跟李凡老师学FPGA之D01：数电基础复习、介绍FPGA工具及流程（20160423课堂笔记）

跟李凡老师学FPGA之D01：数电基础复习、介绍FPGA工具及流程（20160423课堂笔记）

用笨笔头整理课堂笔记，用以备忘，温故而知新。
整理文稿的细节处未能一一体现李凡老师讲课精髓和独特风采，有待下一步补充完善。
感谢李凡老师博大精深的学识、孜孜不倦的教诲，并敬请李凡老师原谅本人拙劣的课堂笔记。

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        在集成电路的发展基础之上，现在我们来复习数字电路的一些内容。
        比如说在早期的应用里面，我们需要一个现场定制的逻辑，如果我们需要一个比较器，就像PPT上的这个逻辑，它有A的输入、B的输入，A和B都是单比特的，它有对应的输出。

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        介绍红蜘蛛软件。
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        介绍海天软件。上课主要用海天，分享时用红蜘蛛。
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        打开《FPGA的发展与展望.pptx》
        第一，做数电基础的复习。形式：以硬件平台、软件平台发展的历史。
        硬件平台从早期的独立设计的电子管、分立器件、电阻电容，到现在的FPGA硬件平台，以及硬件平台对应的支撑工具（如Quartus II），这段历史。

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        讨论历史的时候，我们附带做一些设计电路的复习。
        第二，对工具的运用。100天下来，我们要用Altera的工具，完成建模和验证以及下板，以及它的综合调试等等。
        这是今天的重点，一个是历史复习，一个是工具和流程。
        这是第一天。第二天讨论EDA建模的经典理论以及对应的应用，EDA建模以及HDL描述语言。
        EDA建模用HDL语言，D就是描述，question的描述。那么，用什么方式描述呢？
        经典的米德体系分为三种方式：数据流、行为、结构化。一直到今天都非常重要。
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        我们会来讨论如何用这三种不同的方式描述电路。所谓描述一个电路，就是你实现一个电路的过程，这是第二天。
        然后第三天、第四天，我们会来介绍，内容稍微多一些，快一些，内容稍微前沿一些。
        如果同学能掌握的很透彻，当然很好。不透彻也不必放在心上，因为后面还有后续的课程。
        这两天主要是给大家做一个概括，在这个领域里面发生了什么，要关注哪些，给一个提纲挈领的介绍。
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        后两天主要是介绍状态机，有限状态机，介绍有限状态机的基础理论，以及实现方法，还会说到状态机这个领域里面当今世界发生了那些事情，它的前沿在什么地方，以及前沿的一些应用。
       
        今天我们来介绍硬件平台、软件平台，EDA工具和流程。
        现代社会离不开电子，电子技术的进步与人类的物质文明息息相关，每一次电子领域的进步都推动了人类文明的发展。
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        正如今天，每一代苹果出来都会带来新的惊喜。
        1904年，英国物理学家约翰.弗莱明（John Fleming）发明世界上第一个电子管。
        在此之前，很多今天很容易解决的问题，称之为人类的技术特权，比如远距离通讯、电视、收音机，在那些年代没有，人类享受不到这些物质文明，没有这些技术特权。
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        远距离的通讯，除了喊之外，还有信鸽、烽火、狼烟等等。
        1904年有了电子管这个设备以后，1909年，马可尼制作了第一台无线电收发报务机，实现了跨洋通信，这是人类的一个技术进步。
        在这之前，人类没有这种特权，和其他生物没什么区别。
        有了电子管之后，人类具有了其他生物所不具有的特权，可以在超视距范围之内进行通信。
        之后的一些应用，象无线电收音机，可以收听音乐节目、新闻节目，实时地收听远距离传来的这些消息。

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        1946年的2月14日，在美国的宾夕法尼亚大学，诞生了世界上第一台计算机ENIAC，它的主要的元器件就是电子管，当时还没有晶体管，奠定了计算机技术进步的里程碑。
        从此之后，人类的大脑得到拓展。这台计算机的功率巨大，工作时费城所有的白炽灯都黯淡下来，可见功耗之大。

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        另外一个里程碑，就是1947年，美国贝尔实验室的威廉肖克利Shockley,William Bradford和他的同事约翰巴丁（John Bardeen），沃尔特布拉德（Walter Brattain）发明了世界上第一个晶体管，从而引发一次新的技术革命。
        肖克利也被称为晶体管之父，获得诺贝尔奖。
        由于有了晶体管，它使得计算机这样的设备小型化，晶体管是固体器件，电子管是真空管器件，固体器件的引入给世界带来了一个新的方向。

