基于单片机和FPGA的位同步信号提取

基于单片机和FPGA的位同步信号提取 1.2 EDA简介

电子设计自动化(EDA)技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计：涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字。从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此EDA技术研究的范畴相当广泛。

在电子设计技术领域，可编程逻辑器件的应用，已有了很好的普及，这些器件为数字系统的设计带来极大的灵活性。由于该器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程、乃至设计观念。纵观可编程逻辑器件的发展史，它在结构原理、集成规模、下载方式、逻辑设计手段等方面的每一次进步都为现代电子设计技术的革命与发展提供了不可或缺的强大动力。随着可编程逻辑器件集成规模不断扩大，自身功能的不断完善和计算机辅助设计技术的提高，在现代电子系统设计领域中的EDA便应运而生了。传统的数字电路设计模式，如利用卡诺图等逻辑化简手段以及难懂的布尔方程表达方式和相应的TTL或4000系列夸集成规模芯片的堆砌技术正在迅速地退出历史舞台。

电子设计自动化(EDA)是一种实现电子系统或电子产品自动化设计的技术。它与电子技术、微电子技术的发展密切相关。它吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果，以高性能的计算机作为工作平台，是20世纪90年代初从CAD(计算机辅助设计Computer Aided Design)、CAM(计算机辅助制造Computer Aided Manufacture)、CAT（计算机辅助测试Computer Aided Test）和CAE(计算机辅助工程Computer Aided Education)的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上。根据硬件描述语言HDL完成的设计文件。自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局线、仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在EDA工具的帮助下和应用相应的FPGA／CPLD器件，就可以得到最后的设计结果。尽管，目标系统是硬件．但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。当然，这里的所谓EDA主要是指数字系统的自动化设计，因为这一领域的软硬件方面的技术已比较成熟，应用的普及程度也已比较高。而模拟电子系统的EDA正在进入实用，其初期的EDA工具不一定需要硬件描述语言。此外，从应用的广度和深度来说。由于电子信息领域的全面数字化，基于EDA的数字系统的设计技术具有更大的应用市场和更紧迫的需求性。

EDA的实现是与CPLD／FPGA技术的迅速发展息息相关的。CPLD／FPGA是80年代中后期出现的，其特点是具有用户可编程的特性。利用CPLD／FPGA，电子系统

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基于单片机和FPGA的位同步信号提取 设计工程师可以在实验室中设计出专用IC，实现系统的集成，从而大大缩短了产品开发、上市的时间，降低了开发成本。此外，CPLD／FPGA还具有静态可重复编程或在线动态重构的特性，使硬件的动能可以像软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。

1.3 8051型单片机

8051片内有4KROM，无须外接存储器和373，更能体现“单片”的简练。8051单片机的片内结构如图1.1所示。如果按功能划分，它由8个部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依然是采用CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。

图1.1 8051单片机的片内结构

1.4 FPGA器件简介

1.4.1 FPGA器件的发展

FPGA器件（Field Programmable Gate Array）----用户现场可编程门阵列集成电路是20世纪80年代中期出现的一种新概念，是倍受现代数字系统设计工程师欢迎的最新一代系统设计积木块。由于半导体技术的飞跃发展，数字系统应用经历了分立元件、小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)和大规模集成电路(LSI)及超大规模集成电路(VLSI)的发展过程，数字系统应用的基本特征也由中小规模集成度的标准通用集成电路

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基于单片机和FPGA的位同步信号提取 向用户定制的专用集成电路(ASIC)过渡。20世纪80年代出现了可编程逻辑器件(PLD)，在一定程度上，为数字系统设计工程师进行快捷、灵活的设计提供了可能性，PLD器件的应用使一系列功能强、速度高、灵活性大的积木式系统设计得以成功。但是，随着现代数字系统设计的发展，PLD器件无论在集成容量、功耗、速度还是逻辑设计的灵活性上，均不能满足现代数字系统的大容量、高速度、现场灵活可编程设计的要求。这类器件集成度还是达不到非常高，内部资源和I/O管脚也不够多，在进行大型系统设计时，使用此类器件就显得不够理想了。FPGA器件的产生将半定制的门阵列电路的优点和可编程逻辑器件的用户可编程特性结合在一起，使其不仅包含大量的门电路，具有高速度，使设计的电子产品达到小型化、集成化和高可靠性，而且器件具有用户可编程特性，大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。进人90年代后，随着半导体技术的发展，构造许多电子系统仅仅需要现场可编程门阵列。FPGA是最新一代的可编程逻辑器件，它为系统设计人员提供了一条研制开发大型系统的有效捷径，FPGA正在被看作是电路器件和电路设计上的一场革命。

