2019年最新-EDA数字系统设计1-精选文档

1EDA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EDAASICPLDCPLDFPGAHDL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？102.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型（BiMOS、BiCMOS）双极型SSI、MSI、LSI（Small、Medium、Large）VLSI（VeryLargeScaleIC:超大）ULSI（UltraLargeScaleIC：特大）GSI（GiganticScaleIC：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MOSIC双极IC模拟集成电路SSIMSILSIVLSIULSIGSI100100~1000103~105105~107107~1091093030~100100~300300100100~500500~2000200012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0.5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134.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ICCAD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：16EDA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，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verlogXL＋Synopsys的DC(DesignComplier))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（ApplicationSpecificIntegratedCircuits）：面向专门用途，为某一用户特定生产的集成电路。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19IC制造过程20ASIC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PLD应运而生，其特点在于“芯片逻辑功能编程”。21PLD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(ComplexProgrammableDevice)和现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray).1)、简单可编程逻辑器件①PROM，UVEPROM、EEPROM。②PLA(ProgrammableLogicArray),可编程逻辑阵列5.数字集成电路的发展及PLD的出现22③PAL(ProgrammableArrayLogic)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，采用熔丝编程方式，速度较快，第一个得到普遍应用的PLD。④GAL(GenericArrayLogic)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。232)、CPLD(ComplexProgrammableDevice)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。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。243)、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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：28FPGA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.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。30FPGA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31FPGA的基本结构图CLBIRIOBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIOBIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIR321)．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(lookuptable)构成000001010000010116×1RAM输入A输入B输入C输入D查找表输出多路选择器查找表LUT输入1输入2输入3输入4输出函数发生器基于查找表单元：331)．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(lookuptable)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？353)．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FPG