（通信与信息系统专业论文）基于pci总线的高速数据传输卡的研制.pdf

摘要 摘要 ( 计算机技术的发展为人们利用现代d s p 技术高速大量地处理信 忠提供了有效手段，而数据采集技术在其中起了关键性的作用p c 机在我国科研和生产中应用十分广泛，因而开发基于p c 机系统的 高性能廉价的数据采集系统具有很好的应用前景 目前用于p c 机的数据采集卡很多是基于i s a 总线结构的，这种 结构的最大缺点是传输率低，在数据量大时，很难实现实时传输。 p c i 总线推出后，以其突出的性能倍受计算机厂家和开发人员的青 睐，p c i 总线宽度为3 2 6 4 位，同步操作时钟频率为3 3 6 6 1 衄z ，数 据最大传输率可以达到1 3 2 5 2 8 m b p s ，因而在高速大量数据实时采 集的设计中，人们正越来趱多地采用p c i 总线作为数据的传输总线 随着v l s i 技术的发展，可编程逻辑器件c p l d f p o a 越来越受 到人们的青睐它们具有集成度高、速度快、开发周期短、费用低、 用户可定义功能及可重复编程和擦写等许多优点，已成为研制和开 发复杂数字系统的理想选择j 在本论文中以f p g a 为载体，设计了基于p c i 总线的数据传输卡， 将采集的数据通过传输卡直接传到p c 机，有效地解决了数据的实 时传输和存储，基本上满足了现代d s p 技术对数据实时处理的传 基于p c i 总线的高速数据传输卡的研制 输要求在开发过程中，采用了自顶向下的方法，对传输卡的功能 进行了层次化设计；在硬件设计中使用v h d l 语言进行编程，使设 计的电路具有良好的可移植性传输卡电路的主要部分( p c i 接口 和传输控制) 由一片f p g a 实现，不仅简化了硬件电路，降低了成 本，而且易于升级。 f f 传输卡的重要部分一p c i 接口实现了p c i 接口的配置空间、i o 读写和内存读写的功能，这一部分的实现是本论文的一个特色目 前在以p c i 总线作为传输总线的数据采集的设计中，实现p c i 接口 主要有两种方法： ( 1 ) 采用专用p c i 接口芯片，例如，p l x 9 0 5 0 系列目标设备接 口芯片和主从控制接口芯片$ 5 9 3 3 等这些专用芯片符合p c i 规 范，一般能够提供3 种总线接口：p c i 总线、a d d o n 总线以及外部 存贮器接口，数据传输可以在p c i 总线与a d d o n 总线或p c i 总线与 外部存贮器之间进行。 ( 2 ) 使用基于可编程逻辑器件( p l d ) 结构的p c im e g ac o r e p c i m e g ac o r e 是一个软件包，能实现p c i 控制电路的所有功能， 用户把它作为一个模块，和自己设计的设备接口程序一同在p l d 上 实现。 第一种方法的成本低，但外围电路复杂；第二种方法需要购买 摘要 p c im e g ac o r e 的使用授权，因而成本较高，但硬件电路简单可靠， 而且因为设计是基于p l d 结构的，所以升级也比较方便。 ， 本论文中p c i 接口是采用正向设计方法设计的、具有自主知识 产权的i p 模块，综合了上述两种方法的优点，能够在基于p c i 总 线的应用中方便地使用。 广 图1 和图2 分别为传输卡的工作原理框图和逻辑结构框图 ( p c i 总线接口 处理终端 圈i 传输卡的工作原理框图 传输卡的工作过程是：当接收机的f i f o 达到半满时，发送请求 触发给传输卡；传输卡响应中断请求并发出取数时钟，从接收机的 f i f o 中获取一组数据，将其存放在传输卡的缓) 中区内，接收完毕后 向w i n 9 5 n t 驱动程序发出中断请求；驱动程序响应中断后从缓冲 区取出所有数据，然后用消息通知终端应用程序；终端应用程序利 用驱动程序读取该组数据，进行处理和显示 基于p c i 总线的高速数据传输卡的研制 传输卡的电路包括两部分：p c i 总线控制和传输控制芯片 ( f p g a ) ，先进先出f i f o 。 p c i 总线控制和传输控制芯片( f p g a ) 在f p g a 上实现p c i 的接1 3 功能和接收机与传输卡间以及传输卡 与处理机间的数据传输的控制。 先进先出( f i f o ) 为了在凋, - w - 必雨训速率要求的前提下，减轻数据存储对记录设备速 度方面的要求，采用了f i f o 存储器对数据进行缓冲，在一定程度上 降低了对存储设备速度方面的要求。 到处理机 摘要 在论文的实验以及撰写过程中，对可编程逻辑器件的结构有了 一定的了解，对器件的选用积累了一些经验；通过在设计过程中发 现问题和解决问题，对e d a 工具、软硬件协同设计环境及设计方 法学也有了较深的理解，基本掌握了v h d l 程序设计、逻辑综合、 时序分析、功能验证等现代电子设计技术，为后续的开发工作奠定 了的基础 关键词：电子设计自动化 可编程逻辑器件 p c i 局部总线数据传输卡 现场可编程门阵列 基于p c i 总线的高速数据传输卡的研制 a b s t r a c t w k ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o d e md s ph a s b e c o m ea l le f f i c i e n tm e a n so fh i g h - s p e e 