第1章电子系统设计概论
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n 由于Altera公司的CPLD器件系列和Xilinx公司的FPGA器件系 列开发较早，种类较多，功能最强，因此其知名度也最高， 它们占用了较大的PLD市场分额。
第1章电子系统设计概论
一个PLD芯片：EP1K100
n 集成度10万门； 内含约100个晶体 管
n 管脚数目：208个 n 电源：
n 3.3V（I/O） n 2.5V（内核）
第1章电子系统设计概论
PLD的特点：
n 由用户自定义器件的功能、大规模集成。设计 周期短、设计风险低、应用灵活、系统功能强 大、功耗低。
n 用PLD来进行数字系统的开发与设计已成为现 代电子设计的一种方向与潮流。
第1章电子系统设计概论
百万门级的PLD芯片
第1章电子系统设计概论
1.3 可编程逻辑器件与EDA技术
第1章电子系统设计概论
1.1 什么是数字系统？
n 数字电子系统：简称为数字系统。是可以 完成某种（或多种）特定的、功能不单一 的一种电子系统。
n 数字器件：即数字IC芯片。是构成数字系 统的基本部件，是数字系统的“元素”或 “细胞”。
n 一个数字电子设备（产品），小到一个数 字电子钟，大到一台数控车床或超级计算 机，都是一个“数字电子系统”。
第1章电子系统设计概论
2020/11/25
第1章电子系统设计概论
课程宗旨
n 建立现代数字电子系统设计的概念； n 更新传统数字电路的设计观念，建立
用PLD器件取代传统TTL器件设计数字 电路与系统的思想 n 更新数字系统设计手段，学会使用硬 件描述语言（Hardware Description Language）代替传统的数字电路设计 方法（画电路图）来设计数字系统。
n ASIC(即Application Specific IC)是一种为完成某种特 定的电路功能而专门设计、生产的IC器件。
n 特点： n 需要专门设计/定制，大规模集成。性能强、功耗低、工
作可靠性高、保密性高、大批量应用时成本也较低； n 但其功能专一且不能改变，不适宜在电子产品的研发阶
段予以使用。 n ASIC分类： n 按功能的不同可分为：数字ASIC、模拟ASIC及混合型
第1章电子系统设计概论
通用可编程逻辑器件
n 到了20世纪70年代人们研制出了可编程逻辑器件，包括： n ▲PLA (Programmab1e Logic Array即可编程逻辑阵列) n ▲PAL (Programmab1e Array Logic即可编程阵列逻辑) n ▲GAL(General Array Logic即通用阵列逻辑)。 n PAL/PLA/GAL器件的集成度一般都不超过1000门，故被称为
n CPLD/FPGA的集成度可做得很大（可达几万到几百万门/片）， 用它可以替代几十至几千块普通的标准数字集成芯片。用这 样的CPLD/FPGA实际上就能实现一个数字系统或子系统。这种 高功能、高集成度的器件目前在世界范围都受到电子设计人 员的广泛关注和普遍欢迎。
n 与专用ASIC芯片相比，CPLD/FPGA具有设计开发周期短、设计 制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定 以及可实时在线检验等优点，因此已广泛应用于数字系统与 数字产品的设计与生产中。几乎所有应用门阵列、ASIC、 SPLD和中小规模通用数字集成电路的场合都可应用CPLD或 FPGA器件。
n 其实，最早的可编程逻辑器件就是 可写入存贮器(PROM)，包括（三种）
n ▲可编程只读存贮器(PROM)、 n ▲紫外线可擦除的只读存贮器(EPROM) n ▲电可擦除只读存贮器(EEPROM) 。 n 由于结构的限制，这类芯片虽然能够完成一些
简单的组合逻辑电路功能，但它们一般也只作 为存贮器来使用。
n 但是PLD与MCU有基本的不同： n MCU是通过软件（指令）来实现预期的功能； n 而PLD是通过内部硬件布线、以硬件来实现预
期的功能。 n 所以PLD完成逻辑功能的工作速度比MCU要快得
多。
第1章电子系统设计概论
1.2 构建数字系统的途径
n 1.标准化的中、小规模数字集成电路。 n 特点： n 简单易用、价格低廉，应用广泛，集成度较低，功能
