FPGA考前复习资料 - 图文

01

EDA技术与FPGA设计 EDA技术范畴

PCB设计(Protel99) ASIC设计(Candance) PLD设计（FPGA/CPLD）

FPGA：Field Programable Gate Array

现场可编程门阵列

CPLD：Complex Programable Logic Device

复杂可编程逻辑器件

两种数字系统设计方法

基于电路板的设计方法——采用固定功能的器件（通用型器件），通过设计电路板来实现系统功能基于芯片的设计方法——采用PLD（可编程逻辑器件），利用EDA开发工具，通过FPGA芯片设计来实现系统功能。

实现载体的变迁

集成于片上而不是集成于板;

借助于EDA工具而不是手工设计；

基于FPGA设计的EDA技术

EDA技术是以计算机为工作平台、以EDA软件工具为开发环境、以硬件描述语言(HDL)为设计语言、以可编程逻辑器件(PLD)或ASIC为实现载体，以帮助电子设计工程师进行电子产品自动化设计的综合技术。

在EDA软件平台上，根据硬件描述语言完成的设计文件，自动地进行逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真、目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载，直至实现既定的电子系统。

FPGA设计三要素 硬件描述语言(HDL):

VHDL Verilog HDL

EDA软件工具:

MAXPLUS QuartusII ISE

可编程逻辑器件(PLD):

Altera公司芯片 Xilinx公司芯片

VHDL是什么?

HDL Hardware Description Language； VHSIC Very High Speed Integrated Circuit；

VHDL VHSIC Hardware Description Language； VHDL是一种硬件描述语言

80年代初期美国政府超高速集成电路（ VHSIC ）发展计划的衍生物； VHDL的IEEE国际标准：IEEE Std 1076

IEEE std 1076-1987,-1993,-2000,-2002 四个版本

VHDL源程序基本结构 库、程序包调用

库：存放已有设计、程序包

程序包：存放共享数据类型、函数、过程等

与C对比：全局数据结构、库函数

实体说明(Entity)

描述外部接口 对外可见

结构体(Architecture)

描述系统内部结构 对外不可见

Altera公司EDA工具---Quartus II

Quartus II是Altera公司为其FPGA/CPLD芯片设计的集成化专用开发软件 Quartus II前身是Max Plus II，QuartusII每半年出一个新版本

2006年12月推出Quartus II 6.1 2009年春季推出Quartus II 9.0

Quartus II支持所有新老器件，包括SOPC Builder，支持系统级开发

可编程逻辑器件（PLD）

可编程逻辑器件PLD（ProgrammableLogic Device）是一种半定制集成电路，在其内部集成了大量的门和触发器等基本逻辑电路，用户通过编程来改变PLD内部的逻辑关系或连线，就可以得到需要的设计电路。

可编程编程逻辑器件的出现，改变了传统的数字系统设计方法，为采用EDA技术开创了广阔的发展空间，并极大地提高了电路设计效率。

02

可编程器件？

PLD（ The Programmable Logic Device ）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。 ?随时升级、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厂商:(ALTERA，XILINX，Lattice )

PLD厂商:( Actel/Cypress/Quicklogic/Atmel )

可编程逻辑器件的发展历程 1.电子管1946----1958(分立元件) 2.晶体管1958----1964(分立元件)

3.小中规模集成电路LSI(74&54) 1964-----1971(逻辑门、计数器) 4.超大规模集成电路VLSI(几万门以上—MCU,DSP….)

5.专用集成电路ASIC（设计周期长，改版投资大，灵活性差） 要求：在实验室就能设计、更改自己的专用ASIC; 并可马上投入使用;

电子系统设计技术的发展； 1. PROM（可编程只读存贮器）

2.EPROM& EEPROM（紫外线可擦除&电可擦除) 3. PAL&GAL(可编程阵列逻辑&通用阵列逻辑)

