EDA技术及应用-绪论.ppt

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1、FPGA原理及应用EDA技术及应用教师：王志国课堂教学：24学时实验教学：16学时课程性质：专业选修课一、认识这门课程一、认识这门课程回顾回顾数字电子技术数字电子技术两种电子电路设计方法两种电子电路设计方法1、传统方法、传统方法-是一种“搭积木”设计传统设计方法的问题u复杂电路的设计、调试很困难u修改不便u可移值性差u模块重用困难u设计文档很多，不易管理u只能在成品制造后测试u对设计者的经验要求很高2、新（EDA）设计方法是一种基于“芯片”的设计利用EDA工具，采用可编程逻辑器件来设计电子系统减小了PCB板设计和系统设计的工作量。FPGAU1U3U2U4EDA技术优势用软件的方式设计硬件；用软

2、件的方式设计硬件；用软件方式设计的系统到硬件系统的转换用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；是由有关的开发软件自动完成的；设计过程中可用有关软件进行各种仿真；设计过程中可用有关软件进行各种仿真；系统可现场编程，在线升级；系统可现场编程，在线升级；整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。低、可靠性高。可随时验证设计可随时验证设计模块可重用模块可重用设计文档易于管理（设计文档易于管理（VHDLVHDL代码文本）代码文本）具有知识产权具有知识产权1.大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件-设计的载体。PLD FPGA

3、 CPLD主要公司：主要公司：Xilinx;Altera;Lattice;新方法的三大要素新方法的三大要素2.硬件描述语言硬件描述语言(HDL)-设计的主要表达手段。常用的硬件描述语言有VHDL、VerilogHDL。3.软件开发工具软件开发工具-电子系统设计的智能化的自动化设计工具。主流厂家的EDA的软件工具:I.Altera公司的Max+plusII和QuartusIIII.Xilinx公司的ISEIII.Latice-Vantis公司的ispEXERTSystem二、学习本课程有何用处？复杂电子系统很大一部分使用CPLD/FPGA来完成，例如：数字信号处理（FFT,FILTER）通信系统

4、中大量使用CPLD/FPGA视频与图像系统中大量使用CPLD/FPGA传统数字逻辑芯片正在被PLD取代用于芯片设计前的验证设计，是进入芯片设计领域（ASIC）的必经之路。FPGA正在取代部分CPU的功能，可将CPU和外围逻辑电路集成在一块FPGA芯片中。在雷达视频积累算法的工程实现过程中，需要雷达信号处理器具有较快的在雷达视频积累算法的工程实现过程中，需要雷达信号处理器具有较快的在雷达视频积累算法的工程实现过程中，需要雷达信号处理器具有较快的在雷达视频积累算法的工程实现过程中，需要雷达信号处理器具有较快的实时性，并且对信号处理器的稳定性、体积、功耗等也有严格的要求。实时性，并且对信号处理器的稳

5、定性、体积、功耗等也有严格的要求。实时性，并且对信号处理器的稳定性、体积、功耗等也有严格的要求。实时性，并且对信号处理器的稳定性、体积、功耗等也有严格的要求。FPGAFPGAFPGAFPGA本身本身本身本身所具备的并行结构的算术结构，使得所具备的并行结构的算术结构，使得所具备的并行结构的算术结构，使得所具备的并行结构的算术结构，使得FPGAFPGAFPGAFPGA特别适合用作高性能的数据通路处理器。特别适合用作高性能的数据通路处理器。特别适合用作高性能的数据通路处理器。特别适合用作高性能的数据通路处理器。CPLD/FPGA在通信系统中的应用各种信道编码和解码实现AMI,CMI,HBD3,1B/

6、10B信号的复用和解复用信号的调制FSK,ASK,PSK,PPM容错和检错编码CRC-4,CRC-32，误码率检测，信号同步，成帧(Frame)光纤通信：SDH,PON等全国大学生电子设计竞赛全国大学生电子设计竞赛三.EDA的含义和内容EDA：电子设计自动化ElectronicDesignAutomationEDA技术就是：依赖依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件工具软件平台上，用硬件描述语言（HDL）作为系统逻辑描述手段来完成电子线路设计文件最终实现特定电子线路的硬件（芯片或者电路板）1.大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件-设计的载体。PLD FPGA CPLD主要公司：主要公司：X

