1第一章_概述

EDA技术实用教程 潘松黄继业 科学出版社 ALTERA KONXINELEC Co SOPC EDA技术联合培训中心 培训内容 主要内容 EDA技术 VHDL Max plusII FPGA和CPLD 模拟EDAispPAC 基于FPGA CPLD的电子系统设计 典型EDA实验与开发等教材 EDA技术实用教程 科学出版社 二 SOPC技术研习班A级 主要内容 SOPC技术 QuartusII应用 LogicLock技术 嵌入式逻辑分析仪应用 系统设计优化 第3方EDA工具Synplify LeonardoSpectrum和ModelSim应用等 教材 现代DSP技术 西安电子科技大学出版社 一 EDA技术 电子设计研习班 三 SOPC技术研习班B级 主要内容 SOPC技术 MATLAB Simulink应用 DSPBuilder应用 基于FPGA的DSP模块设计 DSP硬件实现等 教材 现代DSP技术 四 SOPC技术研习班C级 主要内容 SOPC技术 SOPCBuilder应用 IP核Nios嵌入式系统开发应用等 教材 SOPC技术实用教程 科学出版社 EDA技术实用教程 主要特点 一 注重实践与实用 二 注重速成 三 注重系统性 完整性与独立性相结合 2 每一章都按排了有针对性的习题 3 每一章都按排了有针对性的实验 除第1 2章 4 不但注重设计的完成 而且注重设计的效果 5 注重实例的电子设计实用性 6 介绍大量典型EDA设计项目 包括实验 7 大多数实验含设计示例 绝大多数示例都通过综合与硬件验证 1 对硬件描述语言使用特殊讲解方法 2 使用向导式方式介绍原理图 波形 VHDL文本的EDA工具输入设计方法 3 聚焦VHDL可综合语句的不应用 1 深入浅出 难度跨越大 适合于各层次需求 2 简洁而不失完整地介绍EDA技术的基本内容和使用方法 3 可根据自己的需求单独阅读某一章节 1 每全书的重点部分多出自作者的实践积累 EDA技术实用教程 第1章概述 1 1EDA技术及其发展 EDA技术在进入21世纪后 得到了更大的发展 突出表现在以下几个方面 使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能 在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出 电子技术全方位纳入EDA领域 EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊 更加互为包容 1 1EDA技术及其发展 更大规模的FPGA和CPLD器件的不断推出 基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP核模块 软硬件IP核在电子行业的产业领域 技术领域和设计应用领域得到进一步确认 SoC高效低成本设计技术的成熟 EDA技术 ASIC设计 FPGA CPLD可编程ASIC设计 门阵列 MPGA 标准单元 CBIC 全定制 FCIC ASIC设计 SOPC SOC 混合ASIC设计 1 2EDA技术实现目标 作为EDA技术最终实现目标的ASIC 通过三种途径来完成 SOC SYSTEMONACHIP SOPC SYSTEMONAPROGAMMABLECHIP SOPC NIOS EthernetInterface ARM UART RAM ROMFIFO USB PCI DSPBlocks PLLs SDRAMCONTROL VGA PS2 MultiplyUnit JPEGCPL FIR IIR FFT 1 超大规模可编程逻辑器件 2 半定制或全定制ASIC 3 混合ASIC 1 2EDA技术实现目标 1 3硬件描述语言VHDL 硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分 VHDL是作为电子设计主流硬件的描述语言 VHDL语言具有很强的电路描述和建模能力 能从多个层次对数字系统进行建模和描述 从而大大简化了硬件设计任务 提高了设计效率和可靠性 用VHDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现 而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力 1 4VHDL综合 设计过程中的每一步都可称为一个综合环节 1 从自然语言转换到VHDL语言算法表示 即自然语言综合 2 从算法表示转换到寄存器传输级 RegisterTransportLevel RTL 即从行为域到结构域的综合 即行为综合 3 RTL级表示转换到逻辑门 包括触发器 的表示 即逻辑综合 1 4VHDL综合 设计过程中的每一步都可称为一个综合环节 4 从逻辑门表示转换到版图表示 ASIC设计 或转换到FPGA的配置网表文件 可称为版图综合或结构综合 有了版图信息就可以把芯片生产出来了 有了对应的配置文件 就可以使对应的FPGA变成具有专门功能的电路器件 C ASM 程序 CPU指令 数据代码 0100101000101100 软件程序编译器COMPILER 编译器和综合功能比较 VHDL VERILOG 程序 硬件描述语言综合器SYNTHESIZER 为ASIC设计提供的电路网表文件 a 软件语言设计目标流程 b 硬件语言设计目标流程 VHDL综合器运行流程 1 5基于VHDL的自顶向下设计方法 自顶向下的设计流程 1 6EDA与传统电子设计方法的比较 手工设计方法的缺点是 1 复杂电路的设计 调试十分困难 2 如果某一过程存在错误 查找和修改十分不便 3 设计过程中产生大量文档 不易管理 4 对于集成电路设计而言 设计实现过程与具体生产工艺直接相关 因此可移植性差 5 只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实测 