EDA数字系统设计.ppt
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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EDAASICPLDCPLDFPGAHDL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6本章内容一、数字集成电路设计
2、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体完成某一特定功能的电路组个不可分割的
3、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?92.2.集成电路的分类集成电路的分类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
4、(线性、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
5、大 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3.3.集成电路的发展集成电路的发展124.4.集成电路设计方法和工具的变革集成电路设计方法和工具的变革 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
6、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
7、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、封装。147070年年代代,集集成成电电路路设设计计附附属属于于半半导导体体工工业业加加工工。第第一一代代EDAEDA称称为为CADCAD。第第一一代代的的IC IC CADCAD系系统统为为ICIC设设计计师师提提供供方方便便的的版版图图编编辑辑、设设计计验证验证和和数据转换数据转换等功能。等功能。8080年年代代,出出现现第第二二代代EDAEDA系系统统,常常称称为为计计算算机机辅辅助助工工程程(CAECAE)系系统统,硬硬件件以以3232位位工工作作站站。为为设设计计师师提提供供了了方方
8、便便的的原原理理图图编编辑辑、仿仿真真和和物物理理版版图图的的布布图图、验验证证功功能能,构构成成了了一一个个比比较较完完整整的的ICIC设设计计系统。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
9、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 Synop
10、sys的 DC(Design Complier)第四代:正在研制面向VDSM+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、单片单片机等。机等。专用集成电路专用集成电路ASIC(Application Specific
11、Integrated Circuits):面向专门用途,为某一用:面向专门用途,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典型ASIC设计流程系统设计算法设计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18IC制造过程19ASIC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
12、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”。20 PLDPLD按复杂程序分为按复杂程序分为按复杂程序分为按复杂程序分为简单可编程逻辑器件简单可编程逻辑器件简单可编程逻辑器件简单可编程逻辑器件、复杂可编程逻辑复杂可编程逻辑复杂可编程逻辑复杂可编程逻辑器件器件器件器件CPLDCPLD(Complex Pr
13、ogrammable Device)(Complex Programmable Device)和现场可编程门阵和现场可编程门阵和现场可编程门阵和现场可编程门阵列列列列FPGAFPGA(Field Programmable Gate Array).(Field Programmable Gate Array).1)1)、简单可编程逻辑器件、简单可编程逻辑器件、简单可编程逻辑器件、简单可编程逻辑器件PROMPROM,UVEPROMUVEPROM、EEPROMEEPROM。PLA(ProgrammablePLA(Programmable Logic Array),Logic Array),可编程逻辑
14、阵列可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列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21PAL(ProgrammablePAL(Programmable Array Logic)Array Logic)可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑,19771977年由美国年由美国年由美国年由美国MMIMMI公司推出,由可编程与阵和固定或阵构成,采公司推出,由可编程与阵和固定或阵构成,采公司推出,由可编程与阵和固定或阵构成,采公司推出,由可编程与阵和固定或阵构成,采用熔丝编程方式,速度较快,第一个得到普遍应用的用熔丝编程方式,速度较快,第一个得到普遍应用的用熔
15、丝编程方式,速度较快,第一个得到普遍应用的用熔丝编程方式,速度较快,第一个得到普遍应用的PLDPLD。GAL(GenericGAL(Generic Array Logic)Array Logic)通用阵列逻辑器件通用阵列逻辑器件通用阵列逻辑器件通用阵列逻辑器件,19851985年由年由年由年由LatticeLattice公司推出,可电擦写,可重复编程,可设置加密位。公司推出,可电擦写,可重复编程,可设置加密位。公司推出,可电擦写,可重复编程,可设置加密位。公司推出,可电擦写,可重复编程,可设置加密位。是在是在是在是在PALPAL的基础上,采用了输出逻辑宏单元形式的基础上,采用了输出逻辑宏单元形
16、式的基础上,采用了输出逻辑宏单元形式的基础上,采用了输出逻辑宏单元形式EECOMSEECOMS工艺结构,与工艺结构,与工艺结构,与工艺结构,与PALPAL兼容,完全代替了兼容,完全代替了兼容,完全代替了兼容,完全代替了PALPAL。特点:特点:特点:特点:简单的可编程逻辑器件,结构简单,设计灵活,但规模简单的可编程逻辑器件,结构简单,设计灵活,但规模简单的可编程逻辑器件,结构简单,设计灵活,但规模简单的可编程逻辑器件,结构简单,设计灵活,但规模小,寄存器、小,寄存器、小,寄存器、小,寄存器、I/OI/O资源、时钟数目有限,难以实现复杂的逻辑功资源、时钟数目有限,难以实现复杂的逻辑功资源、时钟数
17、目有限,难以实现复杂的逻辑功资源、时钟数目有限,难以实现复杂的逻辑功能。能。能。能。222)2)、CPLD CPLD(Complex Programmable Device)(Complex Programmable Device)可擦除可擦除可擦除可擦除EPLDEPLDEPLDEPLD的基本结构与的基本结构与的基本结构与的基本结构与GALGALGALGAL并无本质区别,但其集成密度比并无本质区别,但其集成密度比并无本质区别,但其集成密度比并无本质区别,但其集成密度比GALGALGALGAL高得多,使其在一块芯片内能够实现更多的逻辑功能。高得多,使其在一块芯片内能够实现更多的逻辑功能。高得多,
18、使其在一块芯片内能够实现更多的逻辑功能。高得多,使其在一块芯片内能够实现更多的逻辑功能。复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件CPLDCPLD是是是是2020世纪世纪世纪世纪8080年代末年代末年代末年代末LatticeLattice提出了在线提出了在线提出了在线提出了在线可编程可编程可编程可编程ISPISP技术后于技术后于技术后于技术后于2020世纪世纪世纪世纪9090年代初出现的。是在年代初出现的。是在年代初出现的。是在年代初出现的。是在EPLDEPLD的基础的基础的基础的基础上,采用上,采用上,采用上,采用E E2 2COMSCOMS工艺制作,增加了内部
19、连线,对逻辑宏单元和工艺制作,增加了内部连线,对逻辑宏单元和工艺制作,增加了内部连线,对逻辑宏单元和工艺制作,增加了内部连线,对逻辑宏单元和I/OI/O单元进行了重大的改进。单元进行了重大的改进。单元进行了重大的改进。单元进行了重大的改进。CPLDCPLD至少包括三种结构:至少包括三种结构:至少包括三种结构:至少包括三种结构:可编程逻辑宏单元可编程逻辑宏单元可编程逻辑宏单元可编程逻辑宏单元、可编程可编程可编程可编程I/OI/O单元单元单元单元和和和和可编程内部连线可编程内部连线可编程内部连线可编程内部连线。233)3)、FPGAFPGA现场可编程门阵列现场可编程门阵列现场可编程门阵列现场可编程
20、门阵列FPGAFPGA是是是是XilinxXilinx公司公司公司公司19851985年首家推出的,采用年首家推出的,采用年首家推出的,采用年首家推出的,采用CMOS-SRAMCMOS-SRAM工艺制作。工艺制作。工艺制作。工艺制作。结构分成三部分:结构分成三部分:结构分成三部分:结构分成三部分:可编程逻辑块可编程逻辑块可编程逻辑块可编程逻辑块CLBCLB、可编程可编程可编程可编程I/OI/O口和可编程内部口和可编程内部口和可编程内部口和可编程内部连线连线连线连线。CLBCLB功能强大,不仅能够实现逻辑函数,还可以配置成功能强大,不仅能够实现逻辑函数,还可以配置成功能强大,不仅能够实现逻辑函数
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