工厂 、 pork家庭等 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 在数字技术网络技术飞速发展的今天 ， 鲤鱼 电子密码锁技术得到了迅猛的发展 。 草鱼 它早已超越了单纯的门道及钥匙管理 ， 鲤鱼 逐渐发展成为一套完整的出入管理系统 1。 草鱼 它在工作环境安全 、 pork人

5、事考勤 管理等行政管理工作中发挥着巨大的作用 。 草鱼 在该系统的基础上增加相应的辅助设备可以进行电梯控制 、 por k车辆进出控制 ， 鲤鱼 物业消防监控 、 por k餐饮收费 、 por k私家车库管理等 ， 鲤鱼 真正实现区域内一卡智能管理 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术 , 草鱼 以单片机为主要器件 , 草鱼 其编码器与解码器的生成为软件方式 。 草鱼 在实际应用中 , 草鱼 由于程序容易跑飞 , 草鱼 系统的可靠性能较差 2。 草鱼 基于 FPGA 的电子密码锁已经是现代生活中经常用到的工具之一 ， 鲤鱼 用于各类保险柜 、 pork房门

6、、 pork防盗门等等 。 草鱼 用电子密码锁代替传统的机械式密码锁 ， 鲤鱼 克服了机械式密码锁密码量少 、 pork安全性能差的缺点 。 草鱼 由于采用的是可编程逻辑器件 FPGA，鲤鱼 使得系统有相当大的灵活性 ， 鲤鱼 随时可以进行硬件升级 、 pork扩展 ， 鲤鱼 而且系统设计完善以后还可以将主控的 FPGA 固化成一片 ASIC， 鲤鱼 那么这块 ASIC 就可以作为专用的数字密码锁芯片 。 草鱼 而且由于硬件可升级 ， 鲤鱼 还可随时增加密码位数或增加新的功能 ， 鲤鱼 使得密码锁有更高的安全性 、 por k可靠性和方便性 3。 草鱼 草鱼 草鱼 1.2 草鱼 课题研究的目的

7、 和意义 草鱼 电子杂志 、 pork报刊经常刊登有密码开关 、 pork密码锁这样的电路 ， 鲤鱼 大多数是使用常用的数字电路 ， 鲤鱼 如 CD4017， 鲤鱼 然后通过不同的连接方式实现密码控制功能 。 草鱼 这种电路的特点就是密码修改只能通过改变电路的连接来实现 ， 鲤鱼 密码很容易被破解 ， 鲤鱼 电路复杂 ，鲤鱼 故障率高 。 草鱼 本制作是针对这些电路而设计的 ， 鲤鱼 将以往的以单片机实现设计改为可编程器件 FPGA 利用 VHDL 编程实现电子密码锁的设计 。 草鱼 这种设计移动方便 。 草鱼 基于2 FPGA 的电子密码锁具有保密强 、 pork灵活性高 、 pork适用范

8、围广等特点 ， 鲤鱼 它在键盘上输入 ，鲤鱼 与打电话差不多 ， 鲤鱼 因而易于掌握 ， 鲤鱼 其突出优点是 “ 密码 ” 是记在被授权人脑子里的数字和字符 ， 鲤鱼 既准确又可靠 ， 鲤鱼 不会丢失（除了忘记） ， 鲤鱼 难以被窃（除非自己泄露） 。草鱼 但是密码不能太简单 ， 鲤鱼 太简单了就容易被他人在键盘上试探出来 ， 鲤鱼 或者可能被旁观者窥测出来 ， 鲤鱼 造成保密性不足 。 草鱼 当然 ， 鲤鱼 密码又不能太复杂 ， 鲤鱼 太复杂了可能自己都糊涂了 ， 鲤鱼 或者输入密码操作成功率低 ， 鲤鱼 造成使用不便 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼 为了发扬优点 、 pork克服弱点 ， 鲤鱼

