1、EDA数字系统设计数字系统设计 1课程内容 主要讲授使用EDA工具，进行FPGA或者CPLD的数字逻辑系统设计的基础知识、方法、流程和验证技术等内容。2一些概念和术语 数字逻辑 逻辑器件EDA ASIC PLD CPLD FPGA HDL语言3为什么要掌握FPGA知识 是目前开发应用的三大主流之一（以单片机、ARM为代表的MCU、DSP和FPGA)应用范围越来越大，前景广阔，越来越多的工程师在使用FPGA 就业4第一章第一章 EDA及及FPGA概述概述 5本章内容 一、数字集成电路设计概述 二、关于FPGA技术 三、FPGA技术的现状和发展方向 四、FPGA技术的典型应用领域 五、课程学习目的
2、6本章内容 一、数字集成电路设计概述 二、关于FPGA技术 三、FPGA技术的现状和发展方向 四、FPGA技术的典型应用领域 五、课程学习目的7 本节主要介绍EDA工具的发展、ASIC的优劣及其设计流程和可编程逻辑器件的出现。一、数字集成电路设计概述8 集成电路（集成电路（ICIC）是指通过一系列特定的加工工是指通过一系列特定的加工工艺，将多个晶体管、二极管、电阻、电容等器艺，将多个晶体管、二极管、电阻、电容等器件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片（如晶片（如SiSi或或GaAsGaAs）或陶瓷等基片上，作为一或陶瓷等基片上，作为一个不可分割的整
3、体完成某一特定功能的电路组个不可分割的整体完成某一特定功能的电路组件。件。1.什么是集成电路？什么是集成电路？9集集成成电电路路按结构分按结构分按规模分按规模分按功能分按功能分按应用领域分按应用领域分MOS型（型（PMOS、NMOS、CMOS）BiMOS型（型（BiMOS、BiCMOS）双极型双极型SSI、MSI、LSI（Small、Medium、Large）VLSI（Very Large Scale IC:超大）超大）ULSI（Ultra Large Scale IC：特大）特大）GSI （Gigantic Scale IC：巨大）巨大）数字数字IC（组合、时序）组合、时序）模拟模拟IC（线
4、性、非线性）线性、非线性）模、数混合模、数混合IC通用通用IC专用专用IC（ASIC）10划分集成电路规模的标准划分集成电路规模的标准类别类别 数字集成电路数字集成电路MOS IC 双极双极 IC模拟集成电路模拟集成电路SSIMSILSIVLSIULSIGSI109300200011 集成电路工艺越来越先进，已从亚微米集成电路工艺越来越先进，已从亚微米(0.5到到1微微米米)进入到深亚微米进入到深亚微米(小于小于0.5微米微米)，进而进入到超，进而进入到超深亚微米深亚微米(小于小于0.25微米微米)。其主要特点：。其主要特点：特征尺寸越来越小特征尺寸越来越小 芯片尺寸越来越大芯片尺寸越来越大
5、单片上的晶体管数越来越多单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快时钟速度越来越快 电源电压越来越低电源电压越来越低 布线层数越来越多布线层数越来越多 I/O引线越来越多引线越来越多12 随着集成技术的发展和集成度的提高，随着集成技术的发展和集成度的提高，ICIC芯片的芯片的设计工作越来越复杂，于是出现各种设计工作越来越复杂，于是出现各种CADCAD计算机辅计算机辅助设计工具。总之，助设计工具。总之，ICIC的设计方法和设计工具有：的设计方法和设计工具有：原始的手工设计阶段原始的手工设计阶段ICIC设计自动化阶段（设计自动化阶段（EDAEDA设计阶段）设计阶段）13原始的手工设计阶段：原始的手
6、工设计阶段：集成电路问世初期，人脑通过纸和笔，在完成功能设计、集成电路问世初期，人脑通过纸和笔，在完成功能设计、逻辑设计和电路设计后，再用分立的元器件搭制起硬件模拟逻辑设计和电路设计后，再用分立的元器件搭制起硬件模拟电路，让信号通过这一电路，以验证其功能和各项参数是否电路，让信号通过这一电路，以验证其功能和各项参数是否满足设计的要求。满足设计的要求。然后用手工进行版图设计，即采用人工进行布局和布线：然后用手工进行版图设计，即采用人工进行布局和布线：用尺和笔在方格纸上绘制版图、刻红膜、拍照、制作光刻掩用尺和笔在方格纸上绘制版图、刻红膜、拍照、制作光刻掩膜版、流片、测试、封装。膜版、流片、测试、封
7、装。14 7070年代，集成电路设计附属于半导体工业加工。年代，集成电路设计附属于半导体工业加工。第一代第一代EDAEDA称为称为CADCAD。第一代的。第一代的IC CADIC CAD系统为系统为ICIC设计师提供方便的设计师提供方便的版图编辑、设计版图编辑、设计验证验证和和数据转换数据转换等功能。等功能。8080年代，出现第二代年代，出现第二代EDAEDA系统，常称为系统，常称为计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAECAE）系系统统，硬件以，硬件以3232位工作站。为设计师提供了方便的位工作站。为设计师提供了方便的原理图编辑、仿原理图编辑、仿真真和和物理版图的布图、验证功能，物理版图的布图
