EDA（CPLD/FPGA）技术概述

EDA（CPLD/FPGA）技术概述

主要术语摘要：
* EDA（电子设计自动化）：Electronic Design Automation
* ISP（在系统可编程）：In System Programmable
* PAL（可编程阵列逻辑）：Programmable Array Logic
* GAL（通用阵列逻辑)：Generic Array Logic
* PLD（可编程逻辑器件）：Programmable Logical Device
* EPLD（可擦除/电擦除PLD）：Erasable/Electronic Programmable Logical
Device
* CPLD（复杂可编程逻辑器件）：Complex Programmable Logical Device
* FPGA（现场可编程门阵列）：Field Programmable Gates Array
* PLD（可编程逻辑器件）：Programmable Logical Device
* ASIC（专用集成电路）：Application Specific Integrated Circuits
* JTAG（边界扫描测试技术）：Join Test Action Group
*VHDL（硬件描述语言）：Very high speed IC Hardware Description Language
* CAD（计算机辅助设计）：Computer Assist Design
* CAE（计算机辅助工程设计）：Computer Assist Engineering
* SOC（片上系统）：System On a Chip
电子设计自动化（EDA）技术是以计算机科学和微电子技术发展为先导，它
汇集了计算机图形学、拓扑逻辑学、微电子工艺与结构、计算数学等多种计算机
应用学科最新成果的先进技术，它是在先进的计算机工作平台上开发出来的一整
套电子系统设计的软件工具。
EDA 技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了计算机
辅助设计CAD、计算机辅助工程设计CAE 和电子设计自动化EDA 三个发展过
程。EDA 软件工具种类繁多，如：Smartork、Orcad、Tango、Protel、Workbench
（multsim）、Pspice 及各大可编程器件厂商提供的专用开发软件，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，本书将重点介绍Altera 公司的可编程器
件及其开发工具。
随着电子设计自动化（EDA）技术的不断发展，其含义也不断发生变化，早期的
电子设计自动化多指类似Protel 电路版图的设计自动化概念，这种概念仅限于电
路元器件与元器件之间即芯片外设计自动化，随着微电子技术的不断发展，当今
的EDA 技术更多的是指可编程逻辑器件的设计技术，即芯片内的电路设计自动
化。也就是说，开发人员完全可以通过自己的电路设计来定制其芯片内部的电路
功能，使之成为设计者自己的专用集成电路（即ASIC）芯片，这就是我们今天
所说的的EDA 技术——用户可编程逻辑器件（PLD）技术。其应用也无处不在，
从简单的逻辑电路、时序电路设计到复杂的数字系统设计均能得心应手，在通信
领域（软件无线电），在数字信号处理（DSP）领域、在嵌入式/片上系统（SOC）
及各种IP 内核等诸多领域早已广泛应用，如果说原来的Tango（Protel）的问世
在电子设计领域是一次革命的话，那么今天的EDA（CPLD/FPGA）技术称得上
是电子设计领域的第二次革命。
随着可编程器件PLD 技术的不断发展和崛起，其功能之卓越和先进已经令当今
的电子工程师们赞叹不已，除了它设计灵活、仿真调试方便、体积小、容量大、
I/O 口丰富、成本低廉、易编程和加密等优点外，更突出的特点是其芯片的在系
统可编程技术。也就是说它不但具有可编程和可再反复编程的能力，而且只要把
器件插在用户自己设计的目标系统内或线路板上，可以重新构造其设计逻辑而对
器件进行编程或者反复编程，这种技术被称为在系统可编程技术，简称ISP 技术。
由于ISP 技术的应用，打破了产品开发时必须先编程后装配的惯例，而可以先装
配后编程，成为产品后还可以在系统内反复编程和修改，ISP 技术使得系统内硬
件的功能象软件一样被编程配置，使系统的升级和维护变得更容易和方便。可以
说可编程器件真正做到了硬件的“软件化”自动设计，这就是当今的EDA 电子设
计自动化技术。可以不夸张地说由于可编程器件的出现，传统的（数字）电路设
计方法和过程得到了一次革命和飞越。
由于ISP－PLD 器件的写入、擦除控制电路和高压脉冲发生电路集成在PLD 芯
片内部，所以不需要编程器，直接利用器件的工作电压，在器件安装到系统板上后，不需要将器件从电路板上拔下来，可直接对器件进行编程，并可改变其内部
的设计逻辑，满足其设计需要。
可编程器件PLD 可分为数字可编程器件和模拟可编程器件两类。前者之技术发
展已经相当成熟，在大量的电子产品中早已得到了实际应用；后者相对来说发展
要晚一些，其现有的芯片功能也比较单一。数字可编程逻辑器件按其密度可分为
低密度PLD 和高密度PLD 两种，低密度PLD 器件如早期的PAL、GAL 等，它
们的编程都需要专用的编程器，属半定制ASIC 器件；高密度PLD 又称复杂可
编程逻辑器件，如市场上十分流行的CPLD、FPGA 器件，它们属于全定制ASIC
芯片，编程时仅需以JTAG 方式的下载电缆与计算机并口相连即可。此书将主要
以数字可编程逻辑器件（CPLD、FPGA）之设计与应用进行系统描述，有关模
拟可编程器件的说明请参考本公司的其他书物。
CPLD/FPGA 同属于高密度用户可编逻辑程器件，其芯片门数（容量）等级从几
千门~几万门、几十万门到几百万门以上不等，适合于时序、组合逻辑电路应用
场合，它可以替代几十甚至上百块通用IC 芯片，实际上这样的CPLD/FPGA 就
是一个子系统部件。在很大程度上他们具有类似之处，比如其电路设计方法都一
样。相比而言，CPLD 适合于做各种算法和组合逻辑电路设计，而FPGA 更适合
完成时序比较复杂的逻辑电路。由于FPGA 芯片采用RAM 结构，失电以后其内
部程序将丢失，在形成产品时一般都和其专用程序存储器配合使用，其芯片内部
的电路文件（程序）可放置在磁盘上、ROM 或E2PROM 中，因而可以在FPGA
芯片及其外围保持不动的情况下，换一块存储器芯片就能实现一种新的功能。电
路设计人员在使用CPLD/FPGA 器件进行电路设计时不需过多的考虑它们的区
别，因为其电路设计和仿真方法都完全一样，不同之处在于芯片编译或适配时生
成的下载文件不一样而已。
可编程器件CPLD/FPGA厂商比较众多，比较知名的如Altera、Lattice、Xilinx、
Actel 公司等，本公司推出的这套实验系统兼容这几家厂商的CPLD 和FPGA 芯
片。上述几家公司推出的芯片均配有功能强大的开发软件，不仅支持多种电路设
计方法，如电原理路图、硬件描述语言VHDL 等，而且还支持电路仿真和时序
分析等功能，为用户开发和调试产品提供了极大的方便。有关可编程器件设计软
件的具体使用在实验系统例程中将详细介绍给读者。

CPLD/FPGA 技术发展十分迅速，不断有新技术和新产品问世，我们和广大读者一样，也处在不断地学习和运用当中。