基于fpga的電子密碼鎖的設計論文-文庫吧

【正文】 制造出來以前客戶需要投入的所有成本，這些成本包括工程資源、昂貴的軟件設計工具、用來制造芯片不同金屬層的昂貴光刻掩膜組以及初始原型器件的生產成本。這些NRE成本可能從數十萬美元至數百萬美元。 對于可編程邏輯器件，設計人員可利用價格低廉的軟件工具快速開發、仿真和測試其設計。然后，可快速將設計編程到器件中，并立即在實際運行的電路中對設計進行測試。原型中使用的PLD器件與正式生產最終設備（如網絡路由器、DSL調制解調器、DVD播放器、或汽車導航系統）時所使用的PLD完全相同。這樣就沒有了NRE成本，最終的設計也比采用定制固定邏輯器件時完成得更快。 采用PLD的另一個關鍵優點是在設計階段中客戶可根據需要修改電路，直到對設計工作感到滿意為止。這是因為PLD基于可重寫的存儲器技術——要改變設計，只需要簡單地對器件進行重新編程。一旦設計完成，客戶可立即投入生產，只需要利用最終軟件設計文件簡單地編程所需要數量的PLD就可以了。 FPGA的簡介 FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物[9]。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個新概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）三個部分。FPGA的基本特點主要有：1）采用FPGA設計ASIC電路，用戶不需要投片生產，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。3）FPGA內部有豐富的觸發器和I／O引腳。4）FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發費用最低、風險最小的器件之一。　5）FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。可以說，FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。FPGA是由存放在片內RAM中的程序來設置其工作狀態的，因此，工作時需要對片內的RAM進行編程。用戶可以根據不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時，FPGA芯片將EPROM中數據讀入片內編程RAM中，配置完成后，FPGA進入工作狀態。掉電后，FPGA恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此，FPGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片FPGA，不同的編程數據，可以產生不同的電路功能。因此，FPGA的使用非常靈活。FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片FPGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設模式可以將FPGA作為微處理器的外設，由微處理器對其編程[10]。 FPGA的應用特點 隨著電子技術的飛速發展, 基于FPGA的設計向高集成度高速度和低價位方向不斷邁進 其應用領域不斷擴大這主要是由于FPGA以下技術特點的不斷發展[11]。（1）集成度越來越高 如Lattice的ispLSI或AMD的MACH芯片等效邏輯門已達10 萬門以上 Altera 的10K 系列也在25 萬門以上具有1 萬個以上的寄存器 40 kbit 嵌人式存儲器 使得集成復雜信號處理算法成為可能 Raphael系列已達到100 萬門以上集中了 FLEX10KFLEX6000 MAX7000的所有優點可進行單片設計Xilinx推出了上百萬門的FPGA,它們可實現幾乎任何形式的數字電路或數字系統的設計 在系統編程(ISP)/在線路重配置(ICR)技術。 FPGA 越來越多地采用了先進的 JTAG ISP和ICR 技術。這種先進的編程方式已成為當今世界上各類可編程器件發展的趨勢在 5V 工作電平下可隨時對正在工作的系統上的 CPLD/FPGA 進行全部或部分地在系統編程 并可進行芯片內部資源的重新分配同時進行所謂菊花鏈式多芯片串行編程 其編程次數多達1萬次 如Lattice 的ispLSI AMD的MACH以及Xilinx的XC9000系列 對于SRAM結構的FPGA其下載編程次數幾乎沒有限制 如Altera的FLEX10K系列 這種編程方式可輕易地實現紅外編程 超聲編程或無線編程 或通過電話線遠程在線編程 這些功能在工控 智能儀器表 通訊和軍事上有特殊用途。（2） 嵌入式存貯技術 在 CPLD/FPGA 內部嵌人一定數量的存貯器 存貯器類型有雙口SRAM ROM FIFO 可用于存貯信號處理的系數 中間結果等 這對設計電子系統的智能化功能提供了技術支持（3）時鐘鎖定和倍頻技術 Altera 的 10K 系列采用了時鐘鎖定和倍頻技術解決了時鐘脈沖延遲和偏斜問題并使PLD 內部時鐘更高 單個16 bit 乘法器速度可達100 MHz 以上 這正是大帶寬高速實時信號的需要 CPLD/FPGA的時鐘延遲可達納秒級 結合其并行工作方式 在超高速應用領域和實時測控方面有非常廣闊的應用前景。（4）電子設計自動化 EDA 工具 EDA工具使得用戶對設計的輸入綜合仿真非常方便 Altera的Max+PlusII給用戶提供了豐富的宏庫和LPM(參數模塊庫Library of Parameterized Modules)EDA 環境由 Unix/Windows 共存開發環境轉換 事實上 通過符合國際標準的硬件描述語言 如 VHDL 或VERILOG HDL 來進行電子系統設計和產品開發由于開發工具的通用性 設計語言的標準化以及設計過程幾乎與所用的 CPLD/FPGA 器件的硬件結構沒有關系 所以設計成功的各類邏輯功能塊軟件有很好的兼容性和可移植性它幾乎可用于任何型號的CPLD/FPGA中 從而使得片上系統的產品設計效率大幅度提高，使其用更為廣泛和方便。（5）開發周期短 由于FPGAN 內部資源豐厚及功能強大以及相應的EDA軟件功能完善和強大仿真能力便捷而實時開發過程形象而直觀兼之硬件因素涉及甚少，一些EDA專家指出未來的大系統FPGA設計僅是各類再應用邏輯與 IP 核 CORE 的拼裝 TI 公司認為 一個ASIC 80 功能可用IP 核等現成邏輯合成 因此可在很短的時間內完成十分復雜的系統設計。 FPGA的應用前景 在數字化的道路上，電子設計技術經歷了并將繼續經歷許多重大的變革，從應用小規模集成電路SSI芯片構成電路系統，到廣泛應用微控制器或單片機MCU 在電子系統設計上發生了具有里程碑意義的飛躍 這一飛躍不但克服了 SSI 數字系統許多缺陷和設計困難 同時也為電子技術的應用開闊了更廣泛的前景 ，隨著社會經濟的發展和技術進步及電子技術的迅猛發展 ，電子設計技術面臨另一次更大意義的，即FPGA 復雜可編程邏輯器件 FieldProgrammable Gate ArrayFPGA/現場可編程門陣列Complex Programmable logic DeviceCPLD 在EDA 電子設計自動化 基礎上的廣泛應用. 從本質上說, 新的電子系統運轉的物理機制又歸回到原來的純數字電路結構,但在更高層次上容納了過去數字技術的優秀部分,揚棄了MCU系統的應用模式,卻包括了MCU的內部資源，使電子設計的技術操作和系統構