（光学工程专业论文）数字多媒体芯片设计及其fpga实现.pdf

附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：至盘日期：型2 丝壁丝二 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：班导师签名：舛日 期：礁丝丝乡 山末大学硬士学位论文 中文摘要 本文对电子设计自动化( e d a ) 进行了深入的研究，其中包括e d a 工程、e d a 工程的实现载体可编程逻辑器件( f p g a c p l d ) 、e d a 及片上系统( s 0 c ) 设计方 法学等等。同时，多媒体技术的发展对人类文明的进步具有强大的推动力。 多媒体芯片在当前的电子系统中有着非常重要的作用和影响。正是鉴于此， 为了实现e d a 工程的设计方法和理念，也是为了能够体现它的强大功能和发 展趋势，作为实际的开发项目，我们自行设计了一片数字多媒体芯片，通俗 的讲，是一片数字视频信号切换芯片。我们对多媒体视频信号的特点、传输 特性、切换方式以及具体实现做了深入的了解和调研；对市场上成熟的v g a 信号矩阵切换芯片m a x 4 3 5 5 进行了深入分析与研究；针对v g a 信号中的行、 场信号的数字性特征，我们采用了f p g a 的实现方式对其进行设计以期在某些 场台可以代替m a x 4 3 5 5 。在设计过程当中，我们将信号控制的三种方式：键 盘控制方式、单片机控制方式和红外遥控控制方式也嵌入到了芯片上去，真 正实现了一个具有完整系统、可实现多项功能的片上系统( s o c ) 。另外，我 们对c p u 的结构、功能、实现方式、设计方法进行了深入的研究和分析，尤 其对c p u 的e d a 设计方法进行了细致的分析和实验，最终自行设计成功了一 个8 位c p u ，在需要时亦可将其嵌入到所设计的芯片系统中去。整个设计用 v h d l 语言写成，完全是自行设计：使用e d a 工具s y n p l i f yp r o 进行综合； 使用m o d e l s i m 进行仿真；在a l t e r a 公司的可编程逻辑器件a c e x 系列和a p e x 系列上进行了硬件仿真和综合。可以说，本设计不但具有很高的理论研究价 值和探索实践价值，更具有极高的应用价值。 关键词：片上系统v h d l f p g a 时序分析综合 3 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a st a k e nac o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho ne d a ，i n c l u d i n ge d a p r o j e c t 、p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( t h ec a r r i e ro f e d ap r o j e c t ) 、e d a a n dt h e d e s i g nm e t h o d o l o g y o fs o ca n ds o o n m e a n w h i l e ，t h ed e v e l o p m e n t o f m u l t i m e d i a t e c h n o l o g yh a s a p o w e r f u li m p e t u s t ot h ep r o g r e s so f c i v i l i z a t i o n ，a n d m u l t i m e d i ac h i pp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec u r r e n te l e c t r o n i cs y s t e m b e c a u s e o ft h i s ，i no r d e rt or e a l i z et h em e t h o da n di d e a so fe d a d e s i g n ，a n da l s ot o e m b o d yi t sp o w e r f u lf u n c t i o n sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d ，w ed e s i g n e dad i g i t a l m u l t i m e d i ac h i pa sa np r a c t i c a ld e v e l o p m e n tp r o j e c t g e n e r a l l ys p e a k i n g ，i ti sa d i g i t a lv i d e os i g n a ls w i t c h i n gc h i p w eh a v em a d ep r o f o u n du n d e r s t a n d i n ga n d i n v e s t i g a t i o n sa b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c s 、t r a n s m i s s i o np r o p e r t y 、s w i t c h i n gm o d e a n dc o n c r e t er e a l i z a t i o no fm u l t i m e d i av i d e os i g n a l w ca l s oa n a l y z e da n ds t u d i e d t h ev g a s i g n a lm a t r i xs w i t c h i n gc h i pm a x 4 3 5 5 w h i c hh a sb e e nm a t u r ei nt h e m a r k e t c o n s i d e r i n g t h ed i g i t a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o wa n df i e l ds i g n a li nv g a s i g n a l ，w ea d o p tf p g a t or e a l i z eo u r d e s i g nh o p i n g t h a ti tc o u l dt a k et h ep l a c eo f m a x 4 3 5o ns o