EDA（CPLD/FPGA）技術(shù)概述

主要術(shù)語摘要：
* EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）：Electronic Design Automation
* ISP（在系統(tǒng)可編程）：In System Programmable
* PAL（可編程陣列邏輯）：Programmable Array Logic
* GAL（通用陣列邏輯)：Generic Array Logic
* PLD（可編程邏輯器件）：Programmable Logical Device
* EPLD（可擦除/電擦除PLD）：Erasable/Electronic Programmable Logical
Device
* CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）：Complex Programmable Logical Device
* FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）：Field Programmable Gates Array
* PLD（可編程邏輯器件）：Programmable Logical Device
* ASIC（專用集成電路）：Application Specific Integrated Circuits
* JTAG（邊界掃描測(cè)試技術(shù)）：Join Test Action Group
*VHDL（硬件描述語言）：Very high speed IC Hardware Description Language
* CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）：Computer Assist Design
* CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)）：Computer Assist Engineering
* SOC（片上系統(tǒng)）：System On a Chip
電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)是以計(jì)算機(jī)科學(xué)和微電子技術(shù)發(fā)展為先導(dǎo)，它
匯集了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、拓?fù)溥壿媽W(xué)、微電子工藝與結(jié)構(gòu)、計(jì)算數(shù)學(xué)等多種計(jì)算機(jī)
應(yīng)用學(xué)科最新成果的先進(jìn)技術(shù)，它是在先進(jìn)的計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)上開發(fā)出來的一整
套電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件工具。
EDA 技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)、集成電路、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展，經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)
輔助設(shè)計(jì)CAD、計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)CAE 和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA 三個(gè)發(fā)展過
程。EDA 軟件工具種類繁多，如：Smartork、Orcad、Tango、Protel、Workbench
（multsim）、Pspice 及各大可編程器件廠商提供的專用開發(fā)軟件，如：Altera 公司提供的MAX+plusⅡ、Lattice 公司提供的ispDesignExpert /PAC-Designer、Xilinx
公司提供的Foudation Series/webpack 等，本書將重點(diǎn)介紹Altera 公司的可編程器
件及其開發(fā)工具。
隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)的不斷發(fā)展，其含義也不斷發(fā)生變化，早期的
電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化多指類似Protel 電路版圖的設(shè)計(jì)自動(dòng)化概念，這種概念僅限于電
路元器件與元器件之間即芯片外設(shè)計(jì)自動(dòng)化，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)今
的EDA 技術(shù)更多的是指可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)技術(shù)，即芯片內(nèi)的電路設(shè)計(jì)自動(dòng)
化。也就是說，開發(fā)人員完全可以通過自己的電路設(shè)計(jì)來定制其芯片內(nèi)部的電路
功能，使之成為設(shè)計(jì)者自己的專用集成電路（即ASIC）芯片，這就是我們今天
所說的的EDA 技術(shù)——用戶可編程邏輯器件（PLD）技術(shù)。其應(yīng)用也無處不在，
從簡(jiǎn)單的邏輯電路、時(shí)序電路設(shè)計(jì)到復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)均能得心應(yīng)手，在通信
領(lǐng)域（軟件無線電），在數(shù)字信號(hào)處理（DSP）領(lǐng)域、在嵌入式/片上系統(tǒng)（SOC）
及各種IP 內(nèi)核等諸多領(lǐng)域早已廣泛應(yīng)用，如果說原來的Tango（Protel）的問世
在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域是一次革命的話，那么今天的EDA（CPLD/FPGA）技術(shù)稱得上
