【文章內(nèi)容簡介】 。設(shè)計人員只需要完成對系統(tǒng)功能的描述，就可以由計算機軟件進行處理，得到設(shè)計結(jié)果，而且修改設(shè)計如同修改軟件一樣方便，可以極大地提高設(shè)計效率。 EDA 在硬件實現(xiàn)方面融合了大規(guī)模集成電路設(shè)計制造技術(shù)，IC 版圖設(shè)計技術(shù)，ASIC 測試和封裝技術(shù)，F(xiàn)PGA、CPLD 編程編程下載技術(shù)、自動測試技術(shù)等；正是因為 EDA 技術(shù)豐富的內(nèi)容以及與電子技術(shù)各學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)性，其發(fā)展的歷程同大規(guī)模集成電路設(shè)計、計算機輔助教程、可編程邏輯器件，以及電子設(shè)計技術(shù)和工藝的發(fā)展是同步的。就過去近 30 年電子技術(shù)的發(fā)展歷程，大致可以將 EDA 技術(shù)的發(fā)展分為三個階段。 階段（20 世紀(jì) 60 年代中期—20 世紀(jì) 80 年代初期） CAD（Computer Aided Design）是 EDA 技術(shù)發(fā)展的早期階段，在這個階段，人們開始利用計算機取代手工勞動。但當(dāng)時的計算機硬件功能有限，軟件功能較弱，人們主要借助計算機對所設(shè)計的電路進行一些模擬和預(yù)測，輔助進行集成電　路版圖編輯、印刷電路板 PCB（Printed Circuit Board）布局布線等簡單的版圖繪制等工作。 CAE 階段（20 世紀(jì) 80 年代初期—20 世紀(jì) 90 年代初期） CAE（Computer Aided Engineering）是在 CAD 的工具逐步完善的基礎(chǔ)上展起來的，尤其是人們在設(shè)計方法學(xué)、設(shè)計工具集成化方面取得了長足的進步，可以利用計算機作為單點設(shè)計工具，并建立各種設(shè)計單元庫，開始用計算機將許多單點工具集成在一起使用，大大提高了工作效率。 EDA 階段（20 世紀(jì) 90 年代以來） 20 世紀(jì) 90 年代以來，微電子工藝有了驚人的發(fā)展，工藝水平已經(jīng)達到了深亞微米級，在一個芯片上已經(jīng)可以集成上百萬乃至上億只晶體管，芯片速度達到了吉比特/秒量級，百萬門以上的可編程邏輯器件陸續(xù)面世，這樣就對電子設(shè)計的工具提出了更高的要求，提供了廣闊的發(fā)展空間，促進了 EDA 技術(shù)的形成。特別重要的是世界各 EDA 公司致力推出兼容各種硬件實現(xiàn)方案和支持標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言的 EDA 工具軟件，都有效地將 EDA 技術(shù)推向成熟。此階段主要出現(xiàn)了以高級語言描述、系統(tǒng)仿真和綜合技術(shù)為特征的第三代 EDA 技術(shù)，不僅極大地提高了系統(tǒng)的設(shè)計效率，而且使設(shè)計人員擺脫了大量的輔助性及基礎(chǔ)性工作，將精力集中于創(chuàng)造性的方案與概念的構(gòu)思上，下面簡單介紹這個階段 EDA 技術(shù)的主要特征:(1)高層綜合（HLS，High Level Synthesis）的理論與方法取得較大進展，將 EDA 設(shè)計層次由 RT 級提高到了系統(tǒng)級（又稱行為級），并劃分為邏輯綜合和測試綜合。邏輯綜合就是對不同層次和不同形式的設(shè)計描述進行轉(zhuǎn)換，通過綜合算法，以具體的工藝背景實現(xiàn)高層目標(biāo)所規(guī)定的優(yōu)化設(shè)計，通過設(shè)計綜合工具，可將電子系統(tǒng)的高層行為描述轉(zhuǎn)換到低層硬件描述和確定的物理實現(xiàn)，使設(shè)計人員無須直接面對低層電路，不必了解具體的邏輯器件，從而把精力集中到系統(tǒng)行為建摸和算法設(shè)計上。測試綜合是以設(shè)計結(jié)果的性能為目標(biāo)的綜合方法，以電路的時序、功耗、電磁輻射和負(fù)載能力等性能指標(biāo)為綜合對象。（2）采用硬件描述語言 HDL（Hardware Description Language）來描述 10萬門以上的設(shè)計，并形成了 VHDL（Very High Speed Integrated Circuit HDL）和 Verilog HDL 兩種標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。它們均支持不同層次的描述，使得復(fù)雜IC 的描述規(guī)范化，便于傳遞、交流、保存與修改，也便于重復(fù)使用。它們多應(yīng)用于 FPGA/CPLD/EPLD 的設(shè)計中。（3）可測性綜合設(shè)計。隨著 ASIC 的規(guī)模與復(fù)雜性的增加，測試難度與費用急劇上升，由此產(chǎn)生了將可測性電路結(jié)構(gòu)制作在 ASIC 芯片上的想法，于是開發(fā)了掃描插入、BLS（內(nèi)建自測試）、邊界掃描等可測性設(shè)計（DFT）工具，并已集成到　EDA 系統(tǒng)中。