m eo c c a s i o n s i nt h ep r o c e s so fd e s i g n ，w ee m b e d d e dt h et h r e e m o d e so fs i g n a lc o n t r o li n t ot h ec h i p - k e yc o n t r o l ，s c mc o n t r o la n di n f r a r e d r e m o t ec o n t r o la n dr e a l i z e das o c “t hi n t e g r a t e ds y s t e ma n dm u l t i f u n c t i o n i n a d d i t i o n ，w es t u d i e da n da n a l y z e ds t r u c t u r e ，f u n c t i o n ，r e a l i z a t i o n m o d ea n d d e s i g na p p r o a c h o fc p u ，e s p e c i a l l yt h em e t h o do fe d a ，a n di nt h ee n d s u c c e s s f u l l yd e s i g n e da8b i t c p u i fn e c e s s a r y , i tc a nb ee m b e d d e dt oc h i p s y s t e mw h i c hw i l lb ed e s i g n e d a l lt h ew h o l ed e s i g ni s w r i t t e nw i t hv h d l b y m y s e l f ，s y n t h e s i z e db ys y n p l i f yp r o ，s i m u l a t e db y m o d e l s i ma n di sm a d e h a r d w a r es i m u l a t i o na n d s y n t h e s i s i nt h es e r i e so fa c e xa n da p e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e o fa l t e r a i tc a nb es a i dt h a tt h i sd e s i g nn o to n l yh a sa h i g hv a l u ei nt h e o r yr e s e a r c ha n d i ne x p l o r i n gp r a c t i c e ，b u ta l s oh a sa ne x t r e m e l y h i g ha p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：s o cv h d lf p g a t i m i n ga n a l y s i s s y n t h e s i s 4 山东大学硬士学位论文 第一章引言 随着社会的发展、时代的变迁，人类科学的到了飞速发展，人类文明也 进入了相当高的水平。在这众多的变革之中，信息技术更显得首届一指、独 领风骚。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管，最新的技术已经到达了9 0 纳米的级别而且仍然在不 断地进步：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，而且可以说几乎是不可能的，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。 数字集成电路在信息化社会当中的应用是随处可见的，而且可以这样说， 如果离开了数字集成电路，信息时代将不复存在。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( m 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 i ) 以及许多具有特定功能的专用集成电路( 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。 5 山东大学硕士学位论文 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 nac h i p - - s o c ) 已成为可能，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“”1 。 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 迅速发展成为一门崭新的学科。 第一节e d a 的基本特征及发展 2 1 1 e d a 的基本概念 e d a ( e l e c t 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，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系统设计的综合技术。 e d a 工程就是以计算机位开发平台，以e d a 软件为开发工具和环境，以硬 件描述语言为设计语言，以可编程器件为实验载体，以a s i c 、s o c 芯片为目 标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。 2 1 2e d a 技术的发展历程及发展趋势 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 at 具。 6 山东大学磺士学位论文 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c a e ( 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，即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“概念驱动工程”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 l t e r a 等公司几十万 门甚至e 百万门千万门规模的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一代e d a 技术未来发展的趋势。 