PLD设计方法及步骤 集成电路, 电路图, 规模, 硬件

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PLD设计方法及步骤

1、PLD器件的设计步骤
　　1.电路逻辑功能描述
　　PLD器件的逻辑功能描述一般分为原理图描述和硬件描述语言描述，原理图描述是一种直观简便的方法，它可以将现有的小规模集成电路实现的功能直接用PLD器件来实现，而不必去将现有的电路用语言来描述，但电路图描述方法无法做到简练；硬件描述语言描述是可编程器件设计的另一种描述方法，语言描述可能精确和简练地表示电路的逻辑功能，现在在PLD的设计过程中广泛使用，并且有更加浒的趋势，常用的硬件描述语言有ABEL,VHDL语言等，其中ABEL是一种简单的硬件描述语言，其支持布尔方程、真值表、状态机等逻辑描述，适用于计数器、译码器、运算电路、比较器等逻辑功能的描述；VHDL语言是一种行为描述语言，其编程结构类似于计算机中的C语言，在描述复杂逻辑设计时，非常简洁，具有很强的逻辑描述和仿真能力，是未来硬件设计语言的主流。
　　2.计算机软件的编程及模拟
　　不管是用硬件描述语言描述的逻辑还是用原理图描述的逻辑，必须通过计算机软件对其进行编译，将其描述转换为经过化简的布尔代数表达式（即通常的最简与或表达式），编译软件再根据器件的特点将表达式适配进具体的器件，最终形成PLD器件的熔断丝文件（通常叫做JEDEC文件,简称为JED文件）。
　　通常在将用户设计的逻辑下载到具体器件中前，为了检查设计的结果是否正确，通常可以通过计算机软件进行模拟，检查其设计结果是不否与设计要求相符。
　　3.通过编程器将JED文件下载到PLD器件中
　　在上步中形成的熔断丝文件必须下载到PLD器件中去才能实现设计的要求，熔断丝文件的下载一般须通过编程器进行下载。
　　编程器是一种专门用于对可编程器（如EPROM,EEPROM,GAL,CPLD,PAL等）进行编程的专业设备，常见的编程器有台湾河洛公司的ALL系列、南京西尔特公司的Super系列等。编程器通常通过计算机的并行打印器将JED文件下载到编程器中，编程器再将JED文件根据器件的特点将其写入器件内部，从而达到下载的目的。下图给出了PLD的设计过程。
2、 可编程器件设计软件简介
　　可编程器件的设计软件种类很多，各大器件厂家及一些软件公司都开发了一系列的设计软件，正是由于这些软件才推动了可编程器件的快速发展。
　　通常根据逻辑功能的描述方法分为：语言描述和原理图描述设计两大类。常见的如DATA I/O公司的BAEL语言、四通公司ASIC事业部开发的针对GAL器件的FM(Fast MAP)软件等属于语言描述类设计软件；DATA I/O 公司的Synario软件，Orcad公司的PLD等软件属于电路图描述或电路图描述与语言描述相拼命的软件。这里主要以DATA I/O 公司的Synario软件为例说明GAL器件的设计过程，同时该软件还可以开发Lattice公司的pLSI器件和ispLSI器件等。
　　1.ABEL-HDL语言
　　ABEL-HDL语言是一种用语言来描述器件逻辑功能的设计语言，它与其它计算机语言一样有一些关键字及一些规定。
ABEL-HDL基本算术运算符号
　　(1)基本的运算表示
　　ABEL-HDL语言运算可分为逻辑运算和算术运算。下面两个表格分别列出了两种运算的符号及功能，下面表格中红底的项为时序电路中才会使用到。
ABEL-HDL基本逻辑运算符号

运算符	优先级	功能	例子	含义
!	1	取反	!(AB)	(AB)的非
&	2	与运算	A&B	A·B
#	3	或运算	A#B	A+B
$	4	异或运算	A$B	A⊕B
=		赋值	A=5	将5赋给A
==		数值相等	A==1	用于判断数值相等
!=		数值不等	A!=1	用于判断数值不等

