东北大学EDA数字系统设计第1章可编程器件和EDA技术-课件

1ppt课件课程宗旨更新数字电路的设计观念，建立行为描述的数字电路设计思想学习掌握CPLD/FPGA的性能特点，最大发挥器件的性能学习新的设计工具硬件描述语言HDL学习掌握数字系统设计方法学习掌握CPLD/FPGA的集成开发设计工具2ppt课件第1章

可编程器件和EDA技术EDA技术的主要特征EDA技术的设计方法可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件设计可编程逻辑器件选型IP核简介EDA技术的发展趋势3ppt课件1.1EDA技术的主要特征EDA(电子设计自动化)技术以计算机为工作平台，以电子CAD通用软件包为开发环境,以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程

与EDA相关的几个概念“自上而下”的设计方法专用集成电路ASIC全定制ASIC——由设计者定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则，最后将设计结果交由IC厂家去进行掩模制造，做出产品，应用空间：模拟集成电路设计4ppt课件半定制ASIC——约束性的版图设计方法，以牺牲芯片性能为代价来简化设计，缩短开发时间。分为门阵列设计法和标准单元设计法。应用空间：通信领域可编程ASIC（可编程器件）——将掩模ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起。应用空间：样品研制或小批量产品开发硬件描述语言（HDL）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，适合大规模电子系统的设计。早期的HDL——ABEL、HDL、AHDL5ppt课件当前的HDL——VHDL,1985年美国国防部正式推出87版VHDL为初始硬件描述语言标准（IEEESTD1076-1987）；93版VHDL为进一步完善的硬件描述语言标准（IEEESTD1076-1993）最新的VHDL标准是IEEESTD1076-2001版目前主流的设计工具可以很好地支持这些版本的VHDL设计。EDA系统框架结构(Framework)一套配置和使用EDA软件包的规范目前主要的EDA系统框架结构Cadence公司的DesignFrameworkMentor公司的FalconFramework6ppt课件特点1遵守国际CFI组织制定的统一技术标准；2将来自不同EDA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环境之下；3支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中的信息传输与共享7ppt课件1.2EDA技术的设计方法电路级设计基于门级描述的单层次设计流程设计输入：确定设计方案，选择合适元器件，根据具体的元器件设计电路原理图第一次仿真：检验设计方案在功能方面的正确性。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。※必须要有元件模型库的支持。PCB板的自动布局布线：仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表再进行PCB板的自动布局布线8ppt课件后仿真：检验PCB板在实际工作环境中的可行性。进行PCB后分析，其中包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并可将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真系统级设计只定义系统的行为特性，不涉及实现工艺，在厂家综合库的支持下，利用综合优化工具将高层次描述转换化为针对某种工艺优化的网络表，轻易实现工艺优化和系统升级9ppt课件流程系统划分：按照“自上而下”的方法设计输入：采用VHDL语言状态图等方式描述系统，并编译成标准的VHDL文件。功能仿真：检验系统功能设计的正确性。综合优化：※将高层次描述转化为硬件电路的关键。对HDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网络表相应的厂家综合库。适配前仿真：利用产生的网络表文件进行适配前的时序仿真。适配：将综合后的网络表文件针对某一具体的目标器件进行适配，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。10ppt课件适配后仿真：根据适配后的仿真模型，进行适配后的时序仿真，仿真结果能比较精确地预期实现所描述系统的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VHDL源代码或选择不同速度和品质的器件，直至满足设计要求器件实现：将适配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FPGA或CPLD中。11ppt课件1.3可编程逻辑器件简介1.3.1从ASIC到FPGA/CPLDASIC专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC）相对标准集成电路而言，是设计者根据设计需求所设计的在特殊场合使用的集成电路。12ppt课件标准集成电路具有标准的芯片功能，可以在市场上购买到的通用器件。例如以下器件都属于标准集成电路。1)中央处理单元(CPU)2)存储器（

DRAM、SRAM、ROM、EPROM、EEPROM）

13ppt课件3)计算机主板上的南北桥芯片4)显示卡上的绘图芯片5)运算电路中的加法器、减法器、比较器、数据选择器等6)USB收发器14ppt课件专用集成电路（ASIC）CPLD和FPGA的先驱，泛指面向专门用途或特定用户而设计制造的集成电路，是片上系统集成（SOC）的基础1)全定制(FullCustom)2)半定制(SemiCustom)·门阵列(GateArray)·标准单元(StandardCell)·积木块(CellBased)15ppt课件ASIC实现设计者根据ASIC厂商提供的标准单元库进行设计，ASIC厂商根据设计生产掩膜，最终制造出ASIC芯片。实现方式：门阵列结构：外围部分是I/O单元，包含了输入和输出缓冲器，有限的晶体管，压焊盘等。内部是基本的逻辑单元或门电路，每个单元均由少量的晶体管组成。

