Transcript EDA技术1

EDA技术
第1章
概
述
1.1 EDA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；
1.1 EDA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( Intellectual Property)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： SYSTEM ON A CHIP
SOPC： SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIP
CSOC： CONFIGURABLE SYSTEM ON A CHIP
SOC
其他接
口模块
ARM/
POWER PC
等
EDA设计流程与传统技术设计流程比较
现代电子系统设计流程
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
自
顶
向
下
的
设
计
流
程
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
传统电子系统设计流程
系统设计完成，或系统中
的某一模块实际完成
硬件系统测试与调试
将硬件描述语言转换成标准网表
文件，如EDIF、VHDL、Verilog等
软件设计与调试。
SOFTWEAR DEBUGERRING
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
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
硬件系统实现。硬件系统测试与调试
HARDWEAR DEBUGERRING
软件设计与调试。
SOFTWEAR DEBUGERRING
系统设计完成
方案论证，与算法确定
自
底
向
上
的
设
计
流
程
1.2 EDA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：
EDA技术
ASIC设计
SOPC/SOC
FPGA/CPLD
可编程ASIC
设计
混合
ASIC
设计
门阵列
（MPGA）；
标准单元
（CBIC）；
全定制；
（FCIC）；
ASIC设计
SOPC
NIOS
PCI
UART
ARM
Ethernet
Interface
USB
Multiply
Unit
RAM/ROM
FIFO
JPEG CPL
PLLs
SDRAM CONTROL
FIR，IIR，FFT
VGA
PS2
DSP Blocks
SOC： SYSTEM ON A CHIP
SOPC： SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIP
SOPC系统设计
基于EDA技术的
FPGA基本设计
+
DSP技术及DSP系
统设计
+
单片机系统设计
+
嵌入式系统设计
2003年7月 Forbes 福布斯 报道
FPGA芯片叫板微处理器 --如果没有微处理器,电脑会怎样?答案令人惊讶--它的处理速度比常规电脑更快,而且快出很多倍!
尽管FPGA芯片的主频要低于奔腾处理器,但是由于FPGA
芯片可并行处理多项任务,因此处理速度要比奔腾处理器
或数字信号处理器快得多!
FPGA芯片武装超级电脑
FPGA芯片叫板微处理器
美国赢通系统公司（Wincom Systems）推出一款令人惊叹的服务器。这款专为网站运行而设计的服务器尺寸
仅有DVD播放机大小，工作能力却相当于,甚至超过50台戴尔、IBM或SUN公司售价5000美元的服务器。
赢通公司的这款服务器并未采用目前电脑中不可或缺的微处理器。
传统的个人电脑及服务器通常采用英特尔的奔腾处理器或SUN计算机系统公司的SPARC芯片作为中央处理单
元。而赢通的这一产品却没有采用微处理器，而是由FPGA芯片驱动。
FPGA芯片的运行速度比奔腾处理器慢，但可并行处理多项任务，而微处理器一次仅能处理一项任务。因此，
赢通公司的服务器只需配置几个价格仅为2000多美元的FPGA芯片，便可击败SUN计算机系统公司的服务器或
采用英特尔处理器的电脑，“我们的服务器处理速度要比普通服务器快50到300倍”。
FPGA芯片在一定程度上正在蚕食微处理器的市场。FPGA芯片也开始用于消费类的电子设备中，包括手机和
数码相机。飞利浦、诺基亚、Palm及索尼均在其消费类的电子产品中采用了FPGA芯片。
XILINX的首席执行官W.Roelandts亲眼目睹了FPGA如何改变电脑构架。50多年前，匈牙利数学家纽曼（John
von Neumann）提出了电脑的设计构想----通过中央处理器从存储器中存取数据，并逐一处理各项任务。现在
，通过采用可编程芯片FPGA取代微处理器，电脑可并行处理多项任务。
