现代数字系统设计05电子设计竞赛培训

2019/8/4现代数字系统设计技术全国大学生电子设计竞赛选拔培训郭万有2005.52019/8/4◆数字集成电路、数字系统、EDA◆SOC与SOPC◆IP核◆基于FPGA/CPLD的数字系统设计EDA技术与现代数字系统设计◆总结◆DSP的FPGA实现◆附：数字系统应用2019/8/4第一节数字集成电路、数字系统、EDA2019/8/4标准通用器件（SSI/MSI）微处理器(CPU)、单片机（MCU）等软件组态器件，外围器件(LSI,VLSI)等1.1数字集成电路门阵列（GateArray）标准单元(StandardCell)可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice)PROMFPLAPALGALHDPLDFPGAASIC全定制(FullCustom)半定制(Semi-Custom)EPLDCPLD2019/8/4◆可编程逻辑器件经历了从PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD到CPLD和FPGA的发展过程，在结构、工艺、集成度、功能、速度和灵活性方面不断地改进和提高。目前,FPGA已开始采用90nm工艺，集成度可达上千万门，速度可达千兆级，内置硬核、存储器、DSP块、PLL等,支持多种软核,成为理想的SOC设计平台．2019/8/4VS2019/8/4低速数字系统信号速率：＜１MHz平台：MCU、SSI/MSI、LSI、VLSI中高速数字系统信号速率：１0MHz级平台：DSP、Embedded、高端CPU、CPLD高速数字系统信号速率:１00MHz级平台：FPGA、ASIC现代数字系统平台：FPGA、ASIC，内嵌DSP、ARM等数字系统的设计对FPGA及EDA的依赖程度愈来愈高1.2数字系统2019/8/4单片机系统2019/8/4DSP及嵌入式系统2019/8/4FPGA系统2019/8/41.3EDA技术EDA(ElectronicDesignAutomation)，即电子设计自动化，是汇集计算机应用学、微电子学和电子系统科学最新成果的一系列电子系统设计软件。EDA经历了三个发展阶段：◆CAD(ComputerAidedDesign)阶段(60年代中~80年代初)◆CAE(ComputerAidedEngineering)阶段(80年代初~90年代)◆ESDA(ElectronicSystemDesignAutomation)阶段(90年代初以来的高速发展的阶段)2019/8/4数字系统EDA主要特征◆高层综合(HLS)理论与方法取得进展，推动了行为级综合优化工具的完善与发展。◆采用硬件描述语言来描述设计：形成了VHDL和VerilogHDL两种标准硬件描述语言；采用C语言、MATLAB描述数字逻辑也已成为现实。◆采用平面规划(Floorplaning)技术,对逻辑综合和物理版图设计进行联合管理。◆可测性综合设计。开发了扫描输入、BLST（内建自测试）、边界扫描等可测性设计(DFT)工具，并已集成到EDA系统中。2019/8/4著名EDA公司2019/8/4第二节基于可编程逻辑器件的数字系统设计2019/8/42.1可编程逻辑器件结构基本PLD结构输入电路与阵列或阵列输出电路输入输出输入项乘积项或项2019/8/4PIACPLD结构图I/OControlBlockLABLABLABLABLABLABLABLABLABLABLABLABLABLABLABLAB2019/8/4...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOCFPGA结构图...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOCEABEAB嵌入式阵列2019/8/42019/8/4ISEFoundation包含了业界用于可编程逻辑设计的最先进的时序驱动实现工具，以及设计输入、综合和验证功能。2.1可编程逻辑器件开发环境2019/8/41.3可编程逻辑器件开发过程设计准备设计输入•原理图•硬件描述语言设计综合与实现•优化•合并、映射•布局、布线•生成编程文件功能仿真时序仿真器件测试器件编程2019/8/4设计输入路线图1K-5K10-100K100K-1M1M-10M19911993199519971999200120032005EquationsSchematicsRTLBehavioralVHDL/VerilogIntellectualPropertyMATLABDSPBUilDERC-CodeSystemC1UsableGates(K)2019/8/41.4基于FPGA设计的特点◆PLD改变了传统的数字系统设计方法门级板级芯片级◆EDA技术极大地提高了设计效率设计输入设计综合设计实现设计验证2019/8/4第三节IPCORE2019/8/4IP的定义IP(IntellectualProperty)是知识产权的简称。IP定义为：经过预先设计、预先验证，符合产业界普遍认同的设计规范和设计标准，具有相对独立功能的电路模块；可重用于SoC或复杂ASIC/FPGA设计中。在工业界，IP常被称为SIP(SiliconIP)或VC(VirtualComponent)。在FPGA设计界，IP称为IP核（IPCore），有硬核(hardcore）、软核（softcore)之分.2019/8/4来源:IntelpublicpresentationsIP的地位——IC产业的三次分工2019/8/4工艺发展与设计效率之间的剪刀差2019/8/4IP重用对设计生产率的提高IP模块是设计重用的关键部分，是结束“设计间距”唯一有效的方法，如果没有它，半导体生产商和OEM供应商根本无法达到今天已经达到的水平。