[第1章]EDA技术与数字系统设计.ppt

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1、EDA技术与数字系统设计,延 边 大 学 工 学 院电 子 信 息 通 信 学 科,2,数 字 硬 件 设 计,MPW Chip(ASIC),FPGA&外部环境设计(Field Programmable Gate Array),仿 真(Quartus 2,Max+2,ModelSim,硬 件 编 程(Verilog HDL,VHDL),数字电路,数字信号处理,3,Moores Law,1965:Gordon Moore plotted transistor on each chipFit straight line on semilog scaleTransistor counts have

2、doubled every 26 months,Integration LevelsSSI:10 gatesMSI:1000 gatesLSI:10,000 gatesVLSI:10k gatesSOC:,4,E D A 技 术 及 其 发 展,EDA 技术的发展CAD 阶段：20世纪70年代80年代，PCB的设计CAE 阶段：20世纪80年代90年代，工具集成在一起使用EDA 阶段：21世纪，,5,E D A 技 术 的 功 能 范 畴,6,E D A 技 术 的 主 要 表 现,数字技术，可编程模拟器件的设计技术发展（如，软件与硬件，FPGA，ASIC。）基于IP核的SOC（System

3、on Chip,芯片系统)发展SOPC(System On Programmable Chip,可编程芯片系统 实用化FPGA(Field Programmable Gate Arry,现场可编辑门阵列）和DSP（Digital Signal Processing,数字信号处理）的实现行为验证描述语言的出现（System C),7,EDA技术和EDA工具的共同特点,采用硬件描述语言（Hardware Description Language,HDL)(如，Verilog HDL,VHDL)逻辑综合与优化开放性和标准化（IEEE）完备的库（Library),8,数字系统设计技术,EDA技术的基本

4、设计思路：-自顶向下（Top-Down)-自底向上（Bottom-Up),9,自顶向下（Top-Down)设计,设计层次：系统级，功能级，门级，开关级,行为级与RTL级的设计,功能仿真,综合,门级网表,时序仿真,EDA工具的支持,CPU,ROM,RAM,FSM,REG,系统规划,分模块,门级网表,Top-Down设计方式,Top-Down设计方式的示意图,10,自底向上（Bottom-Up)设计,system,block,Sub-block,block,block,Sub-block,Sub-block,11,IP复用技术与SoC,IP：Intellectual Property,原来的含义是

5、知识产权，著作权。在IC设计领域可将其理解为实现某种功能的设计IP核：完成某种功能的设计模块IP核分为：-硬核，(版图形式实现的设计模块，工业工艺）-固核，（完成综合的功能块）-软核，(Verilog HDL,VHDL),12,数字系统设计的流程,可编辑逻辑器件（PLD）-FPGA-CPLD专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit),13,基于FPGA的数字系统设计流程,设计输入原理图 HDL文本,综合（Synthesis),FPGA/CPLD适配(Fitter)(结合综合器）,FPGA/CPLD编程下载,功能仿真(function

6、 simulation),时序仿真(time simulation),在线测试,14,在PLD器件的开发工具方面，Altera公司的产品以其优异的性能和易用性，在业内早已得到广泛的认可。Altera公司的软件开发平台主要包括MAX+PLUS和Quartus。MAX+PLUS是Altera公司上一代的PLD开发软件，使用者众多。目前Altera已经停止开发MAX+PLUS，而转向Quartus软件平台，其最新版本为Quartus6.0。MAX+PLUS Baseline和Quartus Web Edition均为是Altera公司的免费PLD开发软件，界面与标准版的MAX+PLUS和Quartu

7、s完全一样。,PLD厂商介绍,15,Xilinx(中文名：赛灵思)是FPGA的发明者，其产品种类可分为FPGA和CPLD两大类。Xilinx的主流FPGA包括两大系列，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如Spartan系列；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如Virtex系列，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件。,16,Virtex-于2002年推出，采用0.15?m工艺，1.5 V内核，属于大容量的高端FPGA产品，也是Xilinx比较成功的产品，目前在高端产品中使用广泛。Virtex-系列是面

8、向建立在IP核心和用户化模块的从低密度到高密度的高性能设计，这个系列为电信、无线、网络、视频和DSP应用(包括PCI、LVDS和DDR接口)传递完全解决方案。前沿的0.15 m/0.12 m CMOS 8层金属加工和Virtex-架构是为达到低功耗高速度而优化。综合广大的灵活特性和大范围的密度直至10百万系统门，Virtex-系列增强了逻辑编程能力并且它是一个功能强大的可选择的掩膜编程门阵列。,17,Virtex-pro是基于Virtex的结构，内部集成了CPU和高速接口的FPGA产品，是Xilinx第一款集成Power-PC和高速收发模块的FPGA。Virtex-4是Xilinx最新一代高端