9、本设计采用 “ 任意设定数字密码 ” 技术使得被授权 人可以根据自己的需要或喜好设定密码 ， 鲤鱼 常用常新 ， 鲤鱼 在输入密码的过程中 ， 鲤鱼 当用户键入错误密码时 ， 鲤鱼 系统就会报警 ， 鲤鱼 由扬声器发出 5 秒报警声 ， 鲤鱼 当连续三次出现密码错误时 ， 鲤鱼 则系统会长时间报警不止 ， 鲤鱼 这时必须按复位方可停止 。 草鱼 草鱼 本设计的 FPGA 电子密码锁的特点是 ： pork体积小 、 pork功耗低 、 pork价格便宜 、 pork安全可靠 ,维护和升级都十分方便 ,具有较好的应用前景 。 草鱼 它与传统锁具的不同之处在于 ： pork它与可编程逻辑器件实现系统

10、的设计 ， 鲤鱼 应用简洁清晰的 VHDL 语言实现设计编程思想 ， 鲤 鱼 能够实现适时 、 por k智能控制管理功能 ， 鲤鱼 特别是在系统的扩展上有很好的优势 。 草鱼 草鱼 草鱼 1.3 草鱼 国内外概况 草鱼 随着我国对外开放的不断深入 ， 鲤鱼 高档建筑发展很快 ， 鲤鱼 高档密码锁具市场的前景乐观 。草鱼 我国密码锁具行业对密码锁具高新技术的投入正逐年增大 ， 鲤鱼 高档密码锁的市场需求也逐年增加 4。 草鱼 在安防工程中 ， 鲤鱼 锁具产品是关系到整个系统安全性的重要设备 ， 鲤鱼 所以锁具产品的优劣也关系了整个安防工程的质量和验收 。 草鱼 草鱼 目前 ， 鲤鱼 市场上比较

11、先进的智能电子密码锁分别有 ： porkIC 卡电子密码锁 、 pork射频卡式电子密码锁 、 pork红外遥控电子密码锁 、 pork指纹识别电子密码锁和瞳孔识别电子密码锁等 。 草鱼 IC卡电子密码锁成本低 ， 鲤鱼 体积小 ， 鲤鱼 卡片本身无须电源等优点占领了一定的市场份额 ，鲤鱼 但是由于有机械接触 ， 鲤鱼 会产生接触磨损 ， 鲤鱼 而且使用不太方便 ， 鲤鱼 在一定程度上限制了它的应用 ； pork射频卡式电子密码锁是非接触式电子密码锁 ， 鲤鱼 成本也不太高 ， 鲤鱼 体积跟 IC卡密码锁相当 ， 鲤鱼 卡片使用感应电源 ， 鲤鱼 重量很轻 ， 鲤鱼 技术成熟 ， 鲤鱼 受到了

12、广泛的欢迎 ， 鲤鱼但是与 IC 卡电子密码锁相比 ， 鲤鱼 成本偏高 ； por k指纹 识别电子密码锁和瞳孔识别电子密码锁可靠性很高 ， 鲤鱼 安全性是目前应用系统中最高的 ， 鲤鱼 但是成本高昂 ， 鲤鱼 还没进入大众化使用阶段 5。 草鱼 草鱼 在国外 ， 鲤鱼 美国 、 pork日本 、 pork德国的电子密码锁保密性较好 ， 鲤鱼 并结合感应卡技术 ， 鲤鱼 生物识别技术 ， 鲤鱼 使电子密码锁系统得到了飞跃式的发展 。 草鱼 这几个国家的密码锁识别的密码3 更复杂 ， 鲤鱼 并且综合性比较好 ， 鲤鱼 已经进入了成熟期 ， 鲤鱼 出现了感应卡式密码锁 ， 鲤鱼 指纹式密码锁 ，

13、鲤鱼 虹膜密码锁 ， 鲤鱼 面部识别密码锁 ， 鲤鱼 序列混乱的键盘密码锁等各种技术的系统 ，鲤鱼 它们在安全性 ， 鲤鱼 方便性 ， 鲤鱼 易管理性等方面都各有特长 ， 鲤鱼 新型的电子密码锁系统的应用也越来越广 6。 草鱼 草鱼 1.4 课题的主要研究工作 草鱼 课题主要解决系统硬件和软件两方面的问题 。 草鱼 硬件方面要解决 FPGA 可编程器件与其外围电路的接口设计的问题 ； por k软件方面主要问题是利用 VHDL 语言完成基于FPGA 的电子密码锁的编程问题 。 草鱼 除此之外 ， 鲤鱼 程序还要完成基本的密码开锁功能 ， 鲤鱼并通过扬声器长时间鸣叫报警 。 草鱼 本设计是由 F