16ppt课件门阵列上所有的晶体管在初始时并不连接，布局设计软件根据给定的设计方案,就会计算出哪些晶体管需要连接。ASIC厂商提供一些未连接的芯片，当设计完成，厂商只需对参与连接的金属层进行照相掩模，并加到芯片上，就可以生产出自己的芯片。

17ppt课件优点：内部电路工作速度快，电路密度高（具有百万个门电路密度的门阵列，其时钟频率能达到数百MHz）在一个芯片上可集成多个功能块，对需求量较大的产品来说，成本低廉。缺点：ASIC的厂商需要时间去制造和测试电路部件。另外，用户要预先承担大笔的费用,即所谓的非重复性工程(Non-RecurringEngineering,NRE)费用，ASIC生产厂商用这笔费用去启动整个ASIC的生产过程。如果这其中存在某一个错误，那么修改这个错误，并重新生产出新的ASIC芯片就需要花费很长的时间和昂贵的生产费用。18ppt课件标准单元根据ASIC厂商提供的标准单元库，进行数字逻辑电路设计。优点：设计较为灵活

;缺点：设计所需的掩模版层数较门阵列方式多(约十二层以上)。标准单元设计方式，可以使成本降低，但相对地要付出较高的非重复性工程费用，同时生产周期较长。积木式设计

综合了门阵列和标准单元的各自优点来实现器件设计。即以单元的方式来建立逻辑电路中的不同功能模块，如需改变某个模块的设计时，只需改变相应的模版即可，从而大大节省了设计风险和成本，提高了设计效率。19ppt课件全定制按客户要求，以最佳的电路设计为目标，以期得到一个价格合理且性能优良的产品。缺点是付出高昂的NRE费用和大量的设计人工费用以及较长的设计周期。所以通常只在关键电路的设计上使用。用户可以根据所要开发产品的特点，选择某种适合的设计方式完成设计。20ppt课件低密度PROM,EPROM,EEPROM,PAL,PLA,GAL只能完成较小规模的逻辑电路高密度，已经有超过400万门的器件EPLD,CPLD,FPGA可用于设计大规模的数字系统集成度高，甚至可以做到SOC（SystemOnaChip）可编程逻辑器件PLD21ppt课件1.3.2CPLD器件22ppt课件MAX7000S系列器件的内部结构1.3.2CPLD器件LAB(logicarrayblock)宏单元(macrocells)扩展乘积项EPT(Expanderproductterms)可编程连线阵列PIA(programmableinterconnectarray)I/O控制块IOC(I/Ocontrolblocks)

23ppt课件每个LAB的输入信号：1）来自通用逻辑输入的PIA的36个信号2）用于寄存器辅助功能的全局控制信号3）从I/O引脚到寄存器的直接输入通道，用以实现MAX7000E和AX7000S器件的快速建立时间。24ppt课件宏单元(macrocells)器件的具体逻辑单元，用来实现各种具体的逻辑功能逻辑阵列，实现组合逻辑函数，每个宏单元提供5个乘积项。乘积项选择矩阵，实现逻辑函数，或者作为宏单元的触发器的辅助输入(清除、置位、时钟和时钟使能)。每个宏单元的一个乘积项还可以反馈到逻辑阵列。25ppt课件可编程触发器：可以被单独编程为D、T、JK或SR触发器，可以被旁路掉，用以实现纯组合逻辑。可编程触发器的3种时钟控制方式：全局时钟（GlobalClock），能够实现最快的时钟控制。带高电平使能的全局时钟，能够实现具有使能控制的触发器，能够实现最快的时钟控制。来自乘积项的时钟，来自隐含宏单元或I/O引脚的信号进行时钟控制，具有较慢的时钟控制。26ppt课件扩展乘积项(Expanderproductterms)为实现更复杂逻辑函数需要除了一个宏单元中的5个乘积项，还要用到另一个宏单元内部的逻辑单元的逻辑资源。MAX7000结构允许利用共享和并联扩展乘积项(扩展项)作为附加的乘积项直接送到同一逻辑阵列块的任意宏单元中。27ppt课件共享扩展项每个LAB有16个共享扩展项。每个宏单元提供一个未投入使用的乘积项作为共享扩展项，并将它们反相后反馈到逻辑阵列块，便于集中使用。每个共享扩展乘积项可被逻辑阵列块LAB内任何一个宏单元或全部宏单元使用和共享，以实现更为复杂的逻辑函数。采用共享扩展项后会增加一个短的延时tSEXP28ppt课件并联扩展项宏单元中没有使用的乘积项，这些乘积项可分配到邻近的宏单元去实现快速复杂的逻辑函数。并联扩展项允许多达20个乘积项直接馈送到宏单元的“或”逻辑5个乘积项是由宏单元本身提供的，15个并联扩展项是由逻辑阵列块LAB中邻近宏单元提供的。每个逻辑阵列块LAB中有16个宏单元，每8个宏单元分成一组

