FPGA:数字电路简介

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数字电路的历史

数字电路是数字计算机和自动控制系统的基础,它的发展是以电子器件的发展为基础的,器件的发展可以大致上分为3个阶段:

  • 电子管(1906年)
  • 晶体管(1947年)
  • 集成电路(Integrated Circuit,简称IC,1958年)

器件发展的几个阶段:

数字电路发展特点: 以电子器件的发展为基础

电子管时代

电压控制器件: 电真空技术

1906年,福雷斯特等发明了电子管;电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在一些大功率发射装置中使用。

1946年2月由宾州大学研制成功ENIAC

重达30 t
占地250m2
启动功耗150000 W
1.8万个电子管
保存80个字节

晶体管时代

电流控制器件半导体技术

1947年12月,Bell实验室的John Bardeen(巴丁)、Walter H. Brattain(布拉顿)及William Shockley(肖克利) 共同发明了晶体管,1956年获诺贝尔物理学奖。

器件 半导体二极管、三极管

半导体集成电路IC 时代

集成电路(Integrated Circuit, IC)把构成具有一定功能电路所需的晶体管、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上,然后焊接封装在一个管壳内,其封装外壳有圆壳式、双列直插式、扁平式或球形栅格阵列式等多种形式。

1958年美国 TI (Texas Instruments)公司的Jack Kilby(杰克•基尔比)研制出世界上第一个集成电路(相移振荡和触发器: 由12个器件构成)。

IC的发展阶段

20世纪60~70代:IC技术迅速发展:SSI、MSI、LSI 、VLSI。10万个晶体管/片。

20世纪80年代后:ULSI , 10亿个晶体管/片 、 ASIC 制作技术成熟

20世纪90年代后:97年一片集成电路上有40亿个晶体管。

目前:芯片内部的布线细微到纳米(90~5 nm)量级,微处理器的时钟频率高达3GHz(109Hz)

将来:高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路

电路设计方法伴随器件变化 从传统走向现代

(a)传统的设计方法:

采用自下而上的设计方法;由人工组装,经反复调试、验证、修改完成。所用的元器件较多,电路可靠性差,设计周期长。

(b)现代的设计方法:

现代EDA技术实现硬件设计软件化。采用从上到下设计方法,电路设计、分析、仿真、修订等全部通过计算机完成。

EDA (Electronics Design Automation) 技术

EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台,自动完成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载到芯片上,实现系统功能。使硬件设计软件化。

1.设计

在计算机上利用软件平台进行设计

 设计方法   原理图设计   Verilog HDL设计   状态机设计  \\text 设计方法 \\left\\\\beginarrayl \\text 原理图设计 \\\\ \\text Verilog HDL设计 \\\\ \\text 状态机设计 \\endarray\\right.  设计方法   原理图设计  Verilog HDL设计  状态机设计 
2.仿真

3.下载

4.验证结果

数字集成电路的分类

根据芯片内部集成的逻辑门数目(集成度)

早期把数字集成电路分为小、中、大三类。随着技术的进步,后来出现的规模更大的集成电路称为超大规模集成、甚大规模五类(SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI)。

实际上,LSI与VLSI之间的界限有些模糊不清,并且后来趋向于以晶体管的个数而不是以逻辑门的个数来界定IC,凡是超过100万个晶体管的IC就是VLSI

从器件导电类型不同

  • 将使用BJT的芯片称为双极型集成电路。
  • 将使用MOSFET的芯片称为单极型集成电路。

数字集成电路的集成度分类

分类门的个数典型集成电路
小规模最多12个逻辑门、触发器
中规模12~99计数器、加法器
大规模100~9999小型存储器、门阵列
超大规模10 000以上大型存储器、微处理器、可编程逻辑器件等

从器件导电类型不同

将使用BJT的芯片称为双极型集成电路,典型代表是基于TTL(Transistor-Transistor Logic)技术的7400系列。

将使用MOSFET的芯片称为单极型集成电路,典型代表是基于CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)技术的4000系列。

TTL是1964年由TI 公司作为标准产品推出的,TI 公司称之为54/74逻辑系列。

54系列为军用型产品,而74系列为商用型产品。两个系列相应型号的功能一样,但性能不同。

从器件类型不同

将使用BJT的芯片称为双极型集成电路,典型代表是基于TTL(Transistor-Transistor Logic)技术的7400系列。

将使用MOSFET的芯片称为单极型集成电路,典型代表是基于CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)技术的4000系列。

第一个CMOS集成电路在1968年就被研发出来,功耗低,但速度较慢,其应用范围受到一定的限制。

经过长期研究与改良,CMOS IC 性能大大提高。

到20世纪90年代后期,CMOS电路便逐渐取代TTL电路而成为当前数字集成电路的主流产品。

TTL系列说 明缩写字母注释
74标准TTL (出现得最早)——
74L低功耗型Low-power
74S肖特基型Schottky
74LS低功耗肖特基型(应用广泛)Low-power Schottky
74AS增强型肖特基型Advanced Schottky
74ALS增强型低功耗肖特基型Advanced low-power Schottky
74F快速型Fast
74H高速型High-speed
74LV低电源电压型Low-voltage
CMOS系列说 明
4000最早出现的CMOS,供电电源为3~18V
74HC与TTL芯片的引脚兼容、编号相同的高速CMOS ,供电电源为2~6V
74HCT类似于74HC,并能与TTL直接相连,供电电源为4.5~5.5V
74AC增强型CMOS,供电电源为3.0~5.5V
74ACT类似于74AC,并能与TTL直接相连,供电电源为4.5~5.5V
74AHC增强型高速CMOS,供电电源为2.0~5.5V
74AHCT类似于74AHC,并能与TTL直接相连,供电电源为4.5~5.5V
具有TTL输入电平的快速CMOS,供电电源为4.75~5.25V
74FCT低电源电压型,供电电源为2.0~3.6V
74LVC

早期CMOS IC典型代表是4000系列,其供电电源在3~18 V之间,后来为了能与TTL芯片兼容,多数CMOS芯片使用5V或者更低的电源。现在,CMOS有4000、74HC、74AC、74HCT等系列。

参考文献:

  1. Verilog HDL与FPGA数字系统设计,罗杰,机械工业出版社,2015年04月
  2. Verilog HDL与CPLD/FPGA项目开发教程(第2版), 聂章龙, 机械工业出版社, 2015年12月
  3. Verilog HDL数字设计与综合(第2版), Samir Palnitkar著,夏宇闻等译, 电子工业出版社, 2015年08月
  4. Verilog HDL入门(第3版), J. BHASKER 著 夏宇闻甘伟 译, 北京航空航天大学出版社, 2019年03月

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