（通信与信息系统专业论文）同步数字体系sdh解码系统的设计及asic实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 近几年来，随着通信技术的日新月异，未来信息网的发展已经对传统的同步 数字体系( s d h ) 提出了更高的要求；i p a t mo v e rs d h 等技术的不断涌现要求 s d h 设备必须具有更大的规模、更高的速度以及更丰富的功能。与此相对应，s d h 节点设备也需要具有更高的集成度，以实现这些功能。删 本文针对以往s d h 解码系统集成度低、设备复杂的缺点，结合现有的a s i c 设计技术，提出了使用a s i c 技术实现s d h 解码系统的思想，阐述了解码系统的 总体构成及模块划分，并详细探讨了解码系统实现过程中的一些技术细节。 文章首先简要概述了a s i c 设计技术国内外发展的情况，接着指出将a s i c 技 术应用于s d h 系统设计的意义所在。然后说明了a s i c 设计中的关键技术和设计 流程，并简单介绍了s d h 中的几个技术：s d h 复用技术和s t m - 1 帧结构。 接着文章在分析了s d h 解码系统功能之后，提出了一套合理的s d h 解码系 统实现方案，阐述了解码芯片的系统构成，并对系统中的各个模块的功能做了说 明。 在接下来的较大篇幅里，文章把重点放在了设计过程中几个技术难点的解决 上：利用数据并行化技术降低了芯片的a s i c 实现难度，设计并实现了切实可行 的高速帧同步系统，并利用比特泄露技术实现了s d h 解码过程中的码速调整同 题。文章详细探讨了这些技术的实现原理，参数设计以及最终实现方案。 在最后，文章对解码系统部分模块的功能仿真结果和逻辑综合结果进行了分 析，并对全文内容进行了总结。 关键词：专用集成电路同步数字体系 解码器帧同步器并行技术 华中科技大学硕士学位论文 = = ! = = ! = = ! = ! = = ! ! = ! ! ! ! = ! ! = ! ! ! ! = = ! = = = ! = ! = ! ! = ! 1 2 = ! ! ! ! ! = a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t h e s e d a y s ，t h e s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ( s d h ) m e e t sh i g h e rm c b m c a ld e m a n d s n e w a p p l i c a t i o n ss u c h a si p a t mo v e rs d hn e e dt h es d h d e v i c e st ob ew i t hm u c h b i g g e r s c a l e ，m u c hf a s t e rs p e e da n dm u c hm o r ef u n c t i o n s i no r d e rt oa c h i e v et h e s ed e m a n d s s d hd e v i c e sm u s tb ei n t e g r a t e di nv e r yl a r g es c a l e w h i l et r a d i t i o n a ls d h d e c o d i n gs y s t e mh a sm u c hs h o r t c o m i n gs u c ha s ：l o wl e v e l i n t e g r a t e d ，d e v i c e sc o m p l i c a t e d ，e t c w ep l a no u ta ni d e ao fu s i n ga s i ct e c h n o l o g yt o i m p l e m e n tn e ws d hd e c o d i n gs y s t e m t h e nt h em a i nc o n s t r u c t i o no ft h ed e c o d i n g s y s t e m a n dt h eu s e so fe a c hm o d u l ea r ed e s c r i b e d i ta l s od i s c u s s e st h et e c h n i c a ld e t a i l s i n 山es y s t e m t h i sp a p e r b e g i n sw i 吐1t h eb r i e f i n 廿o d u c f i o no f t h ed e v e l o p m e n to f a s i ci nc h i n a a n da b r o a d t h e ni tp o i n t so u tt h ep u r p o s eo f u s i n ga s i ci ns d h d e v i c ed e s i g n a l t e r t h a t ，t h ek e yt e c h n o l o g i e si na s i cd e s i g na n ds d h d e v i c e sa r ep r e s e n t e d a f x e r a n a