（4）為帶有嵌入 IP 模塊的 ASIC 設(shè)計提供軟硬件協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計工具。協(xié)同驗證彌補了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計流程之間的空隙，保證了軟硬件之間的同步協(xié)調(diào)工作。（5）建立并行設(shè)計工程 CE（Concurrent Engineering）框架結(jié)構(gòu)的集成化設(shè)計環(huán)境，以適應(yīng)當(dāng)今 ASIC 的如下一些特點：數(shù)字與模擬電路并存，硬件與軟件設(shè)計并存，產(chǎn)品上市速度要快。在這種集成化設(shè)計環(huán)境中，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與完善的通訊管理系統(tǒng)，由若干相關(guān)的設(shè)計小組共享數(shù)據(jù)庫和知識庫，并行地進使行設(shè)計，而且在各種平臺之間可以平滑過度。 可編程邏輯器件的發(fā)展概況 早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存貯器(PROM)、紫外線可按除只讀存貯(EPROM)和電可擦除只讀存貯器(EEPROM)三種。由于結(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。其后，出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)上稍復(fù)雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件(PLD)，它能夠完成各種數(shù)字邏輯功能。典型的 PLD 由一個“與”門和一個“或”門陣列組成，而任意一個組合邏輯都可以用“與一或”表達式來描述，所以， PLD 能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能。這一階段的產(chǎn)品主要有 PAL(可編程陣列邏輯)和 GAL(通用陣列邏輯)。 PAL 由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸．出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。 PAL 器件是現(xiàn)場可編程的，它的實現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM 技術(shù)和 EEPROM 技術(shù)。還有一類結(jié)構(gòu)更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列(PLA)，它也由一個“與”平面和一個“或”平面構(gòu)成，但是這兩個平面的連接關(guān)系是可編程的。 PLA 器件既有現(xiàn)場可編程的，也有掩膜可編程的。 在 PAL 的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一種通用陣列邏輯GAL (Generic Array Logic)，如 GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了 EEPROM 工藝，實現(xiàn)了電可按除、電可改寫，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計具有很強的靈活性，至今仍有許多人使用。 這些早期的 PLD 器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路?！? 圖 PLD 圖為了彌補這一缺陷，20 世紀(jì) 80 年代中期。 Altera 和 Xilinx 分別推出了類似于 PAL 結(jié)構(gòu)的擴展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和與標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似的 FPGA(Field Programmable Gate Array)，它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。 這兩種器件兼容了 PLD 和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它們又具有設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在 10,000 件以下)之中。幾乎所有應(yīng)用門陣列、PLD 和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用 FPGA 和 CPLD 器件。 FPGA／ CPLD 概述FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)與 CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)都是可編程邏輯器件，它們是在 PAL,GAL 等邏輯器件的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。