便的实现几乎任意的数字逻辑功能，其应用灵 活性极强。 n 但这些微处理器一般需要一定的数字接口器件 相配合才能有效工作；依靠执行软件来完成数 字逻辑功能的工作方法导致其工作速度相对较 慢，故在一些需要高速、实时工作的应用场合 它们的应用就受到一定的限制。
第1章电子系统设计概论
3.基于LSI或VLSI的专用集成电路ASIC
n 速度源自文库
n 250MHz
n 内部资源
n 4992个逻辑单元 n 10万个逻辑门 n 49152 bit的RAM
第1章电子系统设计概论
PLD的发展趋势
n 向高集成度、高速度方向进一步发展
一个声音处理系统
n
计算机中使用的内存条
第1章电子系统设计概论
应用中的数字系统芯片
第1章电子系统设计概论
数字器件
n 数字器件是构成数字系统的“元素”或“细胞”； n 标准TTL或CMOS数字集成电路（如各种门电路、计数
器、寄存器、译码器等），是数字器件。最简单的逻
辑器件是与、或、非门（74LS00，74LS04等），在此基础上 可实现复杂的时序和组合逻辑功能。
第1章电子系统设计概论
传统的数字电路设计
n 使用中、小规模器件设计电路（74、54系列与 CD4000、CD4500系列）进行逻辑电路设计。
n 各种门电路（74LS02/04/06） n 触发器（74LS74） n 编码器（74LS148） n 译码器（74LS154） n 比较器（74LS85） n 计数器（74LS193） n 移位寄存器（74LS194） n ………
熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选 最合适的器件，缺乏灵活性。 n 设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。
第1章电子系统设计概论
采用中小规模器件的局限
n 电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大， 可靠性低－－应提高芯片的集成度
n 设计比较困难－－将手工设计方法提升为计算 机辅助设计方法（使用EDA设计工具）。
n CAD技术的发展提供了完善先进的EDA开发工具
n 提供语言、图形、波形等设计方法，灵活、方便 n 通过仿真工具来验证设计的正确性，提高设计的成
功率。
n 可以反复地擦除、编程配置，方便进行设计修 改和升级。
n 灵活地定义管脚功能，简化应用 n 减轻设计工作量，缩短系统开发时间 n 保密性好
第1章电子系统设计概论
受限。一般需要用较多的芯片才能构建一个数字系统, 并需要进行大量的芯片间连线，致使系统构成复杂、 功耗高、可靠性偏低。 n 标准化的中、小规模数字集成电路是设计数字系统的 基本方法之一。
第1章电子系统设计概论
构建数字系统的途径－使用CPU、MCU及DSP n 2.基于LSI(大规模集成Large Scale Integration)
n 近来人们已经能够在单一半导体芯片上设计、制造百 万个以上的晶体管，这种高集成度的IC芯片已经开始 具备以往一个数字系统的全部特性与功能，这就产生 了现代所谓的“单片系统”（SOC，即System On a Chip）和SOPC 。此时数字器件已发展成为数字系统
n 由于单片系统集成度高、功耗低、功能强大，工作可 靠，正受到人们越来越大的重视,今后必将会有光明 的发展前景。
n 专用集成电路（ASIC－Application Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大，风险 大
n 可编程器件(PLD)：开发周期短，投入小，风险小
第1章电子系统设计概论
PLD器件的优点
n PLD集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片
n 极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性
一个PLD芯片：GAL16V8
第1章电子系统设计概论
复杂可编程逻辑器件
