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EDA应用
EDA技术及其工程应用
姓名
所在学院电子信息工程学院
专业班级
学号
指导教师
日期2011年11月26日
1前言2
2数字系统设计2
传统的数字系统设计2
设计流程3
传统数字系统设计方法的特点3
现代数字系统的设计3
现代数字系统的设计步骤3
设计流程4
现代数字系统设计的特点4
3基于从上到下设计思想的EDA技术4
4EDA技术的应用发展5
5基于EDA技术的软件设计平台7
6.可编程逻辑器件8
CPLD与FPGA的比较9
7主要器件生产厂家和开发工具9
8从PLD或FPGA芯片上获得的文字信息10
10结束语13
参考文献14
EDA技术及其工程应用
摘要:
本文通过对数字系统的设计的介绍,结合对基于从上到下的设计方法的EDA技术的介绍,分析集成电路的设计过程与可编程逻辑器件的设计过程。
针对EDA设计平台以及对应可编程器件生产公司的介绍,了解当代电子技术与电子系统设计的发展现状与发展趋势,结合某些芯片的介绍,分析CPLD与FPGA命名规则及其现状。
关键字:
EDA从上到下可编程逻辑器件
1前言
随着迅速发展起来的可编程逻辑器件CPLD和FPGA的出现,复杂数字系统的设计已由传统的自底向上的设计过程被先进的电子设计自动化一EDA工具所替代。
EDA(ElectronicDesignAutomation)是将计算机技术应用于电子设计过程中而形成的一门新技术,在20世纪90年代初从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。
设计者在EDA软件平台上,用硬件描述语言HDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
它已经被广泛应用于电子电路的设计和仿真,集成电路的版图设计、印刷电路板(PCB)的设计和可编程器件的编程等各项工作中。
2数字系统设计
传统的数字系统设计
传统的数字系统设计只能对电路板进行设计,通过电路板来实现系统功能。
传统的数字系统设计方法是自底向上的,即先由真值表、卡诺图、布尔方程、状态转换表和状态转换图来完成对逻辑电路的功能描述,在系统划分和分解的基础上进行单元电路的设计,然后选定相应的逻辑器件,由器件搭成各个独立的功能模块电路,然后进行子系统的设计,完成系统的总体设计,再由电路板构成电子系统。
这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔。
设计流程
图1传统的数字系统设计流程图
传统数字系统设计方法的特点
从底层逻辑库中直接调用逻辑门单元;符合硬件工程师传统的设计习惯;在进行底层设计时缺乏对整个电子系统总体性能的把握;在整个系统完成后,要进行修改较为困难,设计周期较长;按这样的过程设计产品,所用元件的种类和数量较多,一次性成功率低,系统接线多,可靠性差,体积和功耗大,成本也高;随着设计规模与系统复杂度的提高,这种方法的缺点更突出。
现代数字系统的设计
随着现代大规模和超大规模数字系统的发展,传统的设计方法的缺点突显,加上计算机技术的迅猛发展,使计算机辅助设计技术更好的应用到了数字电路的设计中,利用EDA工具在计算机上完成逻辑设计、建立系统模型、功能仿真和时序仿真,仿真通过后再形成产品。
使设计各个步骤之间相互联系越来越紧密、越来越协调。
利用计算机这个工具,软硬结合,可以说实现了数字系统设计的革命。
现代数字系统的设计步骤
(1)进行系统分析,确定算法;
(2)进行系统划分,根据系统或芯片的特点,将其划分为若干部分,各部分分别承担算法中不同的逻辑操作功能,划分的各部分逻辑功能清楚,接口清晰,相互关系明确,便于电路级的实现;
(3)系统逻辑描述,根据各个子系统或模块所确定的逻辑功能,采用规范的形式描述逻辑功能;
(4)逻辑电路级设计,选择合理的器件和连接关系以实现系统逻辑要求,电路级设计的结果常采用2种方式来表达:
电路图方式和硬件描述语言方式,EDA软件允许这2种方式;
(5)数字电路的设计采用EDA软件来仿真,当仿真结果正确后再用器件实现数字系统;
(6)测试系统性能是否符合设计要求。
设计流程
图2现代数字系统设计流程
现代数字系统设计的特点
结合模拟手段,可以从开始就掌握实现目标系统的性能状况;随着设计层次向下进行,系统的性能参数将进一步得到细化与确认;可以根据需要及时调整相关的参数,从而保证了设计结果的正确性,缩短了设计周期;当规模越大时,这种方法的优越性越明显;须依赖EDA设计工具的支持及昂贵的基础投入;逻辑总合及以后的设计过程的实现,均需要精确的工艺库的支持。
3基于从上到下设计思想的EDA技术
