EDA数字系统设计.ppt

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1、1,EDA数字系统设计,2,课程内容,主要讲授使用EDA工具，进行FPGA或者CPLD的数字逻辑系统设计的基础知识、方法、流程和验证技术等内容。,3,一些概念和术语,数字逻辑逻辑器件EDAASICPLDCPLD,FPGAHDL语言,4,为什么要掌握FPGA知识,是目前开发应用的三大主流之一（以单片机、ARM为代表的MCU、DSP和FPGA)应用范围越来越大，前景广阔，越来越多的工程师在使用FPGA就业,5,第一章 EDA及FPGA概述,6,本章内容,一、数字集成电路设计概述二、关于FPGA技术三、FPGA技术的现状和发展方向四、FPGA技术的典型应用领域五、课程学习目的,7,本章内容,一、数字

2、集成电路设计概述二、关于FPGA技术三、FPGA技术的现状和发展方向四、FPGA技术的典型应用领域五、课程学习目的,8,本节主要介绍EDA工具的发展、ASIC的优劣及其设计流程和可编程逻辑器件的出现。,一、数字集成电路设计概述,9,集成电路（IC）是指通过一系列特定的加工工艺，将多个晶体管、二极管、电阻、电容等器件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片（如Si或GaAs）或陶瓷等基片上，作为一个不可分割的整体完成某一特定功能的电路组件。,1.什么是集成电路？,10,2.集成电路的分类,集成电路,按结构分,按规模分,按功能分,按应用领域分,MOS型（PMOS、NMOS、CMOS）,BiMOS

3、型（BiMOS、BiCMOS）,双极型,SSI、MSI、LSI（Small、Medium、Large）VLSI（Very Large Scale IC:超大）ULSI（Ultra Large Scale IC：特大）GSI（Gigantic Scale IC：巨大）,数字IC（组合、时序）模拟IC（线性、非线性）模、数混合IC,通用IC,专用IC（ASIC）,11,划分集成电路规模的标准,类别,数字集成电路MOS IC 双极 IC,模拟集成电路,SSIMSILSIVLSIULSIGSI,109,300,2000,12,集成电路工艺越来越先进，已从亚微米(0.5到1微米)进入到深亚微米(小于0.

4、5微米)，进而进入到超深亚微米(小于0.25微米)。其主要特点：特征尺寸越来越小 芯片尺寸越来越大 单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快 电源电压越来越低 布线层数越来越多 I/O引线越来越多,3.集成电路的发展,13,4.集成电路设计方法和工具的变革,随着集成技术的发展和集成度的提高，IC芯片的设计工作越来越复杂，于是出现各种CAD计算机辅助设计工具。总之，IC的设计方法和设计工具有：原始的手工设计阶段IC设计自动化阶段（EDA设计阶段）,14,原始的手工设计阶段：集成电路问世初期，人脑通过纸和笔，在完成功能设计、逻辑设计和电路设计后，再用分立的元器件搭制起硬件模拟电路，让信号通过这一

5、电路，以验证其功能和各项参数是否满足设计的要求。然后用手工进行版图设计，即采用人工进行布局和布线：用尺和笔在方格纸上绘制版图、刻红膜、拍照、制作光刻掩膜版、流片、测试、封装。,15,70年代，集成电路设计附属于半导体工业加工。第一代EDA称为CAD。第一代的IC CAD系统为IC设计师提供方便的版图编辑、设计验证和数据转换等功能。80年代，出现第二代EDA系统，常称为计算机辅助工程（CAE）系统，硬件以32位工作站。为设计师提供了方便的原理图编辑、仿真和物理版图的布图、验证功能，构成了一个比较完整的IC设计系统。90年代以来，芯片的集成度越来越高，出现了以HDL作为设计输入的IC设计方式，一般

6、称为第三代EDA系统。IC的设计工作从行为、功能开始，EDA向设计的高层次发展。包括有系统级的设计工具。未来发展，ESDA(电子系统设计自动化),IC设计自动化阶段：,16,EDA工具的发展史第一代：七十年代以Applicon,Calma,CV为代表的版图编辑+DRC第二代：八十年代以Mentor（世界排位第三）,Daisy,Valid为代表的CAD系统，从原理图输入、模拟、分析、到自动布图及验证第三代：九十年代以Cadence（世界排位第一，提出Verilog，优势是版图设计及仿真器工具，同时也推出系统级描述工具STW信号处理系统）,Synopsys（世界排位第二）优势是逻辑综合器是世界第一

