FPGA：数字电路简介

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IC1958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3GHz109Hz

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

$$\text{ 设计方法 }\{\begin{array}{l}\text{ 原理图设计 }\\ \text{ Verilog HDL设计 }\\ \text{ 状态机设计 }\end{array}$$
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TTLTransistor-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CMOSComplementary 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TTLTransistor-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CMOSComplementary 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