2i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g a n d d a m a c q u i r i n gp l a y s a l li m p o r t a n tr o l ei nd s ef o rp c sa r ev e r y p o p u l a r i n o u rc o u n l l y , i ti so f g r e a te c o n o m i ca n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o p c h e a p a n d h i g h l y e f f i c i e n td a t a a c q u i r i n gs y s t e m b a s e d0 1 1p c s a t p r e s e n t , m o s t o fd a t aa c q u i r i n gc a r d sa t eb a s e do ni s ab u s f o ri t s d a t a t r a n s m i a i n g r a t ei st o o l o w , i t c a l l h a r d l y r e a l i z er e a l - t i m e t r a n s m i s s i o nw h e n a p p l i e di nd a t ap r o c e s s i n gi nl a r g eq u a n t i f i e s b e c a u s e o f t h e p e r f e c tp e r f o r m a n c eo f p c ib u s e n g i n e e r sb e c o m ek l i n e d t oi ta s s o o na si tc a n l ei n t ob e i n g t h ep c ib u sw i d t hi s3 2o r6 4b i t s ，a n dt h e s y n c h r o n o u sc l o c ki s3 3o r6 6 m h z , s oi t s d a t a - t r a n s m i t t i n gr a t e c a n a c h i e v e1 3 2o r5 2 8 m b p s i nd a t ar e a l - t i m ea c q u i r i n g ，m o l ea n dm o l e d e s i g n s a l eb a s e do np c il o c a lb u s a tp r e s e n t , p l d s ( c p l d f p g a ) a r eb e i n g e n j o y e db ye l e c t r o n i c e n g i n e e r s p l d sa r eo f h i g hs p e e d 、l o wc o s t 、u s e r p r o g r a m m a b i l i t y a n d o t h e r a d v a n t a g e s ，a n dt h e ya r eg e t t i n gm o r ea n dm o l ew i d e l yu s e & f o r t h e i rf l e x i b i l i t y , p l d sh a v eb e c o m ei d e a l c a l t i e r sf o rc o m p l e xd i g i t a l s y s t e md e s i g n s r 摘要 i nt h i sp a p e r , ad a t a - t r a n s m i t t i n gc a r db a s e do nf p g ai sd e s i g n e d i t t r a n s f e r sd a t af r o mt h er e c e i v e rt op c s ，a n dm e e t st h er e q u i r e m e n t so f r e a l - t i m ed a t at r a n s m i s s i o n i nt h ec o u r s eo fd e s i g n i n g , u p - d o w n m e t h o di s a d o p t e da n dv h d lp r o v i d e sg o o dd i s p l a c a b i l i t yf o ri t t h e m a j o rp a r to f t h et r a n s m i t t i n gc a r di so has i n g l ef p g a ( i n c l u d i n gp c i i n t e r f a c ea n di r a n s m i s s i o nc o n l r 0 1 ) f o rp l d s a d v a n t a g e s ，t h eh a r d w a r e i ss i m p l e ，c h e a pa