自顶向下(Top—to—Down)的设计方法是把系统初始功能定义的高级抽象分解成具体的低级子功能模块,这种分解过程一直持续到设计变成由一组可以用简单电路实现的功能模块组成为止,这样一来,系统就从高层次的抽象功能模块变成了独立的易于实现的低层次功能模块,在所有功能模块都确定下来后,就可以用HDL语言描述具体电路模块,并进行仿真测试,实现每个功能块,然后把这些设计好的功能独立相对完整的功能块连接起来,完成整个设计。
在电子设计领域,自顶向下的层次化设计方法,只有在EDA技术得到快速发展和成熟应用的今天才成为可能,自顶向下的层次化设计方法的有效应用必须基于功能强大的EDA工具,具备集系统描述、行为描述和结构描述功能为一体的硬件描述语言HDL,以及先进的ASIC制造工艺和CPLD/FPGA开发技术。
EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式,以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具,通过有关的开发软件,自动完成用软件的方法设计电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑影射、编程下载等工作,最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门技术。
EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展,经历了三个发展阶段,即:
20世纪70年代发展起来的CAD技术;20世纪80年代开始应用的CAE技术;20世纪90年代后期,出现的以硬件描述语言、系统级仿真和综合技术为特征的EDA技术,这时的EDA工具不仅具有电子系统设计的能力,而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力,具有高级抽象的设计构思手段。
EDA技术涉及面广,内容丰富,主要有以下四个方面内容:
(1)大规模可编程逻辑器件;
(2)硬件描述语言;(3)软件开发工具;(4)实验开发系统。
其中,大规模可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体;硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段;软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化、自动化设计工具;实验开发系统是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。
EDA技术主要是指面向专用集成电路设计的计算机技术,与传统的专用集成电路设计技术相比,其特点有:
①设计全程,包括电路系统描述、硬件设计、仿真测试、综合、调试、软件设计,直至硬件系统都由计算机完成;②设计技术直接面向用户,即专用集成电路的被动使用都有同时也可能是专用集成电路的主动设计者;③专用集成电路的实现有了更多的途径,即除传统的ASIC器件外,还能通过FPGA、CPLD、ispPAC、FPSC等可编程器件来实现。
4EDA技术的应用发展
EDA技术在硬件方面融合了大集成电路制造技术,IC版图设计技术、ASIC测试和封装技术、CPLD/FPGA技术等。
EDA技术在进入21世纪后,基于大规模可编程器件解决方案的EDA技术及其应用在有了巨大的发展,将电子设计技术再次推向又一崭新的历史阶段,得到了更大的发展,突出表现在以下几个方面:
(1)新器件
由于市场产品的需求和市场竞争的促进,成熟的EDA工具所能支持的,同时标志着最新EDA工具所能支持的,同时标志着最新EDA技术发展成果的新器件不断涌现,其特点主要表现为:
大规模,逻辑规模已达数百万门,近10万逻辑宏单元,可以将一个复杂的电路系统,包括诸如一个至多个嵌入式系统处理器、各类通信接口、控制模块和DSP模块等装入一个芯片中,即能满足所谓的SOPC设计;低功耗,尽管一般的FPGA和CPLD在功能和规模上都能很好地满足绝大多数的系统设计要求,但对于有低功耗要求的便携式产品来说,通常都难于满足要求;模拟可编程;各种应用EDA工具软件设计、isp方式编程下载的模拟可编程及模数混合可编程器件不断出现,含多种专用端口和附加功能模块的FPGA。
(2)新工具软件
为了适应更大规模FPGA的开发,包括片上系统的DSP的开发,除了第三方EDA公司不断更新的通用EDA工具外,主要PLD供应商也相继推出,并适时升级其EDA开发工具。
(3)在FPGA中植入嵌入式系统处理器
目前最为常用的嵌入式系统大多采用了含有ARM的32位知识产权处理器核的器件。
尽管由这些器件构成的嵌入式系统有很强的功能,但为了使系统更为完备、功能更为强大、对更多任务的完成具有更好的适就万籁,通常必须为此处理器配置许多接口器件,方能构成一个完整的应用系统,如除配置常规的SRAM、DRAM、Flash外,还必须配置网络通信接口、串行通信接口USB接口、VGA接口、PS/2接口等等。
这样势必会增加整个系统的体积、功耗,降低了系统的可靠性。
