微型計算機接口第章FGA設計基礎

2023/5/24計算機接口技術1第13章基于FPGA的接口電路設計本章主要內(nèi)容

接口電路實現(xiàn)的技術趨勢

FPGA設計基礎

用VerilogHDL進行電路設計

并行接口8255A的FPGA設計13.1接口電路實現(xiàn)的技術趨勢

●傳統(tǒng)接口設計：專用接口芯片（8251,8255，

USB，PCI等）●現(xiàn)在接口設計：FPGA●基于FPGA接口設計的優(yōu)點2023/5/24計算機接口技術2靈活性大通用性強功耗低、速度快、集成度高13.2FPGA設計基礎

13.2.1FPGA的工作原理●FPGA利用一種稱為查找表（LUT）的結構實現(xiàn)反復燒寫●用戶通過原理圖或HDL語言描述邏輯電路，F(xiàn)PGA會自動計算邏輯電路的結果，把結果存入LUT中?！褫斎脒壿嬓盘枙r就相當于輸入一個地址在LUT中查找，找出結果。2023/5/24計算機接口技術34輸入“與”門的實例2023/5/24計算機接口技術4圖13.1輸入“與”門實例對圖13.1的幾點說明

●LUT的值存入SRAM中或Flash中。●利用地址作為索引，在LUT中查找值?！裢瓿傻墓δ芘c實際電路等價，具有更快的執(zhí)行速度、更大的規(guī)模。●Xilinx和Altera公司的FPGA是基于SRAM的，掉電后內(nèi)部邏輯消失，用戶需要添加一個外存儲器來存儲程序。2023/5/24計算機接口技術513.2.2FPGA的設計流程FPGA的設計流程如圖13.2所示。

2023/5/24計算機接口技術6電路功能設計設計輸入功能仿真綜合優(yōu)化綜合后仿真實現(xiàn)與布線時序仿真板級仿真芯片編程與調(diào)試圖13.2FPGA的設計流程13.2.3FPGA的開發(fā)工具●Xilinx的ISE:ISE是Xilinx公司的FPGA/CPLD綜合集成設計平臺，界面友好，操作簡單。ISE提供了包括代碼編寫、庫管理、HDL綜合、仿真、下載等幾乎所有FPGA開發(fā)所需的工具。

●Xilinx的Vivado:Vivado是全新的另一個XilinxFPGA開發(fā)工具，是為高端FPGA專門開發(fā)的一款開發(fā)工具。

2023/5/24計算機接口技術7ViVado相比ISE，有著顯著的進步，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

2023/5/24計算機接口技術8強調(diào)以IP為中心的系統(tǒng)設計思想。允許設計者在多個方案中探索最優(yōu)的實現(xiàn)方法。提供了更高效的時序收斂能力。提供設計者對FPGA時序、布局布線的高效控制能力。提供了高級綜合工具VivadoHIS，用戶可以用高級語言對FPGA建模。13.3采用VerilogHDL進行電路設計13.1HDL簡介HDL語言用文本形式來描述電子系統(tǒng)硬件電路的行為、結構、數(shù)據(jù)流，數(shù)字電路的設計者可以從頂層到底層描述自己的設計思想。主要特征：

2023/5/24計算機接口技術9兼具一些高級語言的結構形式和硬件線路的具體結構。HDL語言是并行處理的。使用結構級行為描述，可以在不同的抽象層次描述設計。具有時序的概念。學習HDL時需要注意的地方

2023/5/24計算機接口技術10了解HDL的可綜合性問題。用硬件電路設計思想來編寫HDL。語法掌握貴在精，不在多。13.3.2VHDL與VerilogHDL的比較●相同點

2023/5/24計算機接口技術11都能形式化的抽象表示電路的行為和結構。支持邏輯設計中層次與范圍的描述?？梢院喕娐沸袨榈拿枋?。具有電路仿真與驗證機制。便于管理和設計重用。2023/5/24計算機接口技術12與VHDL相比，VerilogHDL最大的優(yōu)勢在于它非常容易掌握，只要有C語言的編程基礎，就很快能夠掌握；VHDL不是很直觀，需要有Ada的編程基礎，一般需要半年以上的專業(yè)培訓才能掌握。一般認為VerilogHDL在系統(tǒng)級抽象方面比VHDL略差些；在門級開關電路描述方面VerilogHDL要強的多。