W.Roelandts说，“由纽曼提出的电脑架构已经走到尽头”，“可编程芯片将掀起下一轮应用高潮。
尽管FPGA芯片的时钟频率要低于奔腾处理器，但是由于FPGA芯片可并行处理各种不同的运算，所以可完成
许多复杂的任务。例如网页显示，全球天气建摸及基因组合核对等，而且处理速度比奔腾处理器或数字信号
处理器快得多。在通用计算方面，FPGA仍然不敌Intel的处理器。对于那些只需要进行重复单任务操作的机器
而言，使用FPGA芯片显然是大材小用。
位于内华达州的TimeLogic公司也间接受益于FPGA。戴尔和SUN公司生产的某些标准服务器采用了ALTERA公
司的FPGA芯片。 TimeLogic公司对这些标准服务器加以改进之后，生产了一种用于基因研究的高速处理设备
。“我们的设备比原来的产品至少快1000倍”， TimeLogic公司总监Christopher Hoover说。该公司的这一设备
售价25万美元。
马里兰州的Annapolis Micro Systems公司在其电脑芯片电路板中也集成了XILINX的FPGA芯片，以提高产品性
能。又如加州的BlueArc公司用ALTERA的FPGA开发出一种存储器产品，其速度比Network Appliance和EMC公
司的竞争产品更快。华盛顿州Bellevue市的MidStream Technologies公司采用XILINX的FPGA，为有限电视运营
商开发视频流服务器。这款服务器高仅3.5英尺，采用了2片FPGA芯片，可同时提供425路视频流信号，比基于
通用微处理器的服务器速度更快。
如果您正在《福布斯》的网站上阅读这篇文章，那么你已经接触到了FPGA。因为Forbes.com正是采用赢通公
司的FPGA服务器进行网页显示的。
FPGA芯片武装的超级电脑
超级电脑是科技世界中的极品：售价奇高，速度飞快，集成了数以千计的微处理器。
但这种超级电脑也浪费了非常多的芯片资源，每个处理器只能进行单任务操作，大部
分功能难以充分发挥。现在有了另一种更为简洁的设计：设计工程师开始采用FPGA
芯片来武装超级电脑，取代了原先大量的英特尔奔腾处理器。经过编程，FPGA芯片
可并行处理多项任务，从而使所有电路都能随时发挥作用。FPGA芯片还可以反复编
程，而且几乎可瞬时完成。在某一时刻它可以为美国国防部预报全球天气状况，下一
时刻又可根据高盛公司（Goldman Sachs）做的主要利率对冲情况来评估债券市场的
风险。
下一代超级电脑将基于可编程逻辑器件，这种机器的功能将比目前最大的超级电脑还
要强大许多。其中的秘诀在于，设计者可以把自己的想法编成程序代码，然后让
FPGA芯片去实现。
犹他州的Star Bridge Systems公司声称已经解决了这一问题。该公司使用FPGA和自己
的Viva编程语言开发出了“超级电脑（hypercomputer）：“运行速度无与伦比”。
对该超级电脑进行测试的美国国家航空航天局（NASA）科学家表示，这一产品的性
能令人过目难忘。美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）和杨
百翰大学（Brigham Young University）的研究员也正在设计基于FPGA的电脑，这些
电脑可在运行中实现动态重配置。这对定位危险目标等军事应用和面容识别一类的计
算密集型安全应用十分有用。
1.2 EDA技术实现目标
1. 超大规模可编程逻辑器件
2. 半定制或全定制ASIC
3. 混合ASIC
1.3 硬件描述语言HDL
HDL是描述数字电路和系统的一种计算机语
言，利用这种语言，可以从上层(顶层)到下
层(底层)（从抽象到具体）逐层描述自己的
设计思想，用一系列分层次的模块来表示
复杂的数字系统。
20世纪80年代后期，VHDL和Verilog HDL先
后成为IEEE标准。
VHDL
• VHDL语言最初由美国军方开发，于1987年
成为IEEE标准，并于1993、2000及2002年
进行更新或修订；
• 目前绝大部分开发工具依据的是1993年的
标准，即IEEE Std 1076-1993；
大畜
Verilog
• Verilog语言早在上世纪80年代就产生了，
但是广泛发展却是在Cadence公司购得所
有权，并于1990年将语言开放之后；
• 1995年，IEEE将Verilog语言列为标准，为
IEEE Std 1364-1995，在2001年，新的标
准也已产生，即IEEE Std 1364-2001。
颐
VHDL vs. Verilog
•
•
•
•
•
•
•
•
大过
建模和抽象能力
数据类型
易学习性
设计的可重用性
库的支持
程序的可读性
语言扩展
一点建议
VHDL vs. Verilog
• 建模和抽象能力
– 两种语言基本相当；
– VHDL语言的高层抽象能力要稍微优于Verilog
语言，而Verilog对于门级以下的描述要稍优一
些；（见下页图）
– 因此单从该角度考虑，其决定因素通常不是技