7、，Avanti等为代表的EDA系统，包括有系统级的设计工具最佳组合：（Cadence仿真器verlog XL Synopsys的 DC(Design Complier)第四代：正在研制面向VDSM+System-On-a-Chip的新一代深亚微米CAD系统,17,随着电路集成度的提高，数字IC主要分为如下两类：通用集成电路：在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、超高集成度的电路，用户众多，使用领域广泛、标准型的电路。例如各种型号的CPU、DSP、单片机等。专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuits）：面向专门用途，为某一用户特定生产

8、的集成电路。例电视视频处理芯片、电话中语音处理芯片等。,5.数字集成电路的发展及PLD的出现,18,典型ASIC设计流程,系统设计,算法设计,RTL设计,逻辑综合,向foundry提交网表,系统验证,算法验证,RTL验证,Foundry进行版图设计,Foundry返回最终网表,后仿真,foundry流片,前端流程,后端流程,19,IC制造过程,20,ASIC的优势：成本低、功耗低、尺寸小、可靠性高、保密性强ASIC的缺点：资金投入大、研发投片制作具有一定的失败风险、开发周期较长、灵活性低,5.数字集成电路的发展及PLD的出现,为了降低投资风险、缩短开发周期，提高开发设计的灵活性，可编程逻辑器件

9、PLD应运而生，其特点在于“芯片逻辑功能编程”。,21,PLD按复杂程序分为简单可编程逻辑器件、复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Device)和现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array).,1)、简单可编程逻辑器件,PROM，UVEPROM、EEPROM。,PLA(Programmable Logic Array),可编程逻辑阵列,5.数字集成电路的发展及PLD的出现,22,PAL(Programmable Array Logic)可编程阵列逻辑，1977年由美国MMI公司推出，由可编程与阵和固定或阵构成，采用熔

10、丝编程方式，速度较快，第一个得到普遍应用的PLD。,GAL(Generic Array Logic)通用阵列逻辑器件，1985年由Lattice公司推出，可电擦写，可重复编程，可设置加密位。是在PAL的基础上，采用了输出逻辑宏单元形式EECOMS工艺结构，与PAL兼容，完全代替了PAL。,特点：简单的可编程逻辑器件，结构简单，设计灵活，但规模小，寄存器、I/O资源、时钟数目有限，难以实现复杂的逻辑功能。,23,2)、CPLD(Complex Programmable Device),可擦除EPLD的基本结构与GAL并无本质区别，但其集成密度比GAL高得多，使其在一块芯片内能够实现更多的逻辑功能

11、。复杂可编程逻辑器件CPLD是20世纪80年代末Lattice提出了在线可编程ISP技术后于20世纪90年代初出现的。是在EPLD的基础上，采用E2COMS工艺制作，增加了内部连线，对逻辑宏单元和I/O单元进行了重大的改进。CPLD至少包括三种结构：可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元和可编程内部连线。,24,3)、FPGA,现场可编程门阵列FPGA是Xilinx公司1985年首家推出的，采用CMOS-SRAM工艺制作。结构分成三部分：可编程逻辑块CLB、可编程I/O口和可编程内部连线。CLB功能强大，不仅能够实现逻辑函数，还可以配置成RAM等复杂形式。,25,本章内容,一、数字集成电路设计概述

12、二、关于FPGA技术三、FPGA技术的现状和发展方向四、FPGA技术的典型应用领域五、课程学习目的,26,本节介绍基于FPGA的结构、设计的优势、设计流程和方法。,二、关于FPGA技术,27,关于FPGA技术,1.FPGA优势,以FPGA为代表的PLD与ASIC的对比如下：,28,FPGA为代表的PLD的优点,集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性具有完善先进的开发工具提供语言、图形等设计方法，十分灵活通过仿真工具来验证设计的正确性可以反复地擦除、编程，方便设计的修改和升级灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间,29,关于FPGA技术,2