VHDL適合特大型的系統(tǒng)設計；VerilogHDL較為適合系統(tǒng)級、算法級、寄存器傳輸級、邏輯級、門級和開關級的電路設計?！癫煌c13.3.3基于HDL的電路設計方法●傳統(tǒng)上使用自底向上的設計方法，即：器件選擇模塊設計模塊間綜合系統(tǒng)仿真。這樣只有在后期才能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計的問題，導致修改麻煩?！窭肏DL進行電路設計采用自頂向下的設計方法，對系統(tǒng)不斷劃分成小模塊，直到可用EDA元件實現(xiàn)為止。利用硬件描述語言對設計的模塊進行描述和定義，結合多層仿真技術，在確保設計可行性的條件下完成系統(tǒng)的設計。這種設計方法的好處是在每一層都進行仿真，能夠及時發(fā)現(xiàn)設計錯誤，減輕設計成本。

2023/5/24計算機接口技術1313.3.4VerilogHDL的模塊結構例13.1二路選擇器的Verilog實現(xiàn)，如圖13.3所示。

2023/5/24計算機接口技術14as1bout圖13.3二路選擇器13.3.4VerilogHDL的模塊結構模塊和說明

2023/5/24計算機接口技術15modulemux21（out，a，b，s1）inputa,b,s1;outputout;regout;always@(s1oraorb)if(!s1)out=a;elseout=b;endmodule●輸入端口：a,b,s1，默認1位，wire數(shù)據(jù)類型；●輸出端口：out，默認1位，reg數(shù)據(jù)類型；●模塊定義包括：端口定義、IO說明、內(nèi)部信號說明和功能定義。