n d e a s y t ou p g r a d e t h e k e y o ft h e t r a n s m i t t i n g c a r d p c ii n t e r f a c e i m p l e m e n t s c o n f i g u r a t i o ns p a c e ，i 0 r e a d w r i t ea n d m e m o r yr e a d ，蜘t e ，w h i c h c h a r a c t e r i z e st h ed e s i g no ft h i sp a p e r a tp r e s e n t , t h e r ea m m a i n l yt w o s c h e m e si nt h ep c ii n t 5 r f a c ed e s i g no fd a t aa c q u i r i n gc a r db a s e do np c i l o c a lb u s ( 1 ) a d o p t i n gs p e c i a l i n t e r f a c e c h i p s ，s u c h a ss l a v ei n t e f f a c e c 脚 ( p l x 9 0 5 0 ) a n d m a s t e r s l a v ei n t e r f a c ec h i p ( $ 5 9 3 3 ) t h e s ec h i p sa c c o r d w i t hp c is t a n d a r d i ng e n e r a l ，t h e ys u p p o r tt h r e ek i n d so fb u si n t e r f a c e s ： p c ib u s ，a d d o nb u sa n de x t e m a l m e m o r yi n t e r f a c e s d a t ac a nb e t r a n s f e r r e d a m o n g t h e m ( 2 ) a d o p t i n g p c i m e g a c o r e p c i m e g a c o r ei sas o f t p a c k a g e a n dc a l l f i n i s ha l lf u n c t i o n so f p c ii n t e r f a c e u s e r sc a n p u r c h a s e i ta n d a p p l y i ti n 9 基于p c i 总线的高速数据传输卡的研制 t h e i ro w n d e s i g n s t h ec o s to ft h ef i r s ts c h e m ei s l o w ；b u tt h ep e r i p h e r a lc b m t sa r e c o m p l e x ；t h es e c o n d s c h e m e sp e r i p h e r a lc i r c u i t sa r es i m p l ea n dt h e d e s i g nc a nb e e ne a s i l yu p g r a d e d b u ty o u m u s t p u r c h a s et h ep e r m i s s i o n f i r s ti no r d e rt oa d o p tp c i m e g ac o r e ，s oi t sc o s t i sh i 曲t h es c h e m ei n t h i sp a p e rh a st h e s t r o n gp o i n t so f b o t h t h ea b o v ea n dc a nb e e a s i l yu s e d i n a p p l i c a t i o n sb a s e d o np c il o c a lb u s f i gla n df i 醇s h o wr e s p e c t i v e l y t h ef u n c t i o n p r i n c i p l eo f 恤s c h e m e a n di t sl o g i cs t r u c t u r e p r o c e s s o r f i g lf u n c t i o np r i n c i p l e t h ec a r dw o r k sa sf o l l o w s ：a tt h e b e g h - m i n e t h er e c e i v e rr e c e i v e sd a t a 缸 mt h er a d a r p r o c e s s o r , w h e nt h ef i f oi nt h er e c e i v e ri sh a l ff i l l e 正i t i n f o r m st h ec a r d ；t h e nt h ec a r dr e a d sd a t af r o m r e c e i v e ra n ds t o r e sm e s e l o 摘要 d a t ai ni