（生物医学工程专业论文）基于fpga的精简指令集计算机的研究与开发.pdf

东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o na n de x p l o i t u r ef o r t h er e d u c e di n s t r u c t i o n s e t c o m p u t e rb yf p g a a b s t r a c t c p l da n df p g a b e i n gl a r g e - s t y l e da n dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( p l d la r e n o w a d a y st w ok i n d so fp r o g r a m m a b l ea p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e de i r c u i t ( a s i c ) t h a ti sb e i n gu s e dm o s t e x t e n s i v e l y e l e c t r o n i ce n g i n e e r c a l lg e tt h ea s i ct h e yn e e d b yu s i n gc p l d a n df p g ai n 氆e i ro f f i c e so rl a b o r a t o f i e s , t h u st h et i m eo f p r o d u c t s a p p e a r i n go nt h em a r k e ti s s h o r t e n e dc o n s u m e d l ya n dt h ed e v e l o p m e n tc o s ti s l o w e r e d ，t na d d i t i o n , p l d sc h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i cr e p r o g r a m m a b i l i t ya n dd y n a m i c s v s t e mr e c o n s t r u c t i o nm a k ei t p o s s i b l e t o m o d i f y h a r d w a r e sf u n c t i o n b y p r o g r a m m i n g l i k es o , w a r e ，t h u st h ed e s i g no fe l e c t r o n i cs y s t e mg e t sm o r ev i v i d l y a n dm o r e g e n e r a l l y t h ep r o j e c ti st od e s i g nar e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e ru s i n go n ep l d i t i n t e g r a t e st h em c u a n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t so fm c u ，a n dc a ni n p u ti n s t r u c t i o n ， r u ni n s t r u c t i o na n do u t p u tr e s u l t ，t h ep r o d u c t i o no ft h ep r o j e c tc a nw i d e l yb eu s e di n t h ee l e c t r o n i cs y s t e m i na d d i t i o n , i tc a l la l s ob eu s e df o rt h ee x p e r i m e n ta b o u tt h e c o n s t i t u t et h e o r yo f c o m p u t e r t h ef i r s tc h a p t e ri n c l u d e st h eh i s t o r y , t o d a ya n dt h ef u t u r eo f t h ep r o g r a m m a b l e a s i ca n dt h ee d a t e c h n i q u e a sw e l la st h es k e l e t o no fm y t a s k t h ec o m p a r i s o n b e t w e e ns c h e m a t i ce n t r ym e t h o da n dh d l a n t r ym e t h o d sm a d ei nt h es e c o n d c h a p t e r a st h er e s u l to ft h ec o m p a r i s o n h d li su s e da st h ee n t r ym e t h o do f t h e p r o j e c t ，t h et h i r dc h a p t e rd e s c r i b e st h ed e t a i l e dd e s i g n i n gp r o c e s sa n d t h ed e s i g n i n g m e t h o da b o u tt h e p r o j e c t f i r s t t h ep r o j e c td e v i d e st h e r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e ri n t os i xu n i t s ，t h e ya r ea r i t h m e t i cu n i t ，c p uc o n t r o l l e ru n i t ，m e m o r yu n i t ， k e y b o a r d i n t e f f a e eu n i t ，d i s p l a y e ri n t e r f a c eu n i ta n ds y s t e mc o n t r o l l e ru n i t ，t h e ni tg o o n d e v i d i n g t h eu p p e ru n i ti n t os u b m o d u l e s t h e l a n g u a g ew h i c h i su s e di nt h ee n t r y m e t h o di st h ev e r i i o g - h d l 。i ti sn o ti n c l u d e di nt h ep a p e rf o rt h es a k eo ft h es p a c e l i m i t + t h es y n t h e s i sa n dt h ei m p l e m e n to ft h ed e s i g na r ed e s c r i b e di nt h ef o r t h c h a p t e lt h ef o r t hc h a p t e ra l s og i v e s t h et i m i n gw a v e f o r m t h i st h e s i sm a k e st h es u p e r f i c i a le x p l o r ea n da t t e m p tt ot h ef p g a b a s e d r i s c a i m i n g 采f p g a a n dr i s c i ta n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fr i s c c o m m e n c i n gf r o mt h e s y s t e mc o n s t r u c t i o no fc o m p u t e r b yt h ew a yo fd e s i g n i n gt h ef p g a _ r i s c ，t h e d e s i g n e r1 e a r n e dm o r e t ot h ep o t e n t i a lo f a s i ca n de d a k e yw o r d s ：r i s c ；f p g a ；e d a ；h d l ；p l d ；a s i c ；m c u i i i 。 声明 本人声骧雾荦呈交麓学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取穆的研究成暴除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写过的荟丹究成果，也不包括本人为获得其它学饿两使用过的 材料。与我一周工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：王虹 日 期：曲口职，+ i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 主要介绍a s i c 与e d a 技术的产生、发展过程以及它们在电子系统设计方 面的强大优势，其中包括课题中所使用的f p g a 芯片和v e r i l o gh d l 语言。另 外还对课题内容做了简单陈述。 1 1 前言 2 1 世纪的到来，人类正在跨入信息时代。从计算机到移动电话，从家用娱 乐使用的v c d 、h d t v 、多媒体电脑到军用雷达、医用c t 仪器等设备，无不 由各种各样的电子系统组成。在这些电子系统中，数字化技术的应用比比皆是。 由于数字技术在处理和传输信息方面的各种优点，数字技术与数字集成电路的 使用已经成为构成现代电子系统的重要标志【2 0 】。 随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展，电子系统的设计手段和设计 方法正在发生着日新月异的变化。特别是进入到2 0 世纪9 0 年代以后，e d a 技 术的发展和普及给电子系统的设计带来了革命性的变化，并已渗透到电子系统 设计的各个领域1 2 0 j 。 在半导体技术方面，可编程技术被广泛应用到器件的设计上，给数字系统 的设计带来了很大的灵活性。