VHDL语言基础知识.DOC

第1部分 VHDL语言基础知识 第1章 概 述 1.1 电子器件的发展和现状 电子技术的发展总是同电子器件的发展密切相关的，由于电子器件的不断更新换代，电子技术得到了飞速发展，当今信息技术被广泛应用在国民经济的方方面面。多媒体技术的普及、高速宽带网络的建设、数字电视的出现以及与我们日常生活息息相关的各种家用电器，都离不开微处理器、存储器和一些采用行业标准的专用芯片。 这些电子器件的发展经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路、中规模集成电路到大规模集成电路和超大规模集成电路几个阶段，其发展趋势是体积越来越小，集成度越来越高。随着半导体技术的迅速发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担，系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好在自己的实验室里就能设计并制造出适用的ASIC芯片，并且能够得到实际的应用。使用ASIC完成电子系统的设计，其优点是集成度高、必威体育官网网址性强、可大幅度地减少印刷电路板的面积和接插件、电路性能好并能降低装配和调试费用、更适合较大规模批量生产、降低生产成本。例如，现在微机中使用的显卡、网卡、数字电视等都是专用的ASIC芯片。采用ASIC设计的不足之处是一次性的投资大，设计周期一般比较长，不便于以后修改设计，因而近几年在ASIC领域出现了一种半定制电路，即现场可编程逻辑器件FPLD。目前使用较多的可编程逻辑器是现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate array）和复杂可编程逻辑器件CPLD（complex programmable gate array）。 早期使用的可编程器件有PROM、EPROM、E2PROM、PAL、GAL等，这些芯片的容量一般比较小，只能完成简单的数字逻辑功能，这些器件基本上是使用专用的编程器进行装载。CPLD和FPGA的芯片是在早期使用的PAL和GAL基础上发展起来的，相比早期的可编程器件，现场可编程逻辑器件FPLD的容量大，器件的容量远远大于PAL和GAL，更适合做时序和组合逻辑电路的设计，不但集成度高，而且逐渐向低功耗发展，芯片的使用电压有+5V、+3.3V和+2.5 V几种，有的芯片外部是+5V而内部的工作电压则是+3.3V或+2.5V。现在市场上FPLD的品种很多，使用较多的是Altera、Xilinx和Lattice这3个公司的产品，各公司都有不同型号的CPLD和FPGA产品，例如，Xilinx的XC系列；Altera的EPLD系列、FPGA系列；Lattice的ispLSI、ispGAL等。由于各个公司的 FPLD结构不同，使用的装载电缆线是不一样的，设计软件也不同，但共同的特点是：现场可编程逻辑器件FPLD都可以在系统进行编程加载程序，不需要使用专用的编程器，它们都是直接将实验系统和计算机的并行口连接，通过运行软件对芯片进行装载，在实验室中就可将大量的数字电路设计集成到一个大芯片中，实现系统的微型化和可靠性。目前工程设计人员通常都采用这种方法进行电路设计。 1．CPLD或EPLD芯片 这类器件的使用特点是：芯片一经上电加载即已完成编程，不必在每次上电时重新进行加载，也就是当程序烧入芯片后，只有下一次需要再修改程序时才需要对芯片重新进行加载，否则将不会改变先前所烧入的代码，类似于大的GAL芯片。例如，Lattice的ispGAL芯片可以在系统进行编程加载程序，也可以与该公司的ispLSI芯片在同一个电路中加载程序。CPLD在结构上主要由可编程逻辑宏单元LMC（logic macro cell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中LMC的逻辑结构比较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可以由用户根据设计的需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。 2．FPGA芯片 这类器件不像CPLD或EPLD，每次上电使用时不管是否改变程序都要对芯片进行加载。现在FPGA芯片的容量一般比CPLD或EPLD的容量要大得多，更适合于做较大系统的复杂设计。FPGA芯片通常包含3类可编程资源：可编程的逻辑功能块、可编程I/O块和可编程的内部互连。可编程的逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排成一个阵列，遍布于整个芯片中；可编程I/O块完成芯片上的逻辑与外部封装管脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程的内部互连包括各种长度的连接线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来，构成特定功能的电路。 Xilinx的XC系列器件采用的是现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列是一种类似门阵列的结构，它的基本单元以阵列的形式排列在芯片上，但它不像门阵列那样由连线掩膜确定其最终的逻辑功能，而是将规则的连线阵列也已做好，其逻辑功能由各连线节点的控制开关的通断