《EDA技术概述》PPT课件.ppt
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1、第1章 EDA技术概述,1.1 现代电子系统的设计方法1.2 EDA技术 1.3 可编程专用集成电路ASIC习题,1.1 现代电子系统的设计方法,1.1.1 概述 无论是现代高精尖电子设备如雷达、软件无线电电台等,还是为我们所熟悉的微机、手机、VCD等现代电子装置,其核心构成都是数字电子系统。随着微电子技术和计算机技术的发展,集成电路不断更新换代,出现了现场可编程逻辑器件,数字电子系统的设计方法和设计手段也发生了很大的变化。,特别是进入20世纪90年代以后,EDA(电子设计自动化)技术的发展和普及给电子系统的设计带来了革命性的变化,并已渗透到电子系统设计的各个领域。,传统的数字系统设计只能对电
2、路板进行设计,把所需的具有固定功能的标准集成电路像积木块一样堆积于电路板上,通过设计电路板来实现系统功能。利用EDA工具,采用可编程器件,通过设计芯片来实现系统功能,这样不仅可以通过芯片设计实现多种数字逻辑系统功能,而且由于管脚定义的灵活性,大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度,从而有效地增强了设计的灵活性,提高了工作效率;同时基于芯片的设计可以减少芯片的数量,缩小系统体积,降低能源消耗,提高系统的性能和可靠性。,这种基于芯片的设计方法正在成为现代电子系统设计的主流。现在,只要拥有一台计算机、一套相应的EDA软件和空白的可编程逻辑器件芯片,在实验室里就可以完成数字系统的设计和生产。当
3、今的数字系统设计已经离不开可编程逻辑器件和EDA设计工具。,现在人们可以把数以亿计的晶体管、几百万门的电路集成在一个芯片上。半导体集成电路也由早期的单元集成、部件电路集成发展到整机电路集成和系统电路集成。电子系统的设计方法也由过去的那种集成电路厂家提供通用芯片,整机系统用户采用这些芯片组成电子系统的“Bottom-up”(自底向上)设计方法改变为一种新的“Top-down”(自顶向下)设计方法。在这种新的设计方法中,由整机系统用户对整个系统进行方案设计和功能划分,系统的关键电路用一片或几片专用集成电路ASIC来实现,,且这些专用集成电路是由系统和电路设计师亲自参与设计的,直至完成电路到芯片版图
4、的设计,再交由IC工厂投片加工,或者用可编程ASIC(例如CPLD和FPGA)现场编程实现。图1-1所示为电子系统的两种不同的设计步骤。,图1-1“自顶向下”(左图)与“自底向上”(右图)的设计,1.1.2 ASIC技术 ASIC(Application Specific Integrated Circuits)直译为“专用集成电路”,与通用集成电路相比,它是面向专门用途的电路,以此区别于标准逻辑(Standard Logic)、通用存储器、通用微处理器等电路。ASIC是相对于通用集成电路而言的,两者并无明显界限。,ASIC的提出和发展说明集成电路进入了一个新阶段。通用的、标准的集成电路已不能
5、完全适应电子系统的急剧变化和更新换代。目前ASIC在总的IC市场中的占有率已发展到近1/3,在整个逻辑电路市场中的占有率已超过一半。与通用集成电路相比,ASIC在构成电子系统时具有以下几个方面的优越性:,(1)提高了产品的可靠性。用ASIC芯片进行系统集成后,外部连线减少,为调试和维修带来极大的方便,系统可靠性明显提高。(2)易于获得高性能。ASIC针对专门的用途而特别设计,它是系统设计、电路设计和工艺设计的紧密结合,这种一体化的设计有利于得到前所未有的高性能系统。(3)可增强产品的保密性和竞争力。电子产品中的ASIC芯片对用户来说相当于一个“黑盒子”。,(4)在大批量应用时,可显著降低产品的
6、综合成本。用ASIC来设计和生产产品大幅度减少了印刷电路板面积及其他元器件数量,降低了装配调试费用。(5)提高了产品的工作速度。(6)缩小了体积,减轻了重量,降低了功耗。,图1-2 ASIC设计的一般流程,ASIC按功能的不同可分为数字ASIC、模拟ASIC和微波ASIC;按使用材料的不同可分为硅ASIC和砷化镓ASIC。一般来说,数字、模拟ASIC主要采用硅材料,微波ASIC主要采用砷化镓材料。砷化镓具有高速、抗辐射能力强、寄生电容小和工作温度范围宽等优点,目前已在移动通信、卫星通信等方面得到广泛应用。对硅材料ASIC,按制造工艺的不同还可进一步将其分为MOS型、双极型和BiCMOS型。AS
