（计算机应用技术专业论文）基于fpga和pci总线的wcdma信号采集卡的研制.pdf

摘要 摘要 w c d m a 数据采集卡可用于w c d m a 系统中的小区通信环境测 试、信道分析和优化等领域，在w c d m a 系统建设和维护过程中可 发挥重要作用。 本论文利用f p g a 可编程逻辑器件和硬件描述语言v e r i l o g ，采用 自顶向下的设计方法，开发了一款基于p c i 总线的高速数据采集卡。 本数据采集系统中，采用p l x 公司生产的p l x 9 0 8 0 作为p c i 总线接 口芯片。用4 片每片容量为8 m b 的s d r a m 作为数据采集的前端和 p c i 总线的数据缓冲。用a l t e r a 公司生产的c y c l o n e 系列f p g a 实 现p c i 接口芯片p l x 9 0 8 0 的时序逻辑、对数据采集通道的前端控制 以及对s d r a m 的读写控制。 在本数据采集系统中，f p g a 可编程逻辑器件c y c l o n e 中的硬件 逻辑编程占有举足轻重的作用，它需要完成对p c i 接口芯片p l x 9 0 8 0 所提供的接口逻辑的转换、对s d r a m 存储片子的读写控制以及对 f p g a 内部寄存器的读写控制等功能，因此可以说f p g a 中的硬件编 程逻辑是整个数据采集系统的核心。基于上述原因，本论文将莺点放 在了用硬件描述语言v e r i l o g 进行f p g a 硬件逻辑编程上：本论文按 照自顶向下的设计方法，详细论述了p c i 接口转化电路模块、s d r a m 存储片子读写控制电路模块、f p g a 内部寄存器读写控制电路模块以 及用于r f 端的自动增益控制电路a g c 模块的设计。 利用本数据采集系统，在实验室环境中成功采集到了w c d m a 信号，各项技术指标均达到了设计目标。 关键字：现场可编程门阵列( f p g a ) ，v e r i l o g ，数据采集，p c i 总线 p l x 9 0 8 0 ，s d r a m 北京交通大学硕士学位论文 a b s 仃a c t w c d m ad a t ac o l l e c t i o nb o a r dc a nb eu s e di nt h et e s to fc e l l u l a r c o m m u n i c a t i o n e n v i o r n m e n t ，t h ea n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o n o f c o m m u n i c a t i o nc h a n n e li nt h es y s t e mo fw c d m a i tc a nh e l pi nt h e c o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c eo f t h es y s t e mo f w c d m a ak i n do fl l i d ls p e e dd a t ac o l l e c t i o nb o a r di sd e v e l o p e du s i n gf p g a d e v i c ea n dv e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ei nt h ep a d e l - t h e t o p d o w nd e s i g nt e c h n i q u ei se m p l o y e d i nt h ed e s i g no f l o g i ci nf p g a i i lt h es y s t e mo fd a t ac o l l e c t i o n t h ec h i pp l x 9 0 8 0w h i c hi sd e v e l o p e d b y p l x c o r p o r a t i o ni su s e da st h ei n t e f f a c ec h i pf o rp c ib u s f o u rc h i p so f s d ra mw h o s es t o r a g ei s8 m ba r ee m p l o y e da st h ed a t ab u t i e rf o rt h e f r o n to fd a t ac o l l e c t i o na n dp c ib u s t h ef p g ad e v i c ew h i c hi su s e dt o i m p l e m e n t i n gt h el o g i co fc o n t r o l l i n gt h ec h i pp l x 9 0 8 0 a n dt h es d r a m c h i p si s 也ec y c l o n e d e v i c ed e s i g n e d b y a l t e r ac o r p o r a t i o n h lt h e s y s t e mo fd a t a c