13魔.3較.5Ve么ri易lo攪gHD軌L語言敵的描植述方令法●結構貓化描腸述是通搭過元他件實肉例進詞行描硬述的漸方法翼，就蠻像在漿電路盤圖輸元入方村式下虎調(diào)入憤庫元晴件一構樣，叉鍵入張元件誕的名咬稱和秋相連笛的引彎腳即勁可?！窭照Z句：使嚇得一弓個模慌塊能丙夠在丟另外焦一個吐模塊懂中被適引用睬。其宋格式奴是：模塊滔名辦實例獲名（殊端口電關聯(lián)叨）；●端口指關聯(lián)至:指明鳳了模澤塊和做外部糕端口繁信號,模塊綠和模越塊之哄間的替連接丙。其資格式糞是：連接佛信號銅名//通過橡位置.端口違名（六連接桌信號爪名）//通過沾名稱20阻23慨/5蘭/1狗8計算壤機接紀口技畢術16例13攻.2三路廁選擇紋器的倦例化東設計三路湯選擇設器如字圖1炎3.早4所榮示。20絡23袋/5蹤蝶/1轉8計算帖機接屈口技歷術17abs1ou紹tabs1ou陜tU1U2ya2a3s0s1a1tm凡p圖13小.4三路銳選擇耳器模塊壓定義其和說搶明20傲23錘/5狐/1殘8計算接機接狐口技甜術18mo污du宵le掠m慨ux趟31（y，a1，a2，a3吵,s芽0,毛s1）in構pu什t作a觀1,劍a酬2，a3駕,s挨0,季s1希;ou愈tp魂ut鳳y;re曾gy;wi賢retm飯p；mu秀x2晉1橋U衫1(tm捏p，a2穗,a督3,廳s0替);mu布x2腥1繳U卸2(.o舅ut灑(y徹),.a司(a概1)指,.b猾(tm身p),.s非1(蠟s1返));en幣dm吩od執(zhí)ul士e●實例毛化U1采用渾的是星位置住關聯(lián)宣。●實例拒化U2采用花的是匠名稱倚關聯(lián)。13臣.3芒.5Ve緊ri門lo廣gHD糾L語言梁的描組述方前法數(shù)據(jù)太流描速述形耀式就是嚴用as賞si役gn連續(xù)貍賦值今語句咬描述豆電路茶或系航統(tǒng)中景信號擦的傳括遞關下系。as譜si款gn語句踐是并燭行語乏句。連續(xù)邪賦值妖語句私將值擺賦給捕線網(wǎng)閣。格式：as答si集gnLH短S_鋒ta禁rg象et=RH扛S_呀ex認pr呢es擦si球on右邊廚的值援受監(jiān)蜻控，寧一有兔變化協(xié)就重班新計土算，剪結果枝值有傍變化展，就薦賦給禽左邊并。例如：wi伙re谷[災3:沒0]如Z揭,活Pr燒es晝et號,談Cl益ea牽r;as慎si曾gn殲Z那=兼P案re估se濤t盆&糕Cl廟ea綱r，在沒有捷定義棵時延余的情岔況下村右邊買的值栽立即寺賦給柜左邊唇。20鋪23膨/5宗/1盛8計算病機接隔口技犯術19數(shù)據(jù)槳流描帳述形籍式顯式套定義卡時延著的例緞子例如：as滲si提gn似#釋6送As殃k玻=媽Qu沃ie眠t｜｜La魯te續(xù);表示單計算蝦結果孝后經(jīng)宴過6個時造間單爆位之事后進摟行賦觸值。如圖13慌.5所示溫，時雁刻5橫La漢te發(fā)生浴變化黨，時沖刻11賦值湯給As雜k。20著23壟/5稀/1墻8計算竄機接與口技黎術20圖13葉.5連續(xù)植賦值房誠語句耕中的隔時延●定義泳時延接的語席法可以逃定義際三類注時延擴值:上升豬時延山，下跳降時拒延，鍬關閉弊時延猶。語濤法如忽下：●如何坊靈活烈利用貌時延20舌23欄/5日/1蛛8計算旋機接哨口技喘術21as聚si工gn封#掛(購ri躍se滋,哪fa良ll夕,謹tu回rn話-o唱ff容)LH拜S_估ta遲rg巖et=RH薪S_叨ex父pr圣es膊si涼on;as翼si煩gn陸#渴4系As烏k喜=矩Qu沙ie壩t拔||竊L使at成e;as準si順gn歐#休(堆4,坊8)辜A底sk須=薦Q醬ui祥ck年;as塑si慨gn狗#私(掃4,余8,駁6)Ar兔b=皆&Da慕ta腿Bu銅s;as炎si檔gn廟B圓us思=Me扮mA什dd嗚r[7惕:4掙];例13祝.33-碎8譯碼貫器的槽電路圍設計3-叫8譯碼如器的踐代碼宇模塊飲如下疊：20充23淚/5無/1駱8計算校機接庫口技但術22mo顫du璃le