新的设计方法能够由设计者定义器件的内部逻辑 和管脚，将原来由电路板完成的大部分工作放在芯片的设计中进行。这样不仅 可以通过芯片设计实现多种数字逻辑系统功能，而且由于管脚定义的灵活性， 大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度，从而有效地增加了设计 的灵活性，提高了工作效率。同时，基于芯片的设计可以减少芯片的数量，缩 小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能和可靠性【2 0 l 。 可编程逻辑器件( p l d ) 和e d a 技术给今天的硬件系统设计者提供了强有 力的工具，使得电子系统的设计方法发生了质的变化。传统的“固定功能+ 连 线”的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于芯片的设计方法正在成为现代电 子系统的主流。现在只要拥有台计算机、一套相应的e d a 软件和空白的可 编程逻辑器件芯片，在实验室里就可以完成数字系统的设计和生产。可以说， 当今的数字系统设计已离不开可编程逻辑器件和e d a 设计工具。 随着集成电路技术的不断进步，现在人们可以把数以亿计的晶体管，几万 门、几十万门、甚至几百万门的电路集成在一块芯片上，半导体集成电路己由早 一1 一 东北火学硕士学位论兜第一章绪论 期的蕈元集成、部件电路集成发震到整梳电路集成和系统电路集成。电子系统 的设计方法媳由过去的那种集成电路厂家提供通用芯片，整机系统用户采用这 些芯片组成电子系统的设计方法改变为一种新的设计方法。在这种新的设计方 法中，圭整糗系绞蠲户怼整令系绫进嚣方案设诗窝臻糍划分，系统孛麴关键毫 路用一片或儿片专用集成电路a s i c 实现，且这些专用集成电路是由系统和电 路设计筛亲裔参与设计的，直至宪成毫路蜀蕊片敝胬的设计，再交由i e 互厂投 片加工，或豢使用w 绽程a s i c ( 例如c p l d 和糟g a ) 现场编援实现。 1 。2 可编程技术 2 。1 a s l 0 的特点及英设计流稳 a s i c 直译为“专用集成电路”，它是面向专门用途的电路，以区剐于标准 逻辑、逶蠲孝诺器、逶弱微处理器等彀鼹。瓣藏在集成电鼹器，a s i c 竣谈为 是用户专用集成电路，即它是专门为一个用户设计和制造的。换富之，它是根 据菜用户豹特掰要求，能戬低研镧成本，麓交货弼期供赞静全定割，率定翻 集成墩路i 。 a s i c 的提出和发展说明集成电路进入了一个新阶段。通用的，标准的集 裁宅鼹基不熊完全逶应宅晕系统豹急联变拢翻更瑟羧我。务个电予系统生产厂 家都希望生产出具有自己特色和个性的产品。而只有a s i c 产品才能实现这种 要求。这也楚自秘世纪8 0 年代中麓；i 来，a s l e 褥至l 广泛传播釉重筏盼穰本 原因。目前a s i c 农总的i c 市场的占商率为1 3 ，农整个逻辑电路市场中的占 有率融超过半。与通用集成电路相比，a s i c 在构成电予系统时具有以下几 个方嚣茨凌越蛙： 1 ) 缩小体积，减轻重量，降低功耗。 2 ) 提高可靠性。用a s i c 芯片滋行系统集成露，井郝连线减少，可靠佳鞠显提 蹇。 3 ) 易于获得简性熊。a s i c 针对专门的用途而特别设计，它是系统设计、电路 设计霸工艺设计懿紧密结金，这释一髂亿耱设计骞裂手褥瓣羲瑟寒毒熬褰性戆 系统。 4 ) 增加保密性。电子产晶中的a s i c 芯片对厢户来说相当子一个“黑盒子”。 在太懿星应粥蹲，珂显著降低系统成本1 1 。 ，2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2a sj c 不同设计方法的特点 按照设计方法的不同，a s i c 可分为全定制和半定制两类。全定制法是一种 基于晶体管级的设计方法。半定制法是一种约束性设计方法。对于某些性能要 求很高、批量较大的芯片，一般采用全定制法设计。但是，很多产品的产量不 大或者不允许设计时间过长，这时只能对芯片面积或性能做出牺牲，并尽可能 采用已有的、规则结构的版图。或者为了争取时间和市场，也可采用半定制法， 先用最短的时间设计出芯片，在占领市场的过程中再予以改进，进行二次开发。 因此半定制与全定制两种设计方式的优缺点是互补的，设计人员可根据不同的 要求选择各种合适的设计方法： 1 ) 全定制2 ) 门阵列法3 ) 标准单元法4 ) 可编程逻辑器件法 可编程逻辑器件是a s i c 的一个重要分支。与前面介绍的几类a s i c 不同， 它是一种已完成了全部工艺制造、可直接从市场上购得的产品，用户只要对它 编程就可实现所需要的电路功能，所以称它为可编程a s i c 。前面三种方法设计 的a s i c 芯片都必须到i c 厂家去加工制造才能完成，设计制造周期长，而且一 旦有了错误，需要重新设计修改和制造，成本和时间要大大增加。而采用可编 程逻辑器件，设计人员在实验室即可设计和制造出芯片，而且可以反复编程， 修改错误，这就大大方便了设计者。 1 2 3 可编程a s l c 及其特点 1 2 3 1 可编程a s l c 的类型 可编程a s i c ，特别是现代可编程a s i c ( c p l d ，f p g a ) 的出现，使得电 子设计工程师或科研人员有条件在实验室内快速、方便地开发专用集成电路， 这些专用集成电路往往就是一个复杂的数字系统，因此，可以说可编程a s i c 给现代电子系统的设计带来了极大的变革。 