l y s e t h e r u n , i o n o fs d hd e c o d i n gs y s t e m ，t h e s y s t e md e s i g n o f d e c o d i n gc h i pi s d e s c r i b e d 埘t ht h ed e t a i l so ft h ec o n s t r u c t i o no ft h ec h i pa n dt h e f u n c t i o no f e a c hm o d u l ei nt h ec h i p t h e n ，t h ef o c u si sk e p t o i 1s o m ec r i t i c a lp o i n t si nt h ed e s i g n ：t h ep a r a l l e l i n go ft h e d a t ai su s e dt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo f a s i c i m p l e m e n t o f t h es y s t e m t h eh i 曲s p e e d f r a m ea l i g n e ri sd e s i g n e d t h eb i tl e a k i n gt e c h n o l o g yi sa l s ou s e dt or e s o l v et h ed a t a s p e e da d j u s t i n g i ns d h d e c o d i n g f i n a l l y , t h e s i m u l a t i o na n d s y n t h e s i s r e s u l t so f d e c o d i n g m o d u l e s a r e p r e s e n t e d a n dt h ea r t i c l ee n d su p w i t ht h es u m m a r yo f t h ew h o l e p a p e r k e y w o r d s ：a s i cs d h m u l d p l e x i n g d e c o d e r f r a m e a l i g n e rp a r a l l e l i n gt e c h n o l o g y 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言2 1概述 在数字通信网中，为了提高传输效率，常常需要将若干路低速数字信号合并 成一路高速数字信号，通过高速信道传输。数字复接技术就是实现这种数字信号 合并的专门技术，完成此功能的设备称为数字复接系统【3 】。目前，数字复接体制 主要有p d h ( p l e s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y 准同步数字系列) 和s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y 同步数字体系) 4 j 。s d h 系统在灵活性与方便性 等方面有明显的优越性，具有强大监控、告警、管理功能，正在逐渐被广泛应用 于通信干线之中。 与此同时，随着s d h 应用领域的日益扩大，s d h 设备的制造也正在向着更 加集成化的方向发展。而半导体行业，尤其是芯片制造业的蓬勃发展为s d h 设备 的集成化提供了技术基础。 自从4 0 年前集成电路第一次出现在半导体行业以来，半导体芯片一直遵循着 摩尔定律( m o o r e sl a w ) 的趋势发展：即平均每1 8 个月，晶片的容量会成长一 倍，成本却减少一半。时至今日，芯片设计已进入深亚微米阶段。由于信息市场 的需求和微电子自身的发展，引发了以微细加工为主要特征的多种工艺及工艺集 成技术和面向应用的片上系统级芯片的发展。集成电路工艺技术取得了长足的进 步。在一块芯片上实现完整的系统功能已成为可能。 1 2a s i c 设计的国内外发展趋势【7 l 【8 i 自1 9 5 8 年德国克萨斯仪器公司( t i ) 的基尔比等人研制发明了世界第一块集 成电路以来，电子工业进入了集成电路( i c ) 的时代。经过4 0 余年的发展，集成 电路已经从最初的小规模集成电路( s s i ) 起步，先后经历了中规模( m s i ) 、大 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = 竺= = = = = = = = = = = = = = 竺= = ! = = = ! = = = ! = = ! = = = = = = ! = = ! 皇= = = ! 毫! 皇! ! 规模( l s i ) 、超大规模( v l s i ) 、巨大规模( u l s i ) ，发展到目前的特大规模集成 电路( g s i ) 和系统芯片( s o c ) ，单个电路芯片集成的元件数也从当时的十几个 发展到目前的几亿个甚至几十、上百亿个。 6 1 集成电路发展的过程实际上就是器件特征尺寸不断缩小、集成度不断提高、 性能价格比不断降低的过程。