2 1 3e s d a 的基本特征 e s d a 是当今电子设计技术的发展方向，它的基本特征是：设计人员按照” 自顶向下”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 7 山东大学颈士学位论文 个概念。 2 1 3 1 “自顶向下”的设计方法 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。 8 图2 i 自顶向f 的设计流程图 一生蔓查兰堡主堂竺丝茎 2 1 3 2a s i c 设计 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 ci 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： 夺降低了产品的综合成本。 夺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。 夺提高了电子产品的工作速度。 夺减少了电子产品的体积和重量。 a s l 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 di 1 1 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 dt 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 9 山末大学硕士学位论文 的最终设计。门阵列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 户可以利用与这些器件相应的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。 2 1 3 3 硬件描述语言“。5 “。 硬件描述语言( h d l 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 ) 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 已经可以很好地完成数字电子系统的设计，当前已经定义为i e e e 标准的语言 有两种：v h d l 和v e r i l o gh d l 。另外我们还将介绍一种新的语言s y s t e m c 语言， 它现在的发展势头也很猛，而且在s o c 设计方法学上引起了很大的变革和转 变。 i v i t d 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 g hs p e e d i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o n l 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v h d l 为 硬件描述语言标准( i e e es t d - 1 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吉的功能整个自顶向下或自底向上的电路 1 0 山东大学硕士学位论文 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( 郎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 l 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。 i iv e r i l o gl t d l 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 i l 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 x l ，获得了 巨大的成功，从而使得v e r il 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 公司，使得v e 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 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 r 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 1 3 6 4 1 9 9 5 。 v e r i l o gh d l 的最大优点就是易学易用。 i i is y s t e m c 语言介绍“” s y s t e m c 是解决上述提到的系统级设计挑战的设计工具和设计方法学的 基础。在1 9 9 9 年的1 1 月，世界最主要的e d a 工具开发商、i p 供应商、半导 1 1 山东夫学顿士学位论文 体厂家、系统和嵌入式软件公司宣布推出了“o p e ns y s t e m ci n i t i a t i v e ” ( o s c i ) 同时提供了一个c + + 的建模平台即s y s t e m c 。在工业合作史上创造 了一个突破。s y s t e m c 是由一组c + + 类库所组成的建模平台，加入了一个仿真 核，可以在系统级、行为描述级和寄存器转换级支持硬件建模。c c + + 编程语 言被系统结构师和软件工程师广泛应用，但这些语言却不能够准确描述硬件 建模的概念。s y s t e m c 提供了一种用扩展的c + 十来加入硬件建模结构的方法和 途径。 s y s t e m c 基于c + + 语言，这是对系统设计师和软件工程师来讲最熟悉的语 言。s y s t e m c o o 是一个c 十十类库又是一种设计方法，可以用来有效地创建软件 精确算法、硬件结构模型，以及s o c 与系统级设计的接口，可以在各个抽象层 次上对系统和硬件建模。 软件算法和接口规范用c 或者c + 十语言写成，c + + 程序表现出和系统一样 的行为，提供了紧凑、有效的系统描述所必须的控制和调用数据。绝大多数 设计者对于这些语言都很熟悉，并且有很大数量的开发工具都与之相关联。 s y s t e m c 类库提供了建模系统结构所必需的构造，这其中包括硬件时序、 并行性以及在标准c + + 语言中不存在的反馈行为。将这些构造加入到c 语言中 需要改变语言的所有权，这是工业界所不能接受的。c + + 是一种基于对象的编 程语言，这使得可以通过类来扩展语言，而不需要增加新的句法结构。