可编程a s i c 是指由用户编程来实现所需功能的专用集成电路。按照结构 的复杂程度不同大致可分为简单可编程a s i c ，复杂可编程a s i c 和现场可编程 a s i c 三种类型。 1 ) 简单可编程a s i c 简单可编程a s i c 主要指早期开发的可编程逻辑器件p l d ，他们通常由“与 阵列”和“或阵列”组成，能够实现任何“以积之和”形势表示的各种布尔逻 辑函数。当“与”和“或”两个阵列都为可编程时，这个器件就称为p l a ，其变 3 。 东北尢学硕士学位论文第一章绪论 影为p r o m ，p a l 秘g a l ，戆者昊有固定豹与终列和弼续程的或簿列，嚣嚣考具 有可编程的与阵列和固定的或阵列。 g a l 帮p a l 楚旱赣褥至l 广泛应餍酶可编程a s i c 器件。逶鬻片p a l 袋 g a l 可用来代替4 1 0 片中、小规模黛成电路，从磷使电路的体积减小、成本 降低、可靠性提高。p a l 器件是一次性可编稷的，g a l 器件则可反复编程。 2 ) 复杂霹缡程a s i c 复杂可编程a s i c 主要是指复杂可编程逻辑器件c p l d ，它是2 0 世纪8 0 年 代后期待至4 邋速发膜的新一代可编程a s i c ，翠麓的p l d 结构筒肇，暴有成本 低、逮度抉、设计麓便等优点，但规模小，通常只礴几百个等效逻辑门，难以 实现复杂的逻辑。为了增加p l d 的密度、扩充其功能，一些厂窳对p l d 的结 构进行了改遴。铡鼯：在掰个逻辑阵歹l 黥基秣上太熬增麓浚窭宏雄元，挺供燹 大的与阵列以及采用分层次结构逻辑阵列等，使p l d 逐渐向复杂可编稷逻辑器 件过渡。 避入2 0 世纪9 0 年代鹾，复杂可编程逻辑器停融经成必可编理a s i c 豹主 流产晶，在熬个a s i c 市场占有了较大的份额。它们一般都具有可编稷特性， 实瑶豹工艺鸯e p r o m 技零、闲烁e p r o m 霸e 2 p r o m 技零。在誊连特经上， c p l d 采用连续互逑方式，即用阎定长度的金属丝实现逻辑单元之间的亘连。 这种连续式的互连结构髓够方便地预测设计的时序，同时保证了c p l d 的高速 性能。c p l d 集成废一般两达数手甚至数万门，能够实现较大规摸的电路集成。 3 ) 现场可编程a s i c 现场霹编程a s i c 主黉是捃璇场可编程门阵弼f p g a ，它是每传统p l d 不 同的类可编程a s l c 。它具有类似于半定制门阵列的通用结构，即由逻辑功能 块排列成阵剐组成，并由可编程的互连资源连接这些功能袭来实现所需的设计， f p g a 与楚簇门蓐穰熬不溺之她藏在予宅是巍建户瑰埂编稷来完成逻辑块之阉 的互遴，而后者需由i c 工厂通过掩膜来完成甄连。因此，在浆种意义上说，f p g a 是一种将门阵列的通用结构与p l d 的现场可编程祷往结合子一体酶薪蘩器佟， 具有集成度褒、通用性能好、设计灵涵、编稷方便、产品上市快速等多方面的 优点。 f p g a 最翠由荚藿x i l i n x 公司予1 9 8 5 冬推出。其典型产鑫翔x c 4 0 0 0 和 x c 5 0 0 0 系列均采用c m o ss r a m 工艺制造，可反复编程并能实现芯片功能的 动态熏构。f p g a 的设计可在厂家提供的开发系统中快速裔效地宪成，生成酶 设计文传以擒造伐鹩的形式存辕在f p g a 扑的存媸体中。系统上电时将这些构 造代码读入f p g a 内由s r a m 构成的配置存储器，并由各个配置存储单元控制 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 f p g a 中的可编程资源，实现专用设计。 与传统的可编程逻辑器件相比，f p g a 由于采用了类似门阵列的通用结构， 规模可以做得很大，可实现的功能更强，设计的灵活性也更大。在问世的前1 0 年里，单片可用门数以年均4 2 的速度增长，目前已突破1 0 0 万门。f p g a 中 包括丰富的触发器资源，有些还具有诸如片上r a m 、内部总线等许多系统级的 功能，因而完全可以实现片上系统的集成。就互连结构而言，典型的f p g a 通 常采用分段互连式结构，具有走线灵活、便于复杂功能的多级实现等优点，但 与此同时也带来了布线复杂度增加、输入至输出的延时变大及总的性能估计较 困难等问题。随着用户对f p g a 性能要求的多样化，出现了各种改进结构的 f p g a ，采用功能块内局部互连和功能块问用f a s tt r a c k ( 快速通道) 互连 相结合的方法，较好地解决了高集成度下芯片的走线规则性和延时可预测性问 题。就编程工艺而言，出现了用反熔丝作开关元件的f p g a 和用闪速e p r o m 单元控制开关元件的f p g a 。目前f p g a 的生产厂家已由最初的一家增加到十 多家，产品种类日益丰富，性能不断完善，成为最受欢迎的器件之一。 1 2 3 2 可编程a s i c 的特点 与掩膜a s i c 相比，可编程a s i c 具有以下特点： 1 ) 缩短研制周期 可编程a s i c 相对于用户而言，可以按一定的规格型号像通用器件一 样可以在市场上买到，a s i c 功能的实现完全独立于i c 工厂，由用户在实 验室或办公室里就可完成，因此不必像掩膜a s i c 那样花费样片制作等待的 时间。