14、PGA 可编程逻辑器件编程实现的控制电路 ， 鲤鱼 具体有按键指示 、 pork输入错误提示 、 pork密码 有效指示 、 pork控制开锁 、 pork控制报警等功能 。 草鱼 它具有安全可靠 、 pork连接方便 、 pork简单易用 、 pork结构紧凑 、 pork系统可扩展性好等特点 。草鱼 草鱼 草鱼 2 草鱼 FPGA 的相关介绍 草鱼 2.1 草鱼 可编程逻辑器件 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 在数字电子系统领域 ， 鲤鱼 存在三种基本的器件类型 ： pork存储器 、 pork微处理器和逻辑器件 。 草鱼 存储器用来存储随机信息 ， 鲤鱼 如数据表或数据库的内容 。 草鱼

15、微处理器执行软件指令来完成范围广泛的任务 ， 鲤鱼 如运行字处理程序或视频游戏 。 草鱼 逻辑器件提供特定的功能 ，鲤鱼 包括器件与器件间的接口 、 pork数据通信 、 pork信号处理 、 por k数据显示 、 por k定时和控制操作 、 por k以及系统运行所需要的所有其它功能 7。 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 逻辑器件可分为两大类 ， 鲤鱼 即固定逻辑器件和可编程逻辑器件 。 草鱼 正如其命名一样 ，鲤鱼 固定逻辑器件中的电路是永久性的 ， 鲤鱼 它们完成一种或一组功能 ， 鲤鱼 一旦制造完成 ， 鲤鱼就无法改变 。 草鱼 另一方面 ， 鲤鱼 可编程逻辑器件（ PLD

16、）是能够为客户提供范围广泛的多种逻辑容量 、 pork特性 、 pork速度和电压参数的标准成品部件 草鱼 草鱼 而且此类器件可在任何时间改变 ， 鲤鱼 从而完成许多种不同的功能 8。 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 对于固定逻辑器件 ， 鲤鱼 根据器件复杂性不同 ， 鲤鱼 从设计 、 pork原型到最终生产所需要的时间可从数月至一年多不等 。 草鱼 而且 ， 鲤鱼 如果器件工作不合适 ， 鲤鱼 或者如果应用要求发生了变化 ， 鲤鱼 那么就必须开发全新的设计 。 草鱼 设计和验证固定逻辑的前期工作需要大量的NRE 成本 。 草鱼 NRE 代表在固定逻辑器件最终从芯片制造厂制造出来以前客

17、户需要投入的所有成本 ， 鲤鱼 这些成本包括工程资源 、 pork昂贵的软件设计工具 、 pork用来制造芯片不同金属层的昂贵光刻掩膜组以及初始原型器件的生产成本 。 草鱼 这些 NRE 成本可能从数4 十万美元至数百万美元 。 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 对于可编程逻辑器件 ， 鲤鱼 设计人员可利用价格低廉的软件工具快速开发 、 pork仿真和测试其设计 。 草鱼 然后 ， 鲤鱼 可快速将设计编程到器件中 ， 鲤鱼 并立即在实际运行的电路中对设计进行测试 。 草鱼 原型中使用的 PLD 器件与正式生产最终设备（如网络路由器 、 por kDSL调制解调器 、 por kDVD 播

18、放器 、 pork或汽车导航系统）时所使用的 PLD 完全相同 。 草鱼 这样就没有了 NRE 成本 ， 鲤鱼 最终的设计也比采用定制固定逻辑器件时完成得更快 。 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 采用 PLD 的另一个关键优点是在设计阶段中客户可根据需要修改电路 ， 鲤鱼 直到对设计工作感到满意为止 。 草鱼 这是因为 PLD 基于可重写的存储器技术 要改变设计 ，鲤鱼 只需要简单地对器件进行重新编程 。 草鱼 一旦设计完成 ， 鲤鱼 客户可立即投入生产 ， 鲤鱼 只需要利用最终软件设计文件简单地编程所需要数量的 PLD 就可以了 。 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 2.2 草鱼 FPGA 的简

