1、第1章 集成电路EDA设计概述 本课程中EDA定义 电子系统发展历史 高性能集成化设计 数字集成化设计流程 数字系统实现方法 集成化设计发展趋势 集成设计应用前景 EDA技术的范畴 IC 版图设计版图设计 PLD 设计设计 芯片电路设计芯片电路设计 PCB 设计设计 模拟芯片模拟芯片 数字芯片数字芯片 数模混合芯片数模混合芯片 设计输入设计输入 逻辑综合逻辑综合 仿真仿真 编程下载编程下载 本课程内容本课程内容！ 芯片设计芯片设计 电路设计电路设计 什么是EDA技术？ EDA（Electronic Design Automation，电子设计自 动化） 是在计算机的辅助下完成电子产品是在计算机
2、的辅助下完成电子产品设计方案的输入、处设计方案的输入、处 理、仿真和下载理、仿真和下载的的的一种先进的的一种先进的硬件设计硬件设计技术！技术！ 是立足于计算机工作平台开发出来的一整套先进的设计是立足于计算机工作平台开发出来的一整套先进的设计 电子系统的电子系统的软件工具软件工具。 是是微电子技术微电子技术中的核心技术之一，是现代集成系统设计中的核心技术之一，是现代集成系统设计 的重要方法。的重要方法。 计算机并口计算机并口 器件编程接口器件编程接口 PCB BoardPCB Board PLD 编程目编程目 标文件标文件 4 EDA-现代的数字系统设计方法 首先在计算机上安装EDA软件，它们能
3、帮助设 计者自动完成几乎所有的设计过程；再选择 合适的PLD芯片，可以在一片芯片中实现整个 数字系统（SOPC)。 基于芯片的设计方法采用PLD（可编程逻辑器件FPGA/CLPD），利用 EDA开发工具，通过芯片设计来实现系统功能。 EDA软件 空白PLD + 数字系统 编程 + HDL (Verilog) 1. 摩尔定律：摩尔定律： 在大约每隔9到18个月，单片集成电路上的晶体 管的数目就会增加一倍，而功耗会下降一半。 1.1 电子系统的发展历史 2、各个时期电子系统的发展、各个时期电子系统的发展 当前当前IC设计背景设计背景 信息产业和高新技术产业的信息产业和高新技术产业的核心和战略核心和
4、战略产产 业是业是集成电路产业集成电路产业。 摩尔定律 EDA工具发展 SOC 电子系统复杂性和带宽 电子信息产品升级速度 SOC是当前IC 设计发展的主流， 开发和应用SOC 也是当前IT产业 发展的需要。 IC产业裂变 3、现代硬件电路的设计现状、现代硬件电路的设计现状 数字集成电路 DSP FPGA SOC NOC 4. 数字系统的热门方向：数字系统的热门方向： 1.2 高性能集成化设计 大规模集成化带来自 动设计的进步 （EDA）。 电路、工作的复杂化 带来HDL的普及。 C/C+与HDL差别 4004，几千门级，几千门级 486，几百万门级，几百万门级 Core 2，几亿门级，几亿门
5、级 现代技术快速发展使得综合性学科的出现现代技术快速发展使得综合性学科的出现 速度：系统的速度是由系统的时序和时滞两个因素 决定 主要主要 物理物理 特性特性 吞吐量：即是数据流量，即每个时钟内处理的数据 量 面积：是通过半导体工艺不断研发实现低面积消耗 功耗：随着集成度的增加，单位面积上的晶体管数 目增加，降低功耗是必然 数字集成化系统的性能的主要数字集成化系统的性能的主要4个特性个特性 1.3数字集成化设计流程 数字系统的层次结构数字系统的层次结构: 电路级电路级 逻辑级逻辑级 RTLRTL级级 算法级算法级 系统级系统级 数字系统（芯片）层次化结构 产品功能定义 算法仿真matlab 、
6、vc+ opencv等 产品模块划分 模块的HDL描述 模块HDL仿真 电路性能优化 电路动作与时钟优化电路动作与时钟优化 模块输入模块输入/输出输出 RTL级源码的优化级源码的优化 功耗、面积最优化设计功耗、面积最优化设计 集成电路集成电路EDA设计流程设计流程 EDA设计流程 - 选用合适的 EDA仿真工具； - 选用合适电路图输入和HDL编辑工具； - 逐个编写可综合HDL模块； - 逐个编写HDL测试模块； - 逐个做Verilog HDL 电路逻辑访真； - 编写Verilog HDL总测试模块； - 做系统电路逻辑总仿真； EDA设计方法 EDA设计方法（续前）： - 选用合适的基
7、本逻辑元件库和宏库 - 租用或购买必要的IP核； - 选用合适的综合器； - 进行综合得到门级电路结构； - 布局布线，得到时延文件； - 后仿真； - 定型， FPGA编码或ASIC投片 集成电路EDA设计流程及设计软件工 具 FPGA 设计流程设计流程 System Design C/C+/Matlab/ SystemC HDL Design Verilog/VHDL HDL Simulation ModelSim/VCS /NC-verilog RTL Design/ Simulation ISE/QuartusII Timing Verification P SOC是在ASIC的基础上