13、.FPGA结构,由上可知，FPGA因其具有灵活可编程的特点，相对于ASIC的优势主要在于灵活性、风险性和开发的快速性方面。FPGA可重复编程是由其结构决定的。下面来简单介绍FPGA的结构。,30,FPGA由可编程逻辑块（CLB）、输入/输出模块（IOB）及可编程互连资源（PIR）等三种可编程电路和一个SRAM结构的配置存储单元组成。CLB是实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则地排列成一个阵列，散布于整个芯片中；可编程输入/输出模块（IOB）主要完成芯片上的逻辑与外部引脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互连资源（IR）包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个CLB之间或CLB

14、与IOB之间以及IOB之间连接起来，构成特定功能的电路。,关于FPGA技术,2.FPGA结构,31,FPGA的基本结构图,32,1)可编程逻辑块（CLB）,CLB主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。逻辑函数发生器主要由查找表LUT(look up table)构成,函数发生器基于查找表单元：,33,1)可编程逻辑块（CLB）,CLB主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。逻辑函数发生器主要由查找表LUT(look up table)构成,34,课后作业,1、查资料，CPLD的可编程逻辑是基于什么结构实现的？都属于可编程逻辑器件，CPLD与FPGA有什么不同？,35,

15、3)可编程互连资源（PIR）,PIR由许多金属线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接。实现FPGA内部的CLB和CLB之间、CLB和IOB之间的连接。,2)输入/输出模块（IOB）,IOB主要由输入触发器、输入缓冲器和输出触发/锁存器、输出缓冲器组成，每个IOB控制一个引脚，它们可被配置为输入、输出或双向I/O功能。,36,关于FPGA技术,3.FPGA设计流程,1)、传统数字电路设计,逻辑代数数字系统数学基础数字电路设计的基本方法组合电路设计问题逻辑关系真值表化简逻辑图时序电路设计列出原始状态转移图和表状态化简状态分配触发器选型求解方程式逻辑图,37,使用中、小

16、规模器件设计电路（74、54系列）编码器（74LS148）译码器（74LS154）比较器（74LS85）计数器（74LS193）移位寄存器（74LS194）,设计方法的局限卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。采用“搭积木”的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。,38,采用中小规模器件的局限电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，可靠性低提高芯片的集成度设计比较困难能方便地发现设计错误电路修改很麻烦提供方便的修改手段,39,2)基于PLD的数字系统设计方法借助于当前先进的EDA工具，PLD器件开创了数字系统

17、设计的新方法现代数字系统设计。,关于FPGA技术,3.FPGA设计流程,40,原理图/HDL文本编辑,综合,FPGA/CPLD适配,FPGA/CPLD编程下载,FPGA/CPLD器件和电路系统,时序与功能门级仿真,1、功能仿真2、时序仿真,逻辑综合器,结构综合器,1、isp方式下载 2、JTAG方式下载 3、针对SRAM结构的配置 4、OTP器件编程（一次性）,功能仿真,2)基于PLD的数字系统设计方法,以FPGA为代表的PLD的EDA开发流程:,41,FPGA开发流程与EDA软件,逻辑仿真器：Modelsim、Active HDL、Verilog-XL等,逻辑综合器：Leonardo Spe

18、ctrum、Synplify、FPGA Express/FPGA CompilerII等,FPGA厂家工具：Altera的Max+PlusII、QuartusII，Xilinx的Foundation、ISE4.1等,42,思考：,FPGA与ASIC的设计流程有什么区别？,43,ASIC设计流程包括前端设计、后端设计、流片。FPGA只需做前端设计，因为其是可编程的！,44,对于数字IC的前段设计，需要学习下面几个方面的内容：（1）数字逻辑电路与系统（2）HDL语言（3）数字系统的综合技术（4）各种实现方法的特点，特别是FPGA方面的知识（5）各种前端开发工具的使用,45,对于后段设计，需要掌握的

19、内容：（1）模拟电路与系统（2）微电子学的基础知识（包括器件结构、版图等）（3）超大规模集成电路设计方法（4）各种实现方法的特点（5）各种后端开发工具的使用（包括SPICE）,46,本章内容,一、数字集成电路设计概述二、关于FPGA技术三、FPGA技术的现状和发展方向四、FPGA技术的典型应用领域五、课程学习目的,47,本节介绍FPGA目前的状况及以后的发展方向。,三、FPGA技术的现状和发展方向,48,最大的PLD供应商之一FPGA的发明者，最大的PLD供应商之一ISP技术的发明者提供军品及宇航级产品,FPGA技术的现状和发展方向,三、FPGA技术的现状和发展方向,主要FPGA厂商,49,F