o l l e c t i o n t h ep r o g r a m m a b l e l o g i c i nt h e c y c l o n ed e v i c ei st h ec o r eo f t h ew h o l es y s t e m a sar e s u l t t h ef o c u so f t h i sp a p e ri ss e to nt h ei m p l e m e n t a t i o no f p r o g r a m m a b l e1 0 9 i ci nc y c l o n e d e v i c ew i t ht h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o g a c c o r d i n gt ot h e d e s i g nm e t h o do ft o p d o w n , t h ef o l l o w i n gm o d u l e sa r ed e s c r i b e d i n d e t a i l s ：t h em o d u l eo fa d a p t a t i o nl o g i co fp c ii n t e r f a c es i g n a l s t h e m o d u l eo f c o n t r o l l i n gi o g i co fr e a d i n ga n dw r i t i n gs d r a mc h i p s ，t h e m o d u l eo f c o n t r o l l i n gl o g i co f r e a d i n ga n d w r i t i n g t h ei n t e r n a lr e g i s t e r si n c y c l o n ed e v i c ea n d t h em o d u l eo t 。a g cw h i c hi su s e df o rr f t h es i g n a lo fw c d m ai ss u c c e s s f u l l yc o l l e c t e dt h r o u g ht h es y s t e m o fd a t ac o l l e c t i o ni nt h ee n v i r o n m e n to f l a b o r a t o r ya n d t h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l s y s t e mi sa c c e p t a b l e k e y w o r d s ：f p g a ，v e r i l o g ，d a t aa c q u i s i t i o n , p c ib u s ，p l x 9 0 8 0 ， s d r a m 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽本人所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成桑，也不包 含为获得北京交通大学或其他教学机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所 做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 本人签名： 目期：年一月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学 位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。论文中所有创新和成果归北京交通大学计算机 与信息技术学院所有。未经许可，任何单位和个人不 得拷贝。版权所有，违者必究。 本人签名： 日期：年一月一日 第一章绪论 1 1 电子系统设计发展概况 近年来，集成电路和e d a 技术的飞速发展，极大推动了电子技 术的发展，也带来了电子系统设计方法的不断变革。可编程逻辑器件 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 以其成本低、使用灵活、设计周期短、 可靠性高、风险小等原因，在现代电子系统设计中得到了广泛应用。 1 1 1e d a 技术发展概况 电子设计自动化( 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 ) 技术以计 算机为工具，代替人完成数字系统的逻辑综合、布局布线和设计仿真 等工作，是一门以计算机和微电子技术为先导，汇集了计算机图形学、 拓扑、逻辑学、微电子工艺与结构学以及计算数学等多种计算机应用 学科最新成果的先进技术。 电路理论和半导体工艺水平的提高，对e d a 技术的发展起了巨 大的推动作用，使e d a 作用范围从p c b 扳设计延伸到集成电路设计， 直至整个系统的设计，也使i c 芯片系统应用、电路制作和整个电子 系统生产过程都集成在一个环境里。 e d a 技术大致经过了三个发展阶段”j 。