CPLDFPGA 与ASIC原理与设计

第三章现代EDA技术应用设计实践第四章数字系统与VerilogHDL描述CPLD/FPGA与ASIC原理与设计返回第五章VerilogHDL基础第六章VerilogHDL设计进阶与设计技巧第一章绪论第二章可编程逻辑器件基础第七章EDA技术综合设计实验举例第八章设计实验项目绪论返回1.1EDA技术的发展史1.2CPLD/FPGA的发展史1.3EDA技术的基本设计方法1.4常用EDA设计软件介绍绪论返回1.1EDA技术的发展史EDA是电子设计自动化（ElectronDesignAutomation）的缩写，是在90年代初，从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展起来的。绪论返回EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，利用硬件描述语言描述设计系统，然后由EDA工具完成逻辑编译，逻辑分割，逻辑综合及优化，逻辑布线，逻辑仿真，适配编译，逻辑映射和下载工作。EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向绪论返回EDA的发展史•70年代，出现CAD工具。解决LSI或PCB布线设计问题。如TANGO。•80年代，出现EDA工具。主要以数字电路分析为主，能够完成电路图编辑和进行逻辑功能仿真。•90年代以来，由于微电子技术的迅猛发展，出现了以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术。绪论返回这个阶段EDA技术的主要特征：1.高层综合的理论与方法取得进展，将RT级提高到了系统级（又称行为级）。2.采用硬件描述语言描述电子系统的设计，如ABEL-HDL、VHDL和VerilogHDL。3.用平面规划（Floorplaning）技术对逻辑综合和物理版图进行联合管理。4.可测试性综合设计。绪论返回5.为带有嵌入μP核的ASIC设计提供软、硬协同设计工具。6.建立并行设计工程CE（ConcurrentEngineering）框架结构的集成化设计环境，以适应当今ASIC的设计。绪论返回在Internet迅速普及的今天，电子设计工程师可以利用Internet，在网上下载EDA设计工具和IP核，使ASIC的设计变得迅速、经济和高效。因此，随着EDA技术的日益普及，EDA必成为每一个电子工程师的主要设计工具。end绪论返回1.2CPLD/FPGA的发展史逻辑器件是用来实现某种特定逻辑功能的电子器件，最简单的逻辑器件是与、或、非门，在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。随着电子技术的发展，电路集成度不断提高，数字集成电路也从SSI、MSI、LSI向VLSI方向发展。下图是数字集成电路的分类：绪论返回(ASIC)一、数字集成电路的分类数字集成电路标准电路用户定制电路RAM、ROM、SSI、LSI－如74系列、40系列软件组态的微处理器－－如CPU、DSP、PLC全定制半定制可编程器件门阵列标准单元阵列PROM、PLA、PAL、GAL、CPLDFPGA绪论返回1.专用集成电路（ASIC）是指专门为某一应用领域或专门用户需要而设计、制造的集成电路。它可以将某些专业电路或电子系统设计在一个芯片上，构成单片集成系统，即片上系统SOC(SystemonChip)。绪论返回2.片上系统SOC专家认为，IC发展的大趋势是高速、高集成度和低功耗的系统。就是将整个系统集成到单一半导体芯片上。更确切地说，片上系统是指综合数字和模拟技术，并将I/O、各种转换器件、存储器和MPU集成在同一封装内，能够高效实现特定功能的IC。片上系统将具备微处理器、存储器和一整套专用功能，甚至电源和电源驱动电路也将集成在同一模块中。绪论返回集成片上系统的优点：实现高速运作、缩短产品的上市时间、降低功耗和减少所占的PCB空间、提高系统的可靠性、它可使电子系统的尺寸更小、性能更高和成本更低，同时整个系统的抗干扰特性与可靠度将提高。绪论返回1.缩小体积ASIC作为集成电路（IC）技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比，在构成电子系统时具有以下几个方面的优越性：2.提高可靠性3.易于获得高性能4.增强保密性5.在大批量应用时，可显著降低系统成本。绪论返回3.全定制ASIC芯片的各层掩膜都是按特定电路功能专门制造的。4.半定制ASIC是一种约束性设计方式。目前，半定制ASIC主要有三种：门阵列、标准单元和可编程逻辑器件。门阵列是一种预先制造好的硅阵列，内部包括几种基本逻辑门和触发器等，芯片中留有一定的布线区。绪论返回5.标准单元是厂家将预先配置好、经过测试，具有一定功能的逻辑块作为标准单元存储在数据库中，设计人员在电路设计完成后，利用CAD工具在版图一级完成与电路一一对应的最终设计。绪论返回二.可编程逻辑器件的发展史可编程逻辑器件（PLD－－ProgrammableLogicDevice）：器件的功能不是固定不变的，它可根据用户的需要而进行改变，即由编程的方法来确定器件的逻辑功能。绪论返回可编程逻辑器件的发展史70年代，出现熔丝编程结构PROM和PLA70年代末，AMD推出PAL80年代初，Lattice推出GAL80年代中期，Xilinx推出FPGA;Altera推出EPLD80年代末，Lattice提出ISP技术90年代，出现CPLD－EPLD改进型器件绪论返回现在，由于FPGA技术的快速发展，FPGA产品在逻辑密度、性能和功能上有了极大的提高，同时器件成本也大幅下降，可编程逻辑技术已经能与ASIC（专用集成电路）和ASSP（专用标准产品）争夺市场，并逐渐呈现出取代ASIC和ASSP的趋势。绪论返回1.3EDA技术的基本设计方法1.数字电路设计的基本方法在数字电子技术基础课程中，数字电路设计的数学基础是布尔函数，并利用卡诺图进行化简。卡诺图只适用于输入比较少的逻辑函数的化简。