19、介 草鱼 草鱼 FPGA 是英文 Field 草鱼 Programmable 草鱼 Gate 草鱼 Array 的缩写 ， 鲤鱼 即现场可编程门阵列 ， 鲤鱼 它是在 PAL、 porkGAL、 porkEPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物 9。 草鱼 它是作为专用集成电路（ ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的 ， 鲤鱼 既解决了定制电路的不足 ， 鲤鱼又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点 。 草鱼草鱼 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（ Logic 草鱼 Cell 草鱼 Array）这样一个新概念 ， 鲤鱼 内部包括可配置逻辑模块 CLB（ Configurable

20、草鱼 Logic 草鱼 Block） 、 pork输出输入模 块 IOB（ Input 草鱼 Output 草鱼 Block）和内部连线（ Interconnect）三个部分 。 草鱼 FPGA 的基本特点主要有 ： pork草鱼 1）采用 FPGA 设计 ASIC 电路 ， 鲤鱼 用户不需要投片生产 ， 鲤鱼 就能得到合用的芯片 。 草鱼 草鱼草鱼 2） FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片 。 草鱼草鱼 3） FPGA 内部有丰富的触发器和 I O 引脚 。 草鱼草鱼 4） FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短 、 p ork开发费用最低 、 pork风险最小的

21、器件之一 。 草鱼草鱼 5） FPGA 采用高速 CHMOS 工艺 ， 鲤鱼 功耗低 ， 鲤鱼 可以与 CMOS、 porkTTL 电平兼容 。 草鱼草鱼 可以说 ， 鲤鱼 FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度 、 pork可靠性的最佳选择之一 。 草鱼草鱼 目前 FPGA 的品种很多 ， 鲤鱼 有 XILINX 的 XC 系列 、 porkTI 公司的 TPC 系列 、 porkALTERA 公司的FIEX 系列等 。 草鱼草鱼 FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的 ， 鲤鱼 因此 ， 鲤鱼 工作时需要对片内的 RAM 进行编程 。 草鱼 用户可以根据不同的配置模

22、式 ， 鲤鱼 采用不同的编程方式 。 草鱼草鱼 加电时 ， 鲤鱼 FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编 程 RAM 中 ， 鲤鱼 配置完成后 ， 鲤鱼 FPGA 进入工作状态 。 草鱼 掉电后 ， 鲤鱼 FPGA 恢复成白片 ， 鲤鱼 内部逻辑关系消失 ， 鲤鱼 因此 ， 鲤鱼 FPGA 能够反复5 使用 。 草鱼 FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器 ， 鲤鱼 只须用通用的 EPROM、 porkPROM 编程器即可 。 草鱼 当需要修改 FPGA 功能时 ， 鲤鱼 只需换一片 EPROM 即可 。 草鱼 这样 ， 鲤鱼 同一片 FPGA， 鲤鱼 不同的编程数据 ， 鲤鱼

23、可以产生不同的电路功能 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼 FPGA 的使用非常灵活 。 草鱼草鱼 FPGA 有多种配置模式 ： p ork并行主模式为一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式 ； pork主从模式可以支持一片 PROM 编程多片 FPGA； p ork串行模式可以采用串行 PROM 编程 FPGA； por k外设模式可以将 FPGA 作为微处理器的外设 ， 鲤鱼 由微处理器对其编程 10。 草鱼草鱼 草鱼 2.3 草鱼 草鱼 FPGA 的应用特点 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 随着电子技术的飞速发展 , 草鱼 基于 FPGA 的设计向高集成度高速度和低价位方向不断迈进 草鱼

24、其应用领域不断扩大这主要是由于 FPGA以下技术特点的不断发展 11。草鱼 草鱼 （ 1）集成度越来越高 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 如 Lattice 的 ispLSI 或 AMD的 MACH芯片等效逻辑门已达 10 草鱼 万门以上 草鱼 Altera 草鱼 的 10K 草鱼 系列也在 25 草鱼 万门以上具有 1 草鱼 万个以上的寄存器 草鱼 40 草鱼 kbit 草鱼 嵌人式存储器 草鱼使得集成复杂信号处理算法成为可能 草鱼 Raphael系列已达到 100 草鱼 万门以上集中了 草鱼FLEX10KFLEX6000 草鱼 MAX7000 的所有优点可进行单片设计 Xilinx 推出了上

