Xilinx FPGA數(shù)字電路設(shè)計

前言

本書介紹、討論并分析了如何設(shè)計、仿真、構(gòu)建和測試線性低壓差(LDO)穩(wěn)壓器集成電路(IC)。LDO穩(wěn)壓器集成電路在如今市場上占據(jù)了重要角色,并且隨著片上系統(tǒng)(SOC)集成需求的不斷增大，出現(xiàn)了多種應(yīng)用,在驅(qū)動已有市場的同時,開創(chuàng)出更多新市場,這些因素促成了寫作本書的動力。事實上,由于噪聲的普遍性,輸入信號的未知性,以及負(fù)載要求負(fù)載點(PoL)穩(wěn)壓器僅需要極少的電流就可產(chǎn)生精確并且快速響應(yīng)的電源電壓,因此,現(xiàn)在不包含功率調(diào)整特性的傳統(tǒng)混合信號芯片必須將系統(tǒng)和PoL功率源整合在一起。在穩(wěn)壓器選擇方面,由于開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出包含大量噪聲,這是不可接受的,因此,線性穩(wěn)壓器在混合信號芯片中占據(jù)了重要地位。因為線性穩(wěn)壓器電路和運算放大器(OPAMP)一樣,本質(zhì)上都是模擬的,所以作為線性穩(wěn)壓器的教學(xué)材料,必須包含模擬集成電路基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法,因此,與業(yè)界流行書籍的寫作方式類似,本書將以介紹線性穩(wěn)壓器為基礎(chǔ),同時回顧模擬集成電路的基本理論。但是,與其他書籍不同的是,本書將從模擬集成電路直觀、以設(shè)計為目的的角度來設(shè)計集成電路,我認(rèn)為這非常有用,并且很有必要。該理念是在物理層上充分理解器件、電路和系統(tǒng)的特性,不借助公式或者書籍,分析其各自特性以及組合特性,當(dāng)然由此產(chǎn)生的結(jié)論也可以通過公式或者現(xiàn)有書籍中的基礎(chǔ)理論得到驗證。正因為如此,本書內(nèi)容包含固態(tài)半導(dǎo)體理論、電路設(shè)計、模擬電路基本模塊分析和反饋理論,并且解釋如何將這些基礎(chǔ)知識應(yīng)用于模擬系統(tǒng),即線性穩(wěn)壓器的交流和芯片設(shè)計。換句話說,本書包含了模擬集成電路設(shè)計的大部分綜合知識。本書從線性穩(wěn)壓器的角度,借助大量的實例,向初級微電子工程師介紹整個模擬集成電路設(shè)計流程,并引導(dǎo)其熟練應(yīng)用。盡管如此,本書也可以為幾乎沒有穩(wěn)壓器領(lǐng)域設(shè)計經(jīng)驗的工程師起到啟蒙引導(dǎo)作用。同時,本書也適合于那些希望不僅能從更直觀的但仍然是學(xué)術(shù)的角度來回顧模擬電路和穩(wěn)壓器理論，而且能深入理解和探知目前線性穩(wěn)壓器的技術(shù)發(fā)展水平的有經(jīng)驗的穩(wěn)壓器集成電路設(shè)計工程師。本書所展示出來的風(fēng)格、形式和思考方式是我在工業(yè)界作為模擬集成電路工程師、在學(xué)校作為教授和研究員多方面經(jīng)驗的總結(jié)。例如,從工業(yè)界的角度,我發(fā)現(xiàn)了設(shè)計的藝術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)的價值,因此,本書強調(diào)直觀的方式、整體系統(tǒng)目標(biāo)、集成電路開發(fā)流程和電路的可靠性。