第3章FPGA-CPLD设计流程.ppt

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1、第3章 FPGACPLD设计流程,原理图/VHDL文本编辑,综合,FPGA/CPLD 适配,FPGA/CPLD 编程下载,FPGA/CPLD 器件和电路系统,时序与功能 门级仿真,1、功能仿真 2、时序仿真,逻辑综合器,结构综合器,1、isp方式下载 2、JTAG方式下载 3、针对SRAM结构的配置 4、OTP器件编程,功能仿真,应用FPGA/CPLD的EDA开发流程:,3.1 FPGACPLD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,现代电子系统设计流程,将硬件系统设计文件转换成可综合（RTL）硬件描述语言（HDL）

2、。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 HARDWEAR DEBUGERRING,软件设计与调试。 SOFTWEAR DEBUGERRING,系统设计完成,传统电子系统设计流程,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,自顶向下的设计流程,自底向上的设计流程,方案论证，与算法确定,软件设计与调试。 SOFTWEAR DEBUGERRING,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

3、计流程与传统技术设计流程比较,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!,2003年7月 Forbes 福布斯 报道,FPGA芯片武装超级电脑,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

4、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芯片叫板微处理器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

5、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。,FPGA芯片叫板微处理器尽管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

6、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

7、的这一设备售价25万美元。,FPGA芯片叫板微处理器马里兰州的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

8、的网站上阅读这篇文章，那么你已经接触到了FPGA。因为F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

9、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, Be

10、rkeley）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. 超大规模可编程逻辑器件,2. 半定制或全定制ASIC,3. 混合ASIC,3.2 EDA技术实现目标,3.3 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

11、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。,3.4 VHDL综合,设计过程中的每一步都可称为一个综合环节。(1) 从自然语言转换到VHDL语言算法表示，即自然语言综合；(2)从算法表示转换到寄存器传输级(Register Transport Level，RTL)，即从行为域到结构域的综合，即行为综合；(3) RTL级表示转换到逻辑门(包括触发器)的表示，即逻辑综合；,3.4 VHDL综合,设计过程中的每一步都可称为一个综合环节。(4) 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

12、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。,C、ASM. 程序,CPU指令/数据代码： 010010 100010 1100,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,3.5 基于VHDL的自顶向下设计方法,自顶向下的设计流程:,3.6 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

13、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。,

14、3.7 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0.18m，0.13m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。,EDA实验的3个层次,1、逻辑行为的实现 （特点：

15、非EDA技术及相关器件也能实现，无法体现EDA技术的优势）,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）,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）,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。,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。,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。,