8、、验证功能，构成了一个比较完整的构成了一个比较完整的ICIC设计设计系统。系统。9090年代以来，芯片的集成度越来越高，出现了以年代以来，芯片的集成度越来越高，出现了以HDLHDL作为设计输入作为设计输入的的ICIC设计方式，一般称为第三代设计方式，一般称为第三代EDAEDA系统。系统。ICIC的设计工作从行为、的设计工作从行为、功能开始，功能开始，EDAEDA向设计的高层次发展。包括有系统级的设计工具。向设计的高层次发展。包括有系统级的设计工具。未来发展，未来发展，ESDA(ESDA(电子系统设计自动化电子系统设计自动化)ICIC设计自动化阶段：设计自动化阶段：15 EDA工具的发展史 第一
9、代：七十年代以Applicon,Calma,CV为代表的版图编辑+DRC 第二代：八十年代以Mentor（世界排位第三）,Daisy,Valid为代表的CAD系统，从原理图输入、模拟、分析、到自动布图及验证 第三代：九十年代以Cadence（世界排位第一，提出Verilog，优势是版图设计及仿真器工具，同时也推出系统级描述工具STW信号处理系统）,Synopsys（世界排位第二）优势是逻辑综合器是世界第一，Avanti等为代表的EDA系统，包括有系统级的设计工具最佳组合：（Cadence仿真器verlog XL Synopsys的 DC(Design Complier)第四代：正在研制面向VD
10、SM+System-On-a-Chip的新一代深亚深亚微米微米CAD系统16随着电路集成度的提高随着电路集成度的提高，数字，数字IC主要分为如下两类：主要分为如下两类：通用集成电路：通用集成电路：在发展微细加工技术的基础上，开在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、超高集成度的电路，用户众多，使用领域广发超高速、超高集成度的电路，用户众多，使用领域广泛、标准型的电路。例如各种型号的泛、标准型的电路。例如各种型号的CPU、DSP、单单片机等。片机等。专用集成电路专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuits）：面向专门用途，为某一用：面向专
11、门用途，为某一用户特定生产的集成电路。例电视视频处理芯片、电话中户特定生产的集成电路。例电视视频处理芯片、电话中语音处理芯片等。语音处理芯片等。5.数字集成电路的发展及数字集成电路的发展及PLD的出现的出现17系统设计算法设计RTL设计逻辑综合向foundry提交网表系统验证算法验证RTL验证Foundry进行版图设计Foundry返回最终网表后仿真foundry流片前端流程后端流程1819ASIC的优势：的优势：成本低、功耗低、尺寸小、可靠性高、保密性强成本低、功耗低、尺寸小、可靠性高、保密性强ASIC的缺点：的缺点：资金投入大、研发投片制作具有一定的失败风险、资金投入大、研发投片制作具有一
12、定的失败风险、开开发周期较长、灵活性低发周期较长、灵活性低5.数字集成电路的发展及数字集成电路的发展及PLD的出现的出现 为了降低投资风险、缩短开发周期，提高开发设计的灵活性，可编程逻辑器件PLD应运而生，其特点在于“芯片逻辑功能编程”。205.数字集成电路的发展及数字集成电路的发展及PLD的出现的出现21222324本章内容 一、数字集成电路设计概述 二、关于FPGA技术 三、FPGA技术的现状和发展方向 四、FPGA技术的典型应用领域 五、课程学习目的25 本节介绍基于FPGA的结构、设计的优势、设计流程和方法。二、关于FPGA技术26关于关于FPGA技术技术 以FPGA为代表的PLD与A
13、SIC的对比如下：27FPGA为代表的为代表的PLD的优点的优点 集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性 具有完善先进的开发工具提供语言、图形等设计方法，十分灵活通过仿真工具来验证设计的正确性 可以反复地擦除、编程，方便设计的修改和升级 灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间28关于关于FPGA技术技术 由上可知，FPGA因其具有灵活可编程的特点，相对于ASIC的优势主要在于灵活性、风险性和开发的快速性方面。FPGA可重复编程是由其结构决定的。下面来简单介绍FPGA的结构。29 FPGA由由可编程逻辑块（可编程逻辑块（CLB）、输入输入/