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        1947年发明的晶体管，1956年肖克利就拿到了诺贝尔奖，可见世界对它的关注度。
        但是另外一件事却很奇怪，1958年美国德州仪器公司杰克•基尔比（Jack Kilby）发明集成电路。

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        一个称之为移相振荡器的设备，只需要5个晶体管，基尔比就有一种想法，因为移相振荡器的设备其中有电阻、电容、电感这些无源器件。
        我们知道，有源器件（三极管、二极管）是可以用PN结来形成，制作在晶片上，用平面光学衬底技术来实现。
        基尔比的突发奇想就是，能不能把电阻、电容、电感这些无源器件也做在集成电路上，完成整个电路。
        当然他实现了，虽然他的方案只有5个晶体管，以及很少数的阻容器件，但他毕竟实现了。
        1958年做成这件事情后，直到2000年他才拿到诺贝尔奖，几乎过了半个世纪，1946年发明晶体管，9年以后就拿到了诺贝尔奖，可见诺贝尔奖委员会对这件事的认识还是有差异的。

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        晶体管引入了固体器件，大家觉得很振奋，但是基尔比的集成电路，当时仅仅认为是一个小型化，并没有技术难度上的特别飞跃，但是这件事情在2000年以后的评价却大不同。
        2000年，诺贝尔奖委员会给他的评价却是，绝对不亚于肖克利，甚至有过之而无不及，是对现代信息技术、人类物质文明进步奠定的重要基础。
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        为什么这么说呢？
        看看我们的酷睿吧。酷睿也是小型化，如果没有小型化，就做不到今天。
        酷睿在方寸之间的集成电路上，能够做到数百兆门的容量，才能实现如此强大的功能。
        而正是由于集成电路的魅力，才能做到今天我们来讨论EDA。
        为什么这么说呢？随着电子管、晶体管、集成电路的进步，有一件事情是不言而喻的，那就是它的设计方式。

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        它的方式分为2个方面，一个是硬件平台的设计，一个是硬件平台所需的工具。
        站在今天的角度上，我们称之为硬件平台和软件平台的历史。
        所谓硬件平台，就是我们当初是怎么用电子管、晶体管、集成电路，以至于今天我们用超大规模集成电路、FPGA、ASIC来设计一个具体的应用设备呢？       
        在电子管那个时代，在电报电话那个时代，也是用人工设计的。
        把对应的电路符号绘制在图纸上，把它综合成一个系统，最后在应用的时候，根据图纸进行装配，来实现。
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        很快我们就发现，60年代之初，硬件工程师摩尔就预言，集成电路的集成度可能会24个月会翻一番。
        实际上真正的摩尔周期是18个月翻一番，并维持了近40年。
        直到今天发展到亚微米、纳米，发展到极限，摩尔定律才走到头。
        18个月翻一番，带来的是什么？
        集成度翻一番，传统的方式进行设计显然不行，这就带来了硬件平台和软件平台的进步。
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        首先我们讨论硬件平台。
        我们今天讲的ASIC器件，为特定目的而生产研发的集成电路。
        大部分的集成电路芯片都是ASIC类型。非常经典的例子，就是早期的TTL的54/74系列。
        这种器件包含成熟的数学模型，经过验证，易于大规模生产。缺点是非常明显的，生产成本高，研发周朝长，变更困难。

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        看白板上，输出S为正逻辑，真表示真的A>B，S为1就是A>B，S为0就是A≤B，也就是A没有>B。

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        如果我们把S写成S_n，至芯的信号命名约定，正逻辑不要写_n，负逻辑一定写成_n。
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        另外一种情况，输出S为负逻辑，A>B它为0，反之为1。对于负逻辑而言，0是真的，1是假的，对于正逻辑而言，1是真的，0是假的。

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        如果我们需要这样一个逻辑，三根线，S1（A>B），S2（A<B），S3（A=B），这种比较器的设计在早期的分立电路设计中用逻辑门来实现。
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        逻辑门会用与门、或门、非门。
        我们知道，现在的FPGA里面会尽量用或非门或者与非门来实现，我们在四输入查找表里面看到这一点。
        我们来看如果A>B，用分立器件怎么做？用TTL集成电路怎么做？