第一阶段称为c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 阶段。出现了一些单独的工具软件，主要 有p c b 布线设计、电路模拟、逻辑模拟以及版图绘制等。通过计算 机的使用，将设计人员从大量繁琐重复的计算和绘图工作中解脱出 来。第二阶段称为c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 阶段。这个阶段 主要采用基于单元库的半定制设计方法，采用门阵列和标准设计单元 的各种a s i c 得到了极大的发展，将集成电路工业推进了a s i c 时代。 北京交通大学硕士学位论文 多数系统中集成了p c b 自动布局布线软件以及热特性、噪音、可靠 性等分析软件，进而可以实现电子系统设计自动化。第三阶段称为 e d a ( e l e c t r o n i c d e s i g l a a u t o m a t i o n ) 阶段。这个阶段主要出现了以高级 语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代e d a 技术，不仅极 大提高了系统的设计效率，而且使设计人员摆脱了大量的辅助性和基 础性工作，将精力集中在创造性方案的构思上。 1 1 2p l d 发展概况 以c p l d 和f p g a 为代表的大规模可编程逻辑器件自二十世纪八 十年代问世以来取得了迅猛发展，并有逐渐把中小规模集成电路驱逐 出数字系统设计历史舞台之势。这类器件通常被称为 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，也被称为可编稷a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 。 复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp l d ) 至少包含三种结构【2 】： 可编程逻辑宏单元、可编程i o 单元和可编程内部连线。部分c p l d 器件内部还集成了r a m 、f i f o 或双口r a m 等存储器，以适应d s p 应用设计的需要。 现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一 种新型的高密度p l d ，其内部由许多独立的可编程逻辑模块( c l b ) 组 成，逻辑块之间可以灵活的相互连接吼f p g a 的结构一般分为三部 分：可编程逻辑块、可编程y o 模块和可编程内部连线。c l b 的功能 很强，不仅能够实现逻辑函数，还可以配置成r a m 等复杂的形式。 配置数据存放在片内的s r a m 或者熔丝图上。基于s r a m 的f p g a 器件在工作前需要从芯片外部加载配置数据。配置数据可以存放在片 外的e p r o m 中或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场 绪论 修改器件的逻辑功能，即所谓现场可编程。 利用p l d ，电子系统设计工程师在实验室里就可以设计出所需的 专用i c ，实现系统的集成，从而可以大大缩短产品的开发、上市时间， 降低产品的开发成本和设计风险。所设计的电子产品也具有品种多、 小型化、集成化和高可靠性等优点【4 1 。 p l d 具有静态可重复编程和在线组态重构特性。借助e d a 开发 工具，可以使系统内硬件功能像软件一样通过编程来实现配置 5 】。这 种被称之为“软”硬件的全新的系统设计概念，使新一代的电子系统 具有极强的灵活性和适应性。它不仅使电子系统的设计和开发以及产 品性能的改进和扩充变得十分简单和方便，而且使电子系统具有多功 能的适应能力。 1 2 选题的目的和意义 1 2 1w c d m a 数据采集的意义和任务 数据采集【8 是指将温度、压力、流量、位移、电磁波频率或者幅 度等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显 示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速褥到了 应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采 集、监视和记录，为提高产品的质量、降低成本提供信息和手段。在 科学研究中，应用数据采集系统可以获得大量的动态信息，是研究瞬 间物理过程的有力工具，也是进行科学研究的重要手段之一。在通信 系统测试中，应用数据采集系统可以获得基站、终端以及整个通信系 统的大量实际交互信息，可用于分析通信系统故障，优化通信系统服 北京交通大学硕士学位论文 务质量。总之，不论在何种应用领域中，数据采集越及时、高效，工 作效率就越高，取得的经济效益就越大。 具体来说，数据采集系统的任务就是采集传感器输出的模拟信号 并转换成计算机能够识别的数字信号，再送入计算机根据不同的需要 由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将所 得到的数据进行显示或者打印，以便实现对某些物理量的监视，其中 一部分数据还在生产过程中被计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证 精度的条件下，应用尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处 理和实时控制对采集速度的要求。 