t so w n b u f f e r ；, a f t e ra f i x e dn u m b e ro fd a t ah a v eb e e nr e c e i v e d , t h ec a r d i n t e r r u p t st h ep r o c e s s o r ；a tl a s t , t h ep r o c e s s o r r e a d sd a t af r o mt h e b u f f e ro nt h ec a r da n d p r o c e s s e s t h e m f i 雩2s t r u c t u r e t h em a j o rc i r c u i to ft h et r a n s m i t t i n gc a r di n c l u d e s ：p c ib u sc o n t r o l t r a n s m i s s i o nc o n t r o lc h i pa n df i f o p c ib u sc o n t r o l t r a n s m i s s i o nc o n t r o l c h i p ni m p l e m e n t st h ef u n c t i o n so fp c ii n t e r f a c e a n dr 七r f o r m sd a t a t r a n s m i t t i n ga m o n gr e c e i v e r , u 蛐m i t t m gc a r da n dp r o c e s s o r f 吨 基于p c i 总线的高速数据传输卡的研制 f i f oi sa d o p t e da st h ed a t ab u f f e r i td e c r e a s e st h eh i ：曲d e m a n d so n w i t ht h ew o r k o n , ih a v eb e e ng e a i n gm o r ea n dm o r ef a m i l i a r 、i 也 p l d s ，e d at o o l s ，s o f t w a r e a n dh a r d w a r e c o o p e r a t i v ed e s i g n c i r c u m s t a n c ea n dd e s i g nm e t h o d o l o g y a l lt h e s ep r o v i d et h ef o u n d a t i o n f o r s u b s e q u e n t w o r k 1 2 p l dp c il o c a lb u s 符号说明 狗号说明 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 g r a t ec i r c u i t s ) ：专用集成电路 c a d ( c o m p u t e r a i m e d d e s i g n ) ：电子辅助设计 c a e ( c o m p u t e r a i m e d e n g i n e e r i n g ) ： 电子辅助工程 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ：复杂可编程逻辑器 件 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) ：电子设计自动化 e d i f ( e l e c t r o n i c d a t a i n t e r c h a n g ef o r m a t ) ：电子数据交换格式 e s d a ( e l e c t r o n i cs y s t e md e s i g na u t o m a t i o n ) ：电子系统设计自动 化 f c d a ( f u l l - c u s t o md e s i 弘a p p r o a c h ) ：全定制设计方法 f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r m y ) ：现场可编程门阵列 g a l( g e n e r i c a r r a yl o g i c ) ： 通用阵列逻辑 h d l ( 1 - l a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ：硬件描述语言 i c r ( i n - c i r c u i tr e c o n f i g u r a b i l i t y ) ：在线可重配置 i s p 0 n - s y s t e m p r o g r a m m a b i l i t y ) ：在系统编程 l a b ( l o g i ca r r a yb l o c k ) ：逻辑阵列块 l m c ( l o g i c m a c r o c e l l ) ：逻辑宏单元 幕子p c i 总线的高速数据传输卡的研制 l p m ( l i b r a r y o f p a m m e t e r i z e d m o d u l e s ) ：参数模块库 