但是如果将ARM或其它知识产权核以硬核方式植入FPGA中,利用FPGA中的可编程逻辑资源和IP软核来构成该嵌入式系统处理器的接口功能模块,就能很好地解决这些问题。
(4)DSP系统设计
电子技术领域全方位融入EDA技术,除了日益成熟的数字技术外,传统的电路系统设计建模理念发生了重大的变化,如软件无线电技术的崛起、模拟电路系统硬件描述语言的表达和设计的标准化、系统可编程模拟器件的出现、数字信号处理和图像处理的全硬件实现方案的普遍接受以及软硬件技术的进一步融合等。
使在FPGA上实现DSP(数字信号处理)应用成为可能,用纯数字逻辑进行DSP模块的设计,使得高速DSP实现成为现实。
(5)与ASIC市场的竞争技术
随着系统开发对EDA技术的目标器件各种性能要求的提高,ASIC和FPGA将更大程度地相互融合。
这是因为虽然标准逻辑ASIC芯片尺寸小、功能强大、耗电小,但设计复杂,并且有批量生产要求;可编程逻辑器件开发费用低廉,能在现场进行编程,但却体积大、功能有限,而且功耗较大。
因此,FPGA和ASIC正在汇合到一起,互相融合,取长补短。
由于一些ASIC制造商提供具有可编程逻辑的标准单元,可编程器件制造商重新对标准逻辑单元发生兴趣,而有些公司采取两头并进的方法,从而使市场开始发生变化,在FPGA和ASIC之间正在诞生一种“杂交”产品,以满足成本和上市速度的要求。
例如将可编程逻辑器件嵌入标准单元。
(6)对自主知识产权的保护
传统的应用电子系统设计对于设计者来说,没有任何自主知识产权可言,因为系统中的关键性器件往往并非出自设计者之手,这将导致该系统在许多情况下的应用直接受到限制。
基于EDA技术的设计则不同,由于用VHDL表达的成功的专用功能设计在实现目标方面有很大的可选性,它既可以用不同来源的通用FPGA/CPLD实现,也可以直接以ASIC来实现,设计者拥有完全的自主权,再无受制于人之虞。
5基于EDA技术的软件设计平台
EDA软件品种繁多,目前在我国得到应用的有:
PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Men—tor、Graphics、Synopsys、Cadence、MicroSim、Edison、Tina等等。
这些软件功能都很强,一般都能应用于几个方面,大部分软件都可以进行电路设计与仿真,PCB自动布局布线,可输出多种网表文件(Netlist),与其他厂商的软件共享数据等等。
这里简略介绍个别出名公司所开发的设计平台:
(1)Lattice公司从早期的Synario,升级到后来的ispEXPERTSystem、ispDesignEXPERTSystem、ispLEVER,直到现在的ispLEVERAdvancedSystem通用EDA工具,可用于开发Lattice所有的FPGA、FPSC、CPLD和GDX器件。
但与Altera和Xilinx相比,其开发工具略逊一筹。
(2)Xilinx推出的最新设计环境是,其中增加了许多新的功能,如支持嵌入式系统的Linux开发,支持混合硬件描述语言综合设计流程、强化排错功能、ChipScopePro实时调试器等等。
此外还升级了用于软核嵌入式系统调试的工具EmbeddedDevelopmenKit和基于FPGA的DSP开发环境SystemGeneratorforDSP。
(3)Altera也推出了适用于不同设计对象的EDA开发环境。
其中QuartusⅡ是一综合设计环境,被称为SOPC(可编程单片系统)升级环境,它承接了原来MaxplusⅡ的全部设计功能和器件对象外还增加了许多新功能和新的FPGA器件系列,包括一些适用于SOPC开发的大规模器件。
相对于上述EDA工具,QuartusⅡ含有许多更具特色和更强的实用功能,大致有以下几点:
(1)QuartusⅡ与MATLAB/Simulink和Altera的DSPBuilder,以及第三方的综合器和仿真器相结合,用于开发DSP硬件系统;
(2)QuartusⅡ与SOPCBuilder结合用于开发Nios嵌入式系统;
(3)QuartusⅡ含实时调试工具、嵌入式逻辑分析式SignalTapⅡ。
(4)QuartusⅡ含一种十分有效的逻辑设计优化技术,即设计模块在FPGA中指定区域内的逻辑锁定功能,LogicLock技术。
(5)QuartusⅡ含有将FPGA设计向ASIC设计我缝转移的高效的ASIC设计技术,即HardCopy技术。
6.可编程逻辑器件
可编程逻辑器件(programmablelogicdevice)即PLD,是做为一种通用集成电路产生的,他的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。
一般的PLD的集成度很高,足以满足设计一般的数字系统的需要。
这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上,而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。