在LAB中形成2个出借或借用并联扩展项的链。一个宏单元可以从较小编号的宏单元中借用并联扩展项。每组宏单元中，最小编号的宏单元仅能出借并联扩展项，而最大编号的宏单元仅能借用并联扩展项。宏单元中不用的乘积项可以分配给邻近的宏单元。29ppt课件可编程连线阵列PIA(programmableinterconnectarray)用以实现各LAB相互连接，实现用户所需要的逻辑功能。全局总线是可编程的通道，它把器件中任何信号源连到其目的地上。所有MAX7000的专用输入、I/0引脚和宏单元输出均馈送到PIA，PIA再把这些信号送到整个器件内的相应各点。EEPROM单元（阴影部分）控制2输入与门的一个输入端，通过对EEPORM单元的编程来选通驱动逻辑阵列块LAB的可编程连线阵列PIA信号。MAX7000的可编程连线阵列PIA有固定延时。30ppt课件I/O控制块IOC(I/Ocontrolblocks)I/O控制块允许每个I/O引脚单独地配置成输入/输出或双向工作方式所有I/O引脚都有一个三态输出缓冲器，输出三态缓冲器的使能端受可编程数据选择器输出信号驱动。31ppt课件MAX7000系列器件的输出配置多电压(Multivolt)I/O接口Vccint和Vccio。32ppt课件1.3.2.3MAX7000系列器件的编程MAX7000系列器件可以通过标准的JTAG接口进行编程。通常用一条编程电缆把欲编程的器件与计算机的并口或串口相连，利用开发系统的下载功能对器件进行编程。33ppt课件34ppt课件35ppt课件36ppt课件1.3.3FPGA器件37ppt课件1.3.3.1XC4000系列器件的内部结构38ppt课件1．XC4000系列的可配置逻辑块(CLB)函数功能发生器触发器39ppt课件输入输出AiBiCi-1SiCi00000001100101001101100101010111001111111、CLB设计实现加法器40ppt课件2、配置RAM功能41ppt课件性能资源对比表（DensityandPerformanceforSeveralCommonCircuitFunctions）42ppt课件2.输入/输出模块（In/OutputBlock）IOB可编程输入输出双向传输

输入/输出模块是为芯片外部引脚或内部逻辑提供接口的模块43ppt课件1.3.3.2内部互连资源（PI）FPGA的内部互连资源是带有可编程节点和开关矩阵的内部金属线段，这些线段为内部各个CLB、IOB提供了连线资源，用来实现内部各CLB之间、IOB之间，以及CLB和IOB之间相互连接。正是因为有互连资源才可以实现极其复杂的逻辑电路；内部互连资源不但决定器件的综合布线布通率，还决定器件的工作速度指标。