p a l ( p r o g r a m m a b l ea r m yl o g i c ) ：可编程阵列逻辑 p r o m ( p r o g r a m m a b l er e a d - o n l ym e m o r y ) ：可编程只读存储器 p l a ( p r o g r a m m a b l ea r m yl o g i c ) ：可编程逻辑阵列 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) ：外围设备互连 p l d ( p r o g a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ：可编程逻辑器件 s c d a ( s e m i - c u s t o md e s i g na p p r o a c h ) ：半定制方法 s o c ( s y s t e m o na c h i p ) ：系统芯片 v h d l ( v e r y 脚s p e e d 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 ) ： 超高速集成电路硬件描述语言 v l s i ( v e r yl a r g e s c a l e i n t e g r a t ec i r c u i t ) ：超大规模集成电路 第一章引言 随着技术的进步，人类社会已进入到高度发达的信息化社会， 电子产品的性能不断提高，复杂度不断增大，更新换代的步伐也越 来越快，实现这种进步的主要原因是生产制造技术和电子设计技术 的发展前者的核心是微电子技术，以微细加工技术为代表，目前 已发展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个 晶体菅；后者的核心是e d a 技术，e d a 技术是以计算机为工作平台， 融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的成果研制而成的 电子c a d 通用软件包，主要辅助进行三方面的设计工作：i c 设计， 电子电路设计以及p c b 设计离开了e d a 技术的支持完成超大规模 集成电路的设计制造将交得十分困难，反过来，生产制造技术的不 断进步又促进了e d a 技术的不断发展，微电子技术和e d a 技术已成 为现代电子技术发展中令人瞩目的两个热点 在信息化社会，数字集成电路得到了广泛的应用，如信息高速公 路、多媒体电脑、移动电话系统等各种自动化设备都用到数字集成 电路数字集成电路已从早期的电子管、晶体管、小规模集成电路 ( s s i ) 、中规模集成电路( i v i s i ) 、大规模集成电路( l s i ) 发展到 超大规模集成电路( v l s l ) 以及许多具有特定功能的专用集成电路 基于p c i 总线的高速数据传辁卡的研制 ( a s i c ) 。随着v l s i 技术的发展，可编程逻辑器件c p l d f p g a 越 来越受到人们的青睐。由于它们具有集成度高、速度快、开发周期 短、费用低、用户可定义功能及可重复编程和擦写等许多优点，其 应用领域不断扩大可编程逻辑器件的灵活性和通用性使得它们已 成为研制和开发复杂数字系统的理想选择。 随着微处理机的性能不断提高和多媒体、网络技术的不断发展， 人们对微机系统的i o 带宽不断提出新的要求，原有的标准总线如 i s a 、e i s a 和m c 已经不能满足技术发展的要求为了适应这种发展， i n t e l 公司于1 9 9 3 年发布了p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ， 即外围部件互连) 总线规范。p c i 总线是一种高性能3 2 6 4 位地址数 据复用、高速外围设备接口局部总线，具有极高的数据传输率，而 且与处理器无关，并能支持多个外设，越来越受到计算机厂家和工 程开发人员的青睐，在现代d s p 技术中的关键环节一数据采集方面 也得到了广泛的应用，特别是在数据大容量、实时性采集中，采用 p c i 总线作为数据传输总线成为一个很好的选择 基于p c i 总线的数据采集卡的开发关键在于p c i 接口逻辑的实 现，一般有两种方案可以选择：一种是采用专用接口芯片：另- g o 是采用基于可编程逻辑器件( p l d ) 的p c i 接口模块第一种方案 的优点是成本低，但是硬件电路相对复杂，系统的升级优化不方便； 与第一种方案相比第二种方案的硬件电路简单，并且系统的升级简 单，但是设计p c i 接口模块的工作量很大。由于p l d 得到了广泛的 应用，各大国外f p g a 厂商纷纷推出基于可编程逻辑结构与工艺的 p c i - i p 模块( 分为软核、固核或硬核) ，国内的众多研究机构和大 公司也纷纷致力于具有自主知识产权的p c i i p 模块的设计和开发。 本课题首先要掌握e d a 和可编程器件的相关知识，学习使用v h d l 进行设计，还要全面了解p c i 规范和数据传输控制。要完成的任务 是使用v h d l ，以f p g a 为载体完成传输卡的硬件设计( 包括p c i 接口 模块和传输控制) ，以满足数据实时处理的传输要求 第二章e d a 工程 第二章e d a 工程 随着半导体工艺水平的不断提高，一个芯片中已经能够集成几 百万个门电路，一个完整的数字电子系统集成于单个芯片上( s y s t e m o na c h i p - - s o c ) 己成为可能，而用经典的电子设计方法完成这 样的系统设计是很困难的。