CPLDFPGA 与ASIC原理与设计

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 现代EDA技术应用设计实践,第四章 数字系统与Verilog HDL 描述,CPLD/FPGA 与ASIC原理与设计,返回,第五章 Verilog HDL 根底,第六章,Verilog HDL设计进阶与设计技巧,第二章 可编程逻辑器件根底,第七章,EDA技术综合设计实验举例,第八章 设计实验工程,1,绪论,返回,1.1 EDA技术的开展史,1.2 CPLD/FPGA的开展史,1.3 EDA技术的根本设计方法,1.4 常用EDA设计软件介绍,2,绪论,返回,1.1 EDA技术的开展史,EDA是电子设计自动化（Electron Design Automation）的缩写,是在90年代初,从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念开展起来的。,3,绪论,返回,EDA技术就是以计算机为工具,在EDA软件平台上,利用硬件描述语言描述设计系统,然后由EDA工具完成逻辑编译,逻辑分割,逻辑综合及优化,逻辑布线,逻辑仿真,适配编译,逻辑映射和下载工作。,EDA代表了当今电子设计技术的最新开展方向,4,绪论,返回,EDA的开展史,70年代,出现CAD工具。解决LSI或PCB布线设计问题。如TANGO。,80年代,出现EDA工具。主要以数字电路分析为主,能够完成电路图编辑和进行逻辑功能仿真。,90年代以来,由于微电子技术的迅猛开展,出现了以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术。,5,绪论,返回,这个阶段,EDA,技术的主要特征：,1.高层综合的理论与方法取得进展,将RT级提高到了系统级（又称行为级）。,2.采用硬件描述语言描述电子系统的设计,如ABEL-HDL、VHDL和Verilog HDL。,3.用平面规划（Floorplaning）技术对逻辑综合和物理幅员进行联合管理。,4.可测试性综合设计。,6,绪论,返回,5.为带有嵌入P核的ASIC设计提供软、硬协同设计工具。,6.建立并行设计工程CE（Concurrent Engineering）框架结构的集成化设计环境,以适应当今ASIC的设计。,7,绪论,返回,在Internet迅速普及的今天,电子设计工程师可以利用Internet,在网上下载EDA设计工具和IP核,使ASIC的设计变得迅速、经济和高效。因此,随着EDA技术的日益普及,EDA必成为每一个电子工程师的主要设计工具。,end,8,绪论,返回,1.2 CPLD/FPGA的开展史,逻辑器件是用来实现某种特定逻辑功能的电子器件,最简单的逻辑器件是与、或、非门,在此根底上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。随着电子技术的开展,电路集成度不断提高,数字集成电路也从SSI、MSI、LSI向VLSI方向开展。以下图是数字集成电路的分类：,9,绪论,返回,(ASIC),一、数字集成电路的分类,数字集成电路,标准电路,用户定制电路,RAM、ROM、SSI、LSI 如74系列、40系列,软件组态的微处理器 如CPU、DSP、PLC,全定制,半定制,可编程器件,门阵列,标准单元阵列,PROM、PLA、PAL、GAL、CPLD,FPGA,10,绪论,返回,1.,专用集成电路（,ASIC,）,是指专门为某一应用领域或专门用户需要而设计、制造的集成电路。它可以将某些专业电路或电子系统设计在一个芯片上,构成单片集成系统,即片上系统SOC(System on Chip)。,11,绪论,返回,2.片上系统SOC,专家认为,IC开展的大趋势是高速、高集成度和低功耗的系统。,就是将整个系统集成到单一半导体芯片上。更确切地说,片上系统是指综合数字和模拟技术,并将I/O、各种转换器件、存储器和MPU集成在同一封装内,能够高效实现特定功能的IC。片上系统将具备微处理器、存储器和一整套专用功能,甚至电源和电源驱动电路也将集成在同一模块中。,12,绪论,返回,集成片上系统的优点：,实现高速运作、缩短产品的上市时间、降低功耗和减少所占的PCB空间、提高系统的可靠性、它可使电子系统的尺寸更小、性能更高和本钱更低,同时整个系统的抗干扰特性与可靠度将提高。,13,绪论,返回,1.缩小体积,ASIC作为集成电路（IC）技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物,与通用集成电路相比,在构成电子系统时具有以下几个方面的优越性：,2.提高可靠性,3.易于获得高性能,4.增强保密性,5.在大批量应用时,可显著降低系统本钱。,14,绪论,返回,3.全定制,ASIC,芯片的各层掩膜都是按特定电路功能专门制造的。,4.半定制ASIC是一种约束性设计方式。目前,半定制ASIC主要有三种：,门阵列,、,标准单元,和,可编程逻辑器件,。,门阵列是一种预先制造好的硅阵列,内部包括几种根本逻辑门和触发器等,芯片中留有一定的布线区。,15,绪论,返回,5.标准单元,是厂家将预先配置好、经过测试,具有一定功能的逻辑块作为标准单元存储在数据库中,设计人员在电路设计完成后,利用CAD工具在幅员一级完成与电路一一对应的最终设计。,16,绪论,返回,二.可编程逻辑器件的开展史,可编程逻辑器件（PLDProgrammable Logic Device）：器件的功能不是固定不变的,它可根据用户的需要而进行改变,即由编程的方法来确定器件的逻辑功能。,17,绪论,返回,可编程逻辑器件的开展史,70年代,出现熔丝编程结构PROM和PLA,70年代末,AMD推出PAL,80年代初,Lattice推出GAL,80年代中期,Xilinx推出FPGA;Altera推出EPLD,80年代末,Lattice提出ISP技术,90年代,出现CPLDEPLD改进型器件,18,绪论,返回,现在,由于FPGA技术的快速开展,FPGA产品在逻辑密度、性能和功能上有了极大的提高,同时器件本钱也大幅下降,可编程逻辑技术已经能与ASIC（专用集成电路）和ASSP（专用标准产品）争夺市场,并逐渐呈现出取代ASIC和ASSP的趋势。