2019/8/4IP标准化组织NameEstablishTimeRegionFunctionVSIA1996U.S.A制定IP规范、标准；发展支撑软件VCX1998England提供IP发行标准和交易方法；为电子商务交易立法；提供数据库安全系统D&R1997U.S.A提供检索系统；支持查找和发展IP；基于因特网的IP管理系统OCP-IP2001U.S.A为面向“即插即用”的SOC设计提供一套完整的标准IP核插座接口协议2019/8/4Altera公司部分IPCoreMegaCoreFunctionVersionSupportsOpenCore®PlusSOPCBuilderReadyDSPBuilderReadyPCICompiler:32-bitMaster/Target3.2.0PCICompiler:64-bitMaster/Target3.2.08-bitHyperTransport™BusInterface1.3.0DDRSDRAMController2.2.0FiniteImpulseResponseCompiler3.1.0NumericallyControlledOscillatorCompiler2.2.0FastFourierTransform(FFT/IFFT)2.1.0ColorSpaceConverter2.2.0Reed-SolomonCompiler,Decoder3.5.0Reed-SolomonCompiler,Encoder3.5.0TurboDecoder1.6.0TurboEncoder1.6.0ViterbiCompiler,ParallelDecoder4.1.0ViterbiCompiler,SerialDecoder4.1.08B10BEncoder/Decoder1.5.0Parallel&SerialRapidIO™PhysicalLayer2.1.0POS-PHYLevel2&3Compiler1.3.0POS-PHYLevel42.2.1SONET/SDHCompiler2.3.0UTOPIALevel2Master2.3.0UTOPIALevel2Slave2.4.02019/8/4第四节SOC与SOPC2019/8/4IC设计发展周期图许氏循环揭示了集成电路产品沿着“通用”与“专用”波动发展的规律；预测了继SoC之后的下一代的产品将是一种通用器件：可重构SoC——SOPC。SOPC2019/8/4系统芯片——SOCSoC（SystemonaChip）CPUDSPAnalogI/FROMPCB（SystemonaBoard）2019/8/4SOPC—SystemonaProgrammableChip2019/8/4SOPC的途径2019/8/4SOPCBuilderSOPCBuilder库中已有的组件：处理器片内处理器片外处理器的接口IP外设存储器接口通用的微-外设通讯外设桥接口数字信号处理（DSP）IP硬件加速外设2019/8/4AlteraSOPC—NiosIIBuilderTMEBISRAM(SinglePort)SDRAMControllerDPRAMSDRAMInterfaceFlashInterfaceBridgeMasterPortSlavePortDual-PortRAMInterfaceARM-orMIPS-BasedProcessorPLLsPLDStripeInterconnectPortsCompletedSOPCArchitectureConfiguredIPCoresConfiguredSiliconFeatures(e.g.MemoryMapping)2019/8/4AlteraSOPC—NiosII实验板2019/8/4HardCopy——结构化的ASIC2019/8/4嵌有IBMPowerPC处理器硬核MicroBlaze™的FPGA2019/8/4第五节DSP的FPGA实现2019/8/4Xilinx:多达444个18X18嵌入式乘法器丰富的DSP算法库MATLAB™/Simulink™、XilinxSystemGeneratorforDSPAltera:FPGA的DSP特性2019/8/4AlteraFPGA上的DSP块2019/8/4在AlteraFPGA上实现DSP2019/8/4DSPBuilder将与MATLAB、Simulink块和Altera的IPMegaCore®功能块组合在一起，从而把系统级的设计和DSP算法的实现连接在一起。DSPBuilder允许系统、算法、和硬件设计去共享一个通用的开发平台。DSPBuilder2019/8/4AlteraDSP设计流程2019/8/4总结◆FPGA/CPLD成为现代数字系统设计的主力载体◆嵌入式处理器、DSP功能块的完善与开发主导着当前FPGA结构的发展◆EDA软件以IP核的设计及应用为重要内容◆现代数字系统的设计以SOC/SOPC为主要特征2019/8/4附：数字系统应用2019/8/4单元数字逻辑◆信号产生NCO–数控振荡器PWM–脉宽调制PFM–脉频调制DPLL–数字锁相环。。。2019/8/4单元数字逻辑◆信号变换数字积分/微分延时/单稳分频/倍频/混频/频率合成比例乘法器。。。2019/8/4单元数字逻辑◆信号处理FIR滤波器IIR滤波器FFT谱分析数字鉴相/频/脉宽/周期数字调制/解调。。。2019/8/4单元数字逻辑◆接口逻辑EPP/SPI/I2C与并口的转换逻辑EPP/SPI/I2C与总线的转换逻辑DPRAM、FIFO、DMA逻辑PFM–脉频调制DPLL–数字锁相环。。。2019/8/4简单数字系统◆数字钟、音乐演奏系统◆DDS、DDFS频率合成系统◆CRT光栅扫描系统◆LED点阵显示系统◆数字接收系统◆数字测量系统◆ALU系统◆自动采集存储系统2019/8/4谢谢，再见！