是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的第二次革命。
隨著可編程器件PLD 技術(shù)的不斷發(fā)展和崛起，其功能之卓越和先進(jìn)已經(jīng)令當(dāng)今
的電子工程師們贊嘆不已，除了它設(shè)計(jì)靈活、仿真調(diào)試方便、體積小、容量大、
I/O 口豐富、成本低廉、易編程和加密等優(yōu)點(diǎn)外，更突出的特點(diǎn)是其芯片的在系
統(tǒng)可編程技術(shù)。也就是說它不但具有可編程和可再反復(fù)編程的能力，而且只要把
器件插在用戶自己設(shè)計(jì)的目標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)或線路板上，可以重新構(gòu)造其設(shè)計(jì)邏輯而對(duì)
器件進(jìn)行編程或者反復(fù)編程，這種技術(shù)被稱為在系統(tǒng)可編程技術(shù)，簡(jiǎn)稱ISP 技術(shù)。
由于ISP 技術(shù)的應(yīng)用，打破了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)必須先編程后裝配的慣例，而可以先裝
配后編程，成為產(chǎn)品后還可以在系統(tǒng)內(nèi)反復(fù)編程和修改，ISP 技術(shù)使得系統(tǒng)內(nèi)硬
件的功能象軟件一樣被編程配置，使系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)變得更容易和方便?？梢?br>說可編程器件真正做到了硬件的“軟件化”自動(dòng)設(shè)計(jì)，這就是當(dāng)今的EDA 電子設(shè)
計(jì)自動(dòng)化技術(shù)?？梢圆豢鋸埖卣f由于可編程器件的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的（數(shù)字）電路設(shè)
計(jì)方法和過程得到了一次革命和飛越。
由于ISP－PLD 器件的寫入、擦除控制電路和高壓脈沖發(fā)生電路集成在PLD 芯
片內(nèi)部，所以不需要編程器，直接利用器件的工作電壓，在器件安裝到系統(tǒng)板上后，不需要將器件從電路板上拔下來，可直接對(duì)器件進(jìn)行編程，并可改變其內(nèi)部
的設(shè)計(jì)邏輯，滿足其設(shè)計(jì)需要。
可編程器件PLD 可分為數(shù)字可編程器件和模擬可編程器件兩類。前者之技術(shù)發(fā)
展已經(jīng)相當(dāng)成熟，在大量的電子產(chǎn)品中早已得到了實(shí)際應(yīng)用；后者相對(duì)來說發(fā)展
要晚一些，其現(xiàn)有的芯片功能也比較單一。數(shù)字可編程邏輯器件按其密度可分為
低密度PLD 和高密度PLD 兩種，低密度PLD 器件如早期的PAL、GAL 等，它
們的編程都需要專用的編程器，屬半定制ASIC 器件；高密度PLD 又稱復(fù)雜可
編程邏輯器件，如市場(chǎng)上十分流行的CPLD、FPGA 器件，它們屬于全定制ASIC
芯片，編程時(shí)僅需以JTAG 方式的下載電纜與計(jì)算機(jī)并口相連即可。此書將主要
以數(shù)字可編程邏輯器件（CPLD、FPGA）之設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)描述，有關(guān)模
擬可編程器件的說明請(qǐng)參考本公司的其他書物。
CPLD/FPGA 同屬于高密度用戶可編邏輯程器件，其芯片門數(shù)（容量）等級(jí)從幾
千門~幾萬門、幾十萬門到幾百萬門以上不等，適合于時(shí)序、組合邏輯電路應(yīng)用
場(chǎng)合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC 芯片，實(shí)際上這樣的CPLD/FPGA 就
是一個(gè)子系統(tǒng)部件。在很大程度上他們具有類似之處，比如其電路設(shè)計(jì)方法都一
樣。相比而言，CPLD 適合于做各種算法和組合邏輯電路設(shè)計(jì)，而FPGA 更適合
完成時(shí)序比較復(fù)雜的邏輯電路。由于FPGA 芯片采用RAM 結(jié)構(gòu)，失電以后其內(nèi)
部程序?qū)G失，在形成產(chǎn)品時(shí)一般都和其專用程序存儲(chǔ)器配合使用，其芯片內(nèi)部
的電路文件（程序）可放置在磁盤上、ROM 或E2PROM 中，因而可以在FPGA
芯片及其外圍保持不動(dòng)的情況下，換一塊存儲(chǔ)器芯片就能實(shí)現(xiàn)一種新的功能。電
路設(shè)計(jì)人員在使用CPLD/FPGA 器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)不需過多的考慮它們的區(qū)
別，因?yàn)槠潆娐吩O(shè)計(jì)和仿真方法都完全一樣，不同之處在于芯片編譯或適配時(shí)生
成的下載文件不一樣而已。
可編程器件CPLD/FPGA廠商比較眾多，比較知名的如Altera、Lattice、Xilinx、
Actel 公司等，本公司推出的這套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兼容這幾家廠商的CPLD 和FPGA 芯
片。上述幾家公司推出的芯片均配有功能強(qiáng)大的開發(fā)軟件，不僅支持多種電路設(shè)
計(jì)方法，如電原理路圖、硬件描述語言VHDL 等，而且還支持電路仿真和時(shí)序
分析等功能，為用戶開發(fā)和調(diào)試產(chǎn)品提供了極大的方便。有關(guān)可編程器件設(shè)計(jì)軟
件的具體使用在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)例程中將詳細(xì)介紹給讀者。

CPLD/FPGA 技術(shù)發(fā)展十分迅速，不斷有新技術(shù)和新產(chǎn)品問世，我們和廣大讀者一樣，也處在不斷地學(xué)習(xí)和運(yùn)用當(dāng)中。