w - c d m a 是3 g 通信系统中的一个重要国际标准，具有广阔的市场 前景，目前在日本、欧洲等地已实现商业化。在w - c d m a 移动通信网 建设过程中，往往会出现某些故障，这需要及时找出故障原因以采取 有效的对策。w c d m a 信号采集卡正是基于这种需求开发的，它可以高速 采集和存储海量的w c d ) v i a 信号数据，再利用计算机上相应的协议分析 软件对这些原始数据进行分析，可广泛应用于w c d m a 系统建设和维修 过程中的小区通信环境测试、信道分析和优化等领域。 1 2 2 基于f p g a 和p c i 总线的数据采集卡的研制 现有微机系统中，i s a 等总线已经无法适应图形、图像处理以及 其它高速数据传输的要求。与常用的i s a 、e i s a 和m c a 等扩展总线 相比，p c i 总线具有负载能力强、支持3 2 6 4 位数据传输、采用多总 线和线性突发传输模式、独立于c p u 、自动配置、支持即插即用等众 多优点。基于p c i 总线的数据采集技术是高速数据采集 9 1 的发展方向。 在要求大容量、实时性的高速数据采集系统中，采用p c i 总线作为数 4 据的传输总线是一种较好的方案。尉时，随着计算机技术的发展，出 现了以微型计算机为平台，配以专用测量和测试的插卡以及专用软件 的p c 仪器，即虚拟仪器。将基于p c i 总线的数据采集卡与专用的测 试分析硬件、软件相结合，就能实现高速数据采集和实时数据处理等 功能。与传统的基于i s a 总线的数据采集卡相比，基于p c i 总线的数 据采集卡无论在速度还是综合性能方面都要提高很多。 p c i 总线是一种同步总线，支持猝发传送。一个猝发传送由个 地址段和紧随其后的一个或多个数据段组成，它要求数据传送的发送 方和接收方都能理解隐含寻址。为了支持即插即用功能，p c i 总线规 范定义了2 5 6 字节的配置空间。另外p c i 总线规范定义了严格的电气 特性和时序要求。因此，开发基于p c i 总线的接口卡具有一定的难度。 为了在接口卡上解码p c i 总线规范并完成数据传输，要求在p c i 插槽和接口卡上的终端设备之间有一个总线控制器，即接口芯片。目 前关于p c i 总线接口开发的芯片分为两类：一类是符合p c i 总线规 范的可编程逻辑器件( p l d ) ，例如a l t e r a 公司提供的f p g a 器件 c y c l o n e 系列，x i n l i n x 公司提供的f p g a 器件x c 3 1 0 0 a 系列等 多数厂家还提供用v t t d l 、v e r i l o g 或者a h d l 硬件描述语言编写的 p c i 核心设计模块结合相应器件出售：另一类是p c i 总线专用控制芯 片，比如a m c c 开发的主从控制接口芯片s 5 9 3 0 3 3 ，p l x 开发的 p l x 9 0 8 0 和p l x 9 0 5 4 等。采用p l d 可以根据实际需要，灵活实现p c i 规范中的某些功能，从而可以减少对系统逻辑资源的浪费，达到对 p c i 接口最优化的目的；但是需要做大量的逻辑验证和时序分析工作， 开发周期比较长。p c i 总线专用接口芯片放置在系统或特定功能插卡 与p c i 总线之间，提供传递数据和控制信号的接口电路，从而将复杂 北京交通大学硕士学位论文 的p c i 总线接口转换为相对简单的用户接口，大大缩短了开发时间。 为了使w c d m a 数据采集卡能够正常工作，除了p c i 接口芯片 以外，还需要一些控制逻辑。这些控制逻辑非常灵活，根据实际要求 可能需要经常改变。所以这些控制逻辑非常适合利用f p g a 来编程实 现。为了缓冲数据采集的前端数据，采集卡上采用了4 片每片容量为 8 m b 的片外s d r a m 。为了控制s d r a m 的读写，需要用硬件描述语 言v e r i l o g 编写s d r a m 读写控制器逻辑。同时，为了控制p c i 接口 芯片p l x 9 0 8 0 ，也需要用v e r i l o g 编写控制p l x 9 0 8 0 时序的逻辑。另 外，为了利用微机给采集卡发送采集、停止等工作命令以及查询采集 卡的有关状态，还必须编写用于读写采集卡内部相应寄存器的逻辑。 用这些逻辑来对f p g a 进程编程，就可以实现上述的各种控制功能。 在w c d m a 采集卡的研制过程中，从成本、控制逻辑规模、信号数 量、f p g a 管脚数量等方面权衡比较，最终选择了a l t e r a 公司提供 的c y c l o n e 系列f p g a 。 1 3 本论文的主要工作 本论文设计了一款基于p c i 总线的高速数据采集卡，采用p l x 公司生产的p l x 9 0 8 0 作为p c i 总线接口芯片。用4 片每片容量为8 m b 的s d r a m 作为数据采集的前端和p c i 总线的数据缓冲。用a l t e r a 公司生产的c y c l o n e 系列f p g a 实现p c i 接口芯片p l x 9 0 8 0 的时序 逻辑、对数据采集通道的前端控制以及对s d r a m 的读写控制。