s y s t e m c 提供了这些必要的类并且允许设计者继续使用所熟悉的c + + 语言及其开发工 具。 如果对c + + 编程语言比较熟悉，可以通过理解e 自s y s t e m c 类所引入的附加 语义来学习如何用s y s t e m c 编程，不需要学习任何新的语法。对于那些对c + + 语言不很熟悉的人员而言，在学习f n s y s t e m c 类所引入的附加语义的同时还需 要学习一些c + + 的语法。如果你对v e r i l o g 或者v h d l 硬件描述语言和c + + 语言很 熟悉的话，学习s y s t e m c 将是一件很容易的事情。 就s y s t e m c 本身而言，它只解决一部分系统级设计所面临的挑战， s y s t e m c 的功能强大在它可以作为系统设计师、软件工程师和硬件工程师的 共同语言。s y s t e m c 允许i p 模型的复用，可共用工具的集成设计环境创建， 完成从概念到实现的设计过程。同时，v h d l 和y e r i l o g 的r t l 级描述现在也 可以用s y s t e m c 在系统设计空间中实现。 i v 三种语言的比较 1 2 山东大学硕士学位论文 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 。 第二节e d 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。现在常见 的e d a 工具有编辑器、仿真器、检查分析工具和优化综合工具等等。 从应用的角度来看，e d a 软件应包括以下子模块： ( 1 ) 设计输入子模块：该模块接受用户的设计描述，并进行语法、语义检 查。在检查通过后，将用户的描述数据转换为e d a 系统的内部数据格式，存 入设计数据库中备用。该模块一般包含一个编辑器和一个分析器。 ( 2 ) 设计数据库子系统：存放系统提供的库单元以及用户的设计描述和中 间设计结果。 ( 3 ) 分析验证子系统：包括各个层次的模拟验证、设计规则检查、故障诊 断等。 ( 4 ) 综合子系统：包括各个层次的综合工具。 1 3 山末大学硕士学位论文 ( 5 ) 布局布线子系统：该予系统实现由逻辑设计到物理实现的映射，与物 理实现的方式密切相关。 ( 6 ) 划分子系统：把一个大电路划分为几个较小的电路。 第三节系统框架结构t e e d a 工具的发展导致了许多彼此相对独立的e d a 工具的产生，这就出现 了许多问题：各种e d a 工具的用户界面各不相同：由于复杂的数字系统设计 需要划分给设计组及设计者，管理工作需要自动化。另外由于e d a 工具本身 的复杂性，对最有实力的e d a - r 具制造商，也没有能力来保证其所有的e d a 工具是最好的，因此，要求e d a 系统可以配置来自不同制造商的e d a 工具， 实现不同e d a 工具的集成。 这样，就提出了e d a 系统框架结构的概念。通过框架结构，设计者可以 选择并管理各种e d a 工具，创建、组织和管理各种设计数据，管理整个设计 过程。 2 3 1 框架结构的定义 系统框架结构( f r a m e w o r k ) 是一套配置和使用e d a 软件包的规范，通过框 架结构，设计者可以任意选择并管理各种e d a 工具，创建、组织和管理各种 设计数据，管理整个设计过程。 2 3 2e d a 框架结构的功能 e d a 系统框架的主要功能可以概括为几个方面。 ( 1 ) 数据模型及数据管理 提供一种合理的、适用面广的数据模型，提供方便、有效的数据描述语 言( d a t ad e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，d l l ) 来描述数据模型，并提供设计数据的 访问、维护以及工具间通讯等管理功能。 ( 2 ) 用户界面管理 提供一个用户友好、实用、高效、交互手段丰富的用户界面，支持工具 1 4 山东犬学硕士学位论文 可视化和设计数据可视化。 ( 3 ) 设计过程管理 数字系统的设计是一个循环反复的过程，设计过程中的各个阶段要求紧 密协调。因此，需要对设计的各个阶段、设计各阶段的执行顺序进行管理。 其中包括e d a 系统中工具的描述、工具阆的依附关系、工具的运行顺序、设 计方案与设计参数的选取等。 ( 4 ) 设计方法支持。 在设计过程管理的基础上，对多种设计方法进行支持。根据不同的设计 方法来确定工具间的依附关系、安排工具的运行顺序和配置设计环境。 2 3 3e d a 系统框架结构的构成模型 作为集成化的e d a 系统框架结构，采用层次化的设计方法，在每个抽象 层次上都为设计者提供相应的服务。它包括七个层次： 第一层基本服务。包括数据库的访问、设计进程间的通讯等服务。 第二层数据表示。数据表示是指用于创建、存储、检索和修改设计数据 的模型，如晶体管、门、寄存器等模型。 第三层数据管理。通过数据管理，设计者可以用逻辑结构访问以物理结 构存储的设计数据。 第四层工具管理。通过对工具的管理来实现对设计数据的跟踪。 第五层数据与工具集成。根据不同的观点来设计数据进行描述，如从设 计的观点、项目组织的观点或工具的观点对设计数据进行集成。设计者可以 通过这一层的服务来使用以下各层所提供的服务。 第六层设计进程管理。可以建立设计进程的模型，对复杂的设计进程进 行控制。 第七层设计方法支持。这一层将设计方法引入框架结构，设计方法反映 了设计者在设计中应遵循的规则和过程。框架结构应该允许设计者嵌入所应 遵循的规则和过程。 1 9 8 8 年，美国c f l ( c a df r a m w o r ki n i t i a t i v e ) 组织成立，其宗旨是为 框架结构定义相应的技术标准。c f i 的框架结构标准主要包括：数据交换标 准、数据库标准和工具封装标准等。 1 5 山东大学硕士学位论文 2 3 4 e d a 系统框架结构的特点 ( 1 ) 开放性。 e d a 系统框架结构采用开放式体系结构，提供灵活方便的可编程界面， 使设计者可以修改或定制自己的设计环境。 ( 2 ) 可移植性。 e d a 系统框架结构的可移植性使设计者可以在各种硬件环境中定制自己 的设计环境。 ( 3 ) 一致性。 e d a 系统框架结构为设计者提供了用户友好、各工具一致的用户界面和 统一的数据库。 目前主要的e d a 系统都建立了框架结构，如c a d e n c e 公司的d e s i g n f r a m e w o r k 。m e n t o r 公司的f a l c o nf r a m e w o r k 等，这些框架结构都遵守国际 c f i 组织( c a df r a m e w o r ki n i t i a t i r e ) 制定的统一技术标准。