vhdl课件第一章-概述.ppt

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1、第第1章章 概述概述 为什么要运用硬件描述语言（HDL)进行集成电路设计？1.晶体管的发明晶体管的发明n n理论推动1919世纪末世纪末2020世纪初发现半导体的三个重要物理效应世纪初发现半导体的三个重要物理效应 光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应 整流效应整流效应量子力学量子力学材料科学材料科学n n需求牵引：二战期间雷达等武器的需求，真空电子二战期间雷达等武器的需求，真空电子管无法满足高频、便携性、可靠性等要求。管无法满足高频、便携性、可靠性等要求。一一.集成电路的发展集成电路的发展晶体管的发明晶体管的发明n n1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组：W.Scho

2、kley(肖克莱)，J.Bardeen(巴丁)、W.H.Brattain(布拉顿)n nBardeen提出了表面态理论，Schokley给 出 了 实 现 放 大 器 的 基 本 设 想，Brattain设计了实验；n n1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管；晶体管的发明晶体管的发明1947年年12月月23日日第一个点接触式第一个点接触式NPN Ge晶体管晶体管发明者：发明者：W.Schokley J.Bardeen W.Brattain获得获得1956年年Nobel物理奖物理奖2.集成电路的发明集成电路的发明n n1952年 5月，英 国 科 学 家 G.W.A.Dum

3、mer(达默)第一次提出了集成电路的设想。n n1958年以德克萨斯仪器公司（TI）的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。集成电路的发明集成电路的发明1958年世界上第一块集成电路：年世界上第一块集成电路：锗衬底上形成台面双极晶体管和锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻，总共电阻，总共1212个器件，用个器件，用超声焊接引线将器件连起来。超声焊接引线将器件连起来。获得获得获得获得20002000年年年年NobelNobel物理奖物理奖物理奖物理奖集成电路的发明集成电路的发明Kilby 的专利（1964年）集成电路的发明集成电

4、路的发明n n平面工艺的发明：平面工艺的发明：1959年年7月月，美美国国Fairchild 公公司司的的Noyce发发明明第第一一块块单单片片集集成成电电路路，利利用用二二氧氧化化硅硅膜膜制制成成平平面面晶晶 体体管管，并并用用淀淀积积在在二二氧氧化化硅硅膜膜上上的的、和和二二氧氧化化硅硅膜膜密密接接在在一一起起的的导导电电膜膜作作为为元元器器件件间间的的电电的的连连接接(布布线线)。这这是是单单片片集集成成电电路路的的雏雏形形，是是与与现现在在的的硅硅集集成成电电路路直直接接有有关关的的发发明明。由由此此，将将平平面面技技术术、照照相相腐腐蚀蚀和和布布线线技技术术组组合合起起来来，获获得得

5、大大量量生产集成电路的可能性。生产集成电路的可能性。Noyce发明的第一块单片集成电路发明的第一块单片集成电路第一块单片集成电路专利第一块单片集成电路专利 Noyce的专利（1961年）集成电路的发展 集成电路经历了从小规模集成（集成电路经历了从小规模集成（SSI）、中规模）、中规模集成（集成（MSI）、大规模集成（）、大规模集成（LSI）和超大规模集成电）和超大规模集成电路路(VLSI)、而达到目前的特大规模集成电路、而达到目前的特大规模集成电路(ULSI)时时代代，目前还有人提出了，目前还有人提出了GSI的说法。的说法。集成电路的功能也不断增强集成电路的功能也不断增强 正向设计是指由电路指

6、标、功能出发，进行逻辑设计正向设计是指由电路指标、功能出发，进行逻辑设计(子系子系统设计统设计)，再由逻辑图进行电路设计，最后由电路进行版图设计，再由逻辑图进行电路设计，最后由电路进行版图设计，同时还要进行工艺设计。同时还要进行工艺设计。从集成电路的布图风格看，集成电路设计方法可以从集成电路的布图风格看，集成电路设计方法可以分成：分成：n n全定制全定制(Full-Custom)(Full-Custom)方法；方法；n n定制定制(Custom)(Custom)方法；方法；n n标准单元标准单元(Standard Cell,SC)(Standard Cell,SC)n n通用单元通用单元(Ge

7、neral Cell,GC)(General Cell,GC)n n半定制半定制(Semi-Custom)(Semi-Custom)方法；方法；n n门阵列门阵列(Gate Array,GA)(Gate Array,GA)有通道门阵列法有通道门阵列法 门海法门海法-线性阵列线性阵列(Linear Array)(Linear Array)n n可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)(PLD)，现场可编程。，现场可编程。n nPLAPLA、PALPAL和和GALGALn nFPGAFPGA和和CPLDCPLD全定制方法 全定制方法是指在系统功能设计、逻辑和电路设计完成以后，在优化每个器件的电路参数