n 20世纪80年代中期美国 Altera公司和Xilinx公司分别推出了 类似于PAL结构的扩展型复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和与标准门阵列结构类似的现场 可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)。
ASIC。 n 综合言之，使用ASIC进行数字系统设计需要较高的开发
费用、设计与制造周期也较长。所以ASIC只适合在大批 量工业应用的场合中使用。
第1章电子系统设计概论
4.基于LSI/VLSI的可编程逻辑器件 PLD(Programmab1e Logic Dvice)。
n PLD是一种从二十世纪70年代开始发展起来的一种完全由用户 自行定义芯片逻辑功能的“通用型”数字器件。
第1章电子系统设计概论
数字器件
第1章电子系统设计概论
焊在电路板上的数字器件
第1章电子系统设计概论
给单片机作接口控制的数字芯片
第1章电子系统设计概论
SOPC系统
第1章电子系统设计概论
Sopc系统
第1章电子系统设计概论
可编程逻辑器件
n 可编程逻辑器件（PLD－－Programmable Logic Device）是一种通用的电子器件，其功 能不是固定不变的，而是可根据用户的需要而 进行改变，即：可通过编程设计的方法来定义 器件的逻辑功能。这颇类似于单片机的特性。
n 它可以看作是半定制ASIC的一个重要分支,也是目前数字电子 技术中发展最为迅速的一个领域。
n 芯片厂商将其作为一种通用数字器件进行设计、生产； n 而用户则可以在相应的EDA开发系统的支持下自行对PLD进行
功能定义与设计。 n 经过用户定义与设计的PLD器件就立即变成了具有用户所要求
的特定功能的专用集成电路ASIC。如果设计有误，用户只需 修改错误，重新对芯片进行定义配置即可。 n 在这个意义上说，通用型的数字器件PLD可以归之为一种半定 制的ASIC。显然这种具有即改即用特性的PLD器件的出现，使 现代数字系统的设计与开发进入到了一种崭新的阶段。
第1章电子系统设计概论
数字系统与数字器件的主要区别
n 数字系统一般应包含某种控制 器及受控单元，并且功能不那 么单一。
n 例如： 一个大规模集成的数字 存储器，它一般只被认为是一 个数字器件而非一个数字系统。
n 而一个数字电子钟，虽然该数 字钟的芯片集成度并不一定很 高，但它却可被认为是一个数 字系统。因为数字钟内不仅包 含有受控单元（如计数器）， 也有某种控制器（如分频控制 电路、校时、预置电路等）。 并不仅仅只看系统是否相当复 杂及芯片集成度的高低。
或VLSI(超大规模集成技术（Very Large Scale Integration）的微处理器。 n 如各种通用或嵌入式CPU、MCU（微控制器）及 数字信号处理器DSP。
第1章电子系统设计概论
使用CPU、MCU及DSP的系统
第1章电子系统设计概论
使用CPU、MCU及DSP构建数字系统
n 特点： n CPU、MCU、DSP依靠执行指令（软件）可以方
n 电路存储、修改都麻烦－－使用EDA设计工具 n PLD器件与设计技术的出现改变了这一切
第1章电子系统设计概论
PLD出现的背景
n 电路集成度不断提高
n SSIMSILSIVLSI
n 计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用 n 设计方法的发展
n 自下而上自上而下
n 用户需要设计自己需要的专用电路与器件
简单可编程逻辑器件SPLD(Simple Programmab1e Logic Device)。 n PLA因电路复杂、编程设计较困难，发展缓慢，很少应用。 n GAL是在PAL的基础上改进设计后问世，至今仍得到广泛应 用。 n 这些早期的SPLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性 良好的数字逻辑功能，是取代74系列逻辑器件的通用数字 芯片。但其相对简单的电路结构也使它们只适合完成不是 太复杂的数字逻辑功能。
第1章电子系统设计概论
传统的数字电路设计方法
n 逻辑（布尔）代数是数字电路理论基础 n 数字电路设计的基本方法
n 组合电路设计问题逻辑关系真值表化简(卡 诺图)逻辑图
n 时序电路设计 列出原始状态转移图和表状态优化状态分配 触发器选型求解方程式逻辑图
第1章电子系统设计概论
设计方法的局限