作為一名教授和研究員,我堅持學(xué)習(xí)最新的研究成果,理解技術(shù)深度的價值,并嘗試跳出慣性思維的束縛。讀者從本書可以看到,我試圖尋找對于模擬集成電路設(shè)計和穩(wěn)壓器設(shè)計來說,實際可行同時也具有學(xué)術(shù)價值的方法。但是,必須承認(rèn),我仍然有許多東西要去學(xué)習(xí),因此,我希望我對本書和該領(lǐng)域的付出最終能夠贏得讀者的充分支持,并希望讀者對書中可能出現(xiàn)的不足、矛盾和不準(zhǔn)確描述給予理解。在本書內(nèi)容的組織方面,我將其分為8章。第1章,類似于產(chǎn)品定義階段(但是以更偏向?qū)W術(shù)的方式),即當(dāng)半導(dǎo)體公司通過定義改進(jìn)系統(tǒng)的作用和工作目標(biāo),正確評估設(shè)計的難度。但是,在承擔(dān)某項設(shè)計之前,初級工程師必須在模擬集成電路設(shè)計領(lǐng)域得到適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn),這也就是第2~~4章討論的內(nèi)容,即分別為固態(tài)理論和器件、基本電路模塊和反饋理論。第5章重點分析交流系統(tǒng)設(shè)計,以及相應(yīng)的原型開發(fā)，在這個階段,設(shè)計師使用到前兩章中討論的電路和反饋理論。第6~~7章結(jié)合第2章的器件知識和之后學(xué)習(xí)的章節(jié)設(shè)計真正的芯片,首先是器件級別設(shè)計(即第6章),然后進(jìn)入系統(tǒng)級設(shè)計(即第7章)。從設(shè)計者的角度來看,因為所有的模擬電路設(shè)計培訓(xùn)以及芯片設(shè)計都會重點關(guān)注這部分,所以這兩章也就是開發(fā)流程的重點。最后,第8章分析了電路保護(hù),討論了電路保護(hù)的特性,也就是產(chǎn)品開發(fā)周期中的最后兩個步驟。作為總結(jié),本書是自頂向下再到頂設(shè)計方式的一個范例,因為全書剛開始從抽象角度分析系統(tǒng),然后進(jìn)入器件級進(jìn)行基礎(chǔ)分析,逐漸上升到電路設(shè)計,最后又進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計,最終的設(shè)計卻是處于晶體管級。初級工程師可以按照順序?qū)W習(xí)本書共8章的內(nèi)容,回顧整體設(shè)計流程,充分學(xué)習(xí)模擬集成電路設(shè)計。也可以加強對特定模擬設(shè)計原則的理解,第2~~4章重點分析器件、電路和反饋,第5章重點分析交流設(shè)計和穩(wěn)定性。如果幾乎未涉足穩(wěn)壓器設(shè)計領(lǐng)域但有一定經(jīng)驗的模擬電路設(shè)計師希望專門學(xué)習(xí)一下穩(wěn)壓器設(shè)計,那么可以通過學(xué)習(xí)第1章獲得系統(tǒng)知識,通過第5~~8章學(xué)習(xí)穩(wěn)壓器的特定知識。另外，資深穩(wěn)壓器設(shè)計師可以通過第1章和第5~~8章加深對現(xiàn)有技術(shù)水平的理解?；谶@樣的考慮,我盡量使每一章都獨立,將自己認(rèn)為相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容安排在一起,并且針對特定內(nèi)容劃分小節(jié)、合理命名,因此,希望本書的內(nèi)容可以很容易地分為獨立的章、節(jié)和小節(jié),便于讀者閱讀。

