1、第一讲 了解、选取FPGA芯片1.1.关于关于EDAEDA技术技术2.2.传统硬件设计方法传统硬件设计方法3.3.利用利用VHDLVHDL语言的硬件电路设计方法语言的硬件电路设计方法4.4.利用利用VHDLVHDL语言设计硬件电路的优点语言设计硬件电路的优点5.EDA5.EDA技术及其发展技术及其发展6.FPGA/CPLD6.FPGA/CPLD产品介绍产品介绍1.1.关于关于EDAEDA技术技术1.1.EDAEDA技术的含义技术的含义 以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机为
2、设计工具，在方式，以计算机为设计工具，在EDAEDA软件平软件平台上完成设计文件的逻辑编译、逻辑化简、台上完成设计文件的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。逻辑映射和编程下载等工作。EDAEDA的几个特点：的几个特点：用软件的方式设计硬件；用软件的方式设计硬件；用软件的方式设计的系统到硬件系统的转换是用软件的方式设计的系统到硬件系统的转换是由由EDAEDA软件自动完成的；软件自动完成的；设计过程中可用软件进行各种仿真；设计过程
3、中可用软件进行各种仿真；系统可现场编程、在线升级；系统可现场编程、在线升级；整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。低、可靠性高。2.EDA2.EDA技术的发展历程技术的发展历程 2020世纪世纪7070年代的年代的CADCAD阶段阶段 2020世纪世纪8080年代的计算机辅助工程设计年代的计算机辅助工程设计CAECAE阶段阶段 2020世纪世纪9090年代电子系统设计自动化年代电子系统设计自动化EDAEDA阶段阶段3.EDA3.EDA技术的主要内容技术的主要内容 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件 硬件描述语言硬件描述语言(HDL)
4、(HDL)软件开发工具软件开发工具 实验开发系统实验开发系统4.EDA4.EDA软件系统的构成软件系统的构成 设计输入子模块设计输入子模块 设计数据库子模块设计数据库子模块 分析验证子模块分析验证子模块 综合仿真子模块综合仿真子模块 布局布线子模块布局布线子模块5.EDA5.EDA设计流程设计流程源程序的编辑和编译源程序的编辑和编译 原理图输入方式原理图输入方式 状态图输入方式状态图输入方式 VHDLVHDL软件程序的文本方式软件程序的文本方式逻辑综合和优化逻辑综合和优化目标器件的布线适配目标器件的布线适配目标器件的编程下载目标器件的编程下载设计过程中的有关仿真设计过程中的有关仿真硬件仿真硬件
5、测试硬件仿真硬件测试第一讲 了解、选取FPGA芯片1.1.关于关于EDAEDA技术技术 2.2.传统硬件设计方法传统硬件设计方法 3.3.利用利用VHDLVHDL语言的硬件电路设计方法语言的硬件电路设计方法 4.4.利用利用VHDLVHDL语言设计硬件电路的优点语言设计硬件电路的优点 5.EDA5.EDA技术及其发展技术及其发展 6.FPGA/CPLD 6.FPGA/CPLD产品介绍产品介绍2.2.传统硬件设计方法传统硬件设计方法主要特征：主要特征：1.1.采用自下而上的设计方法采用自下而上的设计方法2.2.采用通用的数字逻辑器件采用通用的数字逻辑器件3.3.在系统硬件设计的后期进行仿真和调试
6、在系统硬件设计的后期进行仿真和调试4.4.主要设计文件是电原理图主要设计文件是电原理图2.2.传统硬件设计方法传统硬件设计方法第一讲 了解、选取FPGA芯片1.1.关于关于EDAEDA技术技术2.2.传统硬件设计方法传统硬件设计方法 3.3.利用利用VHDLVHDL语言的硬件电路设计方法语言的硬件电路设计方法 4.4.利用利用VHDLVHDL语言设计硬件电路的优点语言设计硬件电路的优点 5.EDA5.EDA技术及其发展技术及其发展 6.FPGA/CPLD 6.FPGA/CPLD产品介绍产品介绍3.3.利用利用VHDLVHDL语言的硬件语言的硬件电路设计方法电路设计方法什么是硬件描述语言什么是硬
