EDA（CPLD/FPGA）技術概述

主要術語摘要：
* EDA（電子設計自動化）：Electronic Design Automation
* ISP（在系統可編程）：In System Programmable
* PAL（可編程陣列邏輯）：Programmable Array Logic
* GAL（通用陣列邏輯)：Generic Array Logic
* PLD（可編程邏輯器件）：Programmable Logical Device
* EPLD（可擦除/電擦除PLD）：Erasable/Electronic Programmable Logical
Device
* CPLD（復雜可編程邏輯器件）：Complex Programmable Logical Device
* FPGA（現場可編程門陣列）：Field Programmable Gates Array
* PLD（可編程邏輯器件）：Programmable Logical Device
* ASIC（專用集成電路）：Application Specific Integrated Circuits
* JTAG（邊界掃描測試技術）：Join Test Action Group
*VHDL（硬件描述語言）：Very high speed IC Hardware Description Language
* CAD（計算機輔助設計）：Computer Assist Design
* CAE（計算機輔助工程設計）：Computer Assist Engineering
* SOC（片上系統）：System On a Chip
電子設計自動化（EDA）技術是以計算機科學和微電子技術發展為先導，它
匯集了計算機圖形學、拓撲邏輯學、微電子工藝與結構、計算數學等多種計算機
應用學科最新成果的先進技術，它是在先進的計算機工作平臺上開發出來的一整
套電子系統設計的軟件工具。
EDA 技術伴隨著計算機、集成電路、電子系統設計的發展，經歷了計算機
輔助設計CAD、計算機輔助工程設計CAE 和電子設計自動化EDA 三個發展過
程。EDA 軟件工具種類繁多，如：Smartork、Orcad、Tango、Protel、Workbench
（multsim）、Pspice 及各大可編程器件廠商提供的專用開發軟件，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，本書將重點介紹Altera 公司的可編程器
件及其開發工具。
隨著電子設計自動化（EDA）技術的不斷發展，其含義也不斷發生變化，早期的
電子設計自動化多指類似Protel 電路版圖的設計自動化概念，這種概念僅限于電
路元器件與元器件之間即芯片外設計自動化，隨著微電子技術的不斷發展，當今
的EDA 技術更多的是指可編程邏輯器件的設計技術，即芯片內的電路設計自動
化。也就是說，開發人員完全可以通過自己的電路設計來定制其芯片內部的電路
功能，使之成為設計者自己的專用集成電路（即ASIC）芯片，這就是我們今天
所說的的EDA 技術——用戶可編程邏輯器件（PLD）技術。其應用也無處不在，
從簡單的邏輯電路、時序電路設計到復雜的數字系統設計均能得心應手，在通信
領域（軟件無線電），在數字信號處理（DSP）領域、在嵌入式/片上系統（SOC）
及各種IP 內核等諸多領域早已廣泛應用，如果說原來的Tango（Protel）的問世
在電子設計領域是一次革命的話，那么今天的EDA（CPLD/FPGA）技術稱得上
是電子設計領域的第二次革命。
隨著可編程器件PLD 技術的不斷發展和崛起，其功能之卓越和先進已經令當今
的電子工程師們贊嘆不已，除了它設計靈活、仿真調試方便、體積小、容量大、
I/O 口豐富、成本低廉、易編程和加密等優點外，更突出的特點是其芯片的在系
統可編程技術。也就是說它不但具有可編程和可再反復編程的能力，而且只要把
器件插在用戶自己設計的目標系統內或線路板上，可以重新構造其設計邏輯而對
器件進行編程或者反復編程，這種技術被稱為在系統可編程技術，簡稱ISP 技術。
由于ISP 技術的應用，打破了產品開發時必須先編程后裝配的慣例，而可以先裝
配后編程，成為產品后還可以在系統內反復編程和修改，ISP 技術使得系統內硬
件的功能象軟件一樣被編程配置，使系統的升級和維護變得更容易和方便。可以
說可編程器件真正做到了硬件的“軟件化”自動設計，這就是當今的EDA 電子設
計自動化技術。可以不夸張地說由于可編程器件的出現，傳統的（數字）電路設
計方法和過程得到了一次革命和飛越。
由于ISP－PLD 器件的寫入、擦除控制電路和高壓脈沖發生電路集成在PLD 芯
片內部，所以不需要編程器，直接利用器件的工作電壓，在器件安裝到系統板上后，不需要將器件從電路板上拔下來，可直接對器件進行編程，并可改變其內部
的設計邏輯，滿足其設計需要。
可編程器件PLD 可分為數字可編程器件和模擬可編程器件兩類。前者之技術發
展已經相當成熟，在大量的電子產品中早已得到了實際應用；后者相對來說發展
要晚一些，其現有的芯片功能也比較單一。數字可編程邏輯器件按其密度可分為
低密度PLD 和高密度PLD 兩種，低密度PLD 器件如早期的PAL、GAL 等，它
們的編程都需要專用的編程器，屬半定制ASIC 器件；高密度PLD 又稱復雜可
編程邏輯器件，如市場上十分流行的CPLD、FPGA 器件，它們屬于全定制ASIC
芯片，編程時僅需以JTAG 方式的下載電纜與計算機并口相連即可。此書將主要
以數字可編程邏輯器件（CPLD、FPGA）之設計與應用進行系統描述，有關模
擬可編程器件的說明請參考本公司的其他書物。
CPLD/FPGA 同屬于高密度用戶可編邏輯程器件，其芯片門數（容量）等級從幾
千門~幾萬門、幾十萬門到幾百萬門以上不等，適合于時序、組合邏輯電路應用
場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC 芯片，實際上這樣的CPLD/FPGA 就
是一個子系統部件。在很大程度上他們具有類似之處，比如其電路設計方法都一
樣。相比而言，CPLD 適合于做各種算法和組合邏輯電路設計，而FPGA 更適合
完成時序比較復雜的邏輯電路。由于FPGA 芯片采用RAM 結構，失電以后其內
部程序將丟失，在形成產品時一般都和其專用程序存儲器配合使用，其芯片內部
的電路文件（程序）可放置在磁盤上、ROM 或E2PROM 中，因而可以在FPGA
芯片及其外圍保持不動的情況下，換一塊存儲器芯片就能實現一種新的功能。電
路設計人員在使用CPLD/FPGA 器件進行電路設計時不需過多的考慮它們的區
別，因為其電路設計和仿真方法都完全一樣，不同之處在于芯片編譯或適配時生
成的下載文件不一樣而已。
可編程器件CPLD/FPGA廠商比較眾多，比較知名的如Altera、Lattice、Xilinx、
Actel 公司等，本公司推出的這套實驗系統兼容這幾家廠商的CPLD 和FPGA 芯
片。上述幾家公司推出的芯片均配有功能強大的開發軟件，不僅支持多種電路設
計方法，如電原理路圖、硬件描述語言VHDL 等，而且還支持電路仿真和時序
分析等功能，為用戶開發和調試產品提供了極大的方便。有關可編程器件設計軟
件的具體使用在實驗系統例程中將詳細介紹給讀者。

CPLD/FPGA 技術發展十分迅速，不斷有新技術和新產品問世，我們和廣大讀者一樣，也處在不斷地學習和運用當中。