数据 采集卡上的r f 模块( 单独做成一块子卡，可以插到数据采集卡母板上 面1 完成w c d m a 中i 、q 两路信号的a d 转换和d a 转换，a g c 模 块可以对r f 端信号进行自动增益调整；模拟信号的输入范围为 5 v - , - + 5 v ，输出信号范围为5 v - + 5 v ，最高采样频率可达3 0 m h z 。 6 可编程逻辑器件及其设计 第二章可编程逻辑器件及其设计 2 1p l d 设计方法 2 1 1 传统的系统硬件电路设计方法 在e d a 技术出现之前，系统设计人员采用传统的硬件电路设计 方法来设计电子系统。传统的硬件电路采用自下而上( b o t t o m u p ) 的 设计方法。其主要步骤是：根据系统对硬件的要求，详细编制技术规 格书，并画出系统控制流程图；然后，根据技术规格书和系统控制流 程图，对系统的功能进行分化，合理的划分功能模块，并画出系统功 能框图：接着就是进行各功能模块的细化和电路设计：各功能模块电 路设计调试完毕之后，将各功能模块的硬件电路连接起来，再进行系 统的调试，如有问题则进行局部修改，直至系统调试完毕；最后完成 整个系统的硬件电路设计。 从上述过程可以看出，系统硬件的设计是从选择具体逻辑元器件 开始的，并用这些元器件进行逻辑电路设计，完成系统各独立功能模 块的设计，然后再将各功能模块连接起来，完成整个系统的硬件设计。 上述过程从最底层设计开始，到最高层设计完毕，因此将这种设计方 法称为自下而上的设计方法。 传统的自下而上的硬件电路设计方法具有以下主要特点： 采用通用的逻辑元器件。设计者根据需要，选择市场上能买得到 的元器件，如5 4 7 4 系列，来构成所需的逻辑电路。设计工程师 必须对所选器件的内部结构和外部引线特点非常熟悉，才能达到 设计要求。随着微处理器的出现，系统的部分硬件电路功能可以 用软件来实现，在很大程度上简化了系统硬件电路的设计。但是， 7 北京交通大学硕士学位论文 选择通用的元器件来构成系统硬件电路的方法并未改变。这种低 水平的设计方法大大延长设计周期。 在系统硬件设计的后期进行仿真和调试。系统硬件设计好以后才 能进行仿真和调试，进行仿真和调试的仪器一般为系统仿真器、 逻辑分析仪和示波器。由于系统设计时存在的问题只有在后期才 能较容易发现，一旦考虑不周，系统设计存在缺陷，就得重新设 计系统，使得设计费用和设计周期大大增加。 主要设计文件是电路原理图。在设计调试完毕后，形成的硬件设 计文件主要由若干张电路原理图构成。在电路原理图中详细标注 了各逻辑元器件的名称和相互间的连接关系。这些电路原理图是 用户使用和维护系统的依据。当系统比较庞大时，大量的电路原 理图给归档、阅读、修改和使用都带来了极大的不便。 随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，传统的自下而上 的硬件电路设计方法已经落后于当今技术的发展。一种崭新的自上而 下的设计方法已经兴起，它为硬件电路设计带来了一次重大的变革。 2 1 2 新兴的e d a 硬件电路设计方法 二十世纪八十年代初，在硬件电路设计中开始采用计算机辅助设 计技术( c a d ) ，开始仅仅是利用计算机软件来实现印刷电路板的布线， 然后逐渐实现了插件板级规模的电予电路的设计和仿真。它们的出 现，使得电子电路设计和印刷电路板布线工艺实现了自动化。随着电 子设计技术的飞速发展，专用集成电路( a s i c ) 和用户现场可编程 门阵列( f p g a ) 的复杂度越来越高。数字通信、工业自动化控制 等领域所用的数字电路及系统其复杂程度也越来越离，特别是需 要设计具有实时处理能力的信号处理专用集成电路，并把整个电 可编程逻辑器件及其设计 子系统综合到一个芯片上。设计并验证这样复杂的电路及系统已 不再是简单的个人劳动，而需要综合许多专家的经验和知识才能 够完成。由于电路制造工艺技术进步非常迅速，电路设计能力赶 不上技术的进步。 在数字逻辑设计领域，为了提高开发的效率和增加已有开发成果 的可继承性，也为了缩短开发时间，迫切需要一种共同的工业标准 来统一对数字逻辑电路及系统的描述，这样就能把系统设计工作 分解为逻辑设计( 前端) 和电路实现( 后端) 两个互相独立而又 相关的部分。由于逻辑设计的相对独立性就可以把专家们设计的 各种常用数字逻辑电路和系统部件( 如f f t 算法、d c t 算法部件) 建成宏单元( m e g c e l l ) 或软核( s o f t - c o r e ) 库供设计者引用，以 减少重复劳动。提高工作效率。电路的实现则可借助于综合工具 和布局布线工其( 与具体工艺技术有关) 来自动地完成。v h d l 和 v e r i l o gh 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 ) 这两种硬件描述语言工 业标准的产生顺应了历史的潮流，因而得到了迅速的发展。同时， 各种新兴的e d a 开发工具开始出现，使得传统的硬件电路设计方法 发生了重大改变。 2 1 2 1 硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r ip tlo nl a n g u a g e ) 硬件描述语言( h d l ) 是一种用形式化方法来插述数字电路和 设计数字逻辑系统的语言。