20、PGA技术的现状和发展方向,ALREA的产品,三、FPGA技术的现状和发展方向,50,FPGA技术的现状和发展方向,xilinx的产品,三、FPGA技术的现状和发展方向,51,CPLD和FPGA的发展呈现出以下几个方面趋势：,1.向密度更高、速度更快、频带更宽的百万门系统级方向发展Xilinx Virtex/-E/II Pro（PPC405、MutiGbit收发器、RoketI/O、部分可重构特性、系统时钟400M以上）Altera APEX/Stratix,2.向低电压、低功耗和绿色化方向发展 3.3/2.5/1.8V,3.向低成本、低价格的片上系统方向发展Xilinx 的SpartanII

21、I系列 100万门/10美元Altera的Cycolne系列,FPGA技术的现状和发展方向,三、FPGA技术的现状和发展方向,52,4.向系统内可重构方向发展。系统内可重构是指可编程ASIC在转入用户系统后仍具有改变其内部功能的能力，极大提高电子系统的灵活性和适用性。,5.IP Core设计应用飞速发展，FPGA设计资源复用和开发手段全面升级,FPGACPLD和ASIC技术都在迅猛发展。在这一发展过程中知识产权核，或称智核、IP核（IP Core,Intellectual Property Core）的概念被提了出来。,53,SOPC的双重含义：可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式微处

22、理器系统首先，它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。,6、可编程SOC(SOPC),SOPC时代已经到来SOPC：System-On-a-Programble-ChipIP Core的不断丰富和完善奠定了SOPC的基础先进的百万门级FPGA开发工具是SOPC的主要平台处理器IP Core解决了SOPC的最关键问题,54,SOPC的基本特征：嵌入式处理器IP Core为核心（多处理器）具有小容量片内高速RAM资源丰富的IP Core资源可供灵活选择（ASIC）足够的片上可编

23、程逻辑资源处理器调试接口和FPGA编程接口共用或并存可能包含部分可编程模拟电路单芯片、低功耗、微封装,55,基于SOPC的嵌入式系统架构,Processor(s),Auxiliary Systems(power,cooling,),Software,数字部分为单芯片FPGA,56,本章内容,一、数字集成电路设计概述二、关于FPGA技术三、FPGA技术的现状和发展方向四、FPGA技术的典型应用领域五、课程学习目的,57,本节介绍FPGA的应用。,四、FPGA技术的典型应用领域,58,四、FPGA技术的典型应用领域,59,四、FPGA技术的典型应用领域,60,四、FPGA技术的典型应用领域,61,

24、内容回顾,前面主要介绍了EDA工具的发展、数字集成电路的发展、ASIC的设计流程、PLD的出现。介绍FPGA器件可编程原理、设计流程、优势、发展、应用等等,62,课程学习目的,课程的学习会涉及很多东西主要掌握ASIC前端设计的基础知识和基于FPGA的大型数字逻辑系统的设计方法。为以后的应用打下基础,63,后续学习章节安排（拟定）,第二章 Verilog HDL语言（基础）第三章 EDA工具的使用第四章 Verilog HDL语言（高级）第五章 复杂程序设计第六章 基于FPGA/CPLD的设计理论、步骤、原则及注意事项第七章 复杂系统设计第八章 基于SOPC的嵌入式设计简介,预修内容：,数字逻辑

25、电路,64,参考文献,夏雨闻编著，Verilog 数字系统设计教程（第二版），北京航空航天大学出版社，2008。,王金明，数字系统设计与Verilog HDL，电子工业出版社。EDA先锋工作室 王诚 吴继华等编著，Altera FPGA-CPLD设计（基础篇），人民邮电出版社，2005。EDA先锋工作室 王诚 吴继华等编著，Altera FPGA-CPLD设计（高级篇），人民邮电出版社，2005。任艳颖 王彬编著，IC设计基础，西安电子科技大学出版社，2003。（美）迈耶-贝斯（Meyeer-Baese,U.）著，刘凌 译，数字信号处理的FPGA实现（第2版），清华大学出版社，2006。田耘编著，无线通信FPGA设计，电子工业出版社，2008年。,参考教材,