7、件描述语言 就是可以描述硬件电路的功能、信号连接关系以及定时关系的语言。就是可以描述硬件电路的功能、信号连接关系以及定时关系的语言。它能比电原理图更有效地表示硬件电路的特性。它能比电原理图更有效地表示硬件电路的特性。VHDLVHDL语言只是硬件描述语言家族中的一员语言只是硬件描述语言家族中的一员 硬件描述语言有数十种之多，常用的有硬件描述语言有数十种之多，常用的有VHDLVHDL、VerilogHDLVerilogHDL、ABEL_HDLABEL_HDL。三种语言的对比三种语言的对比：1 1逻辑描述层次逻辑描述层次（分三个层次，即行为级、（分三个层次，即行为级、RTLRTL级、门级描述）级、门
8、级描述）VHDL VHDL语言是一种高级描述语言，适用于行为级和语言是一种高级描述语言，适用于行为级和RTLRTL级的描述；级的描述；Verilog Verilog语言和语言和ABELABEL语言是一种较低级的描述语言，适用于语言是一种较低级的描述语言，适用于RTLRTL级和门级和门电路级的描述电路级的描述；2 2设计要求设计要求 VHDLVHDL进行电子系统设计时可以不了解电路的结构细节，设计者所做的进行电子系统设计时可以不了解电路的结构细节，设计者所做的工作较少；工作较少；VerilogVerilog和和ABELABEL语言进行电子系统设计时必须了解电路的结构语言进行电子系统设计时必须了解
9、电路的结构细节，设计者所做的工作较多细节，设计者所做的工作较多；3 3综合过程综合过程 VHDLVHDL语言源程序综合过程较复杂，几乎不能直接控制门电路的生成；语言源程序综合过程较复杂，几乎不能直接控制门电路的生成；而而VerilogVerilog和和ABELABEL语言源程序综合过程较简单，易于控制电路资源；语言源程序综合过程较简单，易于控制电路资源；4 4对综合器的要求对综合器的要求 VHDLVHDL描述语言层次较高，不易控制底层电路，因而对综合器的性能要描述语言层次较高，不易控制底层电路，因而对综合器的性能要求较高，求较高，VerilogVerilog和和ABELABEL语言对综合器的性
10、能要求较低。语言对综合器的性能要求较低。5 5支持的支持的EDAEDA工具工具 支持支持VHDLVHDL和和VerilogVerilog的的EDAEDA工具较多，但支持工具较多，但支持ABELABEL的综合器仅的综合器仅DATAIODATAIO一家。一家。6 6国际化程度国际化程度 VHDLVHDL和和VerilogVerilog已成为已成为IEEEIEEE标准，而标准，而ABELABEL正朝国际化标准努力。正朝国际化标准努力。3.3.利用利用VHDLVHDL语言的硬件语言的硬件电路设计方法电路设计方法硬件描述语言设计的特点：硬件描述语言设计的特点：1.1.采用自上至下的设计方法采用自上至下的
11、设计方法3.3.利用利用VHDLVHDL语言的硬件语言的硬件电路设计方法电路设计方法2.2.系统中大量采用系统中大量采用ASICASIC芯片芯片3.3.采用系统早期仿真采用系统早期仿真4.4.降低了硬件电路设计的难度降低了硬件电路设计的难度5.5.主要设计文件是主要设计文件是HDLHDL源程序源程序3.3.利用利用VHDLVHDL语言的硬件语言的硬件电路设计方法电路设计方法EDAEDA与传统电子设计方法的比较与传统电子设计方法的比较第一讲 了解、选取FPGA芯片1.1.关于关于EDAEDA技术技术2.2.传统硬件设计方法传统硬件设计方法3.3.利用利用VHDLVHDL语言的硬件电路设计方法语言
12、的硬件电路设计方法 4.4.利用利用VHDLVHDL语言设计硬件电路的优点语言设计硬件电路的优点 5.EDA5.EDA技术及其发展技术及其发展 6.FPGA/CPLD 6.FPGA/CPLD产品介绍产品介绍4.4.利用利用VHDLVHDL语言设计硬件语言设计硬件电路的优点电路的优点优点：优点：1.1.设计技术齐全、方法灵活、支持广泛设计技术齐全、方法灵活、支持广泛VHDLVHDL语言诞生于语言诞生于19821982年，早在年，早在19871987年年1212月就已作为月就已作为IEEE_STD_1076IEEE_STD_1076标标准公开发表，因此准公开发表，因此VHDLVHDL语言早已成为事