25、百万门的 FPGA,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 FPGA 在系统中直接应用率正直逼 ASIC 的开 发 2.2 草鱼 在系统编程 (ISP)/在线路重配置 (ICR)技术 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 FPGA 草鱼 越来越多地采用了先进的 草鱼 JTAG 草鱼 ISP 和 ICR 草鱼 技术 。 草鱼 这种先进的编程方式已成为当今世界上各类可编程器件发展的趋势在 草鱼 5V 草鱼 工作电平下可随时对正在工作的系统上的 草鱼 CPLD/FPGA 草鱼 进行全部或部分地在系统编程 草鱼 并可进行芯片内部资源的重新分配同时进行所谓菊花链式多芯片串行编程

26、草鱼 其编程次数多达 1 万次 草鱼 如Lattice 草鱼 的 ispLSI 草鱼 AMD 的 MACH 以及 Xilinx 的 XC9000 系列 草鱼 对于 SRAM 结构的FPGA 其下载编程次数几乎没有限制 草鱼 如 Altera 的 FLEX10K 系列 草鱼 这种编程方式可轻易地实现红外编程 草鱼 超声编程或无线编程 草鱼 或通过电话线远程在线编程 草鱼 这些功能在工控 草鱼 智能仪器表 草鱼 通讯和军事上有特殊用途 。 草鱼 草鱼 （ 2） 草鱼 嵌入式存贮技术 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 在 草鱼 CPLD/FPGA 草鱼 内部嵌人一定数量的存贮器 草鱼 存贮器类型有双口

27、SRAM 草鱼 ROM 草鱼 FIFO 草鱼 可用于存贮信号处理的系数 草鱼 中 间结果等 草鱼 这对设计电子系统的智能化功能提供了技术支持 草鱼 （ 3）时钟锁定和倍频技术 草鱼 6 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 Altera 草鱼 的 草鱼 10K 草鱼 系列采用了时钟锁定和倍频技术解决了时钟脉冲延迟和偏斜问题并使 PLD 草鱼 内部时钟更高 草鱼 单个 16 草鱼 bit 草鱼 乘法器速度可达 100 草鱼 MHz 草鱼 以上 草鱼 这正是大带宽高速实时信号的需要 草鱼 CPLD/FPGA 的时钟延迟可达纳秒级 草鱼 结合其并行工作方式 草鱼 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

28、 。 草鱼 草鱼 （ 4）电子设计自动化 草鱼 EDA 草鱼 工具 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 EDA 工具使得用户对设计的输入综合仿真非常方便 草鱼 Altera 的 Max+PlusII 给用户提供了丰富的宏库和 LPM(参数模块库 Library 草鱼 of 草鱼 Parameterized 草鱼 Modules)EDA 草鱼环境由 草鱼 Unix/Windows 草鱼 共存开发环境转换 草鱼 事实上 草鱼 通过符合国际标准的硬件描述语言 草鱼 如 草鱼 VHDL 草鱼 或 VERILOG 草鱼 HDL 草鱼 来进行电子系统设计和产品开发由于开发工具的通用性 草鱼 设计语言的标准化以及

29、设计过程 几乎与所用的 草鱼 CPLD/FPGA 草鱼 器件的硬件结构没有关系 草鱼 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它几乎可用于任何型号的 CPLD/FPGA 中 草鱼 从而使得片上系统的产品设计效率大幅度提高 ， 鲤鱼 使其用更为广泛和方便 。 草鱼 草鱼 （ 5）开发周期短 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 由于 FPGAN 草鱼 内部资源丰厚及功能强大以及相应的 EDA 软件功能完善和强大仿真能力便捷而实时开发过程形象而直观兼之硬件因素涉及甚少 ， 鲤鱼 一些 EDA 专家指出未来的大系统 FPGA 设计仅是各类再应用逻辑与 草鱼 IP 草 鱼核 草鱼 CORE 草

