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

$$\text { 设计方法 }\left\{\begin{array}{l} \text { 原理图设计 } \\ \text { Verilog HDL设计 } \\ \text { 状态机设计 } \end{array}\right.$$

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

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。

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