自6 0 年代以来，i c 芯片的特征尺寸已经从1 9 7 8 年 的l o l - tm 发展到现在的0 2 51 t m ，集成度从1 9 7 1 年的i k d r a m 发展到现在的 i g d r a m ：硅片的直径尺寸也逐渐由2 英寸、3 英寸、4 英寸、6 英寸、8 英寸发 展到1 2 英寸。 微电子技术无论是从其发展速度和对人类社会生产和生活的影响方面来看， 都可以说是科学技术史上空前的，是其它任何技术所无法比拟的。近3 0 年来，以 微电子技术作为支撑的微电子产业的平均发展速度一直保持在1 5 以上，近几年 来发展的则更为迅速，其中1 9 9 4 年的增长率高达2 5 ，销售额达到1 0 9 7 亿美元， 并首次突破1 0 0 0 亿美元大关，现在微电子产业的全球销售额已经高达2 0 0 0 亿美 元，并成为整个信息产业的基础。预计在2 0 0 7 年左右，微电子产业的产值将超过 钢铁工业，而成为世界第一大产业。 在美国、日本等经济发达国家，以集成电路为核一t l , 的电子信息产业的总产值 在国民经济总产值( g n p ) 中已占第一位( 美国) 或第二( 日本) ，成为国民经济 的支柱产业。集成电路已经广泛地应用到国民经济和社会的一切领域，产生着深 刻的变化，i c 已经成为影响世界各国经济发展和国家安全的重要因素。目前国际 上把l s i 、v l s i 、u l s i 技术称之为“掌握世界的钥匙”，谁掌握了它，谁就掌握 了世界。 在发达国家的发展过程中体现出这样一条重要规律。即电子工业增长速率一 般为 妤增长速率的三倍，而集成电路工业增长速率又是电子工业增长率的两 倍。照此估算，如果今后1 2 年我国g n p 增长速率保持在5 - 6 增长速率，到 2 0 1 0 的我国集成电路市场的总额将达到9 0 0 亿美元以上，约占当时世界集成电路 总销售额的2 0 。 近几年我国集成电路产业一直保持高速发展的态势。 5 1 我国集成电路产业已 华中科技大学硕士学位论文 经初步形成了由7 个芯片生产骨干企业、2 0 个封装厂、8 0 余家设计公司( 中心) 、 几家关键材料及专用设备制造厂组成的产业群体，设计、制造、封装三业并举的 发展模式己初见端倪。2 0 0 0 年我国集成电路产量超过5 0 亿块，销售收入超过1 5 0 亿元。我国集成电路市场销售额在过去的1 0 年中其平均增长速度超过4 0 ，大 约是同期国民经济g d p 增长速度的5 倍左右。 目前我国i c 产业结构正在逐步向设计、制造、封装三业并举方向发展，尤其 i c 设计业发展更为迅速，据不完全统计，以各种形态存在的i c 设计公司、设计 中心和设计室约有8 0 1 0 0 家，其中专业i c 设计公司约有2 0 3 0 家。 我国的集成电路设计业正处于方兴未艾的阶段，同时又恰逢全球半导体产业 的全面上升时期，而且有得到国家政策的有力扶持，因此，可以相信，在未来的 几年内，一定会有相当批的优秀民族i c 设计企业得以涌现。 1 3 课题的背景、目的及意义 作为一种全新的传输网体制，自从9 0 年代初出现以来，s d h 以其灵活性和 方便性等各方面的优越性，迅速成为通信网络的骨干网络。目前世界各国大多以 s d h 作为通信的骨干网络，在我国，干线网络也基本采用了s d h 网络。由于s d h 对于设备的要求较高，协议和结构比较复杂，因此s d h 专用集成电路( a s i c ) 的设计就成为必然。目前我国s d h 设备很多为国外设备，国内厂家的s d h 设备 的关键核心芯片也是来自国外有关厂家的。 在以往的s d h 系统设计中，集成电路的使用是分散的，而且集成度并不高， i c 芯片是通过印刷电路板( p c b ) 等技术实现整机系统的。尽管i c 的速度可以很 高，功耗可以很小，但由于p c b 板和i c 芯片之间的连线延时、p c b 板可靠性以 及重量等因素的限制，整机的系统的性能受到极大的限制。随着i c 设计技术和工 艺水平的提高，集成电路的复杂程度越来越高，器件特征尺寸越来越小，芯片规 模越来越大，数百万门级的电路可以集成在一个芯片上1 9 】【l 吼。单片系统级芯片设 计在速度、功耗、成本上和多芯片系统相比占有较大的优势。 本课题的目的是要用a s i c 的方法设计实用的s d h 解码芯片，它将s d h 解 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = ! ! ! ! = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = = 竺! = ! 詈竺= = ! ! = = = = ! = = = = ! = = ! = = ! ! = = 码过程中的帧同步、解扰、开销处理、误码校验、码速调整以及支路分接等主要 功能集中在单个芯片中，使得s d h 解码设备能够具有更小的体积、更高的效率和 更可靠的功能。解码芯片的a s i c 对于s d h 的设备未来的发展意义重大。 1 4 应解决的主要问题及应达到的技术要求 从整体设计角度来说，本课题应该完成s d h 系统中s t m 1 解码芯片的系统 设计和部分模块的功能实现。具体叙述如下： 1 ) 采用a s i c 设计的方法完成s d h 解码芯片的设计。采用自项向下的设计 方法，在搭建好总体框架的前提下使用v e r i l o g h d l 语言完成模块设计。 2 ) 帧同步及串并转换模块检测帧同步码组，以此来决定解码系统工作状态的 转移，输出系统状态指示；并且对接收到的s t m 一1 码流进行8 位串并转换，输出 并行码流和1 8 频率时钟。 