数字电路的设计方法是：绪论返回•布尔函数－－数字系统数学基础（卡诺图）•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状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图绪论返回•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）–………绪论返回•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。绪论返回•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•PLD器件的出现改变了这一切绪论返回2.现代数字系统的设计方法随着PLD器件的出现和计算机技术的发展，使EDA技术得到了广泛应用。设计方法也因此发展了根本性的变化。由传统的“自底向上”的设计方法转变为一种新的“自顶向下”的设计方法。“自顶向下”的设计方法的设计流程如下：绪论返回第一步进行行为设计第二步进行结构设计第三步是把结构转化成逻辑图，即进行逻辑设计；第四步是进行电路设计，将逻辑图进一步转换成电路图。最后一步是进行ASIC的版图设计，即将电路转换成版图，或者用可编程ASIC实现（如CPLD/FPGA）。“自底向上”和“自顶向下”设计步骤绪论返回Bottom-up系统分解单元设计功能模块划分子系统设计系统集成Top-down行为设计结构设计逻辑设计电路设计版图设计绪论返回3．CPLD/FPGA设计流程只要有数字电路的基础，还是能较容易和快速地学会利用CPLD/FPGA设计数字系统的。数字系统的基本部件比较简单,它们是一些与门、或门、非门、触发器、多路选择器等，宏器件也是一些加法器、乘法器等。CPLD/FPGA器件的设计一般分为设计输入、设计实现和编程三个主要设计步骤。绪论返回设计准备和系统划分设计输入（原理图、HDL语言或波形图）编译并进行功能仿真设计处理（EDA工具综合）厂家综合库适配前时序仿真适配器适配后仿真模型器件编程文件适配报告适配后时序仿真CPLD/FPGA实现ASIC实现绪论返回1.4常用EDA设计工具介绍1.PSPICE仿真软件PSPICE仿真器在1985年第一次出现后，经历了不断的增强和改造，已经被成千上万的工程师试验和证实；PSPICE是为模拟和混合信号设计而特性化的仿真器。使用其灵活的内部模型，用户可以仿真包括从高频系统到低功耗IC设计的任何模拟系统，用户可以使用数据表创建新器件的模型。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器件及元器件库。绪论返回2.EWB仿真软件EWB(ElectronicWorkbench)软件是InteractiveImageTechnologiesLtd在20世纪90年代初推出的电路仿真软件。目前普遍使用的是EWB5.2，相对于其它EDA软件，它是较小巧的软件（只有16M）。但它对模数电路的混合仿真功能却十分强大，几乎100%地仿真出真实电路的结果，并且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、电流表等仪器仪表。它的界面直观，易学易用。它的很多功能模仿了SPICE的设计，但分析功能比PSPICE稍少一些。绪论返回3.MATLAB软件MATLAB软件是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。MATLAB软件具有下列功能：数据分析；数值和符号计算；工程与科学绘图；控制系统设计；数字图像信号处理；财务工程；建模、仿真、原型开发；应用开发；图形用户界面设计等。MATLAB产品族被广泛地应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的结构使MATLAB绪论返回4.PCB设计软件PCB(Printed—CircuitBoard)设计软件种类很多，如Protel；OrCAD；Viewlogic；PowerPCB；CadencePSD；目前Protel在我国用得最多，下面仅对此软件作介绍。Protel是Protel公司在20世纪80年代末推出的CAD工具，是PCB设计者的首选软件。早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用，现在普遍使用的是Protel99SE.绪论返回包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能。使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100%布通率。绪论返回5.IC设计软件IC设计工具很多，主要有Cadence、MentorGraphics和Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。下面按用途对IC设计软件作一些介绍。1）设计输入工具任何一种EDA软件必须具备输入的功能。输入方法有硬件描述语言HDL、原理图和状态机等输入方法。许多设计输入工具都支持HDL。设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具、ModelsimFPGA等。绪论返回2）设计仿真工作EDA设计中最重要的功能之一是验证工具，几乎每个公司的EDA产品都有仿真工具。Verilog—XL、NC—verilog用于Verilog仿真；Leapfrog用于VHDL仿真；AnalogArtist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim门级电路仿真器、speedwaveVHDL仿真器、VCS—verilog仿真器。MentorGraphics有其子公司ModelTech出品的VHDL和Verilog双仿