8、发展起来的，与一般 ASIC相比，具有很多独特的优点，不再是功能 单一的单元电路，而是一个有某种应用目的的 单片电子系统 SOC是21世纪微电子技术领域在芯片级上的必 然发展方向就是集成电路（IC）向集成系统 （Integrated System）， 数字系统集成化的主要方法：数字系统集成化的主要方法： 数字系统集成化的主要方法：数字系统集成化的主要方法： SOC典型系统 数字系统集成化的主要方法：数字系统集成化的主要方法： SOC典型系统特点： SoC芯片的结构通常以总线结构（单总线/多总线） 为主，目前存在多种片上总线规范（如：AMBA、 CoreConnect、WishBone等）相互竞
9、争，其技术要求 与一般计算机的总线有类似之处，也有不同之处。 SoC芯片以MPU/MCU/DSP为核心，通过总线与其 它模块相互连接，实现数据交换和通讯控制等功能， 形成一个完整的计算机系统。 软件存储在Flash ROM等非易失ROM中，由 MPU/MCU/DSP解释、执行，完成相应的处理功能。 数字系统集成化的主要方法：数字系统集成化的主要方法： SOC典型系统特点： SoC芯片是一个软/硬件统一的产物，根据需要，一 部分功能可以由硬件实现，另一部分功能可以由软 件实现，设计时需要考虑软/硬件功能划分的问题。 在SOC芯片中，也可以加入ADC、DAC、电源管理 等模拟集成电路，或Tranc
10、eiver（收发器）等射频 集成电路。因此，SoC芯片是也可以说是一个数/模 混合电路的芯片。 数字系统集成化的主要方法：数字系统集成化的主要方法： ESL设计设计 电子系统级设计 ESL设计是能够让SoC设计工程师以紧密耦合方 式开发、优化和验证复杂系统架构和嵌入式软 件的一套方法学。 ESL设计还提供下游寄存器传输级(RTL)实现的 验证基础。 数字系统集成化的主要方法：数字系统集成化的主要方法： ESL设计与验证框架 1.5集成化设计发展趋势 1. 高密度、高速度和高带宽方向发展 2. 大容量、低成本、低价格方向发展 3. 低电压、低功耗的节能环保发展 集成化设计发展趋势 4.SOC/N
11、OC以及可编程片上系统SOPC SOC设计思想:单片上集成很多功能部件,缺点是通信节 点过多，带来通信带宽、速度、功耗等诸多问题。 芯片 cpu 内存 外设 其他控制及 运算单元 其他部件 关键：IP core的设计 和交易 集成化设计发展趋势 NOC的设计思路：在soc的基础上，解决通信带宽 问题，加入路由器进行通信管理，提高系统性能。 集成化设计发展趋势 SOPC(可编程的片上系统):是Altera公司提出 来的一种灵活、高效的SOC解决方案，是基于 FPGA解决方案的SOC。 FPGA Flash SDRAM CPU DSP I/O I/O I/O FPGA I/O I/O I/O CP
12、U DSP CPU CPU 集成化设计发展趋势 5.动态可重构方向发展 动态重构是指能在运行过程中实时配置的可重构。 对于时序变化的数字逻辑系统，其时序逻辑的发 生不是通过调用芯片内不同区域、不同逻辑资源 组合而成的，而是通过对具有专门缓存逻辑资源 的FPGA进行局部或全局的芯片逻辑的动态重构 而快速实现的。 动态系统结构的FPGA具有缓存逻辑（Cache Logic），在外部逻辑的控制下，通过缓存逻辑 对芯片逻辑进行全局或局部的快速修改，通过有 控制重新布局布线的资源配置来加速实现系统的 动态重构 集成化设计发展趋势 可重构计算技术的发展方向 开发高效统一的可重构计算系统设计 平台 研制采用
13、新结构的可重构器件 拓展可重构计算技术的应用领域 集成化设计发展趋势 6.FPGA/ASIC融合发展 ASIC特点： 实现功能专一性 可大规模生产 混合信号课实现性 与后端制造工厂工艺库紧密关联性 低成本，高性能 集成化设计发展趋势 ASIC具有的优势 高性能安全的IP核的可设计行 高效、低面积消耗的系统空间 复杂系统的芯片可设计、可制造性 FPGA具有的优点： 强大的系统可编程/可配置的多次复用性 实现功能设计的多样性 不需要后端工艺库，设计的简化性 实现设计-市场的短期开发 1.6集成设计的应用前景 数码产品、手机、计算机、高清电器、电子医疗设备、 车载电脑、数控机床、航空电子系统。 参考教材 林灶生Verilog FPGA设计，北京航空航天大学出 版 夏宇闻Verilog 数字系统设计，北京航空航天大学 出版 杜生海译FPGA设计指南：器件、工具和流程，人 民邮电出版 王强等EDA工程理论与实践SOC系统芯片设计， 电子工业出版社 作业一 安装quartus II软件 使用quartusII软件，理解EDA设计流程 要求：建立一个工程，工程名用自己名字的 汉语拼音，教材第4章前4节，具体操作截图 ，写成word文档提交，文件名是学号，上 传到百度云盘 作业上传/作业1