3 ) 并行解扰模块对并行数据( 在发射端已进行过扰码) 进行解扰，恢复出正 确的信息码流。 4 ) 保证模块功能正确无误，仿真结果与s d h 解码实际工作状况相吻合。 5 ) 保证设计结果是可综合的，即设计结果可以被逻辑综合软件综合成实际电 路。 1 5 本设计指导思想 和一般的a s i c 设计不同，s d h 的芯片要求工作在较高的时钟频率下，这对 电路的可靠性、可实现性提出了更高的要求。因此，本次设计的重点放在s d h 芯 片的可靠性、准确性和实用性上。 1 6 本文目的和结构 在介绍了本课题的背景、意义、目的以及指导思想后，本文下面的内容是这 4 华中科技大学硕士学位论文 样安排的： 第2 章将叙述实现s d h 解码芯片中所用到的各种技术，主要包括a s i c 设计 相关技术和同步数字体系( s d h ) 相关技术两大方面。 第3 章将设计并论证s d h 解码芯片的总体设计方案。首先确定解码芯片整体 功能，然后对解码芯片进行功能模块划分，描述各个功能模块的具体功能，并给 出芯片的系统框图。 第4 章将详细论述解码芯片a s i c 设计过程中的重点和难点。分析并阐述部 分关键技术的原理和实现。给出了重点模块的具体实现方法。 第5 章阐述并分析了s d h 解码芯片设计的结果，包括仿真结果和综合结果两 部分。 第6 章对全文做了总结。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ! = = = = ! ! = ! = = = = = = = = = ! = = = = = ! = = = = = = = = = = = = ! = = = = = = ! ! = = = = 2 主要相关技术 实现s d h 解码芯片的设计主要涉及到两个领域的相关技术：a s i c 设计相关 技术和同步数字体系( s d h ) 相关技术。 2 1 a s i c 设计主要相关技术 2 1 1a s i c 简介f l l 随着微电子技术的发展，半导体集成电路工艺技术、支持技术、设计技术、 测试评价技术的规范化水平和集成度的不断提高，电子整机和电子系统的高速更 新换代，为开发周期短、成本低、功能强、可靠性高以及专利性与保密性好的专 用集成电路创造了必要而充分的发展条件，从而使得越来越多地使用a s i c 代替 中小规模集成电路构成电子整机或系统。 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t s ) 即专用集成电路，是指应特定 用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。a s i c 的特点就是面向 特定用户的需求：品种多、批量少、要求设计和生产周期短。a s i c 作为集成电路 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，具有 以下几个优越性： 1 ) 体积更小，重量更轻，功耗更低； 2 ) 可靠性提高； 3 ) 性能提高： 4 ) 保密性增强； 5 ) 成本降低。 a s i c 按设计方法不同，可分为全定制和半定制两类。全定制是基于芯片级的 设计方法，设计师使用版图编辑工具，从晶体管的版图尺寸、位置及互连线开始 6 华中科技大学硕士学位论文 亲自设计，以得到面积利用率高、速度快、功耗低的a s i c 芯片，但这种方法设 计周期长、费用高，适合于如c p u 等大批量的a s i c 芯片的设计。半定制是一 种简化设计、缩短设计周期、提高芯片成品率的约束性设计方法，半定制a s i c 分为掩摸a s i c 和可编程a s i c ，可编程a s i c 是指由用户编程实现所需功能的 专用集成电路，最具代表性的是f p g a ( 现场可编程逻辑阵列) ，它与掩膜a s i c 相比具有研制周期短、成本低、设计灵活等特点，近年来发展迅速，已在国内外 的计算机硬件、工业控制、智能仪器仪表、数字电路系统、家用电器等领域得到 广泛应用，并成为9 0 年代电子产品设计变革的主流器件。 2 i 2a s i c 设计中的主要技术 1 ) 自顶向下的设计方法【1 4 1 电子设计自动化( e d a e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 采用自顶向下 ( t o p - d o w n ) 的设计方法，首先从系统设计入手，在顶层进行功能的划分和结构 设计，在功能一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言( 如v h d l 、v e r i l o g ) 对高层次的系统行为进行描述，在系统级进行验证，然后利用逻辑综合优化工具 生成具体的门级逻辑电路网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集 成电路。设计人员只需输入系统的行为和功能描述，综合、优化、仿真及验证都 通过计算机来自动完成。自顶向下的设计方法具有以下优点： 由于系统的行为和功能描述完全独立于硬件电路的结构，在设计的最初阶 段，设计师可不受电路结构的约束，致力于系统的设计，避免了传统设计方法带 来的重新再设计风险，大大缩短了设计周期。 设计的再利用得到保证。目前的电子产品正向模块化发展，所谓模块化就 是对以往的设计成果进行修改、组合和再利用，产生全新的或派生设计，而自顶 向下的设计方法与系统结构无关，设计可以存档，以便将来再利用。 