由于采用先进的e d a 技术，可编程a s i c 的设计与编程均十分方便 和有效，整个设计通常只需几天就可完成，缩短了产品研制周期，有利于 产品的快速上市。 2 ) 降低设计成本 制作掩膜a s i c 的前期投资费用较高，动辙数万元，只有生产批量很 大的情况下，才有价值，这种设计方法需要承担很大的风险，因为一旦设 计中有错误或设计不完善，则全套掩膜便不能再用，巨额的设计费用将付 之东流。采用可编程a s i c 为降低投资风险提供了合理的选择途径，它不 需掩膜制作费用，在设计的初期或在小批量的试制阶段，其平均单片成本 远低于门阵列。如果要转入大批量生产，由于已用可编程a s i c 进行了原 型验证，也比直接设计掩膜a s i c 费用小，成功率高。 3 ) 提高设计灵活性 ： 。 5 东北大学硕士学位论文第一窜绪论 可编程a s i c 怒一秘凌黑户缡援实现芯片功能懿器件，与由二f = 厂编羧 的掩膜a s i c 相比，具有更好的设计灵活性。首先，可编程a s i c 在设计完 成后可立酃编稷进行验证，香稻予及早发瑗设诗中的阔逶，完善设计；第二， 可缡程a s i c 中大多数器件均可反复多次编程，为设计修改和产品升级带柬 了方便；第三，基于s r a m = ：丌= 关的现场可编程门阵列f p g a 和基于c m o s 王艺兹焱系统霹编程逻辑器静l s p l d 其骞动态莛搀拷经，在系统中引入了 “软硬件”的全新概念，使得电子系统具有很好的灵滔性和囱适应性。 ，2 3 3 可编程a s l c 的发展趋终 可编程a s i c 已经成为当今世界上最富吸引力的半导体器件，在现代电子 系统设计中掺演饕越来越重要的角色。过去熬几年謦，霹缡程a s i c 拳场豹增 长主要来自大容量的可编程逻辑器件c p l d 和f p g a ，其未来的发展将呈现以 下几个方面的趋势； i ) 囱裹密发、大规模的方向发展。 2 ) 向系统内可重构的方向发展 系绞内可蘩橱是指虿缡程a s i c 在菱入蔫户系统嚣爨其鸯菠交葵内部功 能的能力，采用系统内可重构技术，使得系统内硬件的功能可以像软件那样 通过编穰来配鬣，从而在电予系统中弓f 入“软硬件”的全新裰念。窗不仅使 电子系统的设计和产鼹性熊的改进翱扩充变得十分简便，还使新一代电子系 统具有极强的炙活性和适应性，为许多复杂信号的处理和信息加工的实现掇 袋7 薪的愚路帮方法。 3 ) 向低电压、低功耗的方向发展 集成技术的飞速发展，正艺水平的不断提高，节能潮流在龛世界的兴超， 毽为半移传工欺提出了终抵王接奄援戆发嶷方岛。可编程a s i c 产品作为电 子系统的重要组成部分，也不可避免地向3 3 v _ 2 5 v 叶1 8 v 的标准靠拢， 戳使适戚其他数字器 牛，扩大应用范围，满足节能的妥求。 向裹速可预测娥时器件的方向发展。 可编程a s i c 能得以广泛的应用，与其灵活的可编程性分不开。另一方 嚣，嚣瓣特性魄是一个重要静藤嚣。终梵延辩蔼预测瓣器转，霹编理a s i c 的速度在系统中的作用巨大。当前的系统中，由于数据处理墩的激增，要求 数字系统有大的数据吞吐量，加之多媒体技术的邋速笈展，更多的怒图像静 处理，穗应的葵青高速的硬传系统，丽赢速的系统时钟是必不可少的条件。 可编程a s i c 如果要谯高速系统中占有一席之地，也必然向高速发展。另外， 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为了保证高速系统的稳定性，可编程a s i c 器件的延时可预测性也是十分重 要的。用户在进行系统重构的同时，担心的是延时特性会不会因重新布线的 改变而改变，否则将导致系统重构的不稳定性，这对庞大而高速的系统而言 将是不可想象的，其带来的损失将是巨大的。因此，为了适应未来复杂而高 速的电子系统的要求，可编程a s i c 的高速可预测延时也是一个发展趋势。 5 1 向混合可编程技术方向发展 迄今为止，有关可编程a s i c 的研究和开发的大部分工作基本都集中在 数字电路上，在未来几年中，这一局面将有所改变，模拟电路及数模混合电 路的可编程技术将得到发展。 可编程a s i c 是正在发展的技术，其未来发展的动力仍来自于实际应用 的要求和芯片制造商之间的竞争。可以断定，可编程a s i c 在结构，密度， 功能，速度和灵活性方面将得到进一步的发展，各制造商受商业利益驱动会 陆续推出一些新的技术来提高器件的性能以提高竞争力。随着工艺和结构的 改进，可编程a s i c 的集成度将近一步提高，性能将近一步完善，成本将逐 渐下降，在现代电子系统设计中将起到越来越重要的作用【l j 。 1 2 3 4 s p a r t a n i i 2 5 vf p g a 系列简介“” s p a r t a n i i 2 5 v 现场可编程门阵列提供高速、大量的逻辑资源和丰富的性 能体系，而且成本非常低。门数从1 5 ，0 0 0 门到2 0 0 ，0 0 0 门，系统时钟可达2 0 0 m h z s p a r t a n - i i 器件采用基于v i r t e x 的流水线结构，比其他f p g a 芯片具有更多的 门数、i o 单元和更高的性能价格比。性能包括块r a m ，分布r a m ，1 6 个可选 i 0 标准和4 个d l l 。快速、可预铡的内部连接意味着反复设计仍能保证时序的 要求。 s p a r t a n i i 系列是掩膜a s i c 芯片的良好替代品。