电子界新星

孙仲霖　哲婷　齐斌

摘 要：现场可编程门阵列是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，FPGA正是凭借着这些其他可编程器件所不具备的优点使得它在近几年的电子行业发展极快。

关键词：FPGA；VHDL；开发软件；逻辑门

1 FPGA的产生

无论是正在学习电子行业的学生还是工作在电子行业的工程师们，可能都会或多或少的听说过现场可编程门阵列（Field Programble Gate Array）即FPGA。它凭借着可以完全由用户通过软件进行编程和配置实现特定的逻辑功能的优点迅速霸占了很大份额的嵌入式和微处理器市场。20世纪70年代FPGA刚刚兴起时只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和点可擦除只读存储器（E2PROM）3种，而进入90年代以后，可编程逻辑器件（PLD）成为了半导体领域中迅速崛起的电子新星。

2 FPGA的现状

目前很多公司开发出了很多种的FPGA，有XILINX公司的Spartan、Vertex系列、ALTERA公司的FIEX系列、Actel公司的ProASIC系列以及TI公司的TPC系列等等。FPGA的使用非常灵活，目前大部分的FPGA在使用时都需要外接一个EPROM保存用户烧写的程序，加电时，FPGA芯片将EPROM中的数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成没有程序的白片，增加了程序的安全性防止被剽窃程序的同时也使得FPGA能够反复使用。目前FPGA的设计技术是电子系统设计领域发展最快的也是最前沿的技术之一，随着超大规模集成电路（Very Large Scale IC）工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上千万个晶体管，使得FPGA芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上千万门，使得它能实现的功能也越来越强。绝大多数的FPGA芯片在出厂之前就做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终设计即可，而且FPGA的资金投入不高且运算速度也是同种类电子产品中相当一流的

3 VHDL

说到了FPGA的开发就不得不说到它的开发语言：超高速硬件描述语言（Very High-speed Desciption Language）主要用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。它诞生于1982年，1987年底，VHDL被电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronic Engineers）和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本IEEE-1076之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境或宣布自己的工具可提供VHDL接口。以后VHDL在电子系统设计领域逐步取代了原有的各种非标准的硬件描述语言。现在，VHDL在电子系统设计领域已成为事实上的通用硬件描述语言。与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，并且可以避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统。其丰富的仿真语句和库函数使得在任何系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可以对设计进行仿真模拟而降低开发成本。而且它具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者们可以不懂硬件的结构也不必对最终设计实现的目标器件有很深入的了解。

4 与FPGA开发相关的软件

4.1 ISE

ISE是由著名的可编程器件开发商Xilinx公司提供的集成化FPGA开发软件，它的主要功能包括设计输入、综合、仿真、实现和下载等。它具有界面友好、操作简单、功能全面等优点，再加上Xilinx的FPGA芯片占有很大的市场份额，使得它成为通用的FPGA工具软件。ISE提供了包括代码编写、库管理以及HDL综合、仿真、下载等几乎所有FPGA开发所需的常用功能。关于仿真需要说明的是，虽然ISE的测试平台编辑工具提供了一个简单的仿真功能，还必须安装一个叫作ModekSim的仿真软件。使用ISE进行开发的流程有设计输入与仿真、用户约束条件和实现、硬件编程。设计输入（Design Entry）是指以HDL代码、原理图、波形图以及状态机的形式输入设计源文件，而设计仿真（Simulation）是指通过仿真工具对设计的整体模块或者局部模块进行仿真来校验设计的功能和性能。用户约束条件和实现是对综合事项过程进行控制，以满足速度、面积、引脚位置等需求。硬件编程是指生成编程位流文件.bit并且将其下载到FPGA芯片内部的过程。

4.2 Quartus II

Aletera Quartus II设计软件提供完整的多平台设计环境，能够直接满足特定设计需要，为可编程芯片系统（SOPC）提供全面的设计环境，Quartus II软件含有FPGA设计的所有阶段的解决方案。Quartus II的设计流程包含设计入口、综合、布局布线、时序分析、仿真、编程、系统级设计、软件开发、基于块的设计、EDA接口、定时终止、调试和工程改变管理。此外，Quartus II软件为设计流程的每个阶段提供Quartus II图形用户界面、EDA工具界面和命令界面。可以在整个流程中只使用这些界面中的一个，也可以在设计流程的不同阶段使用不同的界面。Quartus II软件包括一个模块化编译器。编译器包括以下模块：分析和综合、适配器等。如果要将所有的编译器模块作为完整变异的一部分来运行，在软件的菜单中可以实现这一功能。

4.3 NIOS II IDE

Nios II集成开发环境（IDE）是Nios II系列嵌入式处理器的基本软件开发工具。所有电子类软件开发的任务都可以利用Nios II IDE来完成，包括编辑、编译和调试程序。Nios II IDE为官大工程师科学家们提供了一个统一的开发平台，可以用于所有的Nios II处理器系统。仅通过一台PC机、一片FPGA以及一根JTAG下载电缆就能够往Nios II 处理器系统写入程序或者和Nios II处理器系统通讯。Nios II IDE是开放式的、可扩展Eclipse IDE project工程以及Eclipse C/C++开发工具工程等。

参考文献：

[1] 刘韬，楼兴华. FPGA数字电子系统设计与开发实例导航[M].人民邮电出版社，2005.

作者简介：孙仲霖（1995—），女，吉林柳河人，沈阳理工大学。

哲婷（1997—），女，辽宁锦州人，沈阳理工大学。

齐斌（1994—），男，辽宁盘锦人，沈阳理工大学。