44ppt课件Thesingle-lengthlines45ppt课件TheSwitchMatrix46ppt课件TheDouble-LengthLines47ppt课件TheLonglineRoutingResources48ppt课件Aninternaloscillatorisusedforclockingofthepower-ontime-out,configurationmemoryclearing,andasthesourceofCCLKinMastermodes.Thisoscillatorsignalrunsatanominal8MHzandvarieswithprocess,VCCandtemperaturebetween10MHzmaxand4MHzmin.4、晶振（Oscillator）49ppt课件5、静态存储单元SRAM静态存储单元由两个CMOS反相器和一个用于读写数据的传输晶体管组成。该单元在FPGA组态时写入数据，在回读（readback）时读出数据。当FPGA正常工作时，因为FPGA的组态数据已存储在这些静态RAM单元中，所以相应的RAM单元的输出Q和端的状态是确定的，直接控制着可编程开关等。FPGA正常工作时，传输晶体管是断开的（OFF）50ppt课件1.3.3.3XC4000系列器件的配置在Xilinx公司的ISE开发系统中，利用MakeBits把用户的设计自动编译成可以下载的数据文件（bitstream文件），把下载的数据文件传输到FPGA器件内部，使之处于用户所需要的工作状态这一过程被称为FPGA的配置。此过程相当于SPLD和CPLD的编程。51ppt课件配置模式52ppt课件主模式53ppt课件主模式54ppt课件从串行模式55ppt课件外设模式AsynchronousPeripheralModeSynchronousPeripheralMode56ppt课件2、FPGA的配置过程（1）、配置存储器复位过程当电源上电时，为了保证电源电压稳定，一个内部电源复位电路被触发，提供一段上电延时。经过这段初始化延时后，FPGA开始清除其内部原有的配置数据。接下来检测RESET脚的输入信号，如果此信号无效，则进入下一阶段。（2）、初始化FPGA在配置过程中还为用户提供了一些标志FPGA状态的信号，它们是HDC、LDC、INIT，HDC在配置过程中输出为高，而LDC在配置过程中输出为低。INIT被用来表示初始化阶段结束，如果初始化结束，INIT脚的输出为低。（3）、配置过程FPGA采样模式控制引脚，以确定配置方式。接下来进入配置数据阶段：在此期间系统自动读入数据，配置好内部存储单元。如果配置正确，执行一个时钟周期的同步开始过程，然后进入工作状态。在整个配置过程中掉电保护被禁止。FPGA的配置过程是一种自动装载配置数据的过程。主要有以下步骤：57ppt课件1.4可编程逻辑器件设计

设计输入·电路图·硬件描述语言器件编程

设计实现·优化·合并、映射·布局、布线功能仿真时序仿真器件测试系统说明58ppt课件1.4.2Xilinx公司的ISE开发工具概述59ppt课件1.4.3Altera公司的QuartusII开发工具概述60ppt课件1.5.1CPLD选择的方法1.5可编程逻辑器件选型编程技术在线可编程能力功能模块的性能触发器结构嵌入式器件I/O引脚的数量和类型时钟输入引脚的数量61ppt课件1.5.2FPGA选择的方法可配置逻辑模块I/O引脚的数量和类型时钟输入端的数目嵌入式器件配置/编程方式器件当中所含可配置逻辑模块的数目62ppt课件1.6IP核简介IP核是具有知识产权（IntellectualProperty）的集成电路芯核的简称，其作用是把一组拥有知识产权的电路设计集合在一起，构成芯片的基本单位，如FIR滤波器，SDRAM控制器，PCI接口等等设计成可修改参数的模块，以供设计时搭积木之用。随着CPLD/FPGA的规模越来越大，设计越来越复杂，使用IP核是一个设计发展趋势。IP内核可以在不同的硬件描述级实现，由此产生了三类IP内核：软核硬核固核63ppt课件软核通常以可综合的HDL源代码的形式出现，因此具有较高的灵活性。其应用和开发过程与普通的HDL设计实现系统也十分相似,只是所需的开发软硬件环境比较昂贵。软核的设计周期短,设计投入少。由于不涉及物理实现,为后续设计留有很大的发挥空间,增大了IP的灵活性和适应性。其主要缺点是缺乏对时序、面积和功耗的预见性。在一定程度上使后续工序无法适应整体设计，从而需要一定程度的软核修正,在性能上也不可能获得全面的优化。1.软核64ppt课件硬核提供设计的最终阶段产品——掩模。硬核的设计与工艺已完成而不能更改。它的产品有存储器、模拟电路和总线器件等。设计越细化，后续工序所需要做的事情就越少，当然，灵活性也就越小。不同的用户可以根据自己的需要订购不同的IP核产品。用户得到的硬核仅是产品功能而不是产品设计，因此，硬核的设计与制造厂商能对它实行全权控制，它的知识产权的保护也较简单。由于通信系统越来越复杂,PLD的设计也更加复杂

,这增加了市场对IP核的需求。各大FPGA/CPLD厂家继续开发新的IP商品,并且开始提供硬件IP,将一些功能在出厂时就固化在芯片中。

2.硬核65ppt课件固核是一种介于软核与硬核之间的，完成了综合的功能块。它有较大的设计深度,以网表文件的形式提交客户使用。它既不独立，也不固定，可根据用户要求作部分修改。固核允许用户重新定义关键的性能参数，内部连线表有的也可以重新优化，其使用流程同软核。如内部连线表不能优化时，使用流程与硬核相同。如果客户与固核使用同一个IC生产线的单元库,IP应用的成功率会高得多。