它避免了初始成本高、设 计周期长和传统a s i c 芯片的固有风险。另外，f p g a 还允许现场升级，这跟硬 件无关。 性能特点：1 ) 第二代a s i c 替代技术 一高密度。 一基于v i r t e x 工艺的流水线技术。 一反复无数次编程。 低成本。 2 ) 系统级特性 采用s e l e c t l l 久m + 3 级存储结构。 一7 东北文学硕士学位论文第一章绪论 。p c i 全兼容。 低电压分段式布线结构。 完全回读琵力黻用于验证。 熨快的进位逻辑。 专用乘法器。 大蠡豹鸯傻蕤、复整、萋霞端静寄存器，锬存器。 4 个专用d l l 允许高级时钟控制。 4 个低摆率全局时钟分布网络。 与i e e e l1 4 9 。l 兼容的边界 鼍接。 3 ) 通用的i o 单元和包装 完全支持x i l i n x 开发系统 一f o u n d a t i o ni s e 系列 第三方王其 一是动m a p p i n g , p l a c e m e n t 和r o u t i n g ， 结构简介； s p a r t a n - i i 系弼f p g a 懿虿酸置逻辑块吴鸯袈鄹、灵活、霉绫程懿结梅，瘸 边为输入输出块。在4 个角有4 个延时琐定环。两个对边各有两个块r a m ，它 们位于c l b 和1 0 b 之间。这些功能单元在内部由分段式通用布线遴遒连接。 s p a r t a n 1 i 系列f p g a 被定制为装载配置数据至9 内部静态存储器单元。这种 方法使得无限次的编程成为可能。装载数据可从外部串行p r o m 读入，或者以串 行默模式、辨行获模式窝边界扫绉方武写入f p g a 。 x c i ? s 0 0 ap r o m 系列可用于s p a r t a n i i 系列f p g a 的串行配置。在系统可编 程x c l 8 v 0 0p r o mw 用于并行或帛行配谶。 1 3 e d a 技术的基本特截和工具 e d a 可以看你是电子c a d 的高级阶段，在现代电子系统设计领域，e d a 技术融经成为电子系统设计酶薰簧手段，无论是设计逻辑芯片还蹩数字系统， 其设计馋业的复杂程度都在不断增加，现今仪仅依靠手工进行数字系统设计已 经不能满足要求，所有的设计工作都需要在计算机t 借助予e d a 软件工具进 行。焱e d a 软箨戆支持下，设谤者只饕完成砖系统动能豹接述，鹱可敬垂计算 机软件进行处理得剿设计结果，修改设计如同修改稷序一样方便。利用e d a 设 计工舆，设计者可以预翔设计缭栗，减少设计的盲黼侄，授太的提高设计的效 8 东北大学硕士学住论文第一章绪论 率【1 7 】。 1 3 1e d a 技术的范畴 e d a 即电子设计自动化。e d a 技术指的是以计算机硬件和系统软件为基本 工作平台，继承和借鉴前人在电路和系统、数据库、图形学、图论和拓朴逻辑、 计算机学，优化理论等多学科的最新科技成果而研制成的商品化e d a 通用支撑 软件和应用软件包，旨在帮助电子设计工程师在计算机上完成电路的功能设计， 逻辑设计，性能分析，时序测试及p c b 自动设计等。 与早期的电子c a d 软件相比，e d a 软件的自动化程度更高，功能更完善， 运行速度更快，而且操作界面友好，有良好的数据开放性和互换性，因此e d a 技术很快在世界各大公司，企业和科研单位得到了广泛应用，并已成为衡量一 个国家电子技术发展水平的重要标志。 e d a 技术的范畴应包括电子工程师进行产品开发的全过程，以及电子产品 生产的全过程中期望由计算机提供的各种辅助工作。从一个角度看，e d a 技术 应包括电子电路设计的各个领域：即从低频电路到高频电路、从线性电路到非 线性电路、从模拟电路到数字电路、从分立电路到集成电路的全部设计过程。 1 3 2e d a 技术的基本特征 现代e d a 技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能 力。 相关概念： 1 ) 硬件描述语言( h d l ) ：用硬件描述语言进行电路与系统的设计是当前e d a 技术的一个重要特征。与传统的原理图设计输入方法相比较，硬件描述语 言更适合规模日益增大的电子系统，它还是进行逻辑综合优化的重要工具。 硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特 征。它的突出优点是：语言的公开可利用性：设计与工艺的无关性；宽范 围的描述能力；便于组织大规模系统的设计；便于设计的复用和继承性。 目前常用的硬件描述语言有v h d l 和v e f i l o gh d l ，它们都已经成为i e e e 标准。 2 1 逻辑综合与优化：逻辑综合功能将高层次的系统行为设计自动翻译成门级 逻辑的电路描述，做到了设计与工艺的独立。优化则是对于综合生成的电 一9 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 路网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小、更快的综合结果替代一 些复杂的逻辑电路单元，根据指定的目标库映射成新的网表。 3 ) 开放性和标准化：框架是一种软件平台结构，它为e d a 工具提供了操作环 境。框架的关键在于提供与硬件平台无关的图形界面以及工具之间的通信、 设计数据和设计流程的管理等，此外还包括各种与数据相关的服务项目。 