13、实上的通用硬件描述语言，几乎语言早已成为事实上的通用硬件描述语言，几乎所以所以EDAEDA工具都支持工具都支持VHDLVHDL语言。语言。VHDLVHDL不同于其它语言，它不仅支持同不同于其它语言，它不仅支持同步电路的描述，而且支持异步电路、步电路的描述，而且支持异步电路、FPGAFPGA及其它随机电路的描述。及其它随机电路的描述。2.2.系统硬件描述能力强系统硬件描述能力强具体体现为：具体体现为：VHDLVHDL语言较其它语言较其它HDLHDL语言具有更强的行为描述能力，从语言具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言，因为强大的行为描而决定了它成为系统设计领域最
14、佳的硬件描述语言，因为强大的行为描述能力是避开具体器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统述能力是避开具体器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证；的重要保证；VHDLVHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能验证设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟；计早期就能验证设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟；VHDLVHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。分解和已有设计的再利用功能。4.4
15、.利用利用VHDLVHDL语言设计硬件语言设计硬件电路的优点电路的优点优点：优点：3.VHDL3.VHDL语言可以与工艺无关编程语言可以与工艺无关编程VHDLVHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必关心最终设计实现的目标芯片是什么，而进行独立的设计。正因为必关心最终设计实现的目标芯片是什么，而进行独立的设计。正因为VHDLVHDL的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关，的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关，VHDLVHDL设计程序的实设计程序的实现目标器件才具有广阔的选择范围（不同厂家、不同芯片、不同结
16、构）。现目标器件才具有广阔的选择范围（不同厂家、不同芯片、不同结构）。4.VHDL4.VHDL语言标准、规范、易于共享和复用语言标准、规范、易于共享和复用由于由于VHDLVHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于已完成的设计，具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于已完成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变类属参量或函数，就能轻易地改变在不改变源程序的条件下，只需改变类属参量或函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。因此任何设计成果都便于共享、复用和交流。设计的规模和结构。因此任何设计成果都便于共享、复用和交流。第一讲 了解、选取FPGA芯片1.1.关于关于EDAEDA技术技术2.2.
17、传统硬件设计方法传统硬件设计方法3.3.利用利用VHDLVHDL语言的硬件电路设计方法语言的硬件电路设计方法4.4.利用利用VHDLVHDL语言设计硬件电路的优点语言设计硬件电路的优点 5.EDA5.EDA技术及其发展技术及其发展 6.FPGA/CPLD 6.FPGA/CPLD产品介绍产品介绍5.EDA5.EDA技术及其发展技术及其发展 EDAEDA技术在进入技术在进入2121世纪后，得到了更大的发展，突出表世纪后，得到了更大的发展，突出表现在以下几个方面：现在以下几个方面：u使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能；认成为