9、FPGA产品，包含三个子系列：LX、SX和FX。其各项指标比上一代Virtex-均有很大提高，将逐步取代Virtex-和Virtex-Pro，是未来几年Xilinx在高端FPGA市场中的最重要的产品。,18,Spartan-E 1.8 V FPGA系列为使用者提供了高性价比和丰富的逻辑资源。该系列里七种型号提供从50000到600000密度的系统门电路。系统性能超过200MHz。通过将先进的处理器技术与基于Virtex-E平台的流线式体系结构相结合，Spartan-E比其它的FPGA拥有更多的门电路、I/Os和更低廉的价格。特点包括区块RAM(达到288K比特)，分布RAM(达到221184比

10、特)，支持19个不同的I/O接口标准和4个DLL(延迟锁定回路)。Spartan-3/3L是新一代FPGA产品，结构与Virtex类似，是全球第一款90 nm工艺的FPGA，1.2 V内核。Spartan-3E是xilinx最新推出的低成本FPGA，基于Spartan-3/3L，对性能和成本进一步优化。,19,Xilinx的主流CPLD包括XC9500系列和CoolRunner-系列器件。XC9500系列器件提供了当今前沿系统设计所需要的高性能、丰富的性能组合以及灵活性。另外，其出色的引脚锁定功能使设计者能够修改其CPLD设计，而不会影响电路板布局。XC9500器件是实现高速率、低成本设计的理

11、想选择。XC9500系列有三种类型，分别为5 V的XC9500、3.3 V的XC9500XL和2.5 V的XC9500XV，常见的型号有XC9536、XC9572和XC95144等，型号后两位表示宏单元数量。,20,Xilinx的CoolRunner-CPLD提供了先进的系统功能和低功耗的运行状态，具有低达28.8 W的待机功耗，非常适合在电池供电设备以及便携式设备中使用。它支持将分立系统的功能集成到单个可重编程器件中，从而获得了更低的成本、更高的可靠性和更快上市时间以及更小的封装。该系列器件还提供了诸如I/O组、高级时钟控制和出色的设计安全性等先进功能来支持系统级设计。,21,Actel是反

12、熔丝(一次性烧写)PLD的领导者，由于反熔丝PLD抗辐射，耐高低温，功耗低，速度快，所以在军品级和宇航级产品上有较大优势。Actel公司的FPGA产品主要包括Flash FPGA、反熔丝FPGA、军用/宇航级FPGA系列。其中Flash FPGA包括Fusion FPGA、ProASIC3/3E和ProASICPLUS系列，反熔丝FPGA包括Axcelerator、SX-A/SX、eX以及MX FPGA系列。RTSX-SU和RTAX-S则属于军用/宇航级FPGA系列。,22,Actel Fusion可编程系统芯片(PSC)是全球首个混合信号 FPGA 器件，将可配置模拟部件、大型 Flash

13、内存构件、全面的时钟生成和管理电路，以及高性能可编程逻辑集成在单片器件中，这种创新的 Actel Fusion 架构可与Actel的软MCU内核同用，是终极的可编程系统芯片平台。Actel Fusion 可编程系统芯片为电源管理、智能电池充电、时钟生成和管理及电机控制等应用领域带来可编程逻辑的优势。Actel Fusion器件还集成了频率高达600 ksps且可配置的12位逐次逼近(SAR)模数转换器(ADC)。这种模拟电路非常灵活，能支持MOSFET栅极驱动输出和多个模拟输入，输入电压在-12 V到+12 V之间，更可选配预调器，以便对各种模拟系统直接连接及控制，如电压、差分电流或温度的监控

14、等。,23,ProASIC3/3E系列器件的密度可达到3100万系统门，拥有18108K比特真正的双端口SRAM，内核电压为1.5 V，支持3.3V、64位66 MHz PCI接口，可提供81288个I/O引脚，I/O接口电平兼容1.5 V、1.8 V、2.5 V和3.3 V四种电压。ProASIC3E器件结构于ProASIC3相同，只是器件的密度更高，拥有60300万个系统门。108504 KB真正的双端口SRAM，以及多达616个I/O引脚。,24,Axcelerator系列器件采用0.15 m、7层金属反熔丝工艺，基于Actel的AX架构，提供高达500 MHz的内部工作频率和100的资

15、源利用率。Axcelerator拥有嵌入式SRAM/FOFO块和PLL，支持JTAG(IEEE1149.1标准)边界扫描，兼容LVDS 700 Mbps速率的I/O接口。SX-A/SX系列FPGA的器件密度为12108K个系统门，内部工作时钟可达350 MHz，支持66 MHz、64位、3.3 V/5 V的PCI接口，支持带电热插拔和JTAG。SX-A/SX器件的功耗低，具有很高的性能价格比，适用于ATM、IP、WDM、DBE和SONET等领域的应用。,25,eX系列FPGA是一款低价位、低能耗、高性能的设计方案。继承了反熔丝技术的低能耗特点，与静态低耗模式相配合，使器件符合对能量变化敏感应用