n 卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。 n 采用“搭积木”的方法的方法进行设计。必须
第1章电子系统设计概论
一个PLD芯片：EP1K100
n 集成度10万门； 内含约100个晶体 管
n 管脚数目：208个 n 电源：
n 3.3V（I/O） n 2.5V（内核）
第1章电子系统设计概论
PLD的特点：
n 由用户自定义器件的功能、大规模集成。设计 周期短、设计风险低、应用灵活、系统功能强 大、功耗低。
n 用PLD来进行数字系统的开发与设计已成为现 代电子设计的一种方向与潮流。
第1章电子系统设计概论
百万门级的PLD芯片
第1章电子系统设计概论
1.3 可编程逻辑器件与EDA技术
第1章电子系统设计概论
1.1 什么是数字系统？
n 数字电子系统：简称为数字系统。是可以 完成某种（或多种）特定的、功能不单一 的一种电子系统。
n 数字器件：即数字IC芯片。是构成数字系 统的基本部件，是数字系统的“元素”或 “细胞”。
n 一个数字电子设备（产品），小到一个数 字电子钟，大到一台数控车床或超级计算 机，都是一个“数字电子系统”。
第1章电子系统设计概论
2020/11/25
第1章电子系统设计概论
课程宗旨
n 建立现代数字电子系统设计的概念； n 更新传统数字电路的设计观念，建立
用PLD器件取代传统TTL器件设计数字 电路与系统的思想 n 更新数字系统设计手段，学会使用硬 件描述语言（Hardware Description Language）代替传统的数字电路设计 方法（画电路图）来设计数字系统。
n ASIC(即Application Specific IC)是一种为完成某种特 定的电路功能而专门设计、生产的IC器件。
n 特点： n 需要专门设计/定制，大规模集成。性能强、功耗低、工
作可靠性高、保密性高、大批量应用时成本也较低； n 但其功能专一且不能改变，不适宜在电子产品的研发阶
段予以使用。 n ASIC分类： n 按功能的不同可分为：数字ASIC、模拟ASIC及混合型
第1章电子系统设计概论
通用可编程逻辑器件
n 到了20世纪70年代人们研制出了可编程逻辑器件，包括： n ▲PLA (Programmab1e Logic Array即可编程逻辑阵列) n ▲PAL (Programmab1e Array Logic即可编程阵列逻辑) n ▲GAL(General Array Logic即通用阵列逻辑)。 n PAL/PLA/GAL器件的集成度一般都不超过1000门，故被称为
n CPLD/FPGA的集成度可做得很大（可达几万到几百万门/片）， 用它可以替代几十至几千块普通的标准数字集成芯片。用这 样的CPLD/FPGA实际上就能实现一个数字系统或子系统。这种 高功能、高集成度的器件目前在世界范围都受到电子设计人 员的广泛关注和普遍欢迎。
n 与专用ASIC芯片相比，CPLD/FPGA具有设计开发周期短、设计 制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定 以及可实时在线检验等优点，因此已广泛应用于数字系统与 数字产品的设计与生产中。几乎所有应用门阵列、ASIC、 SPLD和中小规模通用数字集成电路的场合都可应用CPLD或 FPGA器件。
n 其实，最早的可编程逻辑器件就是 可写入存贮器(PROM)，包括（三种）
n ▲可编程只读存贮器(PROM)、 n ▲紫外线可擦除的只读存贮器(EPROM) n ▲电可擦除只读存贮器(EEPROM) 。 n 由于结构的限制，这类芯片虽然能够完成一些
简单的组合逻辑电路功能，但它们一般也只作 为存贮器来使用。
n 但是PLD与MCU有基本的不同： n MCU是通过软件（指令）来实现预期的功能； n 而PLD是通过内部硬件布线、以硬件来实现预
期的功能。 n 所以PLD完成逻辑功能的工作速度比MCU要快得
多。
第1章电子系统设计概论
1.2 构建数字系统的途径
n 1.标准化的中、小规模数字集成电路。 n 特点： n 简单易用、价格低廉，应用广泛，集成度较低，功能
便的实现几乎任意的数字逻辑功能，其应用灵 活性极强。 n 但这些微处理器一般需要一定的数字接口器件 相配合才能有效工作；依靠执行软件来完成数 字逻辑功能的工作方法导致其工作速度相对较 慢，故在一些需要高速、实时工作的应用场合 它们的应用就受到一定的限制。