14、输输出模块（出模块（IOB）及可编程互连资源（及可编程互连资源（PIR）等三种等三种可编程电路和一个可编程电路和一个SRAM结构的配置存储单元组结构的配置存储单元组成。成。CLB是实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则地排列成一个是实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则地排列成一个阵列，散布于整个芯片中；可编程输入阵列，散布于整个芯片中；可编程输入/输出模块（输出模块（IOB）主要完成芯主要完成芯片上的逻辑与外部引脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互片上的逻辑与外部引脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互连资源（连资源（IR）包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们包括各种长度的
15、连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个将各个CLB之间或之间或CLB与与IOB之间以及之间以及IOB之间连接起来，构成特定之间连接起来，构成特定功能的电路。功能的电路。关于关于FPGA技术技术30FPGA的基本结构图的基本结构图C CL LB BI IR RI IO OB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB
16、BI IO OB BI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR R311)可编程逻辑块（可编程逻辑块（CLB）CLB主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。路组成。逻辑函数发生器主要由查找表逻辑函数发生器主要由查找表LUT(look up table)构成构成0000010100000101161RAM输入A输入B输入C输入D查找表输出多路选择器查找表LUT输入1输入2输入3输入4输出函数发生器基于查找函数
17、发生器基于查找表单元：表单元：321)可编程逻辑块（可编程逻辑块（CLB）CLB主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。路组成。逻辑函数发生器主要由查找表逻辑函数发生器主要由查找表LUT(look up table)构成构成33课后作业 1、查资料，、查资料，CPLD的可编程逻辑是基于什么结构实现的可编程逻辑是基于什么结构实现的？都属于可编程逻辑器件，的？都属于可编程逻辑器件，CPLD与与FPGA有什么不有什么不同？同？34 3)可编程互连资源（可编程互连资源（PIR）PIR由许多金属线段构成，这些金属线段带有由许多金属线段构成，这些金属
18、线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接。可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接。实现实现FPGA内部的内部的CLB和和CLB之间、之间、CLB和和IOB之之间的连接。间的连接。2)输入输入/输出模块（输出模块（IOB）IOB主要由输入触发器、输入缓冲器和输出触发主要由输入触发器、输入缓冲器和输出触发/锁存器、输出缓冲器组成，每个锁存器、输出缓冲器组成，每个IOB控制一个引脚，它控制一个引脚，它们可被配置为输入、输出或双向们可被配置为输入、输出或双向I/O功能。功能。35关于关于FPGA技术技术1)、传统数字电路设计、传统数字电路设计 逻辑代数数字系统数学基础 数字电路设计的基本
19、方法组合电路设计问题问题逻辑关系逻辑关系真值表真值表化简化简逻辑逻辑图图时序电路设计列出原始状态转移图和表状态化简状态分配触发器选型求解方程式逻辑图36 使用中、小规模器件设计电路（使用中、小规模器件设计电路（74、54系列系列）编码器（编码器（74LS148）译码器（译码器（74LS154）比较器（比较器（74LS85）计数器（计数器（74LS193）移位寄存器（移位寄存器（74LS194）设计方法的局限设计方法的局限卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。采用采用“搭积木搭积木”的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片