它可以使数字逻辑电路设计者利用这 种语言来描述自己的设计思想，然后利用e d a 工具进行仿真，再 自动综合到门级电路，最后用a s i c 或f p g a 实现其功能。 v e r i l o gh 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 9 北京交通大学硕士学位论文 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 gh d l 是在1 9 8 3 年，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 lm o o r b y 首创的。 p h i lm o o r b y 后来成为v e r i l o g x l 的主要设计者和c a d e n c e 公司 ( c a d e n c ed e s i g ns y s t e m ) 的第一个合伙人。在1 9 8 4 1 9 8 5 年， m o o r b y 设计出了第一个关于v e r i l o g x l 的仿真器，1 9 8 6 年，他 对v e r i l o gh d l 的发展又作出了另一个巨大贡献：即提出了用于 快速门级仿真的x l 算法。随着v e r i l o g x l 算法的成功，v e r i l o g h d l 语言得到迅速发展。1 9 8 9 年，c a d e n c e 公司收购了g d a 公司， v e r i l o gh d l 语言成为c a d e n c e 公司的私有财产。1 9 9 0 年，c a d e n c e 公司决定公开v e r i l o gh d l 语言，于是成立了o v i ( o p e nv e r i l o g i n t e r n a t i o n a l ) 组织来负责v e r i l o gh d l 语言的发展。基于 v e r i l o gh d l 的优越性，i e e e 于1 9 9 5 年制定了v e r i l o gh d l 的i e e e 标准，即v e r i l o gh d l l 3 6 4 1 9 9 5 。 v e r i l o gh d l 的标准化大大加快了v e r i l o gh d l 的推广和发 展。由于v e r i l o gh 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”( s o f tc o r e ) 。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 综合工具与其它外部逻辑结合为一体。这样，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。我们 把在某一种现场可编程f 1 阵列( f p g a ) 器件上实现的，经验证是 正确的总门数在5 0 0 0 门以上电路结构编码文件，称之为“固核”； 1 0 可编程逻辑器件及其设计 我们把在某种专用半导体集成电路工艺的( a s i c ) 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”。显而易见，在具体实现手段和工艺技术尚未确定的逻辑 设计阶段，软核具有最大的灵活性，它可以很容易地借助e d a 综 合工具与其它外部逻辑结合为一体。当然，由于实现技术的不确 定性，有可能要作一些改动以适应相应的工艺。相比之下固核和 硬核与其它外部逻辑结合为一体的灵活性要差得多，特别是电路 实现工艺技术改变时更是如此。而近年来电路实现工艺技术的发 展是相当迅速的，为了逻辑电路设计成果的积累，和更快更好地 设计更大规模的电路，发展软核的设计和推广软核的重用技术是 非常有必要的。 2 1 2 2 采用硬件描述语言( v e r li o gh d l ) 的设计流程简介 现代集成电路制造工艺技术的改进，使得在一个芯片上集成 数十乃至数百万个器件成为可能，但我们很难设想仅由一个设计 师独立设计如此大规模的电路而不出现错误。新兴的e d a 设计方 法采用自上- f - ( t o p d o w n ) 的设计方法。所谓自上而下的设计方法， 就是利用层次化、结构化的设计方法，首先由总设计师把一个完 整的硬件设计任务划分为若干个可操作的模块，编制出相应的模 型( 行为的或结构的) ，通过仿真加以验证后，再把这些模块分配 给下一层的设计师，这就允许多个设计者同时设计一个硬件系统 中的不同模块，其中每个设计者负责自己所承担的部分；而由上 一层设计师对其下层设计者完成的设计用行为级上层模块进行验 证。图2 - 1 为自顶向下( t o p d o w n ) 的示意图，以设计树的形式 绘出。 北京交通大学硕士学位论文 自顶向下的设计( 即t o p d o w n 设计) 是从系统级开始，把系 统划分为基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一层次的基 本单元，一赢这样做下去，直到可以直接用e d a 元件库中的元件 来实现为止。