7、ilinx(赛灵思赛灵思);Altera;Lattice;2.硬件描述语言硬件描述语言(HDL)-设计的主要表达手段。常用的硬件描述语言有VHDL、VerilogHDL。VHDL：作为IEEE的工业标准硬件描述语言，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。硬件描述语言的综合 和普通计算机语言不同和普通计算机语言不同硬件描述语言的综合3.软件开发工具软件开发工具-电子系统设计的智能化的自动化设计工具。主流厂家的EDA的软件工具:I.Altera公司的Max+plusII和QuartusIIII.Xilinx公司的ISEIII.Latice-Vantis公司的ispEXERTSystemE

8、DA软件系统主要包含以下模块：软件系统主要包含以下模块：设计输入子模块、设计数据库子模块、分析设计输入子模块、设计数据库子模块、分析设计输入子模块、设计数据库子模块、分析设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块、布局布线子模验证子模块、综合仿真子模块、布局布线子模验证子模块、综合仿真子模块、布局布线子模验证子模块、综合仿真子模块、布局布线子模块等块等块等块等。EDA软件可以分为两类：1.PLD器件厂商提供的EDA工具。2.第三方专业软件公司提供的EDA工具。常用的有：I.Synopsys公司的FPGACompilerII、II.ExemplarLogic公司的Leona

9、rdoSpectrum、III.Synplicity公司的Synplify。第三方工具软件是对CPLD/FPGA生产厂家开发软件的补充和优化，如通常认为Max+plusII和QuartusII对VHDL/VerilogHDL逻辑综合能力不强，如果采用专用的HDL工具进行逻辑综合，会有效地提高综合质量。MAX+PLUSII软件QuartusIIQuartusII设计流程四、课程内容学习如何使用可编程逻辑器件可编程逻辑器件 进行电子系统设计的方法和步骤FPGA原理及应用必须 具备数字逻辑电路基础知识数字逻辑电路基础知识主要内容一概论二大规模可编程逻辑器件三原理图输入设计方法四VHDL编程基础五VH

10、DL程序设计六有限状态机设计七VHDL设计实例八设计优化九FPGA硬件电路（实验电路）电子系统设计实践（一）电子系统设计实践（一）电子系统设计实践（二）电子系统设计实践（二）电子系统设计实践（三）电子系统设计实践（三）电子系统设计实践（四）电子系统设计实践（四）相关网站门户和资源网站门户和资源网站源代码资源源代码资源学习论坛网址学习论坛网址FPGA/CPLD 芯片主流公司官方网站芯片主流公司官方网站产品网站产品网站杭州康芯公司杭州康芯公司 EDA实验仪厂商实验仪厂商深圳瑞芯公司深圳瑞芯公司 EDA开发板厂商开发板厂商参考书籍1.EDA技术实用教程，潘松、黄继业编，科学出版社，2002年2.VH

11、DL 硬件描述语言与数字逻辑电路设计，候伯亨 顾新编，西安电子科技大学出版社，1999年。3.Altera FPGA/CPLD设计（基础篇），EDA先锋工作室 王诚、吴继华等编，人民邮电出版社，2005年7月。4.Altera FPGA/CPLD设计（高级篇），EDA先锋工作室 吴继华、王诚等编，人民邮电出版社，2005年7月。5.可编程逻辑器件原理、开发与应用，赵曙光等编，西安电子科技大学出版社，2000年。6.用VHDL设计电子线路，S.Sjohoim、L.Lindl著,边计年译，清华大学出版社，2000年。EDA:Electronic Design Automation.电子设计自动化E

12、DA技术发展的三个阶段20世纪70年代20世纪80年代20世纪90年代五、EDA技术的发展历史计算机技术+微电子技术EDA技术的发展历史1.20世纪世纪70年代年代-CAD阶段阶段CAD：ComputerAssistDesign.计算机辅助设计PCB：PrintedCircuitBoard背景：背景：集成电路出现和应用不久，硬件设计进入到发展的初级阶段，硬件设计大量选用中小规模标准集成电路（SSIMSI）如：各种逻辑门触发器寄存器编码译码器。计算机开始取代手工工作，如进行集成电路版图编辑、PCB布局布线。CAD:布图布线代表产品代表产品:ACCEL公司的Tango布线软件印制电路板设计软件TA

13、NGO2.20世纪世纪80年代年代-CAE阶段阶段CAE:ComputerAssistEngineeringDesign.计算机辅助工程设计背景：背景：集成上万只晶体管的微处理器、集成几十万直到上百万储存单元的随机存储器和只读存储器出现。支持定制单元电路设计的硅编辑、掩膜编程的门阵列(如：PAL和GAL)等一系列微结构和微电子学的研究成果都为电子系统的设计提供了新天地。用少数几种通用的标准芯片实现电子用少数几种通用的标准芯片实现电子系统的设计成为可能系统的设计成为可能。第一片第一片FPGA问世。硬件描述语言出现。问世。硬件描述语言出现。集成电路设计各个阶段的计算机辅助集成计算机辅助集成工具工具