术原因，而是个人喜好、是否有合适工具以及
市场上是否有相应的库等外部因素。
坎
VHDL vs. Verilog
HDL语言的建模能力比较图
离
VHDL vs. Verilog
• 数据类型
– VHDL含有大量的内置数据类型和用户自定义
类型，这样的特性对于系统的抽象建模能力有
很大的用处，如果你需要丰富的数据类型，那
么VHDL将是首选；
– Verilog的数据类型都由语言本身定义，而且含
有专门描述连线等的类型，这说明对于系统的
逻辑和物理结构的描述，Verilog将是十分高效
的。
咸
VHDL vs. Verilog
• 易学习性
– VHDL显得不够直观，主要是由于：
• VHDL是强类型的，规则复杂但却有助于生成高质
量的代码；
• 灵活强大的系统抽象能力；
– Verilog直接面向硬件结构，因此比较容易起步，
但是通常设计者还应该懂得PLI（编程语言接
口），实际上Verilog要用好也不是简单的事情。
恒
VHDL vs. Verilog
• 设计的可重用性
– VHDL具有包（package）的概念，设计模块的
可重用性是十分简单和自然的；
– Verilog没有package的概念，为了使得函数和
过程能被多个module重用，函数和过程的定义
应该放在单独的文件中，然后使用 `include 编
译指令对该文件进行包含（类似于C语言的头
文件）。
遯
VHDL vs. Verilog
• 库的支持
– VHDL提供了对库（library）的内置支持，对于
管理多个设计工程十分有效；
– Verilog并没有库的概念，只能通过前面提到过
的 `include 指令，这是由于Verilog最初是作为
一个解释性语言而产生的，不过后来为了提高
效率，改成了编译型语言，但是语言设计中仍
然有很多解释性语言的痕迹，当然这也是其容
易上手的重要原因。
大壮
VHDL vs. Verilog
• 程序的可读性
– VHDL脱胎于美国军方的Ada语言，语言规范十
分严谨，甚至于繁琐，但是可读性却十分好；
– Verilog同时具有C和Ada的特点，结构比较灵
活，有C语言经验的人一般选择Verilog；
– 这主要是程序设计风格的问题，无论选用哪种
语言，设计人员都应该注意可读性！
晋
VHDL vs. Verilog
• 语言扩展
– VHDL提供了称为 ’foreign 的属性，允许调用
其他语言中的子程序和模块；
– Verilog语言提供了用于扩展的PLI机制，可以
访问其他语言（常见的是C）生成的函数等；
– 要特别注意的是，提供扩展虽然是标准定义的，
但是具体支持其他哪种语言是各种语言实现定
义的，使用扩展功能可能带来程序的移植性问
题，因此这一功能应该慎用。
明夷
1.3 硬件描述语言HDL
硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分，VHDL
和Verilog HDL是作为电子设计主流硬件的描述语言。
HDL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HDL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。
1.3 硬件描述语言HDL
学习HDL的几点重要提示
1.了解HDL的可综合性问题：如果程序是用于硬件实现
（如用于FPGA设计），就必须保证程序可综合，即程序
的功能可以用硬件电路实现，不是所有的HDL描述都能
用硬件实现的。用硬件电路设计思想来编写HDL ,就是
在描述一个电路，写完一段程序后，应当对生成的电路
有大体上的了解。
2.HDL是为硬件的设计，可综合的硬件关键是要通过实
践来掌握它 ,语法掌握贵在精，不在多：30％的基本
HDL语句就可以完成95％以上的电路设计，很多生僻的
语句并不能被所有的综合软件所支持。容易产生兼容性
问题，也不利于其他人阅读和修改。
1.3 硬件描述语言HDL
选择VHDL还是Verilog HDL？
两种语言的差别并不大，他们的描述能力也是类似的，
掌握其中一种语言以后，可以通过短期的学习，较快的
学会另一种语言。
选择任何语言主要还是看周围人群的使用习惯，这样可
以方便日后的学习交流。
如果是ASIC设计人员，则应掌握Verilog，因为在IC设
计领域，90％以上的公司都采用Verilog进行设计。对
于CPLD/FPGA设计者而言，两种语音可以自由选择。
VHDL vs. Verilog
– 两种语言各有千秋，都有各自的支持者，
VHDL多用于大学，Verilog常见于工业界；
– 语言的选择主要还是取决于设计本身和所用工
具的支持；
– 工业界（硅谷）多用Verilog，掌握VHDL的不
妨考虑一下学习Verilog；尤其是IC设计人员，
由于IC厂商基本都用Verilog，因此建议首先学
习Verilog语言。
家人
例:编译器和综合功能
软件程序编译器
C、ASM...