3.固核66ppt课件1.7.1可编程逻辑器件的发展趋势1.7EDA技术的发展趋势可编程逻辑器件集成度随着半导体制造工艺的发展而进步。从最初的单片集成度几百门到现在的单片集成度数百万门。制造工艺从0.25um到65nm，例如Xilinx公司的Virtex-5LX系列FPGA就是采用先进的65nmCMOS工艺制造的FPGA。高端高密度的FPGA不但具有实现MCU的能力，还可以实现DSP信号处理器，已经具备了片上系统(SOC)集成的能力。可编程逻辑器件的速度也在不断提高，例如Altera公司的Stratix

II

系列器件中的速度等级（-3）芯片，可以实现500

MHz的内部时钟频率。1．向高集成度、高速度的方向发展67ppt课件集成技术的飞速发展，工艺水平的不断提高，节能潮流在全世界兴起，也为半导体工业提出了降低工作电压的发展方向。可编程ASIC产品已成为电子系统的重要组成部分，也不可避免地向3.3V→2.5V→1.8V

的标准靠拢，以便适应其他数字器件，扩大应用范围，满足高速节能的需求。2.向低电压、低功耗的方向发展伴随着器件的集成度提高，单片容量可设计逻辑越来越多，为了提高设计速度和系统性能，在一些FPGA芯片中集成一定功能的硬核，设计者可以利用这些硬核与其它设计资源结合完成设计，这将是可编程逻辑器的又一个发展方向。3.向软核、硬核混合的结构方向发展68ppt课件随着电子类产品的不断进步和半导体制作工艺的发展，愈来愈多的设计需求把数字电路与模拟电路相结合，可编编程逻辑器件势必适应市场的需求，集成一定数量的可编程模拟器件，更加有助于实现数字与模拟的混合设计。4．向模拟和数字混合电路的方向发展69ppt课件1.7.2EDA软件开发工具的发展趋势

从EDA工具的现状可以看到，用于数字电路设计的EDA工具发展速度远比用于模拟电路设计的EDA工具快，其主要原因在于实现模拟集成电路的EDA工具要比实现数字集成电路的EDA工具更为复杂，更为重要的原因在于对于模拟集成电路集成大量的电阻、电感和电容比较困难，特别是比较大电感量的电感和电容量的电容。

虽然实现模拟集成电路的开发工具的难度较大,但是大多数物理量本身多以模拟形式存在,实现高性能的复杂电子系统的设计离不开模拟信号。近几年,EDA工具厂商都比较重视数模混合信号设计工具的开发，比如Lattice公司已经推出了PACDesigner开发工具用于开发可编程模拟器件。对数字信号的语言描述,IEEE已经制定了VHDL和VerilogVHDL标准,而对模拟信号的语言正在制定AHDL标准。此外，还提出了对微波信号的MHDL描述语言。1.具有混合信号处理能力的EDA工具70ppt课件电子系统设计的仿真过程分为两个阶段:一个阶段是设计前期的系统级仿真，也称为功能仿真；另一个阶段是设计过程中的电路级仿真，也称为时序仿真。前者主要验证系统的功能；而后者主要验证系统的性能，决定怎样实现设计所需的精度。在整个电子设计过程中，设计仿真通常需要占用较大的精力。为此，提高仿真效率，提高仿真的有效性、精度等问题将是仿真工具的发展趋势。要提高仿真的有效性,一方面是建立合理的仿真算法,另一方面是较好地解决系统级仿真中系统级模型的建模和电路级仿真中电路级模型的建模技术。2.高效率的设计仿真工具的发展71ppt课件今天,电子系统和电路的集成规模越来越大,几乎不可能直接面向版图做设计，很难直接找出版图中的错误。将设计者的精力从繁琐的版图设计和分析中转移到设计前期的算法开发和功能验证上,是设计综合工具要达到的目的。高层次设计综合工具可以将低层次的硬件设计一起转换到物理级的设计,实现不同层次、不同形式的设计描述转换,通过各种综合算法实现设计目标所规定的优化设计。面对当今飞速发展的电子产品市场,电子设计人员需要更加实用、快捷的EDA工具使用统一的集成化设计环境,改变传统设计思路(即优先考虑具体物理实现方式),将精力