对于设计开发整机电子产品的单位和个人来说，新 产品的开发总是从系统设计入手，先进行方案的总体论证、功能 描述、任务和指标的分配。随着系统变得复杂和庞大，特别需要 在样机问世之前，对产品的全貌有一定的预见性。目前，e d a 技术 的发展使得设计师有可能实现真正的自顶向下的设计。 图2 1 t o p _ d o w n 设计思想 复杂数字逻辑电路和系统的层次化、结构化设计隐含着硬件 设计方案的逐次分解。在设计过程中的任意层次，硬件至少有 种描述形式。硬件的描述特别是行为描述通常称为行为建模。在 集成电路设计的每一层次，硬件可以分为一些模块，该层次的硬 件结构由这些模块的互连描述，该层次的硬件行为由这些模块的 行为来描述。这些模块称为该层次的基本单元。而该层次的基本 单元又由下层次的基本单元互连而成。如此下去，完整的硬件 可编程逻辑器件及其设计 设计就可以由图2 - 1 所示的设计树描述。在这个设计树上，节点 对应着该层次上基本单元的行为描述，树枝对应着基本单元的结 构分解。在不同的层次都可以进行仿真以便对设计思想进行验证。 e d a 工具提供了有效的手段来管理错综复杂的层次，即可以很方便 地查看某一层次某个模块的源代码或电路图以改正仿真时发现的 错误。 在不同的层次做具体模块的设计所用的方法也有所不同，在 高层次上往往编写一些行为级模块通过仿真来加以验证，其主要 目的是考虑系统总体性能和各模块的指标分配，并非具体电路的 实现。因而综合及其以后的步骤往往不需要进行。而当设计的层 次比较接近底层时行为描述往往需要用电路逻辑来实现，这时的 模块不仅需要通过仿真加以验证，还需要进行综合、优化、布线 和后仿真。总之具体电路是从底向上逐步实现的。e d a 工具往往不 仅支持h d l 描述也支持电路图输入，有效地利用这两种方法是提高 设计效率的办法之一。下面的流程图2 - 2 简要地说明了模块的编 译和测试过程： 北京交通大学硕士学位论文 置 2h d l 设计泣提瞳 从上图可以看出，对系统硬件电路的自上而下的设计一般分为三 1 4 可编程逻辑器件及其设计 个层次： 第一层次是行为级描述，它是对整个系统数学模型的描述。一般 来说，对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段，通 过对系统行为模型的仿真来发现系统设计中存在的问题。在行为描述 阶段，并不真正考虑其实际的操作和算法用什么方法来实现，考虑更 多的是系统的结构及其工作过程是否能达到系统设计规格书的要求， 其设计与器件工艺无关。 第二层次是寄存嚣传输级描述r t l ( 又称数据流描述) 。用第一层 次行为描述的系统结构程序很难直接映射到具体逻辑元件结构的，要 想得到硬件的具体实现，必须将行为方式描述的h d l 程序，针对某 一特定的逻辑综合工具，采用r t l 方式描述，再用仿真工具对r t l 方式描述的程序进行仿真。如果仿真通过，就可以利用逻辑综合工具 进行综合了。在这一层次，也可以采用传统的电路图输入方式，但必 须进行相应的电路功能仿真。 第三层次是逻辑综合。利用逻辑综合工具，可将r t l 方式描述 的程序或者电路图设计输入文件转换成用基本逻辑元件表示的文件 ( 门级网络表) ，也可将综合结果以逻辑原理图方式输出，也就是说逻辑 综合结果相当于在人工设计硬件电路时，根据系统要求画出了系统的 逻辑电路原理图。然后再对逻辑综合结果在门级电路上进行仿真，并 检查定时关系，如果一切正常，那么系统的硬件设计基本结束，如果 在某一层上仿真发现问题，就应该返回上一层，寻找和修改相应的错 误，然后继续向下未完成的工作。 由逻辑综合工具产生门级网络表后，在最终完成硬件设计时，还 可以有两种选择：一种是由自动布线程序将网络表转换成相应的 北京交通大学硕士学位论文 a s i c 芯片的制造工艺，定制a s i c 芯片；第二种是将网络表转换成 相应的p l d 编程码点，利用p l d 完成硬件电路的设计。 2 1 2 3 e d a 技术的特点 e d a 技术自上而下的设计方法具有以下主要特点： 1 ) 电路设计更趋合理。硬件设计人员在设计硬件时使用可编程逻辑 器件p l d ，就可以自行设计所需的专用功能模块，无需受通用元 器件的限制，从而使电路设计更趋合理，其体积和功耗也可大为 缩小。 2 1 采用系统早期仿真。在自上而下的设计过程中，每级都要进行 仿真，从而可以在系统设计早期发现设计中存在的问题，这样就 可以大大缩短系统的设计周期，降低费用。 3 1 降低了硬件电路设计难度。在使用传统的硬件电路设计方法时， 往往要求设计人员在设计电路前写出该电路的逻辑表达式和真值 表( 或时序电路的状态表) ，然后进行化简等，这一工作是相当困 难和繁琐的，特别是在设计复杂系统时，工作量大且容易出错。 如果采用h d l 语言，就可以免除写逻辑表达式或真值表的过程， 使设计难度大幅度下降，从而也缩短了设计周期。 4 ) 主要设计文件是h d l 语言编写的源程序。在传统的硬件电路设 计中，最后生成的主要设计文件是电路原理图：而采用h d l 语 言设计系统硬件电路时，主要的设计文件是用h d l 语言编写的 源程序。如果需要，也可以把h d l 语言编写的源程序转换成电 路原理图形式输出。