8、和器件参数的情况下，通过人机交互图形系统，人工设计版图中的各个器件和连线，以获得最佳性能(速度和功耗等)和最小芯片尺寸.全定制方法是一种以人工设计为主的设计 一一.有通道门阵列法 门阵列设计技术是在一个芯片上把形状和尺才相同的单元排列成阵列形式，每个单元内部包含若干个器件，单元之间留有布线通道，通道宽度和位置固定，并预先完成接触孔和连线以外的所有芯片加工步骤，形成母片然后根据不同的应用，设计出不同的接触孔版和金属连线版，在单元内部连线以实现某种门的功能，再通过单元间连线实现所需的电路功能 是一种母片半定制技术逻辑单元行布线通道门阵列母片I/O及压焊块未使用的单元已经使用的单元(4-输入 NOR

9、)定制设计方法一.标准单元法n n一种库单元设计方法n n 从标准单元库中调用事先经过精心设计的逻辑单元，并排列成行，行间留有可调整的布线通道，再按功能要求将各内部单元以及输入/输出单元连接起来，形成所需的专用电路标准单元设计标准单元设计标准单元版图示例标准单元版图示例Brodersen92可编程逻辑器件设计方法 是一种已完成了全部工艺制造的.可以直接从市场上购得的产品,刚购来时它不具有任何逻辑功能,但一经编程就可以在该器件上实现设计人员所要求的逻辑功能.特点:采用熔断丝、电写入等方法对已制备好的PLD器件实现编程，利用相应的开发工具就可完成设计，不需要设计人员承担投片风险和费用，资金投入小。

10、用户可以反复地编程，以实现不同的功能。使用FPGACPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC(集成电路)深层次的知识，使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。随着VlSI(Very Large Scale IC，超大规模集成电路)工艺的不断提高，FPGACPLD芯片的规模也越来越大，它所能实现的功能也越来越强，目前可以实现系统集成(sopc)。二.集成电路设计方法和工具的变革1.原始的手工设计 随着世界上第一块集成电路的问世，手工设计方法也就诞生了。在IC设计的所有步骤上、完全依靠手工操作。人脑通过纸和笔，完成了初步的功能设计、逻辑设计、直至电路设计之后，用分立的元器件搭制起

11、硬件模拟电路。让信号通过这一模拟电路，以验证其功能及各项参数是否满足原设计的要求。在接下来的版图设计阶段，也完全采用人工进行布局布线。凭眼力或感觉反复调整与斟酌。确定最佳排版案使之遵从面积最小、连线最短原则。然后，用尺和笔在方格纸上绘制版图分层剥刻红膜，逐一检查整套版中每一层红膜的每一个孔是否存在漏剥漏刻等等之类的错误。然后用这套红膜去拍照制版加工出流片所需的光刻掩膜板。接下来是试制流片。整个流片过程中的工艺设计也是人工的。若需采取新工艺或调整一些工艺参数，则须通过工艺线上一丝不苟的实验。最后，整个IC芯片试制的成功与否设计的正确与否，尤其是版图及其之后设计部分的正确性，都只有等到最终测试了流

12、片结果后才能知晓。依据以上的简单介绍，手工设计的缺点也是显而易见的，可以将它归纳为以下几个方面：(1)文档管理、修改十分不便。对于小规模电路而言，也许只是增加了一些工作量而己，而随着设计规模的增大，面对几十张，甚至上百张的逻辑设计图采用手工设计、查错，实际上已经是不可想象的事情。(2)只有等到设计的最后阶段才能进行实测分析。通常的方法是先用分立元件搭样机,通过样机实测，确定所设计的功能是否可以实现，然后再转入版图设计,等到芯片流片完成后才能获得测试结果。也就是说，任何一步出了问题，只有到最后才能观测到，因而提高了设计成本.(3)整个设计过程与工艺相关，没有互换性。对不同的流片厂家,不同的流片工

13、艺，版图都必须加以重新设计。手工设计方法主要应用于早期的小规模IC。2.第一代EDA（计算机辅助设计CAD)针对手工设计所面临的困难，CAD技术出现了。随着计算机软件技术的渗透，各种各样的计算机模拟软件，比如线路模拟、逻辑模拟、时序模拟、器件模拟、工艺模拟等软件先后问世、构成了早期ICCAD技术的主要内涵。lCCAD除了众多的模拟软件之外。还有一个大的方向即是计算机也介入丁IC的版图设计领域。版图设计一直是一个费时费力又十分关键的工作、一般可分为两个环节：一是 总体布图(布局布线)。又称排版，二是版图的具体绘制。一般早期的ICCAD软件尚不具备自动的布局布线功能、还只能从事简单的第二步工作、即