ABEL-HDL基本算术运算符号

运算符	功能	举例	含义
+	算术加	C=A+B	将A与B相加，将积再赋给C
-	算术减
*	算术乘
/	算术除
<<,>>	左，右移位	A<<B	将A左移B位

　(2)关键字

关键字	作 　　用	举　　例
module	说明模块的开始，与END对应	MODULE tran
End	模块的结束	END
Title	说明模块的名称（可省略）	Title 'U2 is a decode'
Equations	表明与器件相关的方程式的开始
Pin	说明器件I/O的引脚	CLK,A Pin 1,2;
Istype	说明输出信号的属性	A Pin 19 istype 'COM';
Test_vectors	测试向量的开始
Truth_table	真值表的开始
When then Else	当什么时就怎样，否则怎样	When b then c=0 esle a=b
If then else

3)ABEL语言设计举例
　　例　写出全加器的ABEL-HDL语言的源文件。
　　分析：在组合逻辑电路中我们分析了全加器的电路，我们可以用真值表、逻辑表达式、电路图等几种方式来描述其逻辑功能。其表达式写为：

其值表可写为：

Ci	A	B	Co	S
0	0	0	0	0
0	0	1	0	1
0	1	0	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1
1	0	1	1	0
1	1	0	1	0
1	1	1	1	1

该逻辑用真值表和表达式皆可以表示，即ABEL的源文件可以有两种表达方式。
　　源文件1:用表达式来表示

源文件	说　　明
Module FSUM;	模块定义，FSUM为模块名，每行结束用分号结束
A,B,Ci pin 1,2,3;	定义A,B,Ci对应管脚1,2,3
S,Co pin 19,18 istype 'com';	定义S,Co的管脚，并定义其为组合逻辑电路输出
Equations	表示下面一段为逻辑表达式
S=A$B$Ci;
Co=A&B+A&Ci+B&Ci;
Test_vectors ([Ci,A,B]->[Co,S])	测试向量定义，下面为测试向量用于模拟逻辑功能
[0,0,0]->[0,0];
[0,0,1]->[0,1];
[0,1,0]->[0,1];
[0,1,1]->[1,0];
[1,0,0]->[0,1];
[1,0,1]->[1,0];
[1,1,0]->[1,0];
[1,1,1]->[1,1];
End	模块结束

源文件2:用真值表来表示
　　只要将上面的源文件中Equations起的三行用下面一段代替即可。

Truth_table ([Ci,A,B]->[Co,S])

[0,0,0]->[0,0];

[0,0,1]->[0,1];

[0,1,0]->[0,1];

[0,1,1]->[1,0];

[1,0,0]->[0,1];

[1,0,1]->[1,0];

[1,1,0]->[1,0];

[1,1,1]->[1,1];

2.原理图输入法
　　ABEL-HDL语言作为一种逻辑描述语言可以进行PLD的设计，但由于有一些电路已经有了图纸，人们希望能直接将原理图写入PLD电路中去，省去进行程序设计的时间，随着计算机图形化界面的发展，现在利用电路图进行逻辑描述的软件功能愈来愈多。
　　下图为一半加器的电路图，从图上可看出其包括以下几个部分：




(1)逻辑符号：它可以是标准符号库的符号，也可以是代表其它电路功能的符号，如图中的异或门、与门符号，它代表了异或、与门的功能，但在软件上常常是英制的符号，所以读者使用是应加以注意；
　　(2)连线：用来连接各个符号，其功能相当于实际电路的导线；
　　(3)I/O标志：它用来标明电原理图的输入、输出信号，信号的方向（输入、输出、双向），及输入／输出脚对应于器件引脚号；
　　(4)图片和文字：用于帮助说明电路的功能，便于理解电路的原理，对整个电路原理没有实际意义。
3、 可编程逻辑器件设计举例
　　1.用ABEL语言设计
　　(1)启动Synario软件并创建一个新的设计项目
? 在Windows 95的程序组上执行Synario,屏幕中的出现Synario软件的开始界面。
? 在 File菜单中选择New Profect…项，键入新的项目名如SUM。如下图所示。