,19,绪论,返回,1.3 EDA技术的根本设计方法,1.数字电路设计的根本方法,在数字电子技术根底课程中,数字电路设计的数学根底是布尔函数,并利用卡诺图进行化简。卡诺图只适用于输入比较少的逻辑函数的化简。数字电路的设计方法是：,20,绪论,返回,布尔函数数字系统数学根底（卡诺图）,数字电路设计的根本方法,组合电路设计,问题,逻辑关系,真值表,化简,逻辑,图,时序电路设计,列出原始状态转移图和表,状态优化,状态分配,触发器选型,求解方程式,逻辑图,21,绪论,返回,使用中、小规模器件设计电路（74、54系列）,编码器（74LS148）,译码器（74LS154）,比较器（74LS85）,计数器（74LS193）,移位存放器（74LS194）,22,绪论,返回,设计方法的局限,卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。,采用“搭积木的方法的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法,从中挑选最适宜的器件,缺乏灵活性。,设计系统所需要的芯片种类多,且数量很大。,23,绪论,返回,采用中小规模器件的局限,电路板面积很大,芯片数量很多,功耗很大,可靠性低提高芯片的集成度,设计比较困难能方便地发现设计错误,电路修改很麻烦提供方便的修改手段,PLD器件的出现改变了这一切,24,绪论,返回,2.现代数字系统的设计方法,随着PLD器件的出现和计算机技术的开展,使EDA技术得到了广泛应用。设计方法也因此开展了根本性的变化。由传统的“自底向上的设计方法转变为一种新的“自顶向下的设计方法。“自顶向下的设计方法的设计流程如下：,25,绪论,返回,第一步进行行为设计,第二步进行结构设计,第三步是把结构转化成逻辑图,即进行逻辑设计；,第四步是进行电路设计,将逻辑图进一步转换成电路图。,最后一步是进行ASIC的幅员设计,即将电路转换成幅员,或者用可编程ASIC实现（如CPLD/FPGA）。,“自底向上和“自顶向下设计步骤,26,绪论,返回,Bottom-up,系统分解,单元设计,功能模块划分,子系统设计,系统集成,Top-down,行为设计,结构设计,逻辑设计,电路设计,版图设计,27,绪论,返回,3 CPLD/FPGA设计流程,只要有数字电路的根底,还是能较容易和快速地学会利用CPLD/FPGA设计数字系统的。数字系统的根本部件比较简单,它们是一些与门、或门、非门、触发器、多路选择器等,宏器件也是一些加法器、乘法器等。,CPLD/FPGA,器件的设计一般分为设计输入、设计实现和编程三个主要设计步骤。,28,绪论,返回,设计准备和系统划分,设计输入（原理图、HDL语言或波形图）,编译并进行功能仿真,设计处理（EDA工具综合）,厂家综合库,适配前时序仿真,适配器,适配后仿真模型,器件编程文件,适配报告,适配后时序仿真,CPLD/FPGA实现,ASIC实现,29,绪论,返回,1.4 常用EDA设计工具介绍,1.PSPICE仿真软件,PSPICE仿真器在1985年第一次出现后,经历了不断的增强和改造,已经被成千上万的工程师试验和证实；PSPICE是为模拟和混合信号设计而特性化的仿真器。使用其灵活的内部模型,用户可以仿真包括从高频系统到低功耗IC设计的任何模拟系统,用户可以使用数据表创立新器件的模型。它可以进行各种各样的电路仿真、鼓励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真,都可以得到精确的仿真结果,并可以自行建立元器件及元器件库。,30,绪论,返回,2.EWB仿真软件,EWB(Electronic Workbench)软件是Interactive ImageTechnologies Ltd 在20世纪90年代初推出的电路仿真软件。目前普遍使用的是EWB5.2,相对于其它EDA软件,它是较小巧的软件（只有16M）。但它对模数电路的混合仿真功能却十分强大,几乎100%地仿真出真实电路的结果,并且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、电流表等仪器仪表。它的界面直观,易学易用。它的很多功能模仿了SPICE的设计,但分析功能比PSPICE稍少一些。,31,绪论,返回,3.MATLAB 软件,MATLAB软件是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块,包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。,MATLAB软件具有以下功能：,数据分析；数值和符号计算；工程与科学绘图；控制系统设计；数字图像信号处理；财务工程；建模、仿真、原型开发；应用开发；图形用户界面设计等。,MATLAB产品族被广泛地应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的结构使MATLAB,32,绪论,返回,4.PCB设计软件,PCB(PrintedCircuit Board)设计软件种类很多,如Protel；OrCAD；Viewlogic；PowerPCB；Cadence PSD；,目前Protel在我国用得最多,下面仅对此软件作介绍。,Protel 是Protel 公司在20世纪80年代末推出的CAD工具,是PCB设计者的首选软件。,早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用,现在普遍使用的是Protel99SE.,33,绪论,返回,包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线）,可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能。,使用多层印制线路板的自动布线,可实现高密度PCB的100%布通率。,34,绪论,返回,5.IC设计软件,IC设计工具很多,主要有Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供给商。其它公司的软件相对来说使用者较少。下面按用途对IC设计软件作一些介绍。,1）设