14、利用已有的商品化图 形软件包来辅助设计人员进行交互式的以图形编辑为主的版图绘制工作。设计人员通过构思，大体上完成了版图的排版工作之后就可以利用数字化仪、鼠标或光笔等，在计算机上 对版图进行初步绘制和编辑。这实际上是利用计算机对图形调用、移动、旋转、缩放、修 改、重复等操作的能力。快速精确地绘制出满足精度要求的版图经过进一步的检查与调 控形成适合于制版需要的版图数据文件交由工厂制作掩膜板.3.第二代EDA（计算机辅助工程CAE系统）到了80年代，为了适应电子产品在规模和制作上的需要，出现了以计算机仿真和自动 布线为核心技术的第二代EDA工具。产生了计算机辅助工程CAE的概念。这些电子设计工具的主

15、要特征为：硬件采用工作站，软件功能为原理图的输入、模拟验证、逻辑综合、芯片布图、印刷电路 板布图等。随着工程数据库技术的发展，这些电子设计工具都提供了元件库。如用于原理 图的通用元件逻辑电路图库、各种常用元件接插件的封装库等。标准元件库的建立，使设 计工作方便快捷。这个阶段的特点是以软件工具为核心，通过这些软件完成产 品开发的设计、分析、生产、测试等项工作。4.第三代EDA 进入90年代，芯片的复杂程度越来越高，单是依靠原理图输入方式已不堪承受，采用硬件描述语言HDL的设计方式应运而生。90年代后期，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的第三代EDA 工具。主要特征是自动化程度提高

16、，人工干预减少，电子设计由辅助手段变为主要手段。未来EDA的发展趋势是高度自动化，设计者从事概念设计或者是电子系统的“行为设 计”，而大部分工程中的技术问题，由EDA工具解决。EDA工具的出现，极大地提高了系统设计的效率，缩短了产品的研制周期。SystemCVHDLVerilog HDLSystemVerilog 硬件描述语言HDL 硬件描述语言VHDLn nVHDLVHDL语言的英文全名是语言的英文全名是Very High Speed Integrated Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description LanguageCirc

17、uit Hardware Description Language即超高速集成电即超高速集成电路硬件描述语言。路硬件描述语言。n n美美国国国国防防部部电电子子系系统统项项目目有有众众多多的的承承包包公公司司。由由于于各各公公司司技技术术路路线线不不一一致致，许许多多产产品品不不兼兼容容，他他们们使使用用各各自自的的设设计计语语言言，造造成成了了信信息息交交换换困困难难和和维维护护困困难难。国国防防部部为为他他们们的的超超高高速速集集成成电电路路提提供供一一种种硬硬件件描描述述语语言言，要要求求各各公公司司的的合合同同都都用用它它来来描描述述，以以避避免产生歧义。免产生歧义。n nVHDLVH

18、DL工工作作小小组组于于19811981年年6 6月月成成立立，提提出出了了满满足足电电子子设设计计要要求求的的能能够够作作为为工工业业标标准准的的HDLHDL。19831983年年，提提出出语语言言版版本本和和开开发发软软件件环环境境。19861986年年IEEEIEEE标标准准化化组组织织开开始始工工作作，讨讨论论VHDLVHDL语语言言标标准准，于于19871987年年1212月月通通过过标标准准审审查查，并并宣宣布布实实施施，即即IEEE IEEE STD STD 1076-1987LRM871076-1987LRM87。19931993年年VHDLVHDL重重新新修修订订，形形成成新

19、的标准即新的标准即IEEE STD 1076-1993LRM93IEEE STD 1076-1993LRM93。n n美国国防部实施新的技术标准，要求电子系统开美国国防部实施新的技术标准，要求电子系统开发商的合同文件一律采用发商的合同文件一律采用VHDLVHDL文档。即第一个官文档。即第一个官方方VHDLVHDL标准得到推广、实施和普及。标准得到推广、实施和普及。VHDL的特点优点：（1）功能强大、设计灵活（2）强大的系统硬件描述能力（3）移植能力强（4）VHDL语法规范、标准，易于共享与复用（5）支持广泛，易于修改（6）与工艺无关（7）易于ASIC移植（8）上市时间短，成本低缺点：（1）不具

20、有描述模拟电路的能力（2）综合工具生成的逻辑实现有时并不是最佳（3）EDA工具的不同导致综合质量的不同集成电路的设计过程：集成电路的设计过程：设计创意设计创意 +仿真验证仿真验证功能要求功能要求行为行为描述描述（VHDL）Sing off集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架是是行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是设计业设计业 VHDL综合 把抽象的实体结合成单个或统一的实体。把抽象的实体结合成单个或统一的实体。图图1-2 编译器和综合功能比较编译器和综合功能比较 图图1-3 VHDL综合器运行流程综合器