4. CPLD&FPGA(复杂可编程逻辑器件&现场可编程门阵列)

5. SOPC(System On Programmable Chip,集成CPU&DSP的FPGA)

常用可编程逻辑器件的分类： PROM EPROM EEPROM

简单的存储及数字逻辑功能。

PAL&GAL

与、或阵列；低功耗、低成本、高可靠、灵活和可重复编程。广泛使用

CPLD

体系结构和逻辑单元灵活，集成度高(密度在数千门之间)，适用范围宽

FPGA

高集成度（数万---数千万系统门），高速，复杂的时序和组合逻辑电路。

CPLD与FPGA的比较：

CPLD与FPGA的设计流程

可编程逻辑设计技术的发展趋： 硬件上：

?先进工艺 ?处理器内核 ?硬核和结构化ASIC

?低成本器件

软件上：

?高级设计语言 ?系统级仿真和优化 ?团队协同设计与模块化设计

常用的Altera 产品 高密度

?主流高端FPGA -------- Statix

?内嵌如高速串行收发器的FPGA ------- Statix GX ?新一带90nm高端FPGA ------- Statix II / Statix III

低成本

?主流低成本FPGA -------- Cyclone ?新一带90nm高端FPGA ------- Cyclone II

CPLD

?主流CPLD -------- MAX（32个到1024个宏单元）

?CPLD的革命------- MAX II（1,700）

早期

?FLEX10K

Max+Plus II 设计输入

原理图输入和符号编辑 硬件描述语言输入 波形设计输入

项目处理步骤--编译

1、消息处理器自动定位错误

2、逻辑综合与试配 3、设计规则检查 4、多器件划分

5、产生用于仿真的工业标准格式

6、生成编程文件

项目校验

用于检测设计的逻辑操作和内部时序

1、设计仿真 –功能仿真 –时序仿真 –多器件仿真 2、定时分析

器件编程

MAX+PlusII编程器使用编译器生成的编程文件(.pof/.sof)对Altera器件进行下载编程；

可用来进行器件编程、校验、检查、探测空白及功能测试。

编译您的项目

选择一个器件-管脚分配-选择一种全局逻辑综合方式-对MAX 器件进行多级综合-FLEX 器件的进位/级联链-设置定时要求-准备编译 时序仿真 定时分析

传播延迟分析 时序逻辑电路性能分析 建立和保持时间分析

器件编程

利用Altera 编程器对MAX 和EPROM 系列器件进行编程

通过JTAG 实现在系统编程的方法

设置在系统编程链

利用ByteBlaster配置FLEX系列器件

传统的数字系统设计方法 特点

?采用自下而上（Bottom Up）的设计方法

?采用通用型逻辑器件 ?搭积木式的方式

?在系统硬件设计的后期进行仿真和调试

?主要设计文件是电路原理图

缺点

? 效率低下——所有这一切，几乎都是手工完成！

? 设计周期很长； ? 容易出错；

? 芯片种类多，数量大，受市场的限制；

? 设计灵活性差； ? 产品体积大。

现代的数字系统设计方法

基于芯片——采用PLD，利用EDA开发工具，通过芯片设计来实现系统功能。 特点

通常采用自上而下（Top Down）的设计方法

采用可编程逻辑器件

在系统硬件设计的早期进行仿真

主要设计文件是用硬件描述语言编写的源程序

降低了硬件电路设计难度

传统设计方法vsEDA设计方法 传统设计方法

自底向上 手动设计 软硬件分离 原理图设计方式 系统功能固定 不易仿真 难测试修改 模块难移植共享 设计周期长

EDA设计方法

自顶向上 自动设计 打破软硬件屏障

原理图、HDL等设计方式 系统功能易改，可升级重构

易仿真

易测试修改（仿真，重构）

模块可移植共享 设计周期短

现代的数字系统设计流程

①建立项目

②输入设计电路（可采用不同方式）

③设计编译 ④设计仿真 ⑤设计下载

ByteBlaster并口下载电缆提供两种下载模式：

（1）被动串行模式（PS模式）；

（2）JTAG模式——具有工业标准的JTAG边界扫描测试电路

04

VHDL程序结构

1. 库（LIBRARY） 2. 包（PACKAGE） 3. 实体（ENTITY）

4. 结构体（RCHITECTURE） 5. 配置（CONFIGURATION）

VHDL基本要素

? VHDL基本数据类型。 ? VHDL的数据对象。 ? VHDL的运算符。

基本数据类型

Std_Logic的信号值及其定义

06

印刷电路板的结构 1. 单面板

指一面有导电图形的电路板。 2.双面板

指两面都有导电图形的电路板,也称双层板。其两面的导电图形之面有导电图形外,内部还有一层或多层间的电气连接通过过孔来完成。 3.多层板

由交替的导电图形层及绝缘材料层叠压粘合而成的电路板。除电路板两个表面有导电图形外，内部还有一层或多层相互绝缘的导电层，各层之间通过金属化过孔实现电气连接。 元件的封装（Footprint）

－元件封装的分类

针脚式元件封装:

元件的焊盘通孔贯通整个电路板。

(电阻、电容、三极管、部分集成电路的封装)