30、鱼 的拼装 草鱼 TI 草鱼 公司认为 草鱼 一个 ASIC 草鱼 80 草鱼 功能可用 IP 草鱼 核等现成逻辑合成 草鱼 因此可在很短的时间内完成十分复杂的系统设计 。 草鱼 草鱼 2.4 草鱼 FPGA 的应用前景 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 在数字化的道路上 ， 鲤鱼 电子设计技术经历了并将继续经历许多重大的变革 ， 鲤鱼 从应用小规模集成电路 SSI 芯片构成电路系统 ， 鲤鱼 到广泛应用微控制器或单片机 MCU 草鱼在电子系统设计上发生了具有里程碑意义的飞跃 草鱼 这一飞跃不但克服了 草鱼 SSI 草鱼 数字系统许多缺陷和设计困难 草鱼 同时也为电子技术的应用开阔了更广泛的前景

31、草鱼 ， 鲤鱼 随着社会经济的发展和技术进步及电子技术的迅猛发展 草鱼 ， 鲤鱼 电子设计技术面临另一次更大意义的 ， 鲤鱼 即 FPGA 草鱼 复杂可编程逻辑器件 草鱼 FieldProgrammable 草鱼 Gate 草鱼 Array-FPGA/现场可编程门阵列 Complex 草鱼 Programmable 草鱼 logic 草鱼 Device-CPLD 草鱼 在 EDA 草鱼 电子设计自动化 草鱼 基础上的广泛应用 . 草鱼 从本质上说 , 草鱼 新的电子系统运转的物理机制又归回到原来的纯数字电路结构 ,但在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀部分 ,扬弃了MCU 系统的应用模式 ,却

32、包括了 MCU 的内部资源 ， 鲤鱼 使电子设计的技术操作和系统构成的整体发生质的飞跃 ， 鲤鱼 是一种更高层次的循环 草鱼 ， 鲤鱼 如果说 MCU 在逻辑的实现7 上是无限的话 ， 鲤鱼 那么 草鱼 CPLD/FPGA 草鱼 不但包括了 草鱼 MCU 草鱼 这一特点 草鱼 且可触及硅片电路线度的物理极限 草鱼 并兼有串并行工作方式 草鱼 高速 草鱼 高可靠性以及宽口径实用性等多方面的特点 ， 鲤鱼 不仅如此 ， 鲤鱼 随着 EDA 技术的发展和 FPGA 草鱼 在深亚微米领域的进军 。 草鱼它们与 MCU 草鱼 MPU 草鱼 DSP 草鱼 A/D 草鱼 D/A 草鱼 RAM 和 ROM 草

33、鱼 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 草鱼 IP 草鱼 芯核 草鱼 Intelligence 草鱼 Property 草鱼 产业的迅猛发展 草鱼 嵌人式通用及标准 草鱼 FPGA 草鱼 器件很快就会出现片上系统 草鱼 SOC 草鱼 也已近在咫尺 草鱼 CPLD/FPGA 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 草鱼 芯核产业的崛起 草鱼 正越来越受到电子技术工程师的密切关注 草鱼 EDA 草鱼 打破了软硬件之间最后的屏障 草鱼 使软硬件工程师们有了真正的共同语言 草鱼 使目前一切仍处于计算机辅助性设计 草鱼 CAD 草鱼 和规划的电子设计活动产生了实

34、在的设计实体 草鱼 电子设计专家指出 草鱼 基于 EDA 的CPLD/FPGA 的应用和技术推广是我国未来电子设计技术发展的主流 草鱼 而基于 草鱼 EDA 草鱼 的 草鱼 IP 草鱼 芯核产业的推动应是我国在新世纪知识经济发展的重要切入点之一 12。 草鱼 草鱼 草 鱼 草 鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 无论怎样的问题和障碍 ， 鲤鱼 FPGA 的应用热潮正逐步形成随着 FPGA 草鱼 集成水平的进一步提高芯核产业的进一步扩大 ， 鲤 鱼 可以相信用不了多久大部分的电子设计领域 草鱼 MCU 草鱼 、 porkMPU、 pork 草鱼 DSP 或 AD/A 草鱼 和 草鱼 RAM 草鱼