设计规模大大提高。简单的语言描述即可完成复杂的功能，而几乎不需要 手工绘图。 从上往下的每一级设计都要进行仿真，可随时纠正错误。 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = ! = = = = = = ! ! ! = ! ! ! = ! = = = = ! = ! ! = ! ! ! = ! ! = = = ! ! = = = = = = = = = = 芯片选择更加灵活。设计师可以在较短的时间内采用各种结构芯片来完成 同一功能描述，从而在设计规模、速度、价格及系统性能要求等方面进行平衡， 选择最佳结果。 2 ) 硬件描述语言h d l i n j 【1 3 】 随着大规模专用集成电路( a s i c ) 的开发和研制，为了提高开发的效率，增 加已有开发成果的可继承性以及缩短开发时间，各a s i c 研制和生产厂家相继开 发了用于各自目的的硬件描述语言。其中最有代表性的是美国国防组织部开发的 v h d l ( v h s i ch a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，g d a ( g a t e w a yd e s i g n a u t o m a t i o n ) 公司开发的v e r i l o gh d l ( 后c a d e n c e 公司收购了g d a 公司，v e r i l 0 2 语言为c a d e n c e 公司所有) ，以及日本电子工业振兴协会开发的u d l i 语言等。所 谓硬件描述语言，就是可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系的语 言。它能比电路原理图更有效的表示硬件电路的特性。 利用h d l 语言设计系统硬件方法，归纳起来有以下特点： h d l 支持数字电路的设计、验证、综合和测试，可以在行为领域和结构 领域对数字系统建模，支持这两个领域的所有描述层次，但不支持模拟电路的描述。 通常数字系统的设计可以分解成为三个领域五个抽象层次 4 4 1 ，如表2 1 所示。 表2 1 设计的抽象层次描述表 领域 抽象喜沁 行为领域结构领域物理领域 系统级性能描述部件及它们之间的逻辑芯片、模块、电路板以 连接及子系统的物理划分 算法级i o 应答算法级硬件模块、数据结构部件之间的物理连接 等 并行操作，寄存器传算术运算部件、多路选芯片、宏单元等 寄存器传输级输，状态序列择器、寄存器、总线、 ( r t l )微定序器、微存储器等 功能块的物理连接 逻辑级( 门级)用布尔方程叙述门电路，触发器，锁存器 标准单元布图 电路级微分方程表达晶体管、电阻、电容晶体管布图 华中科技大学硕士学位论文 h d l 既包含一些高级程序设计语言的结构形式，同时也兼顾描述硬件电 路连接的具体构件。 h d l 是并发的，即具有在同一时刻执行多任务的能力。一般来讲，程序 设计语言是串行的，但在实际硬件中许多操作都是在同一时刻发生的，所以h d l 语言具有并发的特征。 h d l 有时序的概念。一般地说，程序设计语言是没有时序概念的，但在 硬件电路中，从输入到输出总是有延时存在的。为描述这些特征，h d l 需要建立 时序的概念。因此使用h d l 除了可以描述硬件电路的功能外，还可以描述其时序 要求。 目前最主要的硬件描述语言是v h d l 和v e r i l o gh d l 【1 5 】。v h d l 发展的较早， 语法严格，而v e r i l o gh d l 是在c 语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言， 语法较自由。v h d l 和v e r i l o gh d l 两者相比，由于v e r i l o gh d l 早在1 9 8 3 年就 已推出，至今已有十三年的历史，因而v e r i l o gh d l 拥有广泛的设计群体，成熟 的资源比v h d l 丰富。而v e r i l o g h d l 与v h d l 相比最大的优点是：它是一种非 常容易掌握的硬件描述语言，而掌握v h d l 设计技术就比较困难。目前版本的 v e r i l o gh d l 和v h d l 在行为级抽象建模的覆盖范围方面也有所不同。一般认为 v e r i l o gh d l 在系统抽象方面比v i - i d l 强一些。v e r i l o gh d l 较为适合算法级 ( a l o g r i t h e m ) 、寄存器传输级( r t l ) 、逻辑级( l o g i c ) 、门级( g a t e ) 设计。 而v h d l 更为适合特大型的系统级( s y s t e m ) 设计。 v e d l o g 是一种非常类似c 的语言，因此它受到了那些在大学里学过c 语言的 工程师的欢迎。v 玎) l 是一种类似a d a 的语言，但大多数的工程师都没有使用a d a 语言的经验，掌握v h d l 设计技术难度较大。大体上，v e r i l o gh d l 在美洲地区 较受欢迎，而欧洲的厂家则较偏爱v h d l 。 