程序
COMPILER
CPU指令/数据代码：
010010 100010 1100
（a）软件语言设计目标流程
VHDL/VERILOG.
程序
硬件描述语言
综合器
SYNTHESIZER
（b）硬件语言设计目标流程
为ASIC设计提供的
电路网表文件
VHDL综合器运行流程
1.4 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
5．前端功能仿真
9．结构综合
2．建立VHDL行为模型
6．逻辑综合
10．门级时序仿真
3．VHDL行为仿真
7．测试向量生成
11．硬件测试
4．VHDL-RTL级建模
8．功能仿真
12．设计完成
1.5 EDA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。
1.6 EDA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。
1.7 EDA的发展趋势
半导体集成电路的分类方法有很多种，其中一种是以
集成度的高低作为分类标准。所谓集成度是指单片集
成电路上所集成的元器件数目，巨大规模集成电路或
称极大规模集成电路（GLSI）是这种分类方法下目前
集成度最高的一类电路的总称，GLSI的集成度大于109。
1948年美国贝尔实验室的W．Shockley等发明了晶体管，使
元器件小型化和高集成化得以迅速发展。自1958年第一块
半导体集成电路诞生以来，集成电路的发展进程甚为迅速，
从整体来看，可以分为这几个阶段：
小/中规模集成电路（SSI/MSI)阶段；
大规模集成（LSI）阶段。这阶段的主流工艺为MOS
工艺；
超大规模集成电路（VLSI）。这个阶段的工艺从3μm
NMOS发展到1μm CMOS；
甚大规模集成电路（ULSI）。在这个阶段，工艺从
CMOS转向BICMOS，DRAM达到兆位，特征尺寸发展到
0.15μm，从亚微米进入到深亚微米直至纳米；
巨大规模集成电路或称极大规模集成电路（GLSI）。特
征尺寸达到65～40nm，集成度超过109。下表为集成电路
规模的划分规则。
1.8嵌入式系统
• 根据IEEE（国际电机工程师协会）的定义，嵌入
式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设
备运行的装置”（devices used to control,
monitor, or assist the operation of equipment,
machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系
统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附
属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以
应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可
裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体
积、功耗严格要求的专用计算机系统。
• 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向
应用的，它必须与具体应用相结合才会具
有生命力、才更具有优势。因此可以这样
理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统
是与应用紧密结合的，它具有很强的专用
性，必须结合实际系统需求进行合理的裁
减利用。
Industries that use FPGA Technology
Consumer
Automotive
Test,
Measurement
& Medical
Communications
Broadcast
Computer &
Storage
Entertainment
Instrumentation
Wireless
Military
Computers
Broadband
Audio/video
Video display
Medical
Test equipment
Manufacturing
Cellular
Basestations
Wireless LAN
Secure comm.