FPGA单片中的等效逻辑门一般有几千甚至多达2万，I/O引脚多达200以上，密度极大。用几十片PAL、GAL或几百片标准数字集成电路搭成的系统用一片FPGA就可以实现。FPGA的结构灵活，它的逻辑单元、互连资源和I/O单元都可以由用户编程，现任何逻辑功能，满足各种设计要求。

FPGA的开发工具十分先进。在用FPGA进行系统设计时，用户所做的工作仅仅是用计算机绘制出系统的电路原理图，其余的工作都可以由开发系统来自动完成。多数FPGA都既能重复编程，又可以重复使用，还可在开发系统中直接进行仿真。所以，使用FPGA没有前期投资风险，也没有工艺实现中的损耗。FPGA的特点是速度快，功耗低，通用性好，适应性强，它不仅可以代替传统的数字集成电路，而且还可以代替一般的PLD器件和半定制的ASIC，特别适用于复杂系统的设计。使用FPGA可以非常大的减小硬件规模，降低设计成本，缩短设计周期，提高系统的可靠性、灵活性和保密性。

FPGA已经成功地应用于计算机硬件、工业控制、遥感遥测、雷达声纳、数据处理、智能仪表、广播电视和医疗电子等多种领域中。在现代通信中，FPGA已经成功地用作程控交换、数字复接、压缩扩张、编码译码和调制解调等。

1.4.2 FPGA器件的结构

FPGA现场可编程门阵列器件通常由布线资源围绕的可编程单元(或宏单元)构成阵列，又可由可编程I/O单元围绕阵列构成整个芯片，如图1.2所示。排成阵列的逻辑单元由布线主道中的可编程连线连接起来实现一定的逻辑功能。一个FPGA可能包含有静态存储单元，它们允许内部的模式在器件被制造以后再被加载或修改。

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基于单片机和FPGA的位同步信号提取

图1.2 FPGA基本结构

FPGA是由掩膜可编程门阵列和可编程逻辑器件演变而来的，将它们的特性结合在一起，使得FPGA既有门阵列的高逻辑密度和通用性，又有可编程逻辑器件的用户可编程特性。目前FPGA的逻辑功能块在规模和实现逻辑功能的能力上存在很大差别。有的逻辑功能块规模十分小，仅含有只能实现倒相器的两个晶体管；而有的逻辑功能块规模比较大，可以实现任何五变量输入逻辑函数的查找表结构。据此可把FPGA分为两大类，即细粒度（fine-grain）和粗粒度(coarse-grain)。细粒度逻辑块是与半定制门阵列的基本单元相同，它由可编程互连来连接少数晶体管组成，规模都较小，主要优点是可用的功能块可以完全被利用；缺点是采用它通常需要大量的连线和可编程开关，使相对速度变慢。由于近年来工艺不断改进，芯片集成度不断提高，加上引入硬件描述语言(HDL)的设计方法，不少厂家开发出了具有更细粒度结构的FPGA。例如，XILINX公司采用Micro Via技术的一次编程反熔丝结构的XC8100系列就是逻辑功能块规模较小，细粒度结构的FPGA。而粗粒度FPGA功能块规模较大并且功能较强。从构成它的可编程逻辑和可编程互连资源来看，主要有两类逻辑块的构造。其一是查找表类型；其二是多路开关类型，由此形成两种FPGA的结构。

第一种是具有可编程内连线的通道型门阵列。它采用分段互连线，利用不同长度的多种金属线经传输管将各种逻辑单元连接起来。布线延时是累加的、可变的，并且与通道有关。

第二种是具有类似PLD可编程块阵列的固定内连布线，采用连续互连线，利用相同长度的金属线实现逻辑单元之间的互连，布线延时是固定的，并且可预测。

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