同以往的 PAL,GAL 等相比較，F(xiàn)PGA／CPLD 的規(guī)模比較大，它可以替代幾十甚至幾千塊通用 IC 芯片。這樣的FPGA／CPLD 實際上就是一個子系統(tǒng)部件。這種芯片受到世界范圍內(nèi)電子工程設(shè)計人員的廣泛關(guān)注和普遍歡迎。經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，許多公司都開發(fā)出了多種可編程邏輯器件。比較典型的就是 Xilinx 公司的 FPGA 器件系列和 Altera 公司的CPLD 器件系列，它們開發(fā)較早，占用了較大的 PLD 市場。通常來說，在歐洲用Xilinx 的人多，在日本和亞太地區(qū)用 ALTERA 的人多，在美國則是平分秋色。全球PLD/FPGA 產(chǎn)品 60%以上是由 Altera 和 Xilinx 提供的。可以講 Altera 和 Xilinx共同決定了 PLD 技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)然還有許多其它類型器件，如：　Lattice，Vantis，Actel，Quicklogic，Lucent 等。 （99 年 Lattice 收購了Vantis，成為第三大 PLD 供應(yīng)商；同年 Xilinx 收購了 Philips 的 PLD 部門）詳細(xì)內(nèi)容請瀏覽：表 2022 年世界十大 PLD 公司排名 公司 銷售額(億美金) 市場占有率1 Altera 2 Xilinx 3 Vantis 4 Lattice 5 Actel 6 Luccent 7 Cypress 8 Atmel 9 Philips 10 Quicklogic 盡管 FPGA,CPLD 和其它類型 PLD 的結(jié)構(gòu)各有其特點和長處，但概括起來，它們是由三大部分組成的，一個二維的邏輯塊陣列，構(gòu)成了 PLD 器件的邏輯組成核心。?輸入／輸出塊：?連接邏輯塊的互連資源。連線資源：由各種長度的連線線段組成，其中也有一些可編程的連接開關(guān)，它們用于邏輯塊之間、邏輯塊與輸入／輸出塊之間的連接。 圖 典型的 PLD 的框圖對用戶而言，CPLD 與 FPGA 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)稍有不同，但用法一樣，所以多數(shù)情況下，不加以區(qū)分。FPGA／CPLD 芯片都是特殊的 ASIC 芯片，它們除了具有 ASIC 的　特點之外，還具有以下幾個優(yōu)點：隨著 VlSI(Very Large Scale IC，超大規(guī)模集成電路)工藝的不斷提高單一芯片內(nèi)部可以容納上百萬個晶體管， FPGA／CPLD 芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達到上百萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。FPGA／CPLD 芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計人員承擔(dān)投片風(fēng)險和費用，設(shè)計人員只需在自己的實驗室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能設(shè)計。所以， FPGA／CPLD 的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費。用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同軟件就可實現(xiàn)不同的功能。所以，用 FPGA／PLD 試制樣片，能以最快的速度占領(lǐng)市場。 FPGA／CPLD 軟件包中有各種輸入工具和仿真工具，及版圖設(shè)計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計人員在很短的時間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作。 當(dāng)電路有少量改動時，更能顯示出 FPGA／CPLD 的優(yōu)勢。電路設(shè)計人員使用 FPGA／CPLD 進行電路設(shè)計時，不需要具備專門的 IC(集成電路)深層次的知識， FPGA／CPLD 軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計人員更能集中精力進行電路設(shè)計，快速將產(chǎn)品推向市場。 軟件：Quartus IIQuartus II 是 Altera 公司的綜合性 PLD 開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL 以及 AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整 PLD 設(shè)計流程 Quartus II 通過和 DSP Builder 工具與 Matlab/Simulink 相結(jié)合，可以方便地實現(xiàn)各種 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)；支持 Altera 的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級設(shè)計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。 