18、可能；u在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDAEDA软件不断推出。软件不断推出。u电子技术全方位纳入电子技术全方位纳入EDAEDA领域；领域；uEDAEDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容；使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容；5.EDA5.EDA技术及其发展技术及其发展u更大规模的更大规模的FPGAFPGA和和CPLDCPLD器件的不断推出；器件的不断推出；u基于基于EDAEDA工具的工具的ASICASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统设计标准单元已涵盖大规模电子系统及及IPIP核模块；核模块；u软
19、硬件软硬件IPIP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认；领域得到进一步确认；uSOCSOC高效低成本设计技术的成熟。高效低成本设计技术的成熟。5.EDA5.EDA技术及其发展技术及其发展SOCSOC：SYSTEM ON A CHIPSYSTEM ON A CHIPSOPCSOPC：SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIPSYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIPCSOCCSOC：CONFIGURABLE SYSTEM ON A CHIPCONFIGURABLE SYSTEM ON A CHIP6.F
20、PGA/CPLD6.FPGA/CPLD产品介绍产品介绍1.1.超大规模可编程逻辑器件超大规模可编程逻辑器件FPGA/CPLDFPGA/CPLD2.2.半定制或全定制半定制或全定制ASICASIC3.3.混合混合ASICASIC6.FPGA/CPLD6.FPGA/CPLD产品介绍产品介绍2003年年7月月Forbes 福布斯报道福布斯报道 FPGAFPGA芯片叫板微处理器芯片叫板微处理器-如果没有微处理器如果没有微处理器,电脑会怎样电脑会怎样?答案令人惊讶答案令人惊讶-它的处理速度比常规电脑更快它的处理速度比常规电脑更快,而且快出很多倍而且快出很多倍!尽管尽管FPGAFPGA芯片的主频要低于奔腾
21、处理器芯片的主频要低于奔腾处理器,但是由但是由于于FPGAFPGA芯片可并行处理多项任务芯片可并行处理多项任务,因此处理速度要比因此处理速度要比奔奔腾处理器或数字信号处理器快得多腾处理器或数字信号处理器快得多!FPGAFPGA芯片叫板微处理器芯片叫板微处理器 美国赢通系统公司（美国赢通系统公司（WincomSystemsWincomSystems）推出一款令人惊叹的服务器。）推出一款令人惊叹的服务器。这款专为网站运行而设计的服务器尺寸仅有这款专为网站运行而设计的服务器尺寸仅有DVDDVD播放机大小，工作能力却播放机大小，工作能力却相当于相当于,甚至超过甚至超过5050台戴尔、台戴尔、IBMIB
22、M或或SUNSUN公司售价公司售价50005000美元的服务器。赢通美元的服务器。赢通公司的这款服务器并未采用目前电脑中不可或缺的微处理器。公司的这款服务器并未采用目前电脑中不可或缺的微处理器。传统的个人电脑及服务器通常采用英特尔的奔腾处理器或传统的个人电脑及服务器通常采用英特尔的奔腾处理器或SUNSUN计算机计算机系统公司的系统公司的SPARCSPARC芯片作为中央处理单元。而赢通的这一产品却没有采用芯片作为中央处理单元。而赢通的这一产品却没有采用微处理器，而是由微处理器，而是由FPGAFPGA芯片驱动。芯片驱动。FPGAFPGA芯片的运行速度比奔腾处理器慢，但可并行处理多项任务，而微芯片的
23、运行速度比奔腾处理器慢，但可并行处理多项任务，而微处理器一次仅能处理一项任务。因此，赢通公司的服务器只需配置几个处理器一次仅能处理一项任务。因此，赢通公司的服务器只需配置几个价格仅为价格仅为20002000多美元的多美元的FPGAFPGA芯片，便可击败芯片，便可击败SUNSUN计算机系统公司的服务器计算机系统公司的服务器或采用英特尔处理器的电脑，或采用英特尔处理器的电脑，“我们的服务器处理速度要比普通服务器我们的服务器处理速度要比普通服务器快快5050到到300300倍倍”。FPGAFPGA芯片在一定程度上正在蚕食微处理器的市场。芯片在一定程度上正在蚕食微处理器的市场。FPGAFPGA芯片也开