2 1 3 a s i c 设计流程【1 4 l 用h d l 设计a s i c 时，首先用h d l 描述a s i c 的功能和行为，用皿l 仿 真与调试工具分析检查是否满足要求，进行功能仿真，功能验证后，把h d l 设 计输入h d l 综合工具，利用集成电路厂商或电子设计自动化厂商提供的被充分 验证过的工艺库，以面积、功耗和速度为目标进行优化，将电路映射为选定工艺 9 华中科技大学硕士学位论文 ! 竺! = ! ! ! ! 竺! ! 竺! ! 鼍= ! ! ! ! ! = = ! = = ! 竺= ! 烹= = = = ! = ! = = ! = = = ! 竺! 兰! ! ! = ! 苎! ! ! ! = ! ! 的网表，得到门级电路，再进行逻辑仿真，验证门级电路的行为和时序特性，然 后是物理设计，得到可供生产芯片的文件。物理设计完成后，一般还要进行延时 分析、故障分析和热分析等，保证最终的系统能稳定工作，满足设计指标。 具体过程可分为以下几个步骤： 第一步： 按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。 第二步： 输入h d l 代码，这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用 图形输入方式( 框图，状态图等) ，这种输入方式具有直观、容易理解的优点。在 本课题里，代码输入将在a c t i v e h d l 中完成，主要代码用v e r i l o g h d l 来描述， 部分采用b d e 原理图方式输入。 第三步： 将以上的设计输入编译成标准的h d l 文件。对于大型设计，还要进行代码级 的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、适 配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时 间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。 第四步： 利用综合器对h d l 源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件，这 是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对a s i c 芯片供应商 的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。 综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器 件的硬件特性，是较为粗略的，一般设计，这一仿真步骤也可略去。 第五步： 利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操 作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。适配完成后，产生多 项设计结果：适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情 况等：适配后的仿真模型：器件编程文件。根据适配后的仿真模型，可以进 行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性( 如时延特性) ，所以仿 真结果能比较精确的预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果达不到设计要求， 就需要修改h d l 源代码或选择不同速度品质的器件，直至满足设计要求。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ! = ! 皇= ! = = ! = 詈= = = = = = ! = ! = = = = = = ! = = = = = = = = ! = = = = ! = = ! ! = ! ! ! = = = ! ! ! 第六步： 将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片f p g a 或c p l d 中。如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易 转由a s i c 形式实现。 典型的设计流程如下图所示： 图2 - 1 典型a s i c 设计流程 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ! 苎= = = ! ! = = = ! ! = = = = = = = = 皇= = = = = = = ! = = = = = = ! 詈! ! ! ! 鼍! = = = = = ! = = 暑! = = = = ! = = = ! = ! = ! = ! z 1 4a s i c 设计工具 1 ) c a d e n c e 概述【1 7 l c a d e n c e 是一个大型的e d a 软件，它几乎可以完成电子设计的方方面面，包 括a s i c 设计、f p g a 设计和p c b 板设计。与众所周知的e d a 软件s y n o p s y s 相 比，c a d e n c e 的综合工具略为逊色。然而，c a d e n c e 在仿真、电路图设计、自动布 局布线、版图设计及验证等方面却有着绝对的优势。c a d e n c e 与s y n o p s y s 的结合 可以说是e d a 设计领域的黄金搭档。