表面粘贴式元件封装： 焊接时元件与其焊盘在同一层。

－元件封装的编号

元件封装的编号规则一般为元件类型+焊盘距离（或焊盘数）+元件外形尺寸 －焊盘（Pad）与过孔（Via）

焊盘（Pad）的作用是用来放置焊锡、连接导线和焊接元件的管脚。

过孔（Via）:实现不同导电层之间的电气连接

－铜膜导线（Track） －安全间距（Clearance）

避免导线、过孔、焊盘及元件间的距离过近而造成相互干扰，在他们之间留出一定

的间距，称为安全间距。

电路板中的各工作层

1. Signal layer(信号层)

信号层主要用于布置电路板上的导线 2. Internal plane layer（内部电源/接地层）

该类型的层仅用于多层板，主要用于布置电源线和接地线。我们称双层板、四层板、六层板，

一般指信号层和内部电源/接地层的数目。

3. Mechanical layer（机械层）

它一般用于设置电路板的外形尺寸、数据标记、对齐标记、装配说明以及其它的机械

信息。

4. Solder mask layer（阻焊层）

Solder mask layer（阻焊层）在焊盘以外的各部位涂覆一层涂料，如防焊漆，用于阻止这些

部位上锡。阻焊层用于在设计过程中匹配焊盘，是自动产生的

5. Paste mask layer（锡膏防护层）

它和阻焊层的作用相似，不同的是在机器焊接时对应的表面粘贴式元件的焊盘

6. Keep out layer（禁止布线层）

用于定义在电路板上能够有效放置元件和布线的区域。在该层绘制一个封闭区域作

为布线有效区，在该区域外是不能自动布局和布线的

7. Silkscreen layer（丝印层）

丝印层主要用于放置印制信息，如元件的轮廓和标注、各种

注释字符等。一般，各种标注字符都在顶层丝印层，底层丝印层可关闭

8. Multi layer（多层）

电路板上焊盘和穿透式过孔要穿透整个电路板，与不同的导电图形层建立电气连接关系，因此系统专门设置了一个抽象的层，多层。一般，焊盘与过孔都要设置在多层上，

如果关闭此层，焊盘与过孔就无法显示出来。

9. Drill layer（钻孔层）

钻孔层提供电路板制造过程中的钻孔信息（如焊盘、过孔就需要钻孔）

PCB中的定位

－使用PCB MiniViewer定位

在PCB管理器中的Browse PCB选项卡的下方，有一个很小的视窗可以显示整个PCB图。利用该视窗可以方便的浏览PCB图，并在工作区快速定位。视窗的整个矩形代表整个PCB工作 窗口，图中的虚线框代表当前的工作窗口画面。拖动顶点可改变虚线框的大小，同时，工作

窗口的画面被缩放，虚线框越小，画面放大比例越大，图越清晰。

－手动移动图纸

在工作窗口按住鼠标右健并拖动。

－跳转到指定位置

主要介绍使用菜单命令Edit|Jump时各子菜单的功能。

Absolute Origin：跳转到绝对原点 Current Origin：跳转到相对原点 New Location：跳转到指定坐标位置 Component：跳转到指定的元件

Net：跳转到指定网络 Pad：跳转到指定焊盘 String：跳转到指定字符串 Error Marker：跳转到错误标志处 Selection：跳转到选取的对象处

PCB设计流程( 印刷电路板的设计的一般步骤如下)：

1. 绘制电路原理图

主要任务是绘制电路原理图，确保无错误后，生成网络表，用于PCB设计时的自动

布局和自动布线。

2. 规划电路板

完成确定电路板的物理边界、电气边界、电路板的层数、各种元件的封装形式和布

局要求等任务。

3. 设置参数

主要是设置软件中电路板的工作层的参数、PCB编辑器的工作参数、自动布局和布

线参数等。

4. 装入网络表及元件的封装形式

将原理图中的电气连接关系和元件的封装形式，装入PCB编辑器。

5. 元件的布局

在元件自动布局的基础上，进行手工调整，是元件的布局达到要求。

6. 自动布线

系统根据网络表中的连接关系和设置的布线规则进行自动布线。只要元件的布局合理，布线参数设置得当，Protel 99 SE的自动布线的布通率几乎是100%。

7. 调整

自动布线成功后，用户可对不太合理的地方进行调整。如调整导线的走向、导线的

粗细、标注字符和添加输入/输出焊盘、螺丝孔等。

8. 保存文件及输出

07 SMT

可编程逻辑器件的诞生

1.电子管1946----1958(分立元件) 2.晶体管1958----1964(分立元件)

3.小中规模集成电路LSI(74&54)1964-----1971(逻辑门、计数器) 4.超大规模集成电路VLSI(几万门以上—MCU,DSP….)

5.专用集成电路ASIC（设计周期长、改版投资大、灵活性差） 1. PROM??可编程只读存储器）???????? 2.EPROM&EEPROM??紫外线可擦出&电可擦除） 3. PAL&GAL(可编程阵列逻辑&通用阵列逻辑)

4. CPLD&FPGA(复杂可编程逻辑器件&现场可编程门阵列) 5.SOPC(SystemonProgrammable Chip,集成CPU&DSP的FPGA)

印制板手工制作步骤

08SMT

SMT的特点

小型化－微型化－无引线－可靠性高

SMT的组成

SMT工艺

1． 组装形式

2.波峰焊

点胶－贴片－固化－焊接－完成

3.回流焊

印焊膏－贴装元器件－再流焊

4.生产线

SMT印刷及施涂工艺

1. 焊膏印刷

2. 丝网印刷机主要技术指标

3. 焊膏

4. 模版印刷工艺控制因素

5. 贴胶片

6. 贴装要求

7. 包装标准化

SMT焊接工艺

1.回流焊

2.波峰焊

3.检测设备

手工焊／修板／反修工艺要求

清洗工艺

SMT生产流程

SMT关注点

设备：

创新：

探索：

绿色－产品全生命周期

合金焊粉

焊剂

焊膏分类

常用焊膏

溶剂清洗

水清洗／半水清洗

免清洗

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7o0p.html