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以FPGA/CPLD為主之數位電路設計
 
 
    數位電路設計是具系統化步驟的設計方式,換言之,數位電路設計是技職體系的同學最容易上手的設計科目,也由於數位電路具容易設計及雜訊抵抗力佳等特性,歷經數十年仍方興未艾。近來台灣積體電路相關產業蓬勃發展,需要大量數位積體電路設計人才,故政府推動『國家矽導計劃』以培育優秀設計人才,本系為呼應『國家矽導計劃』,並且考量技職體系學生學習特質,發展以FPAG(Field Programmable Gate Array) 及CPLD (Complex Programmable Logic Device)為主之數位電路設計。
 
    數位電路是用來執行邏輯運算,其基本性質是一種『開關電路』,由許多開關裝置所構成,這些開關可以是家裡所用的機械式開關,也可以是繼電器中的接點,或者是一些電子式的半導體裝置。不論是何種形式的開關,其動作永遠只有兩種狀態,不是開(ON)就是關(OFF),不是低電位就是高電位,或者對電晶體而言不是在飽和區就是在截止區。這兩種動作狀態正可用來表示數位邏輯系統中的『0與1』,而數位電路所執行的邏輯運算就是利用這些0與1的種種組合運算所構成。
 
    早期數位電路之實作均以標準數位積體電路為主,標準數位積體電路可分成TTL、CMOS及ECL等。如圖一所示,使用標準數位積體電路所製成之電路,其缺點為體積大、消耗功率高、運算速度慢及設計時程長。現今業界工程師們所面對的環境是研發產品的功能不斷增加,但產品的體積卻須要不斷的縮小,而且研發時程也相對地縮短。面對如此變化快速的環境,在進行研發前就必須慎選研發工具。
 
               

標準數位積體電路

   圖一  標準數位積體電路
 
    目前以FPGA/CPLD最常使用於數位電路之研發,其適用範圍為中、小量生產、系統驗證、快速原型開發(Fast Prototyping),它是一種能夠讓工程師從設計至成品實現都自行完成,無須委託晶圓代工廠生產積體電路,FPAG/CPLD都是先由廠商製造完成所有組件,在交由工程師進行電路或程式載入,也就是說從電路設計到載入的過程,可以完全交由工程師自行處理。另外FPGA/CPLD均有各種電子自動化(Electronic Design Automatic,EDA)軟體支援,也就是說工程師不在須要以完全手工方式設計電路。提供FPGA晶片主有AlteraXilinxActel三家廠商。圖二及三分別為Altera公司所生產之Flex及Cyclone系列晶片,圖四為Xilinx公司所生產之Virtex系列。
Altera公司Flex系列             Altera公司Cyclone系列
          圖二  Altera公司Flex系列           圖三  Altera公司Cyclone系列
 
 
                            

Xilinx公司Virtex系列

圖四  Xilinx公司Virtex系列
 
    本系為培養同學數位電路之就業能力,以熟悉FPGA/CPLD晶片及相關軟體工具,做為數位電路相關課程之重要教學目標,亦即數位電路相關課程之實習部份皆以FPGA/CPLD為授課內容。目前本系FPGA/CPLD教學設備為Altera公司生產之UP2及台灣友晶公司生產之DE2,UP2用於基礎及進階課程中,而DE2則用於影音處理電路設計。
 
                          

Altera公司UP2

  圖五  Altera公司UP2
 
 
  友晶公司DE2
 
 圖六  友晶公司DE2
 

 
 
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