內(nèi)容概要

本書以Xilinx
ISE開發(fā)系統(tǒng)為開發(fā)環(huán)境，以范例執(zhí)行的方式逐步介紹使用FPGA設(shè)計數(shù)字電路，并下載至FPGA開發(fā)板上驗證。讀者只要依照范例的操作步驟執(zhí)行，一定可以了解如何進(jìn)入FPGA的設(shè)計領(lǐng)域。

書籍目錄

Chapter 1 使用FPGA芯片設(shè)計數(shù)字電路的方法
 1.1 什么是FPGA
 1.2 FPGA芯片的發(fā)展過程及其基本架構(gòu)
 1.3 XilinxFPGA的基本架構(gòu)
 1.4 XilinxSpartan3ANFPGA芯片型號代表的意義
 1.5 數(shù)字電路的傳統(tǒng)設(shè)計方法
 1.6 使用FPGA設(shè)計數(shù)字電路的方法
 1.7 XilinxISE開發(fā)系統(tǒng)功能簡介
 1.8 使用XilinxISE開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計FPGA及CPLD操作方式的差異
 1.9 XilinxISimSimulator簡介
 1.10 ModelSim模擬器簡介
Chapter2 XilinxISEWebPACK及ModelSimXE模擬器的下載及安裝
 2.1 ISEWebPACK軟件的下載
 2.2
ISEWebPACK軟件的安裝〖＝（〗222366121316162629303033343436363841434551〖＝〗
 2.3 XilinxISEWebPACK的更新
 2.5 ISEWebPACKLicense文件的更新方法
Chapter3 FPGA芯片開發(fā)板
 3.1 概述
 3.2 依元素XC3S200AN_FT256FPGA芯片開發(fā)板
 3.3 依元素XC3S200AN_FT256開發(fā)板外圍裝置與FPGA芯片引腳
 3.4 XC3S200AN_FT256開發(fā)板的下載方式
Chapter4 XilinxISE的簡易操作步驟
 4.1 如何進(jìn)入ISEProjectNavigator窗口
 4.2 如何新建工程
 4.3 如何離開所建立的工程
 4.4 ProjectNavigator窗口功能介紹
 4.5 如何打開一個舊的工程
 4.6 基本邏輯門介紹
 4.7 基本邏輯門設(shè)計方法
 4.8 基本邏輯門功能模擬的執(zhí)行
 4.9 設(shè)計執(zhí)行
 4.10 使用FPGAEditor查看芯片布局與布線
 4.11 FPGA芯片資源利用報告的查看
 4.12 ConfigurationData的產(chǎn)生
 4.13 時序模擬的執(zhí)行
 4.14 Configuration的執(zhí)行
 4.15 以HDL硬件描述語言設(shè)計數(shù)字電路的方法
Chapter5 組合邏輯設(shè)計實例
Chapter6 時序邏輯電路設(shè)計
Chapter7 VHDL硬件描述語言設(shè)計方法
Chapter8 VHDL硬件描述語言的描述規(guī)則
Chapter9 VHDL設(shè)計實例
Chapter1 0VHDL專題設(shè)計

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：現(xiàn)以上一小節(jié)設(shè)計的一位全加器為例，說明使用FPGA芯片設(shè)計數(shù)字電路的方法。上節(jié)步驟（4）中將經(jīng)化簡后的一位全加器的輸入／輸出布爾代數(shù)式（1.3 ）及式（1.4 ）的結(jié)果，若采用FPGA芯片的設(shè)計方式，可使用下列4種基本方式。（1）使用繪圖的方式。（2）使用VHDI.硬件描述語言的方式。（3）使用Verilog硬件描述語言的方式。（4）使用狀態(tài)機(jī)（State Machine）的方式。各種不同的FPGA芯片的廠商在推廣FPGA芯片的同時，都會配有其開發(fā)的FPGA集成開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)（Integrated Development EnvironmentSys-tem，IDE），此開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)提供以上4種設(shè)計數(shù)字電路的方法，并提供軟件的模擬仿真功能，此外還可將設(shè)計好的電路經(jīng)過FPGA芯片配置、布線，再轉(zhuǎn)換成可燒錄至FPGA芯片上的燒錄文件，以將其燒錄至FPGA芯片上。這些廠商或協(xié)助廠商會制作一些該FPGA芯片的開發(fā)實驗板，配置有圖1.2 2所示DIPSwitch開關(guān)、LED、七段顯示器、按鍵開關(guān)、晶體振蕩器等輸入／輸出裝置，并與該FPGA芯片的I/O引腳連接，使用者可將設(shè)計好的燒錄文件下載至該開發(fā)板的FPGA芯片上，以驗證所設(shè)計電路的正確性。本章以Xilinx公司所生產(chǎn)的FPGA芯片設(shè)計數(shù)字電路，因此將以該公司所開發(fā)的集成開發(fā)系統(tǒng)IDE（XilinxISE開發(fā)系統(tǒng)）及其臺灣地區(qū)代理商依元素科技有限公司的XC3S200ANFT256FPGA開發(fā)板來說明。

編輯推薦

《Xilinx FPGA數(shù)字電路設(shè)計》由科學(xué)出版社出版。

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