随着电子技术、计算机硬件和软件的不 断发展，人们利用计算机进行电子系统辅助设计，大大提高了设计 效率，减轻了设计人员的劳动，缩短了设计周期，提高了设计成功 率，减少了设计缺陷，这些优点吸引了一批计算机软件专家、计算 机硬件专家以及半导体工艺专家从事e d a 工程的研究工作，使e d a 迅速发展成为- - f - j 崭新的学科 e d a ( e l e c l r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n ) 即电子设计自动化技术，是 一种以计算机为基本工作平台，利用计算机图形学、拓扑逻辑学、 计算数学以及人工智能学等多种计算机应用学科的成果开发出来的 一整套软件工具，是一种帮助电子设计工程师从事电子元件产品和 基于p c i 总线的高速数据传输卡的研制 系统设计的综合技术 e d a 技术的发展经历了三个阶段 二十世纪7 0 年代为c a d ( 计算机辅助设计) 阶段，随着中小规 模集成电路的开发应用，传统的手工制图设计印刷电路板和集成电 路的方法已无法满足设计精度和效率的要求，因此工程师们开始进 行二维平面图形的计算机辅助设计，以便解脱繁杂、机械的版图设 计工作，这就产生了第一代e d a 工具 到了8 0 年代，为了适应电子产品在规模和制作上的需要，出现 了以计算机仿真和自动布线为核心技术的第二代e d a 技术一c 碰( 计 算机辅助工程) 阶段与c a d 相比，除了纯粹的图形绘制功能外， 又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两 者结合在一起，以实现工程设计，这就是计算机辅助工程的概念 其特点是以软件工具为核心，通过这些软件完成产品开发的设计、 分析、生产、测试等各项工作c a e 的主要功能是：原理图输入， 模拟验证，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，p c b 后分析等 8 0 年代末到9 0 年代初出现了第三代e d a 工具，其主要特点是： 设计工作从高层次开始，使用标准化的硬件描述语言描述被设计电 路的行为特性，自顶向下的跨越各个层次完成整个设计，此外，第 三代e d a 工具还特别强调设计的可交流性、可再利用性和对大规模 电路设计的支持，又称为e s d a 阶段，印电子系统设计自动化它的 出现，极大地提高了系统设计的效率，使广大的电子设计师开始实 现慨念驱动工程”的梦想，设计师们摆脱了大量的辅助设计工作， 而把精力集中于创造性的方案与概念构思上，大部分工程实现中的 技术问题都可依靠e d a 工具解决，从而极大地提高了设计效率，缩 短了产品的研制周期搞i c 设计的人员不再仅仅是半导体工艺师， 还可以是电子线路设计师可见，e d a 工具的出现，给电子系统设 计带来了革命性的变化 随着i n t e l 公司p e n t i u m 处理器的推出，x i l i n x ，a 1 t c r a 等公 司几十万门甚至上百万门规模的f p g a 的上市，以及大规模的芯片 组和高速、高密度印刷电路板的应用，e d a 技术在仿真、时序分析、 集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及操作平台的扩展等方面 都面临着新的巨大的挑战这些问题实际上也是新代e d a 技术未 。 来发展的趋势 e s i ) a 是当今电子设计技术的发展方向，它的基本特征是：设计 基于p c i 总线的高速数据传输卡的研制 人员按照”自顶向下n 的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能 划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路( a s i c ) 实现， 然后采用硬件描述语言( h d l ) 完成系统行为级设计，最后通过综 合器和适配器生成最终的目标器件。这样的设计方法被称为高层次 的电子设计方法。下面是与e s d a 基本特征有关的几个概念。 经典电子设计的基本思路是选择标准集成电路”自底向上” ( b o t t o m - u p ) 地构造出一个系统，这样的设计方法要求设计者对 硬件电路非常了解，而且设计中出现的问题在硬件电路实现前很难 被发现，在出现问题后，需要重新修改硬件设计，因而开发周期长， 效率较低 高层次设计提供了一种”自顶向下”( t o p - d o w n ) 的全新的设计 方法，这种设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能框图的 划分和结构设计在方框图一级进行仿真，纠错，并用硬件描述语 言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，然后用综 合优化工具生成具体门电路的网表，其对应的物理实现级可以是印 刷电路板或专用集成电路由于设计的主要仿真和调试过程是在高 层次上完成的，不仅有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计 工作的浪费，而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的 一次成功率图2 1 为系统自动设计的自顶向下的流程图。 