用h d l 语言编写的源程序作为归档文件有 很多好处：一是资料量小，便于保存；二是可继承性好，当设计 其它硬件电路时，可以使用文件中的某些库、进程和过程函数； 1 6 可编程逻辑器件及其设计 三是阅读方便，通过阅读程序很容易看出某一硬件电路的工作原 理和逻辑关系。 2 2p l d 设计流程 可编程逻辑器件的设计1 6 】是指利用e d a 开发软件和编程工具对 器件进行开发的过程。高密度复杂可编程逻辑器件的设计流程如下图 所示。它包括设计准备、设计输入、功能仿真、设计处理、时序仿真 和器件编程及测试等七个步骤。 图2 - 3 可编程逻辑器件设计流程图 1 7 北京交通大学硕士学位论文 2 2 1 设计准备 在系统设计之前，首先要进行方案论证、系统设计和器件选择等 准备工作。设计人员根据任务要求，如系统的功能和复杂度，对工作 速度和器件本身的资源、成本及连线的可布性等方面进行权衡，选择 合适的设计方案和合适的器件类型。一般采用自上而下的设计方法。 2 2 2 设计输入 设计人员将所设计的系统或者电路以开发软件要求的某种形式 表示出来，并送入计算机的过程称为设计输入。设计输入通常有以下 集中方式。 1 ) 原理图输入方式 原理图输入方式是种最直接的设计描述方式，要设计什么，就 从软件系统提供的元件库中调出来，画出原理图，这种方式比较符合 人们的习惯。这种方式要求设计人员有丰富的电路知识，而且要对p l d 的结构比较熟悉。其主要优点是比较容易实现仿真，便于信号的观测 和电路的调整；缺点是效率低。特别是当产品有所改动，需要选用另 外一家公司的p l d 器件时，就需要熏新输入原理图，这是非常麻烦的 一项工作。 2 ) 硬件描述语言输入方式 硬件描述语言是用文本方式来描述设计，它分为普通硬件描述语 言和行为描述语言。普通硬件描述语言有a b e l 、c u r 和l f m 等它们 支持逻辑方程、真值表、状态机等逻辑表达式，主要用于简单p l d 的 设计输入。行为描述语言是目前常用的高层硬件描述语言，主要有 v h d l 和v e r i l o gh d l 两个i e e e 标准。其突出优点在于：描述语言与 可编程逻辑器件及其设计 工艺的无关性，可以使设计人员在系统设计、逻辑验证阶段便确立方 案的可行性；语言的公开可利用性，便于实现大规模系统的设计；硬 件描述语言具有很强的逻辑描述和仿真功能，而且输入效率高，在不 同设计输入库之间的转换非常方便，用不着对底层的电路和p l d 结构 非常熟悉。 3 ) 波形图输入方式： 波形图输入方式主要是用来建立和编辑波形设计文件，以及输入 仿真向量和功能测试向量。波形设计输入适用于时序逻辑和有重复性 的逻辑函数。系统软件可以根据用户定义的输入输出波形自动生成 逻辑关系。波形编辑功能还允许设计人员对波形进行拷贝、剪切、粘 贴、重复与伸展，从而可以用内部节点、触发器和状态机建立设计文 件，并将波形进行组舍，显示各种进制的状态值，也可以将一组波形 叠加到另一组波形上，对两族仿真波形进行比较。 2 2 3 功能仿真 功能仿真也叫前仿真。用户设计的电路必须在编译之前进行逻辑 功能验证，此时的仿真没有延时信息，对于初步的功能检测非常方便。 仿真前，要先利用波形编辑器和硬件描述语言等建立波形文件或者测 试向量( 即将所关心的输入信号组合成序列) ，仿真结果将会生成报告 文件和输出信号波形，从中便可以观测到各个点的信号变化。若发现 错误，则返回设计输入中修改逻辑设计。 2 2 4 设计处理 设计处理是器件设计中的重要环节。在设计处理过程中，编译软 件将对设计输入文件进行逻辑化简、综合优化和适配，最后生成对p l d 1 9 北京交通大学硕士学位论文 进行编程用的编程文件。设计处理具体包括以下一些处理工作： 1 ) 语法检查和设计规则检查 设计输入完成后，首先进行语法检查，如原理图中有无漏连信号 线，信号有无双重来源，文本输入文件中关键字有无输锚等各种语法 错误，并及时列出错误信息报告供设计人员修改。然后进行设计规则 检验，检查总的设计有无超出器件资源或规定的限制，并将编译报告 列出，指明违反规则情况以供设计人员修改。 2 ) 逻辑优化和综合 化简所有的逻辑方程或用户自定义的宏，使设计所占的资源最 少。综合的目的是将多个模块化设计文件合并为一个网表文件，并使 层次设计平面化。 3 ) 适配和分割 确定优化以后的逻辑能否与器件中的宏单元和i o 单元适配，然 后将设计分割为多个便于识别的逻辑小块形式映射到器件相应的宏 单元中。如果整个设计较大，不能装入一片p l d 器件时，可以将整个 设计划分成多块，并装入同一系列的多片p l d 器件中去。分割可以全 自动、部分或全部用户控制，目的是使器件数目最少，器件之间通信 的引脚数目最少。 、 4 ) 布局布线 布局布线工作是在上面的设计工作完成以后由软件自动完成的， 它以最优的方式对逻辑元件布局，并准确实现元件之间的互连。布线 以后软件自动生成报告，提供有关设计中各部分资源的使用情况等信 息。 可编程逻辑器件及其设计 2 2 5 时序仿真 时序仿真又称后仿真或者延迟仿真。由于不同器件内部的延迟不 一样，不同的布局布线方案也给延迟造成不同的影响。因此在设计处 理以后，要对系统和各模块进行时序仿真，分析其时序关系，估计设 计的性能，以及检查和消除竞争冒险等是非常有必要的。实际上，这 也是与实际器件工作情况基本相同的仿真。 2 2 6 器件编程测试 时序仿真完成后，e d a 软件就可以产生供器件编程