第1章电子系统设计概论
3.基于LSI或VLSI的专用集成电路ASIC
n 速度源自文库
n 250MHz
n 内部资源
n 4992个逻辑单元 n 10万个逻辑门 n 49152 bit的RAM
第1章电子系统设计概论
PLD的发展趋势
n 向高集成度、高速度方向进一步发展
一个声音处理系统
n
计算机中使用的内存条
第1章电子系统设计概论
应用中的数字系统芯片
第1章电子系统设计概论
数字器件
n 数字器件是构成数字系统的“元素”或“细胞”； n 标准TTL或CMOS数字集成电路（如各种门电路、计数
器、寄存器、译码器等），是数字器件。最简单的逻
辑器件是与、或、非门（74LS00，74LS04等），在此基础上 可实现复杂的时序和组合逻辑功能。
第1章电子系统设计概论
传统的数字电路设计
n 使用中、小规模器件设计电路（74、54系列与 CD4000、CD4500系列）进行逻辑电路设计。
n 各种门电路（74LS02/04/06） n 触发器（74LS74） n 编码器（74LS148） n 译码器（74LS154） n 比较器（74LS85） n 计数器（74LS193） n 移位寄存器（74LS194） n ………
熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选 最合适的器件，缺乏灵活性。 n 设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。
第1章电子系统设计概论
采用中小规模器件的局限
n 电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大， 可靠性低－－应提高芯片的集成度
n 设计比较困难－－将手工设计方法提升为计算 机辅助设计方法（使用EDA设计工具）。
n CAD技术的发展提供了完善先进的EDA开发工具
n 提供语言、图形、波形等设计方法，灵活、方便 n 通过仿真工具来验证设计的正确性，提高设计的成
功率。
n 可以反复地擦除、编程配置，方便进行设计修 改和升级。
n 灵活地定义管脚功能，简化应用 n 减轻设计工作量，缩短系统开发时间 n 保密性好
第1章电子系统设计概论
受限。一般需要用较多的芯片才能构建一个数字系统, 并需要进行大量的芯片间连线，致使系统构成复杂、 功耗高、可靠性偏低。 n 标准化的中、小规模数字集成电路是设计数字系统的 基本方法之一。
第1章电子系统设计概论
构建数字系统的途径－使用CPU、MCU及DSP n 2.基于LSI(大规模集成Large Scale Integration)
n 近来人们已经能够在单一半导体芯片上设计、制造百 万个以上的晶体管，这种高集成度的IC芯片已经开始 具备以往一个数字系统的全部特性与功能，这就产生 了现代所谓的“单片系统”（SOC，即System On a Chip）和SOPC 。此时数字器件已发展成为数字系统
n 由于单片系统集成度高、功耗低、功能强大，工作可 靠，正受到人们越来越大的重视,今后必将会有光明 的发展前景。
n 专用集成电路（ASIC－Application Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大，风险 大
n 可编程器件(PLD)：开发周期短，投入小，风险小
第1章电子系统设计概论
PLD器件的优点
n PLD集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片
n 极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性
一个PLD芯片：GAL16V8
第1章电子系统设计概论
复杂可编程逻辑器件
n 20世纪80年代中期美国 Altera公司和Xilinx公司分别推出了 类似于PAL结构的扩展型复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和与标准门阵列结构类似的现场 可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)。