2 1 3 2a s i c 设计 图2 i 自顶向下的设计流程图 现代电子产品日益复杂，一个电子系统可能由数万个中小规模 集成电路构成，这就给产品带来了体积大、功耗大、可靠性差的问 基于p c ! 总线的高速数据传输卡的研制 题，解决这一问题的有效方法就是采用a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，专用集成电路) 芯片进行设计。 a s i c 具有以下几个优点： 降低了产品的综合成本 提高了产品的可靠性 夺提高了产品的保密程度和竞争能力 夺降低了电子产品的功耗 提高了电子产品的工作速度。 减少了电子产品的体积和重量 a s i c 按照设计方法的不同可分为：全定制a s i c 和半定制a s i c 和可编程a s i c 全定制是基于晶体管级的a s i c 设计方法设计全定制a s i c 芯 片时，设计者使用版图编辑工具，从晶体管的版图尺寸、位置和互 连线开始设计，最后将设计结果交由i c 厂家掩膜制造完成这种 方法可以使芯片获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗 低；缺点是：开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发 半定制a s i c 芯片的版图设计方法有所不同，分为门阵列设计法 和标准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目 的就是简化设计、缩短设计周期以及提高芯片成品率，以牺牲芯片 性能( 面积、速度和功耗) 为代价来缩短开发时间门阵列( g a t ea r r a y ) 方式是半成品芯片，其内部成行成列等间距地排列着以门为基本单 。 元的阵列( 称为母片) ，只剩下一层或两层金属连线的掩膜需要根 据用户电路的不同而定制。这种方式牵涉工艺较少，设计自动化程 度高，设计周期短，设计费用和造价低，但芯片面积利用率低设 计人员在设计到电路一级后，将电路的连结网表文件e d i f 格式交 给i c 厂家即可。标准单元( s t a n d a r dc e l l ) 方式是由i c 厂家预先 设计好的一批具有一定功能的单元，这些单元以库的形式放在c a d 工具中，它的结构符合一定的电气和物理标准，所以称为标准单元。 设计人员在电路设计完成之后，利用c a d 工具中的自动布局布线软 件就可以在版图一级完成与电路一一对应的最终设计门阵y , j - 与标 准单元在版图设计完成后都要进行仿真，以保证所设计的电路在映 射到具体器件后所完成功能的正确性 在超大规模集成电路器件中，近几年发展起来的复杂可编程器 件( c p l d ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) ，由于具有用户可编程和器 。 件密度高等特点，用户可以利用- 9 这些器件相应的e d a 软件，在办 公室或实验室里设计出自己的a s i c 器件，因此构成了可编程专用 集成电路的一类器件采用可编程a s i c ，对于半导体制造厂家可按 照一定的规格以通用器件大量地生产，对于用户可按通用器件从市 基于p c i 总线的高速数据传输卡的研制 场上选购，再由用户自己通过编程和再编程实现a s i c 的要求，由 于这种方式对厂家和用户都带来好处而受到欢迎，发展也特别迅 速，已经成为一个很重要的实现a s i c 的手段。 硬件描述语言( h d l - h a r d w a r cd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是用于设 计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系 统的逻辑功能、电路结构和连接形式，是电子系统硬件行为描述、 结构描述和数据流描述的语言，与传统的门级描述方式相比，它更 适合大规模系统的设计目前h d l 已经可以较好的完成数字电子系 统的设计，当前标准化语言有两种：v h d l 和v e r il o gh d l 。 i v m l 介绍 早期的硬件描述语言是不同的e d a 厂商开发的，互相不兼容， 而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成为了克服 以上缺陷，1 9 8 5 年美国国防部正式推出了v h d l ( v e r yh i 曲s p e e di c h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 即超高速集成电路硬件描述语言) 语 言，1 9 8 7 年i e e e 采纳、r i i d l 为硬件描述语言标准( i e e es t d _ ：0 7 6 ) ，1 9 9 3 年进一步修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上 扩展了v h d l 的内容，公布了新版本的v h d l ，即a n s i i e e e 的 第二章e d a 工程 a n s i i e e es t d1 0 7 6 1 9 9 3 标准。