35、等必将以各种软硬核的形式 FPGA 草鱼 实现真正的单片系统 。 草鱼 草鱼 草鱼 3 草鱼 草鱼 基于 FPGA 设计的硬件描述语言 VHDL 草鱼 3.1 草鱼 VHDL 语言简介 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 目前数字系统的设计可以直接面向用户需求 草鱼 ,根据系统的行为和功能要求 草鱼 ,自上而下地逐层完成相应的描述 、 por k综合 、 pork优化 、 pork仿真与验证 草鱼 ,直到生成器件 草鱼 ,实 现电子设计自动化 。 草鱼 其中电子设计自动化 EDA 草鱼 (即 Electronic 草鱼 Design 草鱼 Automation)的关键技术之一就是可以用硬件描述

36、语言 (HDL)来描述硬件电路 。 草鱼 VHDL(VHSIC 草鱼Hardware 草鱼 Description 草鱼 Language)是用来描述从抽象到具体级别硬件的工业标准语言 草鱼 ,它是由美国国防部在 草鱼 20 草鱼 世纪 草鱼 80 草鱼 年代开发的 草鱼 HDL 草鱼 ,现在已成为 草鱼 IEEE 承认的标准硬件描述语言 。 草鱼 VHDL 草鱼 支持硬件的设计 、 pork验证 、 pork综合和测试 草鱼 ,以及硬件设计数据的交换 、 por k维护 、 pork修改和硬件的实现 草鱼 ,具有描述能力强 、 pork生命周期长 、 pork支持大规模设计的分解和已有设计的

37、再利用等优点 13。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 VHDL 草鱼 主要用于描述数字系统的结构 、 pork行为和功能 草鱼 ,其程序结构特点是将一个电路模块或一个系统分成端口和内部功能算法实现两部分 。 草鱼 对于一个电路模块或者数字系统而言 草鱼 ,定义了外部端口后 草鱼 ,一旦内部功能算法完成后 草鱼 ,其他系统可以直接8 依据外部端口调用该电路模块 或数字系统 草鱼 ,而不必知道其内部结构和算法 。 草鱼 VHDL 草鱼 的特点使得电子系统新的设计方法 “ 自顶向下 ” 设计方法更加容易实现 14。 草鱼可以先对整个系统进行方案设计 草鱼 ,按功能划分成若干单元模块 草鱼 ,然后

38、对每个单元模块进一步细分 草鱼 ,直到简单实现的单元电路 。 草鱼 草鱼 草鱼 3.2 草鱼 VHDL 语言的特点 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 VHDL 语言主要用于描述数字系统的结构 、 pork行为 、 pork功能和接口 ， 鲤鱼 其具有以下特点 ：por k草鱼 草鱼 草鱼 （ 1）作为 HDL 的第一个国际标准 ， 鲤鱼 VHDL 具有很强的可移植性 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 （ 2）具有丰富的模拟仿真语句和库函数 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 （ 3） VHDL 有良好的可读性 ， 鲤鱼 接近高级语言 ， 鲤鱼 容易理解 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 （

39、 4）系统设计与硬件结构无关 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 （ 5）支持模块化设计 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 （ 6）用 VHDL 完成的一个确定设计 ， 鲤鱼 可以利用 EDA 工具自动地把 VHDL 描述转变成门电路级网表文件 。 草鱼草鱼 3.3 草鱼 VHDL 语言的优点 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 与其他硬件描述语言相比 ， 鲤鱼 VHDL 语言有如下优越之处 15： por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 1） VHDL 语言支持自上而下（ Top Down）和基于库（ LibraryBase ）的设计方法 ， 鲤鱼 还支持同步电路 、 por k异步电路 、 po

40、r kFPGA 以及其他随机电路的设计 ； por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 2） VHDL 语言具有多层次描述系统硬件功能的能力 ， 鲤鱼 可以从系统的数学模型直到门级电路 ， 鲤鱼 其高层次的行为描述可以与低层次的 RTL 描述和结构描述混合使用 ， 鲤鱼 还可以自定义数据 类型 ， 鲤鱼 给编程人员带来较大 的自由和方便 ； por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 3） VHDL 对设计的描述具有相对独立性 ， 鲤鱼 设计者可以不懂硬件的结构 ， 鲤鱼 也不必关心最终设计实现的目标器件是什么 ； por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 4） VHDL 具有电路仿真与验证功能 ， 鲤鱼 可