14、的产生（原理图输入、编译和连接、逻辑模拟、测试码生成、版图自动布局、单元库的建立）实现从设计输入到版图输出的全程自动化ASIC（专用集成电路）芯片应用日益广泛但设计设计 仍仍 采用采用 图形方式图形方式3.20世纪世纪90年代年代-EDA阶段阶段EDA:ElectronicDesignAutomation电子设计自动化背景：背景：硬件描述语言的标准化；计算机辅助工具应用的更加广泛；各种超大规模的可编程逻辑器件出现，使设计者通过设计芯片设计芯片实现电子系统功能。SOC (SYSTEM ON A CHIP)特点特点使用HDL语言(Hardwarediscriptionlanguage)进行设计高层

15、综合（行为级）取得进展物理设计和逻辑设计的融合，在设计初期就考虑芯片物理结构的影响可测试性设计广泛使用（JTAG）IP(intellectualproperty)核大量使用lFPGA/CPLD器件取代部分ASIC器件应用l系统设计者或者线路板设计者成为芯片设计芯片设计（IC）者六、EDA的工程设计流程2 2、综合、综合 将用行为和功能层次表达的电子系统转换为低层次的将用行为和功能层次表达的电子系统转换为低层次的将用行为和功能层次表达的电子系统转换为低层次的将用行为和功能层次表达的电子系统转换为低层次的便于具体实现的模块组合装配而成的过程便于具体实现的模块组合装配而成的过程便于具体实现的模块组合

16、装配而成的过程便于具体实现的模块组合装配而成的过程。1.从自然语言表述转换到从自然语言表述转换到VHDLVHDL语言算法表述，是语言算法表述，是自然语言综合。自然语言综合。2.从算法表述转换到寄存器传输级（从算法表述转换到寄存器传输级（RTLRTL）表述，）表述，即从行为域到结构域的综合，是行为综合。即从行为域到结构域的综合，是行为综合。3.从从RTLRTL级表述转换到逻辑门（包括触发器）的表级表述转换到逻辑门（包括触发器）的表述，即逻辑综合。述，即逻辑综合。4.从逻辑门表述转换到版图表述（从逻辑门表述转换到版图表述（ASICASIC设计），设计），或转换到或转换到FPGAFPGA的配置网表文

17、件，可称为版图综的配置网表文件，可称为版图综合或结构综合。合或结构综合。结结 束束七、专用集成电路设计作业：作业：ASIC设计流程中每一阶段的主要工作？设计流程中每一阶段的主要工作？1.全定制或半定制ASIC不面向用户2.FPGA/CPLD的开发应用面向用户3.混合ASIC设计ASIC:ApplicationSpecificIntegratedCircuit专用集成电路途径一：半定制或者全定制ASIC分类门阵列ASIC标准单元ASIC全定制ASIC特点价格低性能好具有知识产权，保密性好途径二：使用可编程逻辑器件使用FPGA/CPLD特点：灵活性通用性好上市周期块对于小批量产品成本低途径三：混合

18、ASIC设计是前2种方法的混合体不是模拟和数字的混合体既具有FPGA可编程逻辑资源，也含有可调用的硬件标准单元模块（CPU,RAM,ROM,硬件加法器，乘法器锁相环）例如：ALTERA公司的Virtex-4系列，StratixII系列六、数字系统的设计数字系统指的是交互式的、以离散形式表示的具有存储、传输、信息处理能力的逻辑子系统的集合。图：数字系统的设计模型 六、数字系统的设计数据处理子系统数据处理子系统主要完成数据的采集、存储、运算和传输。数据处理子系统主要由存储器、运算器、数据选择器等功能电路组成。控制子系统控制子系统是执行数字系统算法的核心，具有记忆功能，因此控制子系统是时序系统。控制

19、子系统由组合逻辑电路和触发器组成，与数据处理子系统共用时钟。数字系统的设计方法数字系统的设计方法自顶向下法自顶向下法自顶向下是指将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，直至整个系统中各子系统关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。高层设计进行功能和接口描述，说明模块的功能和接口，模块功能的更详细的描述在下一设计层次说明，最底层的设计才涉及具体的寄存器和逻辑门电路等实现方式的描述。自顶向下法的优点(1)是一种模块化设计方法。符合常规的逻辑思维习惯。由于高层设计同器件无关，设计易于在各种集成电路工艺或可编程器件之间移植。(2)适合多个设计者同时进行设计。结束长线的概念是和传输线中传输的波的