7、IC的设计流程如图1-2所示,为了保证设计的正确性,对每一个设计层次都要进行计算机模拟与验证。,按照设计方法的不同,设计ASIC可分为全定制和半定制两类。全定制法是一种基于晶体管级的设计方法,半定制法是一种约束性设计方法。约束的目的是简化设计、缩短设计周期、提高芯片成品率。对于某些性能要求很高、批量较大的芯片,一般采用全定制法设计,用全定制法设计时须采用最佳的随机逻辑网络,且每个单元都必须精心设计,另外还要精心地布局布线,将芯片设计得最紧凑,以期实现速度快、面积利用率高、功耗低等的最优性能。,但是,很多产品的产量不大或者不允许设计时间过长,这时只能对芯片面积或性能作出牺牲,并尽可能采用已有的、
8、规则结构的版图。为了争取时间和市场,也可采用半定制法,先用最短的时间设计出芯片,在占领市场的过程中再予以改进,进行二次开发。因此半定制与全定制两种设计方式的优缺点是互补的,设计人员可根据不同的要求选择合适的设计方法。,20世纪80年代中期出现了复杂可编程逻辑器件。复杂可编程逻辑器件是ASIC的一个重要分支,它是一种已完成了全部工艺制造,可直接从市场上购得的产品,用户只要对它编程就可实现所需要的电路功能,所以称它为可编程ASIC。以上介绍的两类ASIC芯片都必须到IC厂家去加工制造才能完成,而采用可编程逻辑器件,设计人员在实验室即可设计和制造出芯片,而且可反复编程,修改错误,这就大大地方便了设计
9、者。,可编程逻辑器件发展到今天,其规模越来越大,功能越来越强,价格越来越便宜,相配套的EDA软件越来越完善,因而深受设计人员的喜爱。目前,在电子系统的开发阶段的硬件验证过程中,一般都采用可编程逻辑器件,以期尽快开发产品,迅速占领市场。等大批量生产时,再根据实际情况转换成前面三种方法中的一种进行“再设计”。,1.2 EDA 技 术,1.2.1 概述 EDA(Electronic Design Automation)即电子设计自动化。EDA技术指的是以计算机硬件和系统软件为基本工作平台,继承和借鉴前人在电路和系统、数据库、图形学、图论和拓扑逻辑、计算数学、优化理论等多学科的最新科技成果而研制成的商
10、品化通用支撑软件和应用软件包。EDA旨在帮助电子设计工程师在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至PCB(印刷电路板)的自动设计。,与早期的电子CAD软件相比,EDA软件的自动化程度更高,功能更完善,运行速度更快,而且操作界面友好,有良好的数据开放性和互换性,即不同厂商的EDA软件可相互兼容。因此,EDA技术很快在世界各大公司、企业和科研单位得到了广泛应用,并已成为衡量一个国家电子技术发展水平的重要标志。,EDA技术的范畴应包括电子工程师进行产品开发的全过程,以及电子产品生产的全过程中期望由计算机提供的各种辅助工作。从一个角度看,EDA技术可粗略分为系统级、电路级和物理实
11、现级三个层次的辅助设计过程;从另一个角度来看,EDA技术应包括电子电路设计的各个领域,即从低频电路到高频电路,从线性电路到非线性电路,从模拟电路到数字电路,从分立电路到集成电路的全部设计过程。,1.2.2 EDA技术的基本特征 现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述,具有系统级仿真和综合能力。下面介绍与这些基本特征有关的几个新概念。,1“自顶向下”设计方法“自顶向下”的设计方法首先从系统级设计入手,在顶层进行功能方框图的划分和结构设计;在方框图级进行仿真、纠错,并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述;在功能级进行验证,然后用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表,其对应的物理实现
12、级可以是印刷电路板或专用集成电路。“Top-down”设计方法有利于在早期发现结构设计中的错误,提高设计的一次成功率,因而在现代EDA系统中被广泛采用。,2硬件描述语言(HDL)用硬件描述语言进行电路与系统的设计是当前EDA技术的一个重要特征。与传统的原理图输入设计方法相比较,硬件描述语言更适合于规模日益增大的电子系统,它还是进行逻辑综合优化的重要工具。硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征。它的突出优点是:语言的公开可利用性;设计与工艺的无关性;宽范围的描述能力;便于组织大规模系统的设计;便于设计的复用和继承等。目前最常用的硬件描述语言有VHDL和Verilog-H