24、始用芯片也开始用于消费类的电子设备中，包括手机和数码相机。飞利浦、诺基亚、于消费类的电子设备中，包括手机和数码相机。飞利浦、诺基亚、PalmPalm及索尼均在其消费类的电子产品中采用了及索尼均在其消费类的电子产品中采用了FPGAFPGA芯片。芯片。XILINXXILINX的首席执行官的首席执行官W.RoelandtsW.Roelandts亲眼目睹了亲眼目睹了FPGAFPGA如何改变电脑构架。如何改变电脑构架。5050多年前，匈牙利数学家纽曼（多年前，匈牙利数学家纽曼（John von NeumannJohn von Neumann）提出了电脑的设计构）提出了电脑的设计构想想-通过中央处理器从存
25、储器中存取数据，并逐一处理各项任务。现通过中央处理器从存储器中存取数据，并逐一处理各项任务。现在，通过采用可编程芯片在，通过采用可编程芯片FPGAFPGA取代微处理器，电脑可并行处理多项任务。取代微处理器，电脑可并行处理多项任务。W.RoelandtsW.Roelandts说，说，“由纽曼提出的电脑架构已经走到尽头由纽曼提出的电脑架构已经走到尽头”，“可编程可编程芯片芯片将掀起下一轮应用高潮。将掀起下一轮应用高潮。尽管尽管FPGAFPGA芯片的时钟频率要低于奔腾处理器，但是由于芯片的时钟频率要低于奔腾处理器，但是由于FPGAFPGA芯片可并行芯片可并行处理各种不同的运算，所以可完成许多复杂的任
26、务。例如网页显示，全球处理各种不同的运算，所以可完成许多复杂的任务。例如网页显示，全球天气建摸及基因组合核对等，而且处理速度比奔腾处理器或数字信号处理天气建摸及基因组合核对等，而且处理速度比奔腾处理器或数字信号处理器快得多。在通用计算方面，器快得多。在通用计算方面，FPGAFPGA仍然不敌仍然不敌IntelIntel的处理器。对于那些只需的处理器。对于那些只需要进行重复单任务操作的机器而言，使用要进行重复单任务操作的机器而言，使用FPGAFPGA芯片显然是大材小用。芯片显然是大材小用。位于内华达州的位于内华达州的TimeLogicTimeLogic公司也间接受益于公司也间接受益于FPGAFPG
27、A。戴尔和。戴尔和SUNSUN公司生产公司生产的某些标准服务器采用了的某些标准服务器采用了ALTERAALTERA公司的公司的FPGAFPGA芯片。芯片。TimeLogicTimeLogic公司对这些标公司对这些标准服务器加以改进之后，生产了一种用于基因研究的高速处理设备。准服务器加以改进之后，生产了一种用于基因研究的高速处理设备。“我我们们的设备比原来的产品至少快的设备比原来的产品至少快10001000倍倍”，TimeLogicTimeLogic公司总监公司总监Christopher Christopher HooverHoover说。该公司的这一设备售价说。该公司的这一设备售价2525万美
28、元。万美元。马里兰州的马里兰州的AnnapolisAnnapolis Micro Micro SystemsSystems公司在其电脑芯片电路板中也集公司在其电脑芯片电路板中也集成了成了XILINXXILINX的的FPGAFPGA芯片，以提高产品性能。又如加州的芯片，以提高产品性能。又如加州的BlueArcBlueArc公司用公司用ALTERAALTERA的的FPGAFPGA开发出一种存储器产品，其速度比开发出一种存储器产品，其速度比NetworkNetwork ApplianceAppliance和和EMCEMC公司的竞争产品更快。华盛顿州公司的竞争产品更快。华盛顿州BellevueBell
29、evue市的市的MidStreamTechnologiesMidStreamTechnologies公司公司采用采用XILINXXILINX的的FPGAFPGA，为有限电视运营商开发视频流服务器。这款服务器高，为有限电视运营商开发视频流服务器。这款服务器高仅仅3.53.5英尺，采用了英尺，采用了2 2片片FPGAFPGA芯片，可同时提供芯片，可同时提供425425路视频流信号，比基于通路视频流信号，比基于通用微处理器的服务器速度更快用微处理器的服务器速度更快。如果您正在福布斯的网站上阅读这篇文章，那么你已经接触到了如果您正在福布斯的网站上阅读这篇文章，那么你已经接触到了FPGAFPGA。因为。因为FF正是采用赢通公司的正是采用赢通公司的FPGAFPGA服务器进行网页显示的服务器进行网页显示的。