20、波长有关.传输线中的波长相对于传输线的长度而言,如果波长大于传输线的长度,一般而言,这条传输线就是长线,长线的分布电感和电容可以忽略不计.均匀无耗就是信号在传输线传输时的特性不随传输线的长度改变而改变.理论计算可以忽略不计.可以看看微波基础或是高频电子.专用集成电路是为特定用户或特定电子系统制作的集成电路。数字集成电路的通用性和大批量生产，使电子产品成本大幅度下降，推进了计算机通信和电子产品的普及，但同时也产生了通用与专用的矛盾，以及系统设计与电路制作脱节的问题。同时，集成电路规模越大，组建系统时就越难以针对特殊要求加以改变。为解决这些问题，就出现了以用户参加设计为特征的专用集成电路，它能实现

21、整机系统的优化设计，性能优越，保密性强。它更适用于军事应用，能有效地解决军用集成电路的高性能、小批量、高可靠、快周期的矛盾。现在大的集成电路生产厂都配有极强的计算机辅助电路设计能力，可根据用户的要求迅速设计制作专用集成电路，或接受用户的电路设计，甚至由用户直接设计工艺来制造满足用户需要的集成电路。“方寸芯片多奇志！”XilinxCTO谈FPGA未来发展从1984年全球第一颗FPGA诞生到现在，FPGA的应用日益广泛，那么，FPGA未来将有什么发展？它将给我们的生活带来什么革命性的新应用？它给未来电子产品设计带来什么影响？在电子工程专辑网站对Xilinx的CTOIvoBolsens的独家专访中，

22、你可以寻找到答案。未来的未来的FPGA“到2011年，半导体制造工艺将采用32nm节点，芯片制造商可以制造包含数十亿个晶体管的单芯片产品，而采用这种工艺的FPGA会包含一亿个可编程逻辑门，而且FPGA平台会采用创新的封装技术将存储器、模拟混合信号电路、通用接口、传感器、各种I/O集成到一起，这样的FPGA会成为许多电子产品的核心。”Bolsens强调。他以具体的数据来证明这个推测，“从1999年到现在，现在的FPGA和99年的相比，成本降低了500倍，容量提高了200倍，功耗降低了50倍，速度加快了40倍。我们预计到2010年，FPGA的价格会降低5倍，容量会增大5倍，速度提高5倍，在单位功耗

23、上会有更多的功能，从这个趋势可以看出未来FPGA的价值会越来越高。目前FPGA已经用于各种各样的应用。在最新的Virtex5的器件里面有10亿以上晶体管，除了可以编程以外还有很多硬核在里面，例如最新的PCIe总线和高速以太网的总线等，还有高速串行收发器以及成百的DSP模块。”实际上，这样的FPGA已经演变成一种可编程系统平台，他称之为“虚拟SoC”。他表示这样的FPGA甚至集成光器件，因为那时的FPGA不仅处理能力很强大，还因为集成的芯片众多，需要传输高速的信号（可达Gbps水平），所以自然需要光器件来传输信号。所以Xilinx未来会考虑将光器件也集成到FPGA里面。当然，他也表示，FPGA将

24、继续集成更多的DSP硬核，以应对3G、高清安防、高清视频的需求。目前，在XilinxVirtex5中已经集成了640个DSPslice硬核，可以在550MHz频率下达到352GMAC的性能！未来，FPGA的DSP处理性能会更高！伴随这些激动人心的性能提升的同时是FPGA价格的大幅度降低，Bolsens表示：“我们预计在2010年的时候50万个门的价格会在1美元左右。”由此，必然引发产业在设计上出现变革，“我们的客户可以直接做非常复杂的SoC，而不用担心价格上的挑战。客户可以把它的精力集中在真正的价值附加上，比如体系结构的设计，系统软件以及系统验证上面，这其实是我们客户的价值所在，这会给半导体行

25、业带来一个新的演进。”回顾历史，半导体产业逐步走向细化，70年代的半导体公司包揽了设计的各个环节，到80年代，EDA软件和FPGA兴起，让一部分工作外包，到90年代，代工业兴起，再次让芯片制造外包。“大容量大规模高度复杂FPGA的引进使这个产业再次分化，设计实现这个行业又分离出来了，而一个公司真正要做的就是对设计的特性定义和对系统的定义。”他表示。这样的发展也必然引发设计方法学的变迁，Bolsens预测：“今后软硬件可编程性最终会合到一起，这个也是我们赛灵思后面发展的重点之一。就是让大家最后用FPGA的时候感觉起来就像在用软件一样。”在最近参加一次Altium公司的研讨会上，(Altium中国