可编程逻辑器件的两种类型:
CPLD和FPGA,下面分别介绍该两器件:
(1)CPLD
CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice),是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中,实现设计的数字系统。
它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点,可实现较大规模的电路设计,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。
(2)FPGA
FPGA(Field-ProgrammableGateArray),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。
一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
CPLD与FPGA的比较
CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。
CPLD是一个以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件,如Lattice的ispLSI系列、Xilinx的XC9500系列、Altera的MAX7000S系列和Lattice(原Vantis)的Mach系列等。
这样的结果是缺乏编辑灵活性,但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。
而FPGA却是有很多的连接单元,是以查表法结构方式构成逻辑行为的器件,如Xilinx的SPARTAN系列、Altera的FLEX10K或ACEX1K系列等。
这样虽然让它可以更加灵活的编辑,但是结构却复杂的多。
尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件,有很多共同特点,但由于CPLD和FPGA结构上的差异,具有各自的特点:
(1)CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FPGA更适合于完成时序逻辑。
换句话说,FPGA更适合于触发器丰富的结构,而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构;
(2)在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。
CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程,FPGA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程;
(3)FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现;
(4)在编程方式上,CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。
CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。
FPGA大部分是基于SRAM编程,编程信息在系统断电时丢失,每次上电时,需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。
其优点是可以编程任意次,可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置;
(5)CPLD保密性好,FPGA保密性差。
一般情况下,CPLD的功耗要比FPGA大,且集成度越高越明显。
7主要器件生产厂家和开发工具
目前由专门的软件公司与器件生产厂家合作,推出功能强大的设计软件及一系列器件。
全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。
可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。
(1)ALTERA20世纪90年代以后发展很快。
主要产品有:
MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。
其开发工具—MAX+PLUSII是较成功的PLD开发平台,最新又推出了QuartusII开发软件。
Altera公司提供较多形式的设计输进手段,绑定第三方VHDL综合工具,如:
综合软件FPGAExpress、LeonardSpectrum,仿真软件ModelSim。
(2)Xilinx公司,FPGA的发明者,产品种类较全,主要有:
XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex等系列,其最大的Vertex—IIPro器件已达到800万门。
开发软件为Foundation和ISE。
(3)Lattice—VantisLattice是ISP(In—SystemProgrammability)技术的发明者,ISP技术极大地促进了PLD产品的发展。
中小规模PLD比较有特色,大规模PLD的竞争力还不够强(Lattice没有基于查找表技术的大规模FPGA),1999年推出可编程模拟器件,1999年收购Vantis(原AMD子公司),成为第三大可编程逻辑器件供给商。
2001年12月收购Agere公司(原Lucent微电子部)的FPGA部分。
主要产品有ispLSI2000/5000/8000,MACH4/5。
(4)Actel反熔丝(一次性烧写)PLD的领导者,由于反熔丝PLD抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快,所以在军品和宇航级上有较大上风。
ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。
(5)Quicklogic专业PLD/FPGA公司,以一次性反熔丝工艺为主,在中国地区销售量不大。
(6)Lucent主要特点是有不少用于通讯领域的专用IP核,但PLD/FPGA不是Lucent的主要业务,在中国地区使用的人很少。
(7)WSI生产PSD(单片机可编程外围芯片)产品。
这是一种特殊的PLD,如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、Flash,并支持ISP(在线编程),集成度高,主要用于配合单片机工作。
8从PLD或FPGA芯片上获得的文字信息
每个集成电路生产厂商都有独特的集成电路型号命名方法,但一般集成电路的型号基本上都由三大部分组成,既前缀、器件标号和后缀,每部分又可细分,分别用来表示集成电路的功能、使用温度范围、封装形式等。
使用者通过器件型号可大致了解集成电路的功能等信息。
下面举例说明一些芯片上可以或得的信息。
(1)Altera公司的芯片命名规则
XXXXXXXXXXXX
1234567
工艺+型号+LE数量+封装+管脚数目+温度范围+器件速度。
1.前缀:
EP:
典型器件
EPC:
组成的EPROM器件
EPF:
FLEX10K或FLFX6000系列、FLFX8000系列
EPM:
MAX5000系列、MAX7000系列、MAX9000系列
EPX:
快闪逻辑器件
2.器件型号
3.LE(逻辑单元)数量:
XX(k)
4.封装形式:
D陶瓷双列直插
Q塑料四面引线扁平封装
P塑料双列直插
R功率四面引线扁平封装
S塑料微型封装
T薄型J形引线芯片载体
J陶瓷J形引线芯片载体
W陶瓷四面引线扁平封装
L塑料J形引线芯片载体
B球阵列
5.管脚数目
6.温度范围:
C:
0℃至70℃,
I:
-40℃至85℃,
M:
-55℃至125℃
7.速度:
6约最大是500MHz,7约最大是43MHz,8约最大是400MHz。
举例:
EP2C20F484C6
EP2C:
器件系列CycloneII(S代表stratix。
A代表arria)
20:
2wLE(逻辑宏单元)数量;
F484:
FBGA484pin封装(484个管脚);
C:
工作温度在0℃至70℃之间;
6:
工作速度约为500MHz。
有些产品后面还加有后缀,如EP2C35F672C6N,其中N就是后缀,N表示无铅;如果是ES代表工程样片。
(2)Actel公司芯片命名规则
该公司产品型号由6部分组成,例如:
M7AFS600-1FGG256I
123456
1.器件标号,表示器件功能。
2.速度等级:
F比标准速度慢20%;
空标准
1比标准块15%;
2比标准快20%。
3.封装形式:
QN四方扁平无引脚封装;
PQ塑料四方扁平封装;
FG微间距球栅阵列。
4.无铅封装选项:
空标准封装
G无铅封装
5.引脚数
6.使用温度范围:
空商业级(0℃到70℃)
I工业级(-40到85℃)
(3)Atmel公司芯片命名规则
该公司产品型号由6部分组成,例如:
AT28C64-5PMB
123456
1.前缀,表示生产厂家;
2.器件标号:
CCMOS
HC高速CMOS
3.表示最大传输延时,单位ns;
4.封装形式:
P塑料DIP
D陶瓷DIP
J带J引脚芯片载体封装
L无引脚芯片载体陶瓷封装
5.使用温度范围:
C商用级(0到70℃)
I工业级(-40到85℃)
M军品级(-55到125℃)
6.筛选方式;
空标准筛选
B高可靠筛选
10结束语
EDA技术为现代数字系统理论和设计的表达与应用提供了可能性,它已不是某一学科的分支,而是一
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