堆d望ec絹od高er割3x榨8(a,遼b,嚷c,航en亂,z);in從pu伏ta,濱b,彎c,柜en;ou騰tp少ut譽[洗0:仇7]飄z點;wi故reno持ta豬,n鹿ot性b,剩no霧tc;as互si項gn前#唇1棗n相ot贈a達=號~a譜;as音si劍gn沙#邪1no襲tb=蹤蝶~b增;as狐si驕gn封#宏1no賣tc=元~c惠;as貿(mào)si宏gn至#虎2噸z繡[0仁]牽=度no嶄ta茅&no頂tb&no準tc&僻en隊;as幫si賓gn袋#汪2休z憐[1漸]糊=攻a鵝&no杯tb&no營tc&杠en芒;as化si焰gn艇#聽2提z竊[2揚]誤=欠no竭ta桐&撈b幅&no休tc&盒en畫;as吊si只gn種#壤2顧z食[3至]吳=翁a敏&指b唯&no司tc&拉en卵;as惰si保gn余#幻玉2平z渡[4透]鑒=開no辮ta取&no春tb&挨c敵&復en紡;as爹si沿gn躺#快2治z還[5鉗]名=從a院&no地tb&賺c充&魚en疤;as極si忍gn鳥#誼2媽z腎[6恢]架=撇no劃ta沈&住b頸&肚c跪&筆e拘n;as冠si路gn奴#芝2碗z虜[7縫]霸=絕a云&猜b爛&匠c春&也en夾;en獵dm冤od首ul膏e行為想描述魄形式●行為允描述翅形式就是萌使用in碑it蓋ia卻l和al絮wa乳ys語句駛來設懶計行襯為建悼模?！駃n掠it窮ia有l(wèi)語句便：只執(zhí)射行一口次，炊在時送刻0開始倒執(zhí)行惕，若伴有兩報個in控it桿ia技l語句嶺，則櫻在時睛刻0并行比執(zhí)行深?！駃n蓄it倚ia神l語句柳的格北式：20鎮(zhèn)23遣/5津/1集8計算查機接千口技儀術23in堅it暫ia辱l脊b直eg饞in歉/f虹or肝k塊內(nèi)歷變量哈說明時序詞控制1行為傘語句1；時序肝控制2行為布語句2；……時序址控制n行為權語句n；//可以勵是時裳延控簽制或售事件穴控制en辭d/浙jo屋in例13海.4帶有臥順序縱過程惜的in旨it伸ia犁l語句例子長程序目和運座行時po鋸rt宋_A值的譜變化獸情況槽如圖13蛙.6所示轎。20顧23蓋/5陡/1修8計算跪機接悄口技稿術24pa街ra切me烏te滋r存AP守PL糧Y_伏DE揭LA塑Y誦=端5;re游g[歌0:手7]睬po純rt拖_A節(jié);.運.栽.in鋼it譜ia處lbe娘gi頭nPo掉rt踢_A='短h2常0;#A少PP悄LY病_D郵EL購AYPo鞏rt夸_A=檢'h壓F2驗;#A寒PP邀LY驗_D此EL滔AYPo暢rt尖_A=銅'h氧41陷;#A孕PP擁LY趟_D蠻EL形AYPo搬rt四_A=收'h蘋0A跟;en躁d圖13焰.6使用in屆it按ia亭l語句塊產(chǎn)生攔的波米形al嶺wa察ys語句縱（可蓮以循匠環(huán)執(zhí)序行）●格式●幾點殘說明20哪23終/5紀/1宜8計算紅機接悟口技盈術25al陳wa早ys撥@（敏繡感事晌件列甩表）be蕩gi悲n/鎮(zhèn)fo輛rk塊內(nèi)教變量彈說明時序逮控制1行為灰語句1；時序裳控制2行為集語句2；……時序答控制n行為削語句n；en般d/泥jo氣in1.敏感幼事件仗是可悲選項聚，目必的是哈為了赴觸發(fā)al霸wa照ys語句聲的執(zhí)姥行。2.敏感迷事件動表由拋一個蘇或多倚個事緊件表丸達式蜂構成替。3.過程撞語句剪、時戒延控眨制與in繪it皂ia訓l語句扶大致碧相同驕。4.弟a貓lw僑ay組s過程爐塊主查要對豎硬件俯功能花行為懷進行身描述斥，可經(jīng)實現(xiàn)原鎖存打器和艇觸發(fā)釘器，肉也可酸用來震實現(xiàn)茫組合吊邏輯漏。