f r a m e w o r k 能将 来自不同e d a 厂商的工具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的 环境之下，而且还支持任务之间、设计师之间在整个产品开发过程中实现信 息的传输与共享，这是并行工程和t o p - d o w n 设计方法的实现基础。 第四节e d a 技术的基本设计方法嘲 2 4 1 电路级设计 电子工程师接受系统设计任务后，首先确定设计方案，然后选择合适的 元器件再根据具体的元器件设计电路原理图，接着进行第一次仿真，包括数 字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态分析。系统在 进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代 替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在 功能方面的正确性。 仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行p c b 板的自动布局 布线。在制作p c b 板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、 电磁兼容分析、可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图， 】6 坐蔓查兰堡主兰垫丝壅 进行第二次仿真，也称为后仿真，这一次仿真主要是检验p c b 板在实际工作 环境中的可行性。 电路级的e d a 技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前，就可以全 面地了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发过程中出现的缺陷消灭在 设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。 2 4 2 系统级设计 进入9 0 年代以来，电子信息类产品的开发出现了两个特点：一是产品的 复杂程度增加；二是产品的上市时限紧迫。电路级设计本质上是基于门级描 述的单层次设计，设计的所有工作( 包括设计输入，仿真和分析，设计修改 等) 都是在基本逻辑门这一层次上进行的，这种设计方法不能适应新的形势， 这样就引入了一种高层次的电子设计方法一系统级的设计方法。 高层次设计是一种”概念驱动式”设计，设计人员针对设计目标进行功能 描述，无需通过门级原理图描述电路，摆脱了电路细节的束缚，设计人员可 以把精力集中于创造性的概念构思与方案上，一旦这些概念构思以高层次描 述的形式输入计算机后，e d a 系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。 这样，新的概念得以迅速有效地成为产品，大大缩短了产品的研制周期。不 仅如此。高层次设计只是定义系统的行为特性可以不涉及实现工艺，在厂 家综合库的支持下，利用综合优化工具可以将高层次描述转换成针对某种工 艺优化的网表，工艺转化变得轻松容易。 高层次设计步骤如下： 第一步：按照”自顶向下的设计方法进行系统划分。 第二步：输入代码，这是高层次设计中普遍的输入方式。此外，还可以 采用图形输入方式( 框图，状态图等) 。 第三步：将以上的设计输入进行编译。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，在一般情况下，可略去这一仿真步骤。 第四步：利用综合器对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。所谓综合，就是将设计 1 7 山东大学硕士学位论文 描述化简到低层电路表示，是从设计描述转换到网表或方程生成的过程。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。 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、逻辑优化和布局布线。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地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v 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。 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。 目前现代集成电路技术的发展使以现场可编程门阵列为代表的大容量 可编程逻辑器件的等效门数迅速提高，其规模直逼标准门阵列，达到了系统 集成的水平。特别是进入二十世纪9 0 年代后，随着c p l d 、f p g a 等现场可编 程逻辑器件的逐渐兴起，v h d l 、v e r i l o g 等通用性好、移植性强的硬件描述 语言的普及，a s i c 技术的不断完善，e d a 技术在现代数字系统和微电子技术 应用中起着越来越重要的作用。从通常意义上来说，现代电子系统的设计已 经离不开e d a 技术的帮助了。 1 8 山东大学硕士学位论文 第三章可编程逻辑器件( p l b ) 可编程逻辑器件自七十年代问世以来，已经经历了p a l 、g a l 、c p l d 和f p g a 等发展阶段，其中c p l d f p g a 属高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达 几千万门片。 可编程逻辑器件具有集成度高、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，越来越受到人们的青睐，应用领 域不断扩大，可编程逻辑器件尤其是c p l d f p g a 器件，己成为现代高层次电 子设计方法的实现载体。 第一节可编程逻辑器件的发展 可编程逻辑器件是由用户配置以完成某种逻辑功能的电路，是从7 0 年代 发展起来，8 0 年代末，美国a l t e r a 和x i l i n x 公司分别推出大规模和超大规 模的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) ，这两种芯片在 达到高度集成度的同时，所具有的应用灵活性和多组态功能是以往的 l s i v l s i 电路无法比拟的，9 0 年代以来，可编程逻辑器件c p l d f p g a 得到了 飞速发展，其应用领