基于FPGA的交通灯 .pdfVIP

1、绪论

当前基于EDA技术的设计中，有两种基本的设计思路，一种是自上而下的设

计思路，一种是自下而上的设计思路。Top-down设计，即自上而下的设计，这

种设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能框图的划分和结构设计，在功

能级别进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，然后

用综合工具将设计转化为具体门电路网表，其对应的物理实现可以是PLD器件

或专用集成电路(ASIC)。由于设计的主要仿真和调试是在高层次上完成的，这不

仅有利于早期发现结构设计错误，避免设计工作的浪费，而且也减少了逻辑功能

仿真的工作量，提高了设计的一次成功的效率。在Top-down设计中，将设计分

成系统级、功能级、门级、开关级等几个不同的层次，按照自上而下的顺序，在

不同的层次上，对系统进行设计和仿真。Bottom-up设计，即自下而上的设计，

这是一种传统的设计思路。当前Top-down设计更为人们所接受，也为更多的

EDA工具所支持，以为该设计思想更符合人们的逻辑思维的习惯，也容易使设计

者对复杂的系统进行合理的划分与不断的优化。

在该设计中采用了可编程逻辑器件（FPGA）和硬件描述语言(VerilogHDL)，

改变了传统的设计思路，设计者可以通过芯片设计来实现各种不同的功能。设计

人员使用相应的仿真软件就可以在短的时间内完成电路的输入、编译、优化、仿

真直到最后的芯片制作。对于FPGA用户可以反复的编程、擦除、使用，或者在

外围电路不变的情况下，用不同的软件就可实现不同的功能。譬如，如已经用该

方法设计完成的交通灯由于用在不同的路口，对时间设置有不同的要求（或某一

路口交通灯的时间设置需要改变）时，并不需要改变外围硬件电路，只要修改软

件的时间预置数即可。

2、FPGA简介

FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，

它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专

用集成电路（ASIC）领域中的一种定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，

又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA一类高集成度的可编程逻辑器件，起源于美国的Xilinx公司，该公司

于1985年推出了世界上第一块FPGA芯片。在这二十年的发展过程中，FPGA的

硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善，日趋成熟。从最初的1200个可

用门，90年代时几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片FPGA

芯片，Xilinx、Altera等世界顶级厂商已经将FPGA器件的集成度提高到一个新

的水平。FPGA结合了微电子技术、电路技术、EDA技术，使设计者可以集中精力

进行所需逻辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量。

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2.1FPGA基本结构

目前生产FPGA的公司主要有Xilinx、Altera、Actel、Lattice、QuickLogic

等，生产的FPGA品种和型号繁多。尽管这些FPGA的具体结构和性能指标各有特

色，但它们都有一个共同之处，即由逻辑功能块排成阵列，并由可编程的互连资

源连接这些逻辑功能块，从而实现不同的设计。

典型的FPGA通常包含三类基本资源：可编程逻辑功能块、可编程输入/输出

块和可编程互连资源。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，多个逻辑

功能块通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片；可编程输入/输出块完

成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；可编程内部

互连资源包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻

辑块或输入/输出块连接起来，构成特定功能的电路。用户可以通过编程决定每

个单元的功能以及它们的互连关系，从而实现所需的逻辑功能。不同厂家或不同

型号的FPGA，在可编程逻辑块的内部结构、规模、内部互连的结构等方面通常

存在较大的差异。

除了上述构成FPGA基本结构的三种资源以外，随着工艺的进步和应用系统

需求的发展，一般在FPGA中还可能包含以下可选资源：

存储器资源（块RAM、分布式RAM）；

数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟、时钟锁定）；

算数运算单元（高速硬件乘法器、乘加器）；

多电平标准兼容的I/O接口；

高速串行I/O接口；

特殊功