16、的要求。用先进的0.22?m CMOS反熔丝器件制造，有很好的性能。MX的结构体系基于Actel的反熔丝技术，采用0.4 m m三层金属CMOS工艺，容纳从3000到54000系统门电路，Actel的MX FPGA提供I/O引脚数达到202，在封装和速度上适用范围很大。,26,Lattice(中文名：莱迪思)是ISP技术的发明者，ISP技术极大地促进了PLD产品的发展，。该公司中小规模PLD比较有特色，种类齐全，性能不错。该公司于1999年推出可编程模拟器件，同年收购Vantis(原AMD子公司)，2001年收购Lucent微电子的FPGA部门，是世界第三大可编程逻辑器件供应商。Lattice

17、在PLD领域发展多年，拥有众多产品系列，目前主流产品是 ispMACH4000系列PLD和LatticeEC/ECP系列FPGA，此外，在混合信号芯片上，也有诸多建树，如可编程模拟芯片ispPAC、可编程电源管理、时钟管理等。,27,ispMACH4000V/B/C/Z是Lattice收购Vantis公司以后推出的新一代PLD，是目前的主流PLD产品，采用0.18 mm工艺。其中4000Z系列是零功耗PLD，静态功耗非常低，适用于电池供电系统。LatticeEC/ECP是Lattice的FPGA产品，采用0.13 mm工艺，1.5V内核供电。LatticeEC不包含DSP单元，侧重于普通逻辑应

18、用，ECP包含DSP模块，可用于数字信号处理。该系列FPGA可以使用通用的存储器给FPGA进行配置，不需要专用的配置芯片。,28,LatticeXP也是Lattice的FPGA产品，它将非易失的Flash单元和SRAM技术组合在一起，不需要配置芯片。上电时，LatticeXP芯片内置的Flash单元在1 ms内完成FPGA的数据配置，具有“瞬间”启动和无限可重复配置的功能。,29,Lattice公司的在系统可编程模拟电路(ispPAC，In System Programmability Programmable Analog Circuits)与数字的在系统可编程大规模集成电路(ispLSI)

19、一样，允许设计者使用开发软件在计算机中设计，修改模拟电路，进行电路特性模拟，最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中。该系列器件目前已经推出了五种芯片，可以实现信号调理、信号处理和信号转换三种功能，包括对信号进行放大、衰减、滤波，对信号进行求和、求差、积分运算，以及完成数字信号到模拟信号的转换。ispPACPower还可以为电路板提供全面的供电定序控制与电源监控功能。,30,Quicklogic是专业PLD公司，其FPGA产品系列主要包括PolarPro、Eclipse、中密度FPGA、军用FPGA以及其它成熟的FPGA器件。PolarPro系列基于低功耗的FPGA结构，可满足便携式和大容量的应

20、用。Eclipse系列器件具有极低的功耗，较高的灵活性，拥有片内嵌入式RAM。中密度FPGA包括Eclipse、Eclipse Plus、QuickRAM和pASIC 3，成熟FPGA主要包括pASIC 1和pASIC 2系列器件。QuickWorks是Quicklogic公司的PLD/FPGA开发软件，目前最新的版本是QuickWorks 9.8。,31,ATMEL推出的中小规模PLD器件的性能不错，同时也做了一些与Altera和Xilinx兼容的片子，多用在低端产品上。ATMEL的SPLD产品包括16V8、20V8和22V10，CPLD产品包括ATF15xx、ATF750C和ATF2500

21、C，FPGA产品主要是AT40KAL系列。,32,PLD产品不是Cypress(中文名：赛普拉斯)的最主要业务，但有一定的用户群。Warp Development Tools为Cypress的用户提供了CPLD和可编程PHY的完整设计环境。众多公司的竞争促进了可编程集成电路技术的提高，使其性能不断改善，产品日益丰富，价格逐步下降。可以预计，可编程逻辑器件将在结构、密度、功能、速度和性能等方面得到进一步的发展。,33,FPGA/CPLD开发工具,MAX+PLUS 2(ALTERA的继承开发工具）QUARTUS 2(ALTERA)ISE(Xilinx)ispLEVER(Lattice),34,综合工具（Synthesizer),Synplify Pro/Synplify(Synplicity）FPGA Compiler 2(Synopsys)Leonardo Spectrum(Mentor),35,仿真工具（Simulaiton),ModelSim(Mentor）NC-Verilog/CN-VHDL/NC-Sim/Verilog-XL(Cadence)VCS/SCirocco(Synopsys)Active HDL(Aldec),36,EDA技术的发展趋势,高性能的EDA工具将得到进一步发展ASIC和FPGA逐步走向融合EDA技术的应用领域将越来越广泛,