例13瓦.5in帶it幻玉ia柱l和al咐wa歪ys語句賞的綜臨合使急用20潛23夸/5澆/1膠8計算派機接艦口技如術26mo這du城leTe蘇st伏Xo虜rB重eh噴av您io擺r;re傍gSa釋,Sb,伏Ze拆us話;in節(jié)it庫ia館lbe鋤gi窄nSa璃=符0極;Sb=毯0;#5Sb=約1;#5盯S糠a賓=綁1;#5Sb=伍0;en鉆dal水wa倒ys黃@皺(行Sa步o沿rSb)踐Ze孫us嗽=問S魄a己^Sb;al穩(wěn)wa度ys代@渣(懂Ze抹us芹)$d縱is嗽pl春ay叢(繩"A成t押ti搖me豪%壘t,析S扛a途=螞%d崗,Sb=偏%d罵,里Ze籌us只=燒%磚b"括,$t縮慧im運e,形S襲a,Sb,守Ze遣us少)en帆dm夾od政ul禿e時序匙控制●延遲稱控制教：通過傭表達畏式定犧義開趕始遇嘗到這鉗條語那句和真懶正執(zhí)批行這丟條語勸句之摩間的蔬延遲冒時間攜?！袷录u控制蒼：通過懼表達弊式定躲義開致始遇存到這搬條語供句和樂真正自執(zhí)行期這條警語句掙之間巡壽的延豆遲時愚間?！襁呇睾镉|發(fā)漆事件版控制蹦：指信凝號的區(qū)邊沿匠跳變宋時發(fā)忠生指銷定的孫行為睬。有茄上升稼沿控憶制（po戀se復dg般e描述紫）和孩下降緣瑞沿控子制（ne穿ge凱dg潔e描述彼）。20唐23鐘/5拾/1螺8計算章機接鉆口技改術27語句岔間時筒延：Su墳m=堅(A^鹽B)任^C鍬in;#4止T俊1=A&混Ci魔n;絲式/委/即第浴一條瘦語句兔執(zhí)行類后四筆個時榮間單旨位執(zhí)染行第世二條若語句妹。語句難內(nèi)時篇延：Su困m=促#3姥(A^環(huán)B)殘^C松in;截//計算傻好右進邊值星得等3個時芽間單榮位后斥賦值塔給左處邊。例13跨.6邊沿步觸發(fā)培事件桃計數(shù)失器如果cl梯k信號炒上有賀上升童沿，僚那么cn兔t信號曾就會加1，實向現(xiàn)計裕數(shù)功飽能。邊沿澤觸發(fā)短事件逆控制殘，指慎信號貧的電斬平發(fā)倆生變巴化使企發(fā)生賞指定誰的行敞為。20煤23冠/5均/1熔8計算熔機接支口技抽術28re濤g[燦4:村0]cn匯t;al灑wa碧ys屠@蒙(po貞se扎dg剖ecl漆k)蒼b襖eg魂inif通(r罵es田et)cn外t=0芽;el準secn憐t=c全nt粒+1顛;en瓶d例13眉.7電平微觸發(fā)戰(zhàn)計數(shù)敬器只要a、b、c信號芒的電火平有弟變化疑，cn飲t的值左就會將加1?！?0嶄23燙/5鳴/1阻8計算惡機接用口技瓶術29re午g[圍4:水0]cn寺t;al婆wa思ys筆@監(jiān)(a獄o羨r途b將or葡c廁)皆b就eg憶inif憂(r令es客et)cn薯t=0傭;el怖secn池t=c福nt酷+1冤;en帖d13孟.4并行甩接口82烘55逝A的FP錄GA設計13們.4熊.1模塊勤劃分用自燒頂向瞇下的臣設計皮方法蒜，從的芯片奴結構指入手升，將榴要設炮計的業(yè)芯片謹分成慕幾個艦子模比塊，族逐一塌設計偽調(diào)試瞎。各宅個模艙塊相道互獨授立，菠利于律錯誤螞定位喂和修奪改。20雞23風/5旱/1折8計算閃機接早口技溫術30外圍發(fā)邏輯8位數(shù)脫據(jù)傳謠輸控群制模票塊（IO薯B）1位數(shù)扔據(jù)傳圈輸控斜制模僚塊（IO埋B1）82往55內(nèi)核82削55幅A芯片20兩23驢/5偶/1棟8計算微機接存口技卵術3182此55理A的FP松GA總體劫設計燃框圖魂，如雀圖13創(chuàng).7所示湯。圖13鑰.7詳8院25母5A桂F像PG剃A總體速設計殺框圖20抬23畫/5紛/1晉8計算箱機接膛口技暑術32//實例心化語功句，域信號勿端口啦通過觸位置傭關聯(lián)T8浙25雷5AT(拼re忽se時t,剃nC誓S,取nR切D,絞nW攏R,思A,攔Di泳n,袍PA鄭in慕,P候Bi流n,猛PC套in貢,D課En墾,P少AE拒n,潔PB巨En衣,P絞CE饑n,睜Do具ut形,P償Ao猴ut深,P槳Bo雞ut卻,P衫Co破ut);些/籃/內(nèi)核括模塊IO致BBD師(D語ou勝t,喉D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