20、的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。设计系统所需要的设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。芯片种类多，且数量很大。37n采用中小规模器件的局限n电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，可靠性低提高芯片的集成度n设计比较困难能方便地发现设计错误n电路修改很麻烦提供方便的修改手段38n2)基于PLD的数字系统设计方法n借助于当前先进的EDA工具，PLD器件开创了数字系统设计的新方法现代数字系统设计。关于关于FPGA技术技术39原理图原理图/HDL文本编辑文本编辑综合综合FPGA/CPLD适配适配FPGA/CPLD编程下载编程下载FPGA
21、/CPLD器件和电路系统器件和电路系统时序与功能时序与功能门级仿真门级仿真1、功能仿真、功能仿真2、时序仿真、时序仿真逻辑综合器逻辑综合器结构综合器结构综合器1、isp方式下载方式下载 2、JTAG方式下载方式下载 3、针对、针对SRAM结构的配置结构的配置 4、OTP器件编程（一次性）器件编程（一次性）功能仿真功能仿真2)基于PLD的数字系统设计方法以以FPGA为代表的为代表的PLD的的EDA开发流程开发流程:40 FPGAFPGA开发流程与开发流程与EDAEDA软件软件（1）设计定义）设计定义（2）HDL Code（3）功能仿真）功能仿真（4）逻辑综合）逻辑综合（5）前仿真）前仿真（6）布
22、局布线）布局布线（7）后仿真）后仿真（9）在系统测试）在系统测试逻辑仿真器逻辑仿真器逻辑综合器逻辑综合器FPGA厂家工具厂家工具逻辑仿真器逻辑仿真器逻辑仿真器逻辑仿真器（8）静态时序）静态时序分析分析逻辑仿真器逻辑仿真器：Modelsim、Active HDL、Verilog-XL等等 逻辑综合器：逻辑综合器：Leonardo Spectrum、Synplify、FPGA Express/FPGA CompilerII等等 FPGA厂家工具厂家工具：Altera的的Max+PlusII、QuartusII，Xilinx的的Foundation、ISE4.1等等 41思考：FPGA与与ASIC的
23、设计流程有什么区别？的设计流程有什么区别？42 ASICASIC设计流程包括前端设计、后端设计、流设计流程包括前端设计、后端设计、流片。片。FPGAFPGA只需做前端设计，因为其是可编程的！只需做前端设计，因为其是可编程的！43 对于数字对于数字ICIC的前段设计，需要学习下面几个的前段设计，需要学习下面几个方面的内容：方面的内容：（1 1）数字逻辑电路与系统数字逻辑电路与系统（2 2）HDLHDL语言语言（3 3）数字系统的综合技术）数字系统的综合技术（4 4）各种实现方法的特点，特别是）各种实现方法的特点，特别是FPGAFPGA方面的知方面的知识识（5 5）各种前端开发工具的使用）各种前端
24、开发工具的使用44 对于后段设计，需要掌握的内容：对于后段设计，需要掌握的内容：（1 1）模拟电路与系统模拟电路与系统（2 2）微电子学的基础知识（包括器件结构、版图等）微电子学的基础知识（包括器件结构、版图等）（3 3）超大规模集成电路设计方法）超大规模集成电路设计方法（4 4）各种实现方法的特点）各种实现方法的特点（5 5）各种后端开发工具的使用（包括）各种后端开发工具的使用（包括SPICESPICE）45本章内容 一、数字集成电路设计概述 二、关于FPGA技术 三、FPGA技术的现状和发展方向 四、FPGA技术的典型应用领域 五、课程学习目的46 本节介绍FPGA目前的状况及以后的发展方
25、向。三、FPGA技术的现状和发展方向47 最大的PLD供应商之一 FPGA的发明者，最大的PLD供应商之一 ISP技术的发明者 提供军品及宇航级产品FPGA技术的现状和发展方向三、FPGA技术的现状和发展方向 主要主要FPGAFPGA厂商厂商48FPGA技术的现状和发展方向 ALREAALREA的产品的产品三、FPGA技术的现状和发展方向49FPGA技术的现状和发展方向xilinx的产品的产品三、FPGA技术的现状和发展方向501.向密度更高、速度更快、频带更宽的百万门系统级方向发展向密度更高、速度更快、频带更宽的百万门系统级方向发展nXilinx Virtex/-E/II Pro（PPC40
26、5、MutiGbit收发器、RoketI/O、部分可重构特性、系统时钟400M以上）nAltera APEX/Stratix2.向低电压、低功耗和绿色化方向发展向低电压、低功耗和绿色化方向发展 3.3/2.5/1.8V3.向低成本、低价格的片上系统方向发展向低成本、低价格的片上系统方向发展nXilinx 的SpartanIII系列 100万门万门/10美元美元nAltera的Cycolne系列FPGA技术的现状和发展方向三、FPGA技术的现状和发展方向514.向系统内可重构方向发展。向系统内可重构方向发展。系统内可重构是指可编程系统内可重构是指可编程ASIC在转入用户系统后仍具有改变其内部功能