任何一个e d a 系统只要建立了一个符合标准的开放式框架结构，就可以接 纳其他厂商的e d a 工具一起进行设计。这样，框架作为一套使用和配置 e d a 软件包的规范，就可以实现各种e d a 工具间的优化组合，并集成在一 个易于管理的统的环境之下，实现资源共享。 近年来，随着硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化，不同设计 风格和应用的要求导致各具特色的e d a 工具被集成在同个工作站上，从 而使e d a 框架标准化。新的e d a 系统不仅能够实现高层次的自动逻辑综 合、版图综合和测试码生成，而且可以使各个仿真器对同一个设计进行协 同仿真，进一步提高了e d a 系统的工作效率和设计的正确性。 4 1 库的引入：e d a 工具之所以能够完成各种自动设计过程，关键是有各类库 的支持，如逻辑模拟时的模拟库，逻辑综合时的综合库，版图综合时的版 图库，测试综合时的测试库等，这些库都是e d a 设计公司与半导体厂商紧 密合作、共同开发的【1 7 j 。 1 3 3e d a 的基本工具 集成电路技术的发展不断对e d a 技术提出新的要求，促进了e d a 技术的 发展。但总的来说，e d a 系统的设计能力一直难以赶上集成电路技术发展的要 求。e d a 工具的发展经历了两大阶段：物理工具阶段和逻辑工具阶段。现在 e d a 和系统设计工具正逐渐被理解成一个整体的概念电子系统设计自动化。 物理工具用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、印刷电路板布线 等。另外它还能提供一些设计的电气性能分析，如设计规则检查，这些工作现 在主要由集成电路厂家来完成。 逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念的。首先由原理图编辑 器或硬件描述语言进行设计输入，然后利用e d a 系统完成逻辑综合、仿真、优 化等过程，最后生成物理工具可以接受的网表或v h d l ，v e r i l o gh d l 的结构化 描述。 在过去3 0 多年来，人们丌发了大量的计算机辅助设计工具来帮助集成电路 一l o 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的设计，这些设计工具的分类如下： 1 ) 编辑器：编辑器包括文字编辑器和图形编辑器。在系统级设计中，文字编辑 器用来编辑硬件系统的自然描述语言，在其他层次用来编辑电路的硬件描述 语言文本，在数字系统中的门级、寄存器级以及芯片级，所用的描述语言通 常为v h d l 和v e r i l o gh d l ；在模拟电路级，硬件描述语言通常为s p i c e 的 文本输入。 图形编辑器可用于硬件设计的各个层次。在版图级，图形编辑器用来编 辑表示硅工艺加工过程的几何图形。在高于版图层次的其他级，图形编辑器 用来编辑硬件系统的方框图、原理图等。典型的原理图输入工具至少应包括 以下3 个组成部分： ( 1 ) 基本单元符号库，主要包括基于单元的图形符号和仿真模型 在实际应用时，硬件设计者除了采用基本单元和标准单元外，还应该 能够使用原理图编辑器建立自己专用的图形符号以及相应的仿真模 型，并加到基本单元符号库中，供下次设计时使用。 ( 2 ) 原理图编辑器的编辑功能 ( 3 ) 产生网表的功能 2 ) 仿真器：仿真器又称模拟器，主要用来帮助设计者验证设计的正确性。在硬 件系统设计的各个层次都要用到仿真器。在数字系统设计中，硬件系统由数 字逻辑器件以及它们之间的互连来表示。仿真器的用途是确定系统的输入 输出关系，所采用的方法是把每一个数字逻辑器件映射为一个或几个进程， 把整个系统映射为由进程互连构成的进程网络，这种由进程互连组成的网络 就是设计的仿真模型。 3 ) 检查分析工具：在集成电路设计的各个层次都会用到检查分析工具。在版 图级，必须用设计规则检查工具来保证版图所表示的电路能被可靠地制造出 来。在逻辑门级，检查分析工具可以用来检查是否有违反扇出规则的连接 关系。时序分析器一般用来检查最坏情形时电路中的最大和最小延时。 4 ) 优化，综合工具：优化，综合工具用来把一种硬件描述转化为另一种描述，这 里的转换过程通常伴随着某种改进。在逻辑门级，可以用逻辑最小化来对布 尔表达式进行简化。在寄存器级，优化工具可以用来确定控制时序和数据路 径的最优组合。各个层次的综合工具可以将硬件的高层次描述转换为低层次 描述，也可以将硬件的行为描述转换为结构描述。 目前国际上具有代表性的e d a 供应商有c a d e n c e ，s y n o p s y s ， a v a n t ! ，m e n t o r 等，他们都在我国设有代表或代理处。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 e d a 行业发展十分迅速，竞争也非常激烈。总体上说，在逻辑验证方面， s 1 r n o p s y s 独占鳌头，c a d e n c e 则在前端仿真和后端版图设计工具上继续 保持优势，但a v a n t ! 己成为其强有力的竞争对手，尤其是在超深亚微米 ( v d s m ) 设计领域，后者的表现非常突出。m e n t o r 则在自动测试验证与 提取验证工具方面尚占有一定的优势【1 7 1 。 