此外，c a d e n c e 公司还开发了自己的编程语 言s k i l l ，并为其编写了编译器。由于s k i l l 语言提供编程接口甚至与c 语言的接口， 所以可以以c a d e n c e 为平台进行扩展，用户还可以开发自己的基于c a d e n c e 的工 具。实际上，整个c a d e n c e 软件可以理解为一个搭建在s k i l l 语言平台上的可执行 文件集。所有的c a d e n c e 工具都是用s k i l l 语言编写的，但同时，由于c a d e n c e 的 工具太多，使得c a d e n c e 显得有点凌乱。这给初学者带来了较多的麻烦。 2 ) a c t i v e h d l l l 6 1 a c t i v e h d l 是a l d e c 公司开发的基于p c 机w i n d o w s 操作系统的h d l 模拟工 具，其操作界面是典型的w i n d o w s 软件界面，非常友好，简单易用，可以方便的 进行h d l ( 支持v h d l 和v e r i l o g ) 编译和仿真，不过不提供综合功能。 3 ) s y n p l i f y s y n p l i f y 是s y n p l i c i t y 公司开发的用于f p g a 和复杂p l d 的综合工具。该软 件可以在p c 、s u n 工作站和l i p 工作站上运行，操作界面非常简洁，很容易上手。 s y n p i i f y 也同时支持v h d l 和v e r i l o g h d l 。其综合流程为先读入h d l 设计源文 件，然后进行逻辑优化，最后是工艺映射。s y n p l i f y 支持a c t e l 、a l t e r a 、a t m e l 、 l a t t i c e 、l u c e n t 、x i l i n x 等众多公司的芯片产品。 4 ) f p g a e x p r e s s f p g ae x p r e s s 是一个简便易用的f p g a 和p l d 综合工具，其工作流程是读入 h d l 源文件( v e r i l o g h d l 、v h d l 以及它们的混合输入都支持) 、工艺库文件和 约束条件，就可以生成对应的网表，对综合出的实际电路可以进行进一步优化， 1 2 华中科技大学硕士学位论文 并能够进行时序分析，给出各条路径延时的详细数据。 2 2 同步数字体系( s d h ) 相关技术 2 2 1s d h 技术概述 同步数字体系( s d h ) 是一种光纤通信系统中的数字通信体系。它是一套新 的国际标准。s d h 既是一个组网原则，又是一套复用的方法。在s d h 基础上， 可以建成个灵活，可靠，能够进行遥控管理的全国电信传输网以至全世界的电信 传输网。这个传输网可以很方便地扩展新业务，还可以使不同厂家生产的设备进 行互通使用。 s d h 以s t m l 为基础，传输速率为1 5 5 5 2 m b p s 。更高速率以4 的整倍数递 增，信号序列为s t m - n ，如s t m l 、s t m _ 4 、s t m 1 6 。尽管s t m 一1 6 的速率已经 很高了，但在9 0 年代后以其已有向s t m 一6 4 ( 1 0 0 b p s ) 网络或广播分复用( w d m ) 发展的趋势。 s d h 网络是个将复接、线路传输及交换功能融为一体，由统一网管系统操 作实现网络有效管理、运行业务性能监视、动态网络维护的综合信息网络。有国 际统一标准，不同供应商设备之间可以兼容。s d h 网作为一种新的传输网体制， 不仅是用于光纤，也适用于微波和卫星传播。 2 2 2 s d h 与p d h 的比较 传统的数字通信制式是异步( 或称准同步) 数字系列( p d h ) 1 3 1 。所谓异步 是指各级比特率相对其标称值有一个规定容限的偏差，而且是不同源的。在数字 通信发展初期，异步数字系列起到了很大作用，使数字复用设备能先于数字交换 设备得到开发。但在数字网技术迅速发展的今天，这种基于点对点的体制正暴露 出一些固有的弱点。 为了适应新的电信网的发展，新一代公认的理想的传输体制，即光同步数字 华中科技大学硕士学位论文 ! = = = ! ! ! ! 竺! ! ! = ! = ! ! ! ! ! ! 竺! = = = = ! = = = = 竺! ! ! 竺! = 詈= = = = ! ! ! 竺= ! 竺竺! ! 竺! = = = ! = = ! = = = ! ! 竺= ! ! ! ! 系列( s d h ) 应运而生。 所谓s d h 是由些网络单元( 如复用器等) 构成的，在光纤( 或微波) 上进 行同步信息传输、复用的方式。s d h 的问世之所以被称为是通信传输体制上的重 大变革，皆因其具有许多p d h 所不及的优点。 1 ) s d h 拥有全世界统一的网络节点接口( n n i ) ，是真正的数字传输体制上的 国际性标准。 长期以来，世界各国数字通信设备基本上都采用准同步数字系列( p d h ) ，但 由于p c m 基群复用设备所采用的编码律及复用路数不同，故形成了两种不同的地 区性数字体制标准：一种是俄罗斯和欧洲系列( 我国亦采用此系列) ，以2 m b i t s 为基础；另一种是北美和日本系列，以1 5 s m b i t s 为基础。由于这两种系列具有 不同的比特率，因此，各个国家的设备只有通过光电转换变成标准电接口才能 互通，在光路上则无法实现互相调配。