27、的能力，极大提高电在转入用户系统后仍具有改变其内部功能的能力，极大提高电子系统的灵活性和适用性。子系统的灵活性和适用性。5.IP Core设计应用飞速发展，设计应用飞速发展，FPGA设计资源复用和开发手设计资源复用和开发手段全面升级段全面升级lFPGACPLD和ASIC技术都在迅猛发展。在这一发展过程中知识产权核，或称智核、IP核（IP CoreIP Core,Intellectual Property Core）的概念被提了出来。52nSOPC的双重含义：的双重含义：可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式微处理器系统n首先，它是片上系统片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要
28、逻辑功能；n其次，它是可编程系统可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。nSOPC时代已经到来时代已经到来nSOPC：System-On-a-Programble-ChipnIP Core的不断丰富和完善奠定了的不断丰富和完善奠定了SOPC的基础的基础n先进的百万门级先进的百万门级FPGA开发工具是开发工具是SOPC的主要平台的主要平台n处理器处理器IP Core解决了解决了SOPC的最关键问题的最关键问题53nSOPC的基本特征：的基本特征：n嵌入式处理器嵌入式处理器IP Core为核心（多处理器）为核心（多处理器）n具有小容量片内高速具有小容
29、量片内高速RAM资源资源n丰富的丰富的IP Core资源可供灵活选择（资源可供灵活选择（ASIC）n足够的片上可编程逻辑资源足够的片上可编程逻辑资源n处理器调试接口和处理器调试接口和FPGA编程接口共用或并存编程接口共用或并存n可能包含部分可编程模拟电路可能包含部分可编程模拟电路n单芯片、低功耗、微封装单芯片、低功耗、微封装54Processor(s)Auxiliary Systems(power,cooling,)MemoryIP Cores(Vs.ASIC)Programmable LogicSoftwareA/D D/ASensorsActuatorsHuman Interface数字部
30、分数字部分为单芯片为单芯片FPGA55本章内容 一、数字集成电路设计概述 二、关于FPGA技术 三、FPGA技术的现状和发展方向 四、FPGA技术的典型应用领域 五、课程学习目的56 本节介绍FPGA的应用。四、FPGA技术的典型应用领域57四、FPGA技术的典型应用领域58四、FPGA技术的典型应用领域59四、FPGA技术的典型应用领域60内容回顾 前面主要介绍了EDA工具的发展、数字集成电路的发展、ASIC的设计流程、PLD的出现。介绍FPGA器件可编程原理、设计流程、优势、发展、应用等等61课程学习目的 课程的学习会涉及很多东西 主要掌握ASIC前端设计的基础知识和基于FPGA的大型数字
31、逻辑系统的设计方法。为以后的应用打下基础62后续学习章节安排（拟定）第二章 Verilog HDL语言（基础）第三章 EDA工具的使用 第四章 Verilog HDL语言（高级）第五章 复杂程序设计 第六章 基于FPGA/CPLD的设计理论、步骤、原则及注意事项 第七章 复杂系统设计 第八章 基于SOPC的嵌入式设计简介63参考文献参考文献夏雨闻编著，夏雨闻编著，Verilog 数字系统设计教程（第二版），北京航空航数字系统设计教程（第二版），北京航空航天大学出版社，天大学出版社，2008。王金明，数字系统设计与王金明，数字系统设计与VerilogVerilog HDL HDL，电子工业出版社
32、。电子工业出版社。EDA先锋工作室先锋工作室 王诚王诚 吴继华等编著，吴继华等编著，Altera FPGA-CPLD设计（基础篇）设计（基础篇），人民邮电出版社，人民邮电出版社，2005。EDA先锋工作室先锋工作室 王诚王诚 吴继华等编著，吴继华等编著，Altera FPGA-CPLD设计（高级篇）设计（高级篇），人民邮电出版社，人民邮电出版社，2005。任艳颖任艳颖 王彬编著，王彬编著，IC设计基础设计基础，西安电子科技大学出版，西安电子科技大学出版社，社，2003。（美）迈耶（美）迈耶-贝斯（贝斯（Meyeer-Baese,U.）著，刘凌著，刘凌 译译，数数字信号处理的字信号处理的FPGA实现（第实现（第2版）版），清华大学出版社，清华大学出版社，2006。田耘编著，田耘编著，无线通信无线通信FPGA设计设计，电子工业出版社，电子工业出版社，2008年。年。64
