数字系统设计与CPLD应用专题实验指导书120222.doc

数字系统设计与FPGA专题实验指导书 西安交通大学电信学院数据广播研究中心 符均 Dec 24 2012 前言 课程中文名称：数字系统设计与FPGA专题实验 课程英文名称：Digital System Design and FPGA Topic Lab. 课程编号：INFT3009 实验学时：32 学分：1 适用专业：信息专业 先修课程：数字逻辑电路 开课学院：电信学院 开课学期：第六学期 教材及实验指导书： 符均，《数字系统设计与FPGA应用专题实验指导书》，写作中 一、实验课程简介 本课程通过一系列实验由浅入深，教导学生学习数字系统设计方法，学习系统的模块设计方法。学习可编程逻辑器件的原理与应用，学习相关软件及设计方法，并涉及简单的系统在片技术，通过学习，学生能自主设计以可编程逻辑器件为核心构建的基本数字系统。 二、实验课性质、目的和任务 性质：专业专题实验 目的：通过学习，学生能自主设计以可编程逻辑器件为核心构建的基本数字系统。 任务：独立设计出一个简单的FPGA应用程序并验证 三、实验课教学基本要求 1．讲解实验原理和基本知识 2．指导学生设计实验，和验证指导 3．指导学生进行独立设计选题 第一节 FPGA原理 1．1 简介 PLD是可编程逻辑器件（Programable Logic Device）的简称，FPGA是现场可编程门阵列（Field Programable Gate Array)的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。 PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。 PLD能做什么呢？可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。 PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言（HDL)的进步。 如何使用PLD呢？其实PLD的使用很简单，学习PLD比学习单片机要简单的多，有数字电路基础，会使用计算机，就可以进行PLD的开发。不熟悉PLD的朋友，可以先看一看可编程逻辑器件的发展历程。 开发PLD需要了解两个部分：1.PLD开发软件 2.PLD本身 1.PLD开发软件 由于PLD软件已经发展的相当完善，用户甚至可以不用详细了解PLD的内部结构，也可以用自己熟悉的方法：如原理图输入或HDL语言来完成相当优秀的PLD设计。所以对初学者，首先应了解PLD开发软件和开发流程。了解PLD的内部结构，将有助于提高我们设计的效率和可靠性。 如何获得PLD开发软件软件呢? 许多PLD公司都提供免费试用版或演示版(当然商业版大都是收费的），例如：可以免费从 上下载Altera公司的 QuartusII （web版），或向其代理商索取这套软件。Xilinx 公司也提供免费软件：ISE WebPack,这套可以从xilinx网站下载。Lattice 提供isplever Base版下载，Actel等公司也都有类似的免费软件提供。以上免费软件都需要在网上注册申请License文件，如果您对License的安装还有不清楚，请仔细阅读相关网页上的说明，也可以下载这篇文档：EDA软件的license管理与安装。 通常这些免费软件已经能够满足一般设计的需要，当然，要想软件功能更强大一些，只能购买商业版软件。 如果您打算使用VHDL或Verilog HDL硬件描述语言来开发PLD/FPGA,通常还需要使用一些专业的HDL开发软件,这是因为FPGA厂商提供的软件的HDL综合能力一般都不是很强,需要其他软件来配合使用,详细情况可以通过浏览:开发软件栏目获得等多信息. 对于PLD产品，一般分为：基于乘积项（Product-Term）技术，EEPROM（或Flash）工艺的中小规模PLD，以及基于查找表（Look-Up table）技术，SRAM工艺的大规模PLD/FPGA。EEPROM工艺的PLD密度小，多用于5,000门以下的小规模设计，适合做复杂的组合逻辑，如译码。SRAM工艺的PLD(FPGA)，密度高，触发器多，多用于10,000门以上的大规模设计，适合做复杂的时序逻辑，