ASIC。 n 综合言之，使用ASIC进行数字系统设计需要较高的开发
费用、设计与制造周期也较长。所以ASIC只适合在大批 量工业应用的场合中使用。
第1章电子系统设计概论
4.基于LSI/VLSI的可编程逻辑器件 PLD(Programmab1e Logic Dvice)。
n PLD是一种从二十世纪70年代开始发展起来的一种完全由用户 自行定义芯片逻辑功能的“通用型”数字器件。
第1章电子系统设计概论
数字器件
第1章电子系统设计概论
焊在电路板上的数字器件
第1章电子系统设计概论
给单片机作接口控制的数字芯片
第1章电子系统设计概论
SOPC系统
第1章电子系统设计概论
Sopc系统
第1章电子系统设计概论
可编程逻辑器件
n 可编程逻辑器件（PLD－－Programmable Logic Device）是一种通用的电子器件，其功 能不是固定不变的，而是可根据用户的需要而 进行改变，即：可通过编程设计的方法来定义 器件的逻辑功能。这颇类似于单片机的特性。
n 它可以看作是半定制ASIC的一个重要分支,也是目前数字电子 技术中发展最为迅速的一个领域。
n 芯片厂商将其作为一种通用数字器件进行设计、生产； n 而用户则可以在相应的EDA开发系统的支持下自行对PLD进行
功能定义与设计。 n 经过用户定义与设计的PLD器件就立即变成了具有用户所要求
的特定功能的专用集成电路ASIC。如果设计有误，用户只需 修改错误，重新对芯片进行定义配置即可。 n 在这个意义上说，通用型的数字器件PLD可以归之为一种半定 制的ASIC。显然这种具有即改即用特性的PLD器件的出现，使 现代数字系统的设计与开发进入到了一种崭新的阶段。
第1章电子系统设计概论
数字系统与数字器件的主要区别
n 数字系统一般应包含某种控制 器及受控单元，并且功能不那 么单一。
n 例如： 一个大规模集成的数字 存储器，它一般只被认为是一 个数字器件而非一个数字系统。
n 而一个数字电子钟，虽然该数 字钟的芯片集成度并不一定很 高，但它却可被认为是一个数 字系统。因为数字钟内不仅包 含有受控单元（如计数器）， 也有某种控制器（如分频控制 电路、校时、预置电路等）。 并不仅仅只看系统是否相当复 杂及芯片集成度的高低。
或VLSI(超大规模集成技术（Very Large Scale Integration）的微处理器。 n 如各种通用或嵌入式CPU、MCU（微控制器）及 数字信号处理器DSP。
第1章电子系统设计概论
使用CPU、MCU及DSP的系统
第1章电子系统设计概论
使用CPU、MCU及DSP构建数字系统
n 特点： n CPU、MCU、DSP依靠执行指令（软件）可以方
n 电路存储、修改都麻烦－－使用EDA设计工具 n PLD器件与设计技术的出现改变了这一切
第1章电子系统设计概论
PLD出现的背景
n 电路集成度不断提高
n SSIMSILSIVLSI
n 计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用 n 设计方法的发展
n 自下而上自上而下
n 用户需要设计自己需要的专用电路与器件
简单可编程逻辑器件SPLD(Simple Programmab1e Logic Device)。 n PLA因电路复杂、编程设计较困难，发展缓慢，很少应用。 n GAL是在PAL的基础上改进设计后问世，至今仍得到广泛应 用。 n 这些早期的SPLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性 良好的数字逻辑功能，是取代74系列逻辑器件的通用数字 芯片。但其相对简单的电路结构也使它们只适合完成不是 太复杂的数字逻辑功能。
第1章电子系统设计概论
传统的数字电路设计方法
n 逻辑（布尔）代数是数字电路理论基础 n 数字电路设计的基本方法
n 组合电路设计问题逻辑关系真值表化简(卡 诺图)逻辑图
n 时序电路设计 列出原始状态转移图和表状态优化状态分配 触发器选型求解方程式逻辑图
第1章电子系统设计概论
设计方法的局限
n 卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。 n 采用“搭积木”的方法的方法进行设计。必须