EDA设计流程及其工具

1第2章EDA设计流程及其工具1：FPGA/CPLD设计流程2：ASIC及其设计流程3：常用EDA工具4：IP核22.1FPGA/CPLD设计流程FPGA：现场可编程门阵列CPLD：复杂可编程逻辑器件一、这2种器件的一般开发流程为：(OneTimeProgramming)功能仿真原理图/HDL文本编辑综合FPGA/CPLD适配FPGA/CPLD编程下载逻辑综合器结构综合器1.功能仿真2.时序仿真时序与功能门级仿真FPGA/CPLD器件和电路系统1.isp方式下载2.JTAG方式下载3.针对SRAM结构的配置4.OTP器件编辑32.1.1设计输入(原理图／HDL文本编辑)1.图形输入图形输入原理图输入状态图输入波形图输入41、设计输入（原理图/HDL文本编辑）将需设计的电子系统的功能和结构以图形或文本方式表达。1）图形输入：原理图输入、状态图输入、波形图输入原理图方式应用最为广泛,原理图输入对原理图进行功能验证后再进行编译即可转换为网表文件。但此方法一般仅实用于小电路。对于稍大的电路，其可读性、可移植性差。波形图主要应用于仿真功能测试时产生某种测试信号;状态图常用于建模中。2）HDL文本输入：目前主流输入方式，是最有效的方式，其可读性、可移植性好、便于存档。52综合整个综合过程就是将设计者在EDA平台上编辑输入的HDL文本、原理图或状态图形描述，依据给定的硬件结构组件和约束控制条件进行编译、优化、转换和综合，最终获得门级电路甚至更底层的电路描述网表文件。由此可见，综合器工作前，必须给定最后实现的硬件结构参数，它的功能就是将软件描述与给定的硬件结构用某种网表文件的方式对应起来，成为相应互的映射关系。6综合将前面输入的原理图、HDL语言描述转化为电路实现的门级网表的过程；是从抽象到具体实现的关键步骤；综合的结果不是唯一的；为达到性能要求，往往对综合加以约束。7VHDL综合器运行流程8①、约束条件：在逻辑综合过程中，为优化输出和工艺映射的需要，一定要有相应的约束条件以实现对设计实体的控制。如：面积、速度、功耗、可测性。②、工艺库：工艺库将提供综合工具所需要的全部半导体工艺信息。即工艺库不仅含有ASIC单元的逻辑功能、单元面积、输入到输出的定时关系、输出的扇出限制和对单元所需的定时检查。9③、逻辑综合3步曲：逻辑综合工具将RTL级描述转换为门级描述一般有3步：1）.将RTL描述（VHDL程序）转换为未优化的门级布尔描述（布尔逻辑方程的形式）这一步称为“展平”。2）.执行优化算法，化简布尔方程，这一步称为“优化”。3）.按半导体工艺要求，采用相应的工艺库，把优化的布尔描述映射成实际的逻辑电路（逻辑实现）10④.门级映射网表：过程：取出优化后的布尔描述，并利用工艺库中得到的逻辑和定时上的信息去做网表，网表是对用户所描述的面积和速度指标的一种体现形式。工艺库中存有大量的网表，它们的功能相同，但可以在速度和面积之间权衡。113、适配适配器也称结构综合器，它的功能是将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中，使之产生最终的下载文件，如JEDEC、Jam格式的文件。适配所选定的目标器件(FPGA/CPLD芯片)必须属于原综合器指定的目标器件系列。逻辑综合通过后必须利用适配器将综合后网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、逻辑布局布线操作。适配完成后可以利用适配所产生的仿真文件作精确的时序仿真，同时产生可用于编程的文件。124、行为仿真、功能仿真、时序仿真仿真就是让计算机根据一定的算法和一定的仿真库对EDA设计进行模拟，以验证设计，排除错误。1）行为仿真：此时的仿真只是根据VHDL的语义进行的，与具体电路没有关系。2）功能仿真：直接对VHDL、原理图描述或其他描述形式的逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能是否满足原设计的要求的过程，仿真过程不涉及任何具体器件的硬件特性，如延时特性。133）时序仿真：接近真实器件运行特性的仿真，仿真文件中已包含了器件硬件特性参数，仿真精度高。145、编程下载将适配后的下载文件，通过通信电缆或专用编程器写至相应目标器件的过程。FPGA与CPLD的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作原理。通常的分类方法为：将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为CPLD，它所产生的是熔丝图文件即JEDEC文件（简称JED文件）。如Lattice的ispLSI系列、Xilinx的XC9500系列、Altera的MAX7000S系列和Lattice(原Vantis)的Mach系列等。将以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为FPGA，它所产生的是位流数据文件。如Xilinx的SPARTAN系列、Altera的FLEX10K或ACEX1K系列等。15•器件编程需要满足一定的条件，如编程电压、编程时序和编程算法等。普通的EPLD/CPLD器件和一次性编程的FPGA需要专用的编程器完成器件的编程工作。基于SRAM的FPGA可以由EPROM或其它存储体进行配置。在线可编程的PLD器件不需要专门的编程器，只要一根编程下载电缆就可以了。166、硬件测试将含有载入了设计的FPGA或CPLD的硬件系统进行统一测试，以便最终验证设计项目在目标系统上的实际工作情况。17实验开发系统18九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，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引线越来越多一、集成电路工艺的发展特点和规律2.2ASIC及其设计流程19年份1997199920012003200620092012最小线宽0.250.180.150.130.100.070.01(μm）DRAM容量256M1G1G~4G4G16G64G256G每片晶体管数112140762005201400（M）芯片尺寸300440385430520620750(平方毫米）频率(兆赫）750120014001600200025003000金属化层层数66-7777-88-99最低供电电压1.8-2.51.