由于两大系列难以兼容，限制了联网应用 的灵活性，增加了网络运营成本，故给国际间互通联网带来了困难，而且向更高 群次发展在技术上也有更大难度。由于s d h 有一套开放的标准化光接口，因而使 现有准同步两大数字系列得以兼容，可以很方便地在光路上实现不同厂家新产品 的互通，使信号传输、复用和交换过程得到简化，从而降低了联网成本。 2 ) s d h 拥有一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块( s t m ) ，并采 用步复用方式，使得利用软件就可以从高速复用信号中次分出( 插入) 低速支 路信号，不仅简化了上下话路的业务，也使交叉连接得以方便实现。 通常，电端机是光纤数字通信系统的终端设备，它由基群和复接设备组成。 如4 个基群可以复接成一个二次群，4 个二次群可以复接成一个三次群，4 个三次 群可复接成一个四次群，4 个四次群可以复接成一个五次群。反之，1 个五次群可 以分解成4 个四次群，1 个四次群可以分解成4 个三次群，等等。在传统的异步 数字系列里，从高次群的信号中难以直接分出低次群的信号，必须采用逐级分接 和复接的方法进行，即将整个高速率信号一步一步地分解到所需的低速信号等级， 然后再一步一步地复用至高速信号。如：为了从四次群( 1 4 0 m b i t s ) 高速码流中 分出( 插入) 1 个基群( 2 m b i t s ) 支路信号，需要经过将四次分解成三次群、将 1 4 华中科技大学硕士学位论文 三次群分解成二次群、将二次群分解成基群的三次分接和复接过程才能完成。而 电信号的反复分接和复接，对全程全网的传输质量有明显的影响。 在s d h 光缆通信系统中，常规p d h 系统的众多复用器和线路终端被综合在 一个设备终端复用器( t m ) 中，省去了全套背靠背的复用设备。其支路接口可以 是2 m b i t l s 、3 4 m b i t s 、 1 4 0 m b i t s 和1 5 5 m b i l g s 的任意组合。因而利用软件系统 就可以很方便地从干路高速码率复用信号中一次性地分出( 插入) 低速码流支路， 避免了需要对全部信号按部就班地进行解( 复) 用的做法，不仅使上下业务十分 容易，而且可靠性也大大提高。如果将线路沿途的再生中继器换成分插复用器， 则在中途就可以任意分路和插入电路、速率也可以为2 m b i t s 、3 4 m b i t s 、1 4 0 m b i t s 和1 5 5 m b i t s 的任意组合，从而使区间通信变得十分灵活方便。此外，利用s d h 设备还可以对原有的光纤数字通信系统进行扩容。 3 ) s d h 拥有丰富的开销比特( 约占信号的5 ) ，以用于网络的运行、维护和 管理。 s d h 具有自愈保护功能，可大大提高网络的通信质量和应付紧急的能力。s d h 网结构有很强的适应性，现有的准同步数字体系、同步数字体系和宽带综合业务 数字网( b i s d n ) 均可进入其帧结构。 2 2 3 s d h 复用原理f 2 l f 2 口i 所谓复用就是将多个低速支路信号组合成单路高速数字流的过程。与传统的 p d h 复用不同，s d h 采用同步复用、映射、指针的新概念，增加了数据处理的灵 活性，使得p d h 僵硬的大量的硬件配置转变为灵活高效的软件配置。 s d h 的复用牵涉到两个重要的概念：映射和指针。映射是将各种支路信号适 配成虚容器( v c ) 的过程，使v c 成为可以在网内独立传送、复用和交叉互连的 实体。指针即地址。具体地说它在s d h 网中用来进行同步信号间的相位校准；在 网失步时作频率和相位校准；而在网络处于异步工作时做频率跟踪校准。 s d h 基本的复用原则是将多个低阶通道信号适配进高阶通道，并将1 个或多 个高阶通道信号适配进线路复用层进行传输。 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! 竺! ! = = = = 鼍竺! ! ! ! 鼍= = = = ! ! ! ! ! = = = = 皇= = ! ! = 詈! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! = ! = = = = ! ! ! = = = = 詈= ! ! ! ! 复用单元有： r l 阶容器( c _ n ) n 阶虚容器( v c n ) n 阶支路单元( t u - n ) 支路单元组( t u g n ) 1 3 阶管理单元( a u n ) 管理单元组( a u g n ) s d h 的具体复用过程如下图所示 图2 - 2s d h 的复用过程 t 7 3 5 k b 3 4 3 6 8 k b 在s d h 网中，分支数据放在标准尺寸的容器c ，由标准容器出来的数字流经 映射形成虚容器v c 。v c 是s d h 最重要的种信息结构，主要支持通道层连接。 v c 的包速率与网络同步，而不同的v c 包封速率是同步的，v c 在s d h 网中传输 时保持完整不变，因而可以作为一个独立实体从通道中任何点取出或插入，进 行同步复用和交叉互连处理。v c 出来的数字流进入支路单元( t u ) 或管理单元 ( a u ) 。t u 是一种为低阶信息通道和高阶信息通道提供适配功能的信息结构，由 低阶v c 和支路单元帧位置动态定位( t up r d ) 组成。t up r d 为