目前，大多数的c a d 厂商出品的 e d a 软件都兼容这种标准。 v h d l 是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、寄存器 传输级和逻辑门级多个设计层次，支持结构、数据流和行为三种描 - 述形式的混合描述，几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整 个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用v h d l 来完成 v h d l 的程序结构特点是将设计实体( 可以是一个元件、一个电 路模块或一个系统) 分成外部( 即端口) 和内部( 即涉及实体的内 部功能和算法完成部分) 在对一个设计实体定义了外部界面后， 一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体这 种将设计实体分成内外两部分的概念是v h d l 系统设计的基本点。 应用v h d l 进行工程设计的优点是多方面的： ( 1 ) 与其他的硬件描述语言相比，v h d l 具有更强的行为描述 能力强大的行为描述能力可以避开具体的器件结构，从逻辑行为 上描述和设计大规模电子系统 ( 2 ) v h d l 具有丰富的仿真语句和库函数，使得任何大系统的 。 设计在早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿 真模拟 ( 3 ) v h d l 语句的行为描述能力和程序结构使其具有支持大规 基于p c i 总线的高速数据传输卡的研制 模设计的分解和已有设计的再利用功能，符合大规模系统高效、高 速完成的要求 ( 4 ) 对于用v h d l 完成的一个确定的设计，可以利用e d a 工具 进行逻辑综合和优化，并自动的把v h d l 描述设计转变成门级网表 ( 5 ) v h d 乙对设计的描述具有相对独立性，设计者不必精通硬 件结构，也不必考虑最终设计实现的目标器件就可以进行独立的设 计 v h d l 的不足之处： ( 1 ) 电路采用高级的简明结构v h d l 描述，放弃了对电路门级 实现定义的控制； ( 2 ) 由综合工具生成的逻辑实现效果不好 i i v e r i l o g 眦介绍 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，它是由g d a ( g a t e w a yd e s i g na u t o m a t i o n ) 公司的p h ii m o o r b y 在 1 9 8 3 年末首创的，最初只设计了一个仿真与验证工具，之后又陆续 开发了相关的故障模拟与时序分析工具。1 9 8 5 年m o o r b y 推出它的 第三个商用仿真器v e r i l o g 一甩，获得了巨大的成功，从而使得 v e ril o gh d l 迅速得到推广应用1 9 8 9 年c a d e n c e 公司收购了g d a 心司，使得v s r i l o gh d l 成为了该公司的独家专利1 9 9 0 年c a d e n c e 第二章e d a 工程 公司公开发表了v e r i l o gh d l ，并成立l v i 组织以促进v e i l o gh d l 成为i e e e 标准，即i e e es t a n d a r d 13 6 4 1 9 9 5 v e r il o gh d l 的最大优点就是易学易用。 li v 岫l 与v e r i l o g1 0 i 的 墩 v h d l 和v e r i l o gh d l 的比较： ( 1 ) v h d l 语法严格，语法描述更规范；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 ( 2 ) v h d l 高级语言特性较多，适合于大型的硬件逻辑设计； v e r i l o g 则更接近硬件，适合于激励，仿真和硬件模型v e r i l o g 比v h d l 更接近实际电路。 目前半导体厂家的器件库大都是用v e r i l o g 来描述的当前的 e d a 设计以综合为界，用v h d l 进行综合前的设计，而综合出的网表 是v e r i l o g 的，布局布线，时延提取，时延仿真，测试设计都是基 于v e r i l o g 现在的设计方法是在v h d l 设计阶段做较多约束，从综 合开始就由软件自己处理从应用的角度来看，几乎所有的a s i c 厂 商均支持准确的v e r i l o g 库，而全面支持v h d l 库的只有2 0 j g - - 节印a 基本工具 e d a 工具的发展经历了两个阶段：物理工具和逻辑工具。物理工 基于p c i 总线的高速数据传输卡的研制 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 等等；逻辑工具基于网表、布尔逻辑和传输时序等概念，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 综合。仿真、优化等过程，最后生成物理工具可以