EDA技术有很大不同 1 采用硬件描述语言作为设计输入 2 库 Library 的引入 3 设计文档的管理 4 强大的系统建模 电路仿真功能 5 具有自主知识产权 6 开发技术的标准化 规范化以及IP核的可利用性 7 适用于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案 8 全方位地利用计算机自动设计 仿真和测试技术 9 对设计者的硬件知识和硬件经验要求低 10 高速性能好 11 纯硬件系统的高可靠性 1 7EDA的发展趋势 系统集成芯片成为IC设计的发展方向 这一发展趋势表现在如下几个方面 超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高 深亚微米 Deep Submicron 工艺 如0 18 m 0 13 m已经走向成熟 在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能 市场对电子产品提出了更高的要求 如必须降低电子系统的成本 减小系统的体积等 从而对系统的集成度不断提出更高的要求 高性能的EDA工具得到长足的发展 其自动化和智能化程度不断提高 为嵌入式系统设计提供了功能强大的开发环境 计算机硬件平台性能大幅度提高 为复杂的SoC设计提供了物理基础 习题一 习题1 1简述EDA技术的发展历程 EDA技术的核心内容是什么 习题1 2EDA技术与ASIC设计和FPGA开发有什么关系 习题1 3与软件描述语言相比 VHDL有什么特点 习题1 4什么是综合 有那些类型 综合在电子设计自动化中的地位是什么 习题1 5在EDA技术中 自顶向下的设计方法的重要意义是什么 习题1 6IP在EDA技术的应用和发展中的意义是什么 习题1 7与DSP处理器相比 用FPGA来实现数字信号处理的功能有那些优缺点 EDA实验的3个层次 1 逻辑行为的实现 2 控制与信号传输功能的实现 3 算法的实现 如 译码器 红绿交通灯控制 表决器 显示扫描器 电梯控制 乒乓球等电路的设计 时钟频率一般低于4MHz 如 各类信号发生器 A D采样控制器 FIFO RS232或PS 2通信 FPGA CPLD与单片机综合控制等电路的设计 时钟频率一般在25MHz左右 如 离散FFT变换 数字滤波器 浮点乘法器 高速宽位加法器 数字振荡器 数字锁相环 调制解调器 图象DSP等电路的设计 时钟频率一般在50MHz以上 现代DSP设计技术简介 DSP设计技术演进 1 专用数字信号处理机 数字信号处理器DSP 超大规模可编程硬件实现 专用数字信号处理机 早期 如FFT机 只适用于某一特定的信号处理应用 优点 速度快 实时性强缺点 系统规模小 通用性差 电路不灵活无法面向用户 按照用户的要求改变设计结构 和功能特性 DSP设计技术演进 2 数字信号处理器 DSP 如TI公司的TMS320系列 适用于语音处理 窄带通信 低速图像处理 优点 速度快 软件实现 灵活性高 便于实现复杂算法缺点 实时性差 但在多数情况下满足要求 也推出了高性能的DSP 如TI的C6x系列 DSP设计技术演进 3 超大规模可编程硬件实现 FPGA 如Altera公司的APEX APEXII Stratix系列等 开发工具包为DSPBuilder 适用于宽带通信 高速图像处理 优点 速度最快 可编程逻辑实现 灵活性高 实时性强缺点 同DSP软件相比 实现相同算法需要更高成本 但在高速 实时性要求的应用中 如软件无线电的数字中频处理中 已成为必不可少 非此莫属了 DSP设计技术演进 4 1 6EDA与传统电子设计方法的比较 FPGA和DSP芯片实现FIR滤波器的速度对比 8位FIR滤波器阶数 FPGA的处理速度单位 MSPS 达到相当速度所需DSP芯片的指令执行速度单位 MIPS 8162432 104101103105 832161624723360 1 6EDA与传统电子设计方法的比较 实现16阶8位FIR滤波器综合性能对比 DSP设计新工具 DSPBuilder 1 Altera公司DSPBuilder 支持Altera公司超大规模FPGA 整合了整个DSP设计与实现的流程 主要包含 1 MATLAB Simulink仿具库支持 2 Simulink模型到VHDL的设计转换支持 设计的VHDL综合 3 ModelSimVHDL仿真库支持 4 FPGA的后端布局布线 通过SignalCompiler DSPBuilder将MATLAB Simulink系统仿真 VHDL综合器 QuartusII工具紧密结合在一起 大大简化了DSP的设计与实现流程 具有划时代的意义 DSP设计新工具 DSPBuilder 2 DSPBuilder提供了从MATLAB Simulink VHDL综合 VHDL仿真 FPGA实现的统一的库支持 使仿真验证与设计最大程度的简化 DSPBuilder支持完全基于IPCore的设计 除了数字信号处理所需要的绝大多数的Core之外 还支持Altera公司的其它MegaCore 使设计更为容易 支持的MegaCore如下 FFTCompiler FIRCompiler IIRCompiler NCOCompiler Reed SolomonCompiler SymbolInterleaver Deinterleaver ViterbiCompiler 现代DSP设计技术 DSPBuilder设计流程 系统设计 系统仿真Matlab Simulink 将设计转换为HDLSignalCompiler HDL逻辑综合Synplify LeonardoSpectrum FPGA实现QuartusII 现代DSP设计技术 Matlab Simulink 1 Simulink 系统建模 仿真 现代DSP设计技术 Matlab Simulink 2 系统仿真结果 现代DSP设计技术 SignalCompi