1 3 4v e ri i o gh d l 介绍 v e r i l o g h d l 是硬件描述语言的一种，用于数字电子系统的设计。它允 许设计者用它来进行各种级别的逻辑设计，可以用它进行数字逻辑系统的仿真 验证、时序分析、逻辑综合。它是目前应用最广泛的一种硬件描述语言。v e r i l o g h d l 是专门为复杂数字逻辑电路和系统的设计仿真而开发的，本身就非常适合 复杂数字逻辑电路和系统的仿真和综合。由于v e r i l o gh d l 在其门级描述的底 层，也就是在晶体管开关的描述方面比v h d l 有强得多的功能，所以即使是 v h d l 的设计环境，在底层实质上也是v e r i l o gh d l 描述的器件库所支持的。 在亚微米和深亚微米a s i c 和高密度f p g a 已成为电子设计主流的今天，v e r i l o g h d l 的发展前景是非常远大的【i ”。 采用v e r i l o gh d l 设计复杂数字电路的优点： 1 ) 可移植性好，与工艺的无关性 采用电路原理图输入法进行设计，存在着设计周期长，需要专门的设计工 具，需手工布线等缺陷。而采用v e r i l o gh d l 输入法时，由于v e r i l o gh d l 的标 准化，可以很容易地把完成的设计移植到不同厂家的不同芯片中去，并在不同 规模应用时可以较容易地进行修改。 采用v e r i l o gh d l 输入法最大的优点是其与工艺的无关性。这使得工程师 在功能设计、逻辑验证阶段，可以不必过多考虑门级及工艺实现的具体细节， 只需要利用系统设计时对芯片的要求，施加不同的约束条件，即可设计出实际 电路。实际上这是利用了计算机并在e d a 工具的帮助下，把逻辑验证与具体工 艺库匹配、布线及时延计算分成不同的阶段来实现，从而减轻了人们的繁琐劳 动。 2 1 v e r i l o gh d l 的标准化与软核的重用 v e r i l o gh d l 是在1 9 8 3 年由g a t e w a y 公司首先开发成功的，经过诸多改 进，于1 9 9 5 年1 1 月正式被批准为i e e e - - 1 3 6 4 标准。 v e r i l o gh d l 的标准化大大加快了v e r i l o g h d l 的推广和发展。由于v e r i l o g 一1 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 h d l 设计方法的与工艺无关性。因而大大提高了v e r i l o gh d l 模型的可重用性。 我们把功能经过验证的、可综合的、实现后电路结构总门数在5 0 0 0 门以上的 v e r i l o gh d l 模型称之为“软核”，而把由软核构成的器件称为虚拟器件，在新 电路的研制过程中，软核和虚拟器件可以很容易地借助e d a 工具与其他外部逻 辑综合为一体。这样，利用软核和虚拟器件的重用性就可大大缩短设计周期， 加快了复杂电路的设计。 3 ) 软核、固核和硬核的概念以及它们的重用 把在某一种现场可编程器件上实现的，经验证是f 确的总门数在5 0 0 0 门以 上的电路结构编码文件，称之为“固核”。 把在某一种专用半导体集成电路工艺的器件上实现的经验证是正确的总门 数在5 0 0 0 门以上的电路结构掩膜，称之为“硬核”。 软核具有最大的灵活性，它可以很容易地借助e d a 工具与其他外部逻辑结 合为一体，相比之下固核和硬核与其他外部逻辑结合为一体的灵活性差得多， 特别是电路实现工艺技术改变时更是如此。 4 ) v e r i l o g h d l 简单易学【。8 j 。 1 4 课题简介 1 4 1 课题名称 基于f p g a 的精简指令集计算机的研究与开发( 简称f p g a _ r i s c ) 1 4 2f p g ar i s o 的结构及功能 1 ) 中央处理器单元( c p u ) ：取指令；分析指令；执行指 令： 2 ) 存储器单元( m e m o r y ) ：存储指令代码或数据。 3 ) 键盘接口单元( k e y b o a r d ) ； 一数字键：0 f ； 功能键：写程序；读程序；更改程序；执行 程序； 4 ) 显示接口单元( d i s p l a y ) ：显示存储器单元的内容。 5 、系统单元( s y s t e m ) ：外设接口； 一1 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 号 1 4 3 f p g a _ r i s c 的指令系统 产生协调各币元工作的系统控制信 1 ) a d d ：加法操作。 2 ) s u b ：减法操作。 3 ) m u l ：乘法操作。 4 ) d i v ：除法操作。 5 ) l d a ：读存储器或外设端口。 6 ) s t a 、7 ) s t b ：写存储器或外设端口。 8 ) j m p ：无条件跳转。 9 ) h l t ：暂停操作。 1 0 ) d p l 、1 1 ) d p h ：显示。 1 2 ) d l y ：延时操作。 1 3 ) e e n d ：程序结束运行。 1 4 ) a n d ：逻辑与。 1 5 1o r ：逻辑或。 1 6 ) n o t ：逻辑非。 1 禾4f p g a r l s c 中使用的芯片和e d a 工具 1 1 芯片：x i l i n x 公司的s p a r t a n 2 一x c 2 s