21、运行流程 VHDL综合 EDA技术实现目标 目标：是完成专用集成电路目标：是完成专用集成电路ASIC的设计和实现的设计和实现图图1-1 EDA技术实现目标技术实现目标 基于VHDL的自顶向下设计方法 图图1-4 自顶向下的设计流程自顶向下的设计流程 一般一般ASIC设计的流程设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC

22、设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 图图2-4 ASIC设计流程设计流程 常用EDA工具 1、设计输入编辑器设计输入编辑器 2、HDL综合器综合器 FPGA Compiler II、DC-FPGA综合器、综合器、Synplify Pro综合器、综合器、LeonardoSpectrum综合综合器和器和Precision RTL Synthesis综合器综合器 3、仿真器仿真器 VHDL仿真器仿真器 Verilog仿真器仿真器 Mixed HDL仿真器仿真器 其他其他HDL仿真器仿真器 4、适配器适配器 5、下载器

23、下载器 QuartusII 图图1-9 Quartus II设计流程设计流程 EDA技术的优势 可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证 有各类库的支持有各类库的支持 某些某些HDLHDL语言也是文档型的语言语言也是文档型的语言(如如VHDL)VHDL)日益强大的逻辑设计仿真测试技术日益强大的逻辑设计仿真测试技术 设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞 良好的可移植与可测试性，为系统开发提供了可靠的保证良好的可移植与可测试性，为系统开发提供了可靠的保证 能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的

24、设计方案中能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中 自动设计能力、不同内容的仿真模拟、完整的测试自动设计能力、不同内容的仿真模拟、完整的测试 EDA的发展趋势 在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能 可编程逻辑器件开始进入传统的可编程逻辑器件开始进入传统的ASIC市场市场 EDA工具和工具和IP核应用更为广泛核应用更为广泛 高性能的高性能的EDA工具得到长足的发展工具得到长足的发展 计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的SoC设计提供了设计提供了物理基础。物理基础。SOC SOC其他接口模块 ARM/POWE

25、R PC 等SOCSOC：SYSTEM ON A CHIP SYSTEM ON A CHIPSOPCSOPC：SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIP SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIP SOPC SOPCNIOSEthernetInterfaceARMUARTUARTRAM/ROM FIFOUSB PCI PCIDSP BlocksPLLsSDRAM CONTROLVGAPS2Multiply UnitJPEG CPL FIR，IIR，FFT大规模大规模FPGAFPGANiosNios嵌入式嵌入式系统系统IPIP软核软核 Flash ROM固体硬盘SRA

26、M 内存 SDRAM 内存嵌入式Bios嵌入式ROM嵌入式RAM嵌入式FIFOSDRAM控制模块硬件DSP模块RS232CAN控制器DMAVGA控制器RS232接口电路 PS2键盘接口PS2鼠标接口Ethernet接口内部时钟PIC接口浮点算术协处理器VGA接口 PS/2键盘/鼠标接口 D/A接口 A/D接口 LCD接口 LED接口 USB控制器UART FIFO并行接口 图象或语音采样接口 立体声输出接口 通用I/O口 应用系统应用系统 SOPC SOPCSOPC用于网络通信系统电路结构用于网络通信系统电路结构FlashFlashCPUCPUA AV VA AL LO ON N总总线线以太网

27、以太网通信接口通信接口RAMRAM网络通信网络通信接口器件接口器件FlashFlashCPUCPUA AV VA AL LO ON N总总线线SRAMSRAM大屏幕显示大屏幕显示扫描控制输出扫描控制输出显示驱动显示驱动DMADMA以太网以太网通信接口通信接口网络通信网络通信接口器件接口器件SOPC用于用于LED大屏幕显示控制结构大屏幕显示控制结构显示屏显示屏FlashFlashA AV VA AL LO ON N总总线线RAMRAMA/DA/D采样控制采样控制高速高速A/DA/DD/AD/A输出控制输出控制高速高速D/AD/ADMADMACPUCPU硬件乘法累加器硬件乘法累加器硬件复数乘法器硬件复数乘法器硬件浮点运算器硬件浮点运算器SOPC用于用于DSP系统电路结构系统电路结构SOPC用于步进电机细分控制电路结构用于步进电机细分控制电路结构C CP PU U 步进电机步进电机 PWMPWM波发生器波发生器PWM D相输出PWM C相输出PWM B相输出PWM A相输出A AV VA AL LO ON N总总线线FlashFlashRAMRAM