13、DL,它们都已经成为IEEE标准。,3逻辑综合优化 逻辑综合功能将高层次的系统行为设计自动翻译成门级逻辑的电路描述,做到了设计与工艺的独立。优化则是对于上述综合生成的电路网表,根据布尔方程功能等效的原则,用更小更快的综合结果替代一些复杂的逻辑电路单元,根据指定的目标库映射成新的网表。,4开放性和标准化 框架是一种软件平台结构,它为EDA工具提供了操作环境。框架的关键在于提供与硬件平台无关的图形用户界面以及工具之间的通信、设计数据和设计流程的管理等,此外还应包括各种与数据库相关的服务项目。任何一个EDA系统只要建立了一个符合标准的开放式框架结构,就可以接纳其他厂商的EDA工具一起进行设计工作。这
14、样,框架作为一套使用和配置EDA软件包的规范,就可以实现各种EDA工具间的优化组合,并集成在一个易于管理的统一的环境之下,实现资源共享。,近年来,随着硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化,不同设计风格和应用的要求导致各具特色的EDA工具被集成在同一个工作站上,从而使EDA框架标准化。新的EDA系统不仅能够实现高层次的自动逻辑综合、版图综合和测试码生成,而且可以使各个仿真器对同一个设计进行协同仿真,进一步提高了EDA系统的工作效率和设计的正确性。,5库(Library)的引入 EDA工具之所以能够完成各种自动设计过程,关键是有各类库的支持,如逻辑模拟时的模拟库、逻辑综合时的综合库、版图综合时的
15、版图库、测试综合时的测试库等。这些库都是EDA设计公司与半导体生产厂商紧密合作、共同开发的。集成电路技术的进展不断对EDA技术提出新的要求,促进了EDA技术的发展。EDA工具的发展经历了两个大的阶段,即物理工具阶段和逻辑工具阶段。,物理工具用来完成设计中的实际物理问题,如芯片布局、印刷电路板布线等。另外它还能提供一些设计的电气性能分析,如设计规则检查。这些工作现在主要由集成电路厂家来完成。逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念的。首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入,然后利用EDA系统完成逻辑综合、仿真、优化等过程,最后生成物理工具可以接受的网表或VHDL、Verilog-HDL
16、的结构化描述。现在EDA已被理解为一个整体的概念,即电子系统设计自动化。,1.3 可编程专用集成电路ASIC,1.3.1 概述 可编程ASIC特别是现代可编程ASIC(CPLD、FPGA)的出现,使得电子设计工程师或科研人员有条件在实验室内快速、方便地开发专用集成电路,这些专用集成电路往往就是一个复杂的数字系统。因此,可以说可编程ASIC给现代电子系统的设计带来了极大的变革。,简单可编程ASIC主要指早期开发的可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device),它们通常由“与阵列”和“或阵列”组成,能够用来实现任何以“积之和”形式表示的各种布尔逻辑函数。当“与”和“或”
17、两个阵列都为可编程时,这个器件就称为PLA,其变形是PROM、PAL和GAL,PROM具有固定的与阵列和可编程的或阵列,PAL和GAL具有可编程的与阵列和固定的或阵列。,PAL和GAL是早期得到广泛应用的可编程ASIC器件。PAL器件一般用熔丝链路作为可编程开关,是一次性可编程的。GAL器件则可反复编程,它采用了E2CMOS工艺,实现了电可擦除和电可改写,为设计和修改提供了极大的方便。,复杂可编程ASIC主要是指复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device),它是20世纪80年代后期得到迅速发展的新一代可编程ASIC。早期的PLD结构简单,具有
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