单片机和FPGA相结合的低频数字相位设计论文.doc

1 引言 本设计采用单片机和FPGA相结合的电路实现方案。考虑到FPGA具有集成度高，I/O资源丰富，稳定可靠，可现场在线编程等优点，而单片机具有很好的人机接口和运算控制功能，所以采用FPGA和单片机相结合，构成整个系统的测控主体。 自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑阵列(FPGA)至今，FPGA已经成为当今电子设计应用市场上首选的可编程逻辑器件之一。从航空航天到数字信号处理，再到汽车家电等消费领域，无处不见FPGA的身影。而且，随着微电子等工艺的进步，FPGA器件本身的性能逐年在提高，使得FPGA器件与其他同类器件相比更有竞争力。在这个各类电子设计器件百花齐放的时代，广大消费者需要对电子设计器件有个更深入地了解，从而为自己的科研学习或工业生产挑选到既能满足各项性能指标要求，又经济实惠的合适的电子设计器件。因此，进行FPGA器件的应用研究并进行各类电子设计产品的性能优势对比分析是一项很有价值和实际意义的工作。 随着EDA技术的高速发展，电子系统的设计技术和工具发生了深刻的变化，大规模可编程逻辑器件FPGA的出现，给设计人员带来了诸多方便。利用它进行产品开发，不仅成本低、周期短、可靠性高，而且2 概述 2.1 FLEX10KK简介 FLEX10K是工业界第一个嵌入式的可编程逻辑器件，采用可重构的CMOS SRAM工艺，把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时也结合了众多可编程器件的优点来完成普通门阵列的宏功能。FLEX10K的集成度已达到25万门。它能让设计人员轻松地开发出集存储器、数字信号处理器及特殊逻辑（包括32位多总线系统）等强大功能于一身的芯片，已经推出了FLEX10K、FLEX10KA、FLEX10KV、FLEX10KE等分支系列。其中EPF10K20是FLEX10K系列器件之一。 FLEX10K系列器件主要由嵌入式阵列块、逻辑阵列块、快速通道（FAST TRACK）2.2 VHDL硬件描述语言 2.2.1 VHDL语言的发展状况[1] VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers)和美国国防部却认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本（IEEE-1076)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL 接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接收，并逐步取代了原有的非标准硬件描述语言。1933年，IEEE对VHDL进行论文修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。现在，VHDL和Verilog语言作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，以成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新世纪中，VHDL语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务。 2.2.2 VHDL的特点 VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或设计实体（可以是一个元件、一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，即端口）和内部（或称不可视部分），即设计实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦内部开发完成后，其他的设计可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的，具体如下： 与其它的硬件描述语言相比，VHDL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。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。就目前流行的EDA工具和VHDL综合器而言，将基于抽象的行为描述风格的VHDL程序综合成为具体的FPGA和CPLD等目标器件的网表文件已不成问题，只是在综合与优化效率上略有差异。 VHDL最初是作为一种仿真标准格式出现的，因此VHDL既是一种硬件电路描述和设计语言，也是一种标准的网表格式，还是一种仿真语言，其丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期，就能用于查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。即在远离门级的高层次上进行模拟，是设计者对整个工程设计的结构和功能的可行性作出决策。 VHDL语句的行为描述能力和程序