41、以保证设计的正确性 ， 鲤鱼 用户甚至不必编写如何测试相量便可以进行源代码级的调试 ， 鲤鱼 而且设计者可以非常方便地比较各种方案之间的可行性及其优劣 ， 鲤鱼 不需做任何实际的电路实验 ； por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 5） VHDL 语言可以与工艺无关编程 ； por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 6） VHDL 语言标准 、 por k规范 ， 鲤鱼 易于共享和复用 。 草鱼 草鱼 草鱼 3.4 草鱼 VHDL 语言的基本结构 草鱼 9 草鱼 VHDL 有五大元素组成 ,即实体 、 pork结构体 、 pork配置 、 pork程序包和库 16。 草鱼 具体说明如下 ： pork

42、草鱼 （ 1）实体（ ENTITY） 草鱼 程序是设计的基本模块和初级单元 ,在分层设计中 ,顶层有顶层实体 ,含在顶层实体中的较低层的描述为底层实体 .配置把顶层实体和底层实体连接起来 .实体说明语句仅对本实体与外部电路接口进行描述 .草鱼 （ 2）结构体（ ARCHITECTURE） 草鱼 草 鱼 结构体也叫构造体 ,描述了实体的结构 、 pork行为 、 pork元件及内部连接关系 ， 鲤鱼 也就是说它定义了设计实体的功能 ， 鲤鱼 规定了设计实体的数据流程 ， 鲤鱼 制定了实体内部元件的连接关系 。 草鱼草鱼 （ 3）配置（ CONFIGURATION） 草鱼 草鱼 配制用于将元件实例

43、与实体 -结构成对绑定 ， 鲤鱼 决定了哪个结构体于实体关联 。 草鱼草鱼 （ 4）程序包（ PACKAGE） 草鱼 程序包是经常使用的数据类型和子程序的集合 ， 鲤鱼 可以认为是 VHDL 的工具箱 ,主要对程序包中的常量 、 p ork数据类型和子程序进行格式描述 ， 鲤鱼 类似于 C 语言中的头文件 。 草鱼 草 鱼 （ 5）库（ LIBRARY） 草鱼 库具体对程序包声明的数据类型和子程序进行功能说明 。 草鱼草鱼 草鱼 3.5 草鱼 VHDL 语言的应用 草鱼 硬件描述语言已成为当今以及未来电子设计自动化 (EDA)解决方案的核心 ， 鲤鱼 特别是对于深亚微米复杂数字系统的设计 ，

44、鲤鱼 硬件描述语言具有独特的作用 。 草鱼 VHDL 在数字电子电路的设计中具有硬件描述能力强 、 por k设计方法灵活等优点 17。 草鱼 草鱼 利用硬件描述语言 VHDL， 鲤鱼 数字电路系统可从系统行为级 、 pork寄存器传输级和门级三个不同层次进行 设计 ， 鲤鱼 即上层到下层（从抽象到具体）逐层描述自己的设计思想 ，鲤鱼 用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统 。 草鱼 然后 ， 鲤鱼 利用电子设计自动化（ EDA）工具 ， 鲤鱼 逐层进行仿真验证 ， 鲤鱼 再把其中需要变为实际电路的模块组合 ， 鲤鱼 经过自动综合工具转换到门级电路网表 。 草鱼 接着 ， 鲤鱼 再用专用集成电路 (ASIC)或现场可编程门阵列 (FPGA)自动布局布线工具 ， 鲤鱼 把网表转换为要实现的具体电路布线结构 。 草鱼 目前 ，鲤鱼 这种高层次设计 (highleveldesign)的方法已被广泛采用 。 草鱼 据统计 ， 鲤鱼 目前在美国硅谷约有 90%以上的 ASIC 和 FPGA 采用硬件描述语言进行设计 。 草鱼 VHDL 的应用已成为当今以及未来 EDA 解决方案的核心 ， 鲤鱼 而且是复杂数字系统设计的核心 18。 草鱼 草鱼 草鱼