EDA技术及其发展

第1章概述1.1EDA技术及其发展EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，突出表现在以下几个方面：使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能；在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出。电子技术全方位纳入EDA领域；EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容；1.1EDA技术及其发展更大规模的FPGA和CPLD器件的不断推出；基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP核模块；软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认；SoC高效低成本设计技术的成熟。SoC：SYSTEMONACHIP片上系统SoPC：SYSTEMONAPROGAMMABLECHIP可编程片上系统CSoC：CONFIGURABLESYSTEMONACHIP片上可配置系统注：以上三种系统可统称为片上系统，但是却存在一定区别：后两种更强调其可编程性能。SOC其他接口模块ARM/POWERPC等自顶向下的设计流程现代电子系统设计流程自底向上的设计流程传统电子系统设计流程方案论证与系统级构建独立于硬件的系统行为评估和设计。系统仿真：包括系统级的硬件设计与仿真，软件设计与仿真将硬件系统设计文件转换成可综合（RTL）硬件描述语言（HDL）。进行功能仿真将硬件描述语言转换成标准网表文件，如EDIF、VHDL、Verilog等通过结构综合或适配（芯片内的布线布局），将标准网表文件转换成芯片下载文件。进行时序仿真硬件系统实现。硬件系统测试与调试HARDWEARDEBUGERRING软件设计与调试。SOFTWEARDEBUGERRING系统设计完成根据方案和系统指标选购硬件，并设计电路板，即硬件系统实际方案论证，与算法确定软件设计与调试。SOFTWEARDEBUGERRING硬件系统测试与调试系统设计完成，或系统中的某一模块实际完成EDA设计流程与传统技术设计流程比较EDA技术ASIC设计FPGA/CPLD可编程ASIC设计门阵列（MPGA）；标准单元（CBIC）；全定制；（FCIC）；ASIC设计SOPC/SOC混合ASIC设计1.2EDA技术实现目标作为EDA技术最终实现目标的ASIC，通过三种途径来完成：NIOSARMRAM/ROMFIFOSDRAMCONTROLVGAPS2SOPCEthernetInterfaceUARTMultiplyUnitJPEGCPLUSBPCIPLLsDSPBlocksFIR，IIR，FFTFlashROM固体硬盘SRAM内存SDRAM内存VGA接口PS/2键盘/鼠标接口应用系统RS232接口电路D/A接口A/D接口LCD接口LED接口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SOPC嵌入式RAMUARTFIFO大规模FPGANios嵌入式系统IP软核嵌入式ROMUSB控制器RS232CAN控制器DMAVGA控制器PS2键盘接口嵌入式BiosPIC接口内部时钟硬件DSP模块Ethernet接口PS2鼠标接口浮点算术协处理器SDRAM控制模块嵌入式FIFO基于EDA技术的FPGA基本设计SOPC系统设计DSP技术及DSP系统设计单片机系统设计嵌入式系统设计+++1.超大规模可编程逻辑器件2.半定制或全定制ASIC3.混合ASIC1.2EDA技术实现目标1.3硬件描述语言VHDL硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分，VHDL是作为电子设计主流硬件的描述语言。VHDL语言具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性。用VHDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现，而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。1.4VHDL综合设计过程中的每一步都可称为一个综合环节从自然语言转换到VHDL语言算法表示，即自然语言综合；从算法表示转换到寄存器传输级(RegisterTransportLevel，RTL)，即从行为域到结构域的综合，即行为综合；RTL级表示转换到逻辑门(包括触发器)的表示，即逻辑综合；从逻辑门表示转换到版图表示(ASIC设计)，或转换到FPGA的配置网表文件，可称为版图综合或结构综合。有了版图信息就可以把芯片生产出来了。有了对应的配置文件，就可以使对应的FPGA变成具有专门功能的电路器件。CPU指令/数据代码：0100101000101100C、ASM...程序软件程序编译器COMPILER编译器和综合功能比较VHDL/VERILOG.程序硬件描述语言综合器SYNTHESIZER为ASIC设计提供的电路网表文件（a）软件语言设计目标流程（b）硬件语言设计目标流程1.5基于VHDL的自顶向下设计方法自顶向下的设计流程:1．设计说明书2．建立VHDL行为模型3．VHDL行为仿真4．VHDL-RTL级建模5．前端功能仿真6．逻辑综合7．测试向量生成8．功能仿真9．结构综合10．门级时序仿真11．硬件测试12．设计完成1.6EDA与传统电子设计方法的比较手工设计方法的缺点是：1)复杂电路的设计、调试十分困难。2)如果某一过程存在错误，查找和修改十分不便。3)设计过程中产生大量文档，不易管理。4)对于集成电路设计而言，设计实现过程与具体生产工艺直接相关，因此可移植性差。5)只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实测。EDA技术有很大不同：1)采用硬件描述语言作为设计输入。2)库(Library)的引入。3)设计文档的管理。4)强大的系统建模、电路仿真功能。5)具有自主知识产权。