在实际使用时应注意该项目所处的目录位置，否则当退出当前操作后就找不到前的设计，当前的目录位置可由上图的右框中可以看出；另外还须注意的是，新的项目名一般不要使用中文当文件名。
　　(2)选择器件
　　双击Virtual Device,将出现Choose Device的对话框，如下图；在Device Kit中选择到GAL16V8，单击OK按钮选中该器件。

(3)选择源文件的类型
　　可编程逻辑设计的源文件可以是ABEL语言也可以原理图，在Source菜单中选择New，出现New话框后选择ABEL-Module表示进行ABEL语言的输入,输入相应的模块名及文件名。如下图。

这里必须注意，ABEL的模块名不可以使用中文作为文件名，否则无法进行编译。
　　(4)输入ABEL语言源程序? 在对应的源文件编辑器中输入相应的源文件，在输入时关键字可以是大写，也可以是小写字母，但变量的大小写不能改变，否则在编译时将报错。如下图。

(5)源文件编译

在项目管理器下，选择左边方框中对应于源文件的文件名，双击右边区域中的Reduce Logic可以看到如上图所示的编译过程，如源文件无误，则编译器最终给出编译报告，说明完成该逻辑所需要的资源及经化简后的逻辑表达式；如源文件存在问题问题，则编译器会说明错误的原因及地方。
　　(6)熔断丝文件形成
　　在项目管理器左边的区域选择使用的器件(GAL16V8)，双击右边区域中的Create Fuse Map, 可看到如下图所示的熔断丝文件的形成过程，如报设计的逻辑报需要的资源GAL16V8可以实现的话，将最终形成扩展名为.JED的熔断丝文件。

(7)程序下载
　　 JED的文件须下载到具有的GAL器件中，才能完成其最终的设计，下载JED文件到GAL须用专门的硬件设计，这种专门的的设备即通常讲的编程器。这种设备与计算机的并口或串口相连，通过相应软件将JED文件下载到GAL器件中到。如下图给出了Super编程器下载JED文件的画面。
　　 在利用编程器进行下载时，首先选择器件的厂家，不同的厂家器件特性有所不同，故应选择对应的生产厂家，其次选择器件的型号，这时可以将需要下载的JED文件读入缓冲区，最后对器件进行编程，编程器将JED文件下载后还自动进行一次校验，如器件工作正常，则编程 器软件可告知下载正常，否则说明器件损坏。
　　由于GAL器件是使用CMOS工艺生产的器件，故在对GAL器件编程时应注意计算机及编程器的接地是否良好，工作人员的人体是否带静电。

2.原理图输入设计法
　　 原理图输入法的使用前面步骤与ABEL语言设计的前两步相同，下面是原理图设计的步骤：
　　(1)选择源文件类型中选择Schematic，输入对应的图形文件名后将出现下图所示的原理图输入界面。

(2)添加元件：选择菜Add中的Symbol命令，屏幕出现Symbol Libraries对话框，选择需要的件，其中：? GATE：逻辑门电路；ARITHS：数学运算元件；IOPAD：输入输出元件；MUXEX：多路选择开关 ；REGS：寄存器。
　　(3)连接两元件：从Add菜单中选择Wire，用MOUSE左键在须连接处单击后，拖动MOUSE到另一点再单击就将两点连接上了。
　　(4)在输入输出端连上输入/输出元件：在菜单Add上选择Symbol中的IOPAD元件，在电路的输入/输出画上IOPAD元件。
　　(5)给接口输出端赋名：从Add菜单中选择Net Name项，从屏幕底部输入栏中输入网络名并按回车，网络名会粘在光标上随MOUSE一起移动，将光标移到输入或输出端单击，网络名就被 放置在输入/输出处。
　　(6)给接口的输入输出端标注类型：在Add菜单中选择I/O Markers，输对应的输入输出标上输入与输出的标记。
　　(7)给器件锁定管脚：从Add中选择Symbol Attribute将MOUSE光标移到输入输出端的IOPAD上单击，将SynarioPin=*中的*改为所须的输出管脚号。
　　 到此一个完整的原理图已经输入完毕，将电路图保存后退出后就可以与ABEL_HDL语言一样进行编译，最终开成JED文件。