Radar
Guidance and control
Servers
Mainframe
Automotive
Networking
Navigation
Entertainment
Switches
Routers
Security &
Energy Management
Wireline
Optical
Metro
Access
Broadcast
Studio
Satellite
Broadcasting
40
Military & Industrial
Card readers
Control systems
ATM
Storage
RAID
SAN
Office
Automation
Copiers
Printers
MFP
Traditional FPGA Applications
41
Altera FPGA Applications
42
Consumer Applications
Set-Top Boxes
Touch Panels
DVD Players
Printers
Consumer Music
Handheld
Media Players
LCD, Plasma
Displays/TVs
43
Camcorders
Increasing Chip Development Cost
45
Total Development Cost (M$)
40
35
Design /
Verification
& Layout
30
25
20
Software
15
Test & Product
Engineering
Masks & Wafers
0
0.18 µm
44
0.15 µm
0.13 µm
90 nm
65 nm
45 nm
Super Slow-mo HD Camera
Altera Products:
Cyclone III,
Stratix II GX,
Stratix III
45
Example of a high-end
application
• Processor plane for F-22A
• Altera Parts: FPGAs (2S130) to
HardCopy (HC230)
46
DE2
• Ideal for undergraduate
courses
– Adopted in many Universities
around the World
• Cyclone II 35/70 FPGA
– 35k or 70k LUTs
– More space than
undergraduate students need
for their projects
• User interface
–
–
–
–
Switches
7-segment displays
LEDs
16 x 2 Character LCD Display
• Advanced peripherals
47
– Memory (SRAM, SDRAM,
Flash)
– USB
DE1
• Great for undergraduate
courses
– For student budget, so they
can buy one for personal use
• Cyclone II 20 FPGA
– 20k LUTs
• User interface
– Switches
– 7-segment displays
– LEDs
• Advanced peripherals
–
–
–
–
48
memory
USB
Video/Audio in/out
Ethernet
DE3
• Ideal Platform for
Research
• High Performance
FPGA
– Stratix III 150/340
49
• Lots of memory
• Expansion slots for
daughter cards to
further expand board
capabilities
• Stackable DE3
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1-2 EDA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1-6 IP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？
EDA实验的3个层次
1、逻辑行为的实现
（特点：非EDA技术及相关器件也能实现，无法体现EDA技术的优势）
主要包括原数字电路中的实验项目，如：简单译码器、简单计数器、红绿
交通灯控制、表决器、显示扫描器、电梯控制、乒乓球游戏、数字钟表、
普通频率计、等等纯逻辑行为实现方面的电路的设计，时钟频率低。
2、控制与信号传输功能的实现（特点：必须使用EDA技术才也能实现，能体现EDA技术的优势，
是电子设计竞赛赛题最有可能出题的功能范围，值得重视！）
如：高速信号发生器（含高速D/A输出）、PWM、FSK/PSK、A/D采样控
制器、数字频率合成、数字PLL、FIFO、RS232或PS/2通信、VGA显示控
制电路、逻辑分析仪、存储示波器、虚拟仪表、图像采样处理和显示、机
电实时控制系统、FPGA与单片机综合控制等电路的设计。
3、算法的实现（特点：使用硬件方式取代由传统CPU完成的许多算法功能，实现高速性能）
如：离散FFT变换、数字滤波器、浮点乘法器、高速宽位加法器、数字
振荡器、DDS、编码译码和压缩、调制解调器、以太网交换机、高频
端DSP（现代DSP）、基于FPGA的嵌入式系统、SOPC/SOC系统、实
时图象处理、大信息流加解密算法实现等电路的设计，嵌入式ARM、
含CPU软核Nios的软硬件联合设计。时钟频率一般在50MHz以上
参考资料
1、参考书：
FPGA/CPLD的相关书籍；
硬件的描述语言（VHDL、Verilog、HDL等）相关书籍；
EDA的相关书籍；
其他参考资料与电子文档：可以从网络上获得相应的资源。
课程简介的网络资源：
2、器件厂商网站：
如FPGA主要厂商Altera、Actel、lattice、Xilinx等厂商的网站 ;
－bbs.chinaecnet.com；
－www.edacn.net/bbs；
－www.fpga.com.cn；
－www.pld.com.cn/bbs/index.asp；
－www.51eda.com/bbs/；
3、开放的核：
－www.opencores.org；
－www.fpga.com.cn/freeip.htm；
－www.free－core.com；