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6（v）最大晶圆直径200300300300300450450（mm）发展规划代次的指标20•1、集成电路发展的方向–1）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。–2）迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装技术、和测试技术等发展各种专用集成电路（ASIC）。二、IC发展方向与我国IC的发展情况从另一个角度来说，进入90年代以来，电子信息类产品的开发明显地出现了两个特点：1、开发产品的复杂程度加深，出现SOC；2、开发产品的上市时限紧迫。212、我国集成电路的发展现状2002年中国信息技术趋势大会上专家指出的IC技术是IT领域热点技术之一；IC是整个电子信息产业乃至国民经济的基础。目前我国的半导体集成电路生产分为三大类：–IC设计公司（Fabless，无生产线）•国内半导体芯片厂家的主流产品是5至6英寸硅片，大约占总量的三分之二强。随着上海华虹NEC公司8英寸生产线的投产，6至8英寸硅片的需求量将上升。–芯片加工厂（Foundry）•我国集成电路芯片制造业现己相对集中,主要分布在上海、北京、江苏、浙江等省市。–后工序（测试、封装、设备）其中IC设计以人为主，脑力密集型，属高回报产业。22•3、我国集成电路生产能力方面：93年生产的集成电路为1.78亿块，占世界总产量的0.4%，相当于美国1969年的水平，日本1971年的水平。96年为7.09亿块，而1996年国内集成电路市场总用量为67.8亿块,国内市场占有率仅为10％。99年为23亿块,销售额70多亿元，国内市场占有率不足20％，绝大部分依靠进口。2000年需求量为180亿块，预计可生产32亿块。总之，我国集成电路产业的总体发展水平还很低，与国外相比大约落后15年。但是，目前已具备0.25微米芯片设计开发和0.18微米芯片规模生产能力，以“方舟”、“龙芯”为代表的高性能CPU芯片开发成功，标志着我国已掌握产业发展的部分重大核心技术。23三、IC分类（一）按功能结构分类集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路数字集成电路和数/模混合集成电路三大模拟集成电路又称线性电路用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如3G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号）24（二）按制作工艺分类集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。（三）按集成度高低分类集成电路按集成度高低的不同可分为SSI小规模集成电路(SmallScaleIntegratedcircuits)MSI中规模集成电路(MediumScaleIntegratedcircuits)LSI大规模集成电路(LargeScaleIntegratedcircuits)VLSI超大规模集成电路(VeryLargeScaleIntegratedcircuits)ULSI特大规模集成电路(UltraLargeScaleIntegratedcircuits)GSI巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路(GigaScaleIntegration)。25（四）按导电类型不同分类集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路,他们都是数字集成电路.双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。（五）按用途分类集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路等。26（六）按应用领域分集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。(七)按外形分集成电路按外形可分为圆形(金属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功率)、扁平型(稳定性好,体积小)和双列直插型。272.2.1ASIC设计方法按版图结构及制造方法分，有半定制(Semi-custom)和全定制(Full-custom)两种实现方法。全定制方法是一种基于晶体管级的，手工设计版图的制造方法。半定制法是一种约束性设计方式，约束的目的是简化设计，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计正确率。ASIC设计方法全定制法半定制法门阵列法标准单元法可编程逻辑器件法282.2.2一般ASIC设计的流程系统规格说明系统划分逻辑设计与综合综合后仿真芯片测试版图设计版图验证参数提取与后仿真制版、流片29SOC:(Systemonachip)ICIC的速度很高、功耗很小，但由于的速度很高、功耗很小，但由于PCBPCB板中的连线延时、噪声、可靠板中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法性以及重量等因素的限制，已无法满足性能日益提高的整机系统的要求满足性能日益提高的整机系统的要求ICIC设计与制造技术水平的提高，设计与制造技术水平的提高，ICIC规模越来越大，已可以在一个规模越来越大，已可以在一个芯片上集成芯片上集成101088~10~1099个晶体管个晶体管分立元件集成电路IC系统芯片SystemOnAChip(简称SOC)将整个系统集成在一个微电子芯片上在需求牵引和技术推动的双重作用下集成电路走向系统芯片30北京海尔集成电路设计有限公司31一、SOC（SystemonChip,片上系统）技术1、SOC技术的开发与应用SOC的工作开始于20世纪90年代,虽然对SOC至