26、深圳路演，推广嵌入式开发新概念)我们注意到Altium公司的最新产品AltiumDesigner6.8已经增加了很多新功能，基本可以实现系统级开发，就是开发人员只要提供系统的框图，该工具就可以实现最终的电路。所以Altium公司的技术人员宣称：“任何不懂FPGA的人员，只要经过半天培训就可以熟练进行开发！”显然，这是FPGA应用开发的一大进步！“通过FPGA，可以真正实现软硬件协同设计！”Bolsens这样强调。器件以及开发工具的发展都是为最终应用服务的，新一代的FPGA可以为我们带来哪些激动人心的应用呢？Bolsens表示：“融合了话音、数据和视频业务的三重播放（Triple-play）业务

27、是未来FPGA的用武之地。”他进一步解释说：“要实现三重播放，其技术推动力来自于三个方面。第一数字信号处理，它是对数据进行处理的，第二是包处理，也就是对数据进行传输，最后一个推动力就是高速运算，它是对数据进行分析的。这三个技术使三重播放从可能变成现实。在实现三重播放方面FPGA担任了非常重要的角色，三重播放基础设施的支持主要是由我们高端器件来支持的。而且三重播放涉及到众多的标准和协议，这也是适合FPGA来完成。”新的FPGA带来的另一个应用就是可重构系统（ReconfigurableSystem），这个诞生于上世纪五六十年代的概念由于受到硬件等诸多方面条件的限制，直到上个世纪九十年代中期，可重

28、构计算技术逐渐成形并成为研究热点。现在随着FPGA器件的发展，这个构想终于可以实现了。“美国一些公司已经实现了基于可重构技术的产品！”美国杨百翰大学(BrighamYoung大学(BYU)电机与计算机系副教授MichaelJ.Wirthlin表示。不过目前这项技术还主要应用在军事和航天领域，如美国国防先进技术研究计划署（Darpa）项目官员就把美国国防部目前所使用的嵌入式计算项目描述为“静态”的，它依赖基于固定架构的、已将现有软件性能发挥到极至的硬件驱动型“点方案(pointsolutions)”。一份Darpa项目这样描述道：“静态方式缺乏满足动态任务要求的多样性，其所导致的性能下降或差强人

29、意的匹配处理性能结果将损害我们的战斗力。”Darpa认为可重构处理器或可重构计算架构是解决这个挑战的关键。Wirthlin表示目前可重构系统的成本还比较高，还难以应用到消费电子领域，但是未来，在消费电子中采用这个新技术是完全可能的。Bolsens也表示可重构系统可以重构硬件功能，但是对FPGA来说，重构系统意味着要下电重新启动电路，这对FPGA是一个挑战，但是我们可以换个形式实现可重构系统，例如目前在可重构系统应用的一个例子是软件定义无线电，用FPGA去实现这个功能已经达到实用水平。他强调FPGA是实现可重构系统的最佳器件。Bolsens表示新的FPGA也给设计人员的带来一些挑战，就是设计人员

30、不但要了解FPGA的具体结构，还要具备系统级的开发概念，也要了解软件方面的知识。在这方面Xilinx一直和合作伙伴在努力帮助设计人员克服这些设计条挑战，他表示未来Xilinx要推出一个交钥匙的方案，比如在视频、无线方面都能够提供解决方案。在交钥匙方案的基础之上再根据市场要求，做一些市场定制的平台，例如针对汽车电子所做的专用平台等。即从通用应用到垂直应用都覆盖。他也透露Xilinx将以开发更多参考设计和开放源代码的形式支持设计人员的开发，目前Xilinx已经在中国各大学加强大学计划推广，并推出了供设计人员交流开发源代码的专门网站。去年，Xilinx推出了旨在鼓励FPGA创新的7500万美元基金，已经收到了良好的效果，他透露目前Xilinx在和包括清华大学在内国内多家研究机构、大学和创新公司进行合作洽谈数字集成电路的发展晶体管（1955WilliamShockley）小中规模集成电路（1960年代）超大规模集成电路VLSIC(1970年代)专用集成电路ASIC（1980年代）PLD（1970年代）FPGA（Xilinx公司，1984年）