6)开发技术的标准化、规范化以及IP核的可利用性。7)适用于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案。8)全方位地利用计算机自动设计、仿真和测试技术。9)对设计者的硬件知识和硬件经验要求低。10)高速性能好。11)纯硬件系统的高可靠性。1.7EDA的发展趋势系统集成芯片成为IC设计的发展方向，这一发展趋势表现在如下几个方面：超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，深亚微米(Deep-Submicron)工艺，如0.18μm，0.13μm已经走向成熟，在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能。市场对电子产品提出了更高的要求，如必须降低电子系统的成本，减小系统的体积等，从而对系统的集成度不断提出更高的要求。高性能的EDA工具得到长足的发展，其自动化和智能化程度不断提高，为嵌入式系统设计提供了功能强大的开发环境。计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的SoC设计提供了物理基础。习题一习题1-1简述EDA技术的发展历程？EDA技术的核心内容是什么？习题1-2EDA技术与ASIC设计和FPGA开发有什么关系？习题1-3与软件描述语言相比，VHDL有什么特点？习题1-4什么是综合？有那些类型？综合在电子设计自动化中的地位是什么？习题1-5在EDA技术中，自顶向下的设计方法的重要意义是什么？习题1-6IP在EDA技术的应用和发展中的意义是什么？习题1-7与DSP处理器相比，用FPGA来实现数字信号处理的功能有那些优缺点？现代DSP技术简介补充内容DSP设计技术演进(1)专用数字信号处理机数字信号处理器DSP超大规模可编程硬件实现专用数字信号处理机（早期）如FFT机，只适用于某一特定的信号处理应用。优点：速度快、实时性强缺点：系统规模小、通用性差、电路不灵活；无法面向用户，按照用户的要求改变设计结构，和功能特性DSP设计技术演进(2)数字信号处理器（DSP）如TI公司的TMS320系列。适用于语音处理、窄带通信、低速图像处理。优点：速度快、软件实现、灵活性高、便于实现复杂算法缺点：实时性差（但在多数情况下满足要求。也推出了高性能的DSP，如TI的C6x系列）DSP设计技术演进(3)超大规模可编程硬件实现（FPGA）如Altera公司的APEX、APEXII、Stratix系列等，开发工具包为DSPBuilder。适用于宽带通信、高速图像处理。优点：速度最快、可编程逻辑实现、灵活性高、实时性强缺点：同DSP软件相比，实现相同算法需要更高成本。但在高速、实时性要求的应用中，如软件无线电的数字中频处理中，已成为必不可少、非此莫属了！DSP设计技术演进(4)•DSP设计新工具-DSPBuilder(1)Altera公司DSPBuilder，支持Altera公司超大规模FPGA，整合了整个DSP设计与实现的流程。主要包含：1、MATLAB/Simulink仿具库支持、2、Simulink模型到VHDL的设计转换支持、设计的VHDL综合、3、ModelSimVHDL仿真库支持、4、FPGA的后端布局布线。通过SignalCompiler，DSPBuilder将MATLAB/Simulink系统仿真、VHDL综合器、QuartusII工具紧密结合在一起，大大简化了DSP的设计与实现流程，具有划时代的意义。•DSP设计新工具-DSPBuilder(2)DSPBuilder提供了从MATLAB/Simulink、VHDL综合、VHDL仿真、FPGA实现的统一的库支持。使仿真验证与设计最大程度的简化。DSPBuilder支持完全基于IPCore的设计。除了数字信号处理所需要的绝大多数的Core之外，还支持Altera公司的其它MegaCore，使设计更为容易。支持的MegaCore如下：◇FFTCompiler◇FIRCompiler◇IIRCompiler◇NCOCompiler◇Reed-SolomonCompiler◇SymbolInterleaver/Deinterleaver◇ViterbiCompiler现代DSP设计技术-DSPBuilder设计流程系统设计、系统仿真Matlab/Simulink将设计转换为HDLSignalCompilerHDL逻辑综合Synplify/LeonardoSpectrumFPGA实现QuartusII现代DSP设计技术-Matlab/Simulink(1)Simulink系统建模、仿真现代DSP设计技术-Matlab/Simulink(2)系统仿真结果现代DSP设计技术-SignalCompiler(1)SignalCompiler◆设计转换◆综合◆编译/布局布线转换为VHDLVHDL综合QuartusII编译现代DSP技术-SignalCompiler(2)SignalCompiler◆设计转换◆综合（后台调用）◆编译/布局布线（后台调用）RF射频转换IF数字中频处理宽带天线宽带A/DD/A转换IF数字中频处理调制解调数字流处理用户网络/数字接口数字流处理软件无线电窄带A/DD/A/用户终端用户射频中频基带控制协议全部数字化处理基站天线系统设计文件+嵌入式逻辑分析仪核嵌入式逻辑分析仪应用应用系统上的FPGAPC机通过“PS”口或“JTAG”口向FPGA下载通过“JTAG”口将FPGA中的实时信号送往PC机显示JTAG端口FPGA的两种常用的标准下载配置技术1、PassiveSerialMode3、JTAGMode2、ActiveSerialMode此接口既可作编程下载口，也可作JTAG接口ALTERA的ByteBlaster（MV）下载接口GW48EDA/SOC系统提供了全开放的开发技术使用户不但能在竞赛中随心所欲使用自己的设计模块，还能是学习者毕业出去后，能使用规范的EDA知识和开发技术面向实际的工程需要。封闭式实验结构RS232串行口FPGA10K10PC机24CXX+单片机两种不同的实验结构开放式实验结构ByteBlast（MV）JTAG口各种规模的FPGAPC机SOF、POF、HEX标准格式文件配置和编程GW48系统