項目研究意義現(xiàn)有的電子系統(tǒng)設(shè)計多數(shù)采用微控制器為核心，輔以必要的外圍器件如ADC、DAC 和存儲器等，這樣的系統(tǒng)做出來的線路板較大，且調(diào)試復(fù)雜；而且如果系統(tǒng)內(nèi)有高速器件，則微控制器的選擇將會是個困難；雖然然可通過程序升級增加或改進功能，但硬件一旦設(shè)計完成，是無法更改的。FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)與 CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)都是可編程邏輯器件，它們是在 PAL,GAL 等邏輯器件的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。同以往的 PAL,GAL 等相比較，F(xiàn)PGA／CPLD 的規(guī)模比較大，它可以替代幾十甚至幾千塊通用 IC 芯片。這樣的FPGA／CPLD 實際上就是一個系統(tǒng)部件。由于其應(yīng)用的靈活性，這種芯片受到世界范圍內(nèi)電子工程設(shè)計人員的廣泛關(guān)注和普遍歡迎。　單片機自 20 世紀(jì) 80 年代引入我國以來，學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機的熱潮始終不減，特別是 MCS51 系列。實際上，從應(yīng)用通用數(shù)字集成電路系統(tǒng)，到廣泛應(yīng)用單片機，是我國電子設(shè)計在智能化應(yīng)用水平上質(zhì)的飛躍。據(jù)統(tǒng)計分析，單片機的銷量到目前為止依然逐年遞增，而且在很長一段時間內(nèi)，單片機依然會是電子設(shè)計的主角，不過這一地位已經(jīng)受到了復(fù)雜 PLD 器件 FPGA/CPLD 的挑戰(zhàn)。雖然單片機長期穩(wěn)定的發(fā)展和使用使得單片機的性價比非常高，而且積累了大量的資料并擁有大量的工程技術(shù)人員，這一點是復(fù)雜 PLD 器件目前難以達到的。但是，單片機的缺點也是有目共睹：首先是速度低。即使是高速度單片機也只能工作在 μs 級，這是由單片機串行工作的特點所決定的。其次是低可靠性。雖然目前有很多器件與設(shè)計在一定程度上解決了部分問題，如看門狗的廣泛應(yīng)用，但在某些情況下瞬間的復(fù)位也會造成嚴(yán)重的后果。而當(dāng)前流行的復(fù)雜 PLD 器件 FPGA/CPLD,不但克服了單片機的缺點，而且由于可采用 HDL 等硬件描述語言編程，進一步打破了軟硬件工程師的界限，加速了產(chǎn)品的開發(fā)過程，使純數(shù)字電路的設(shè)計變得簡單，人們甚至討論用 C 語言作為下一代硬件描述語言。所以有專家指出，電子設(shè)計的單片機時代即將過去，而以 PLD 為核心的 EDA 將是未來設(shè)計的方向。由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片 PLD 芯片上已經(jīng)可以集成上百萬門，就系統(tǒng)規(guī)模而言，將單片機設(shè)計在內(nèi)也沒什么問題。美國的可編程器件廠商已經(jīng)用軟核和硬核嵌入兩種形式為設(shè)計人員提供幫助。PLD器件取代單片機是早晚的事。但是，在我國目前的普遍應(yīng)用中，單純依靠 PLD 器件還有點早。主要原因如下：由于歷史原因，我國的電子設(shè)計人員大部分應(yīng)用的是 80c51 單片機，這么多人改學(xué)其它 PLD 器件的使用方法還需要一段時間，而且原有的程序更使人不愿改動，這是其一；其二，單片機價格低廉，而 PLD 器件如果增加單片機內(nèi)核的話，至少在目前的形勢下價格會比較昂貴。不過，有鑒于當(dāng)前 FPGA/CPLD 器件的發(fā)展速度可見，在 FPGA 中嵌入單片機的軟核或硬核是一種必然趨勢，所以，本課題要在這方面做一種嘗試，用 FPGA 來實現(xiàn)單片機的設(shè)計，希望能為 FPGA 的進一步應(yīng)用和快速的發(fā)展提供一種借鑒和方法?！? 單片機原理與分析單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit） ，單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、 只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。它的特點是：高性能、高速度、體積小、價格低廉、應(yīng)用廣泛。MCS51 是美國 Intel 公司的八位單片機系列，是在 MCS48 系列基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，也是我國目前應(yīng)用最廣的一種單片機系列在這個系列里，有多種機型，本章以 8051 為目標(biāo)來敘述 MC