EDA技術與FPGA技術設計應用
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21世紀是信息產業(yè)主導的知識經濟時代，信息領域正在發(fā)生一場巨大變革，其先導力量和決定性因素正是微電子技術'>集成電路。片的日益成熟，特別是深亞微米(DSM，DeepSub-Mron)和超深亞微米(VDSM，Very Deep Sub-Micron)技術，極大促進了集成電路產業(yè)的快速發(fā)展。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/190407.htm集成電路發(fā)展經歷了電路集成、功能集成、技術集成，直至今天基于計算機軟硬件的知識集成，這標志著傳統(tǒng)電子系統(tǒng)已全面進入現代電子系統(tǒng)階段，這也被譽為進入3G時代，即單片集成度達到1G個管技術'>晶體管、器件工作速度達到1GHz、數據傳輸速率達到1Gbps。
EDA(Electronic DesignAutomation，電子設計自動化)技術基于計算機輔助設計，它融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理技術、智能化技術的最新成果，以實現技術'>電子產品的自動設計。EDA是現代電子設計技術的核心，在現代集成電路設計中占據重要地位。FPGA(FieldProgrammable GateArray，現場可編程門陣列)作為可編程邏輯器件的典型代表，它的出現及日益完善適應了當今時代的數字化發(fā)展浪潮，它正廣泛應用在現代數字系統(tǒng)設計中。
1.EDA技術特征
EDA是電子設計領域的一場革命，它源于計算機輔助設計(CAD，Computer AidedDesign)、計算機輔助制造(CAM，Computer Aided Made)、計算機輔助測試(CAT，Computer AidedTest)和計算機輔助工程(CAE，Computer AidedEngineering)。利用EDA工具，電子設計師從概念、算法、協(xié)議開始設計電子系統(tǒng)，從電路設計、性能分析直到IC版圖或PCB版圖生成的全過程均可在計算機上自動完成。
EDA代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向，其基本特征是設計人員以計算機為工具，按照自頂向下的設計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分，由硬件描述語言完成系統(tǒng)行為級設計，利用先進的開發(fā)工具自動完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局布線(PAR，PlaceAnd Route)、仿真及特定目標的適配編譯和編程下載，這被稱為數字邏輯電路的高層次設計方法。
作為現代電子系統(tǒng)設計的主導技術，EDA具有兩個明顯特征：即并行工程(ConcurrentEngineering)設計和自頂向下(Top-down)設計。其基本思想是從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，分為行為描述(BehaviourDescription)、寄存器傳輸級(RTL，Register Transfer Level)描述、邏輯綜合(LogicSynthesis)三個層次，將設計內容逐步細化，最后完成整體設計，這是一種全新的設計思想與設計理念。
2.FPGA原理
今天，數字電子系統(tǒng)的設計方法及設計手段都發(fā)生了根本性變化，正由分立數字電路向可編程邏輯器件(PLD，ProgrammableLogic Device)及專用集成電路(ASIC，Application Specific IntegratedCircuit)轉變。FPGA與CPLD(Programmable LogicDevice，復雜可編程邏輯器件)都屬于PLD的范疇，它們在現代數字系統(tǒng)設計中正占據越來越重要的地位。
FPGA是由用戶編程來實現所需邏輯功能的數字集成電路，它不僅具有設計靈活、性能高、速度快等優(yōu)勢，而且上市周期短、成本低廉。FPGA設計與ASIC前端設計十分類似，在領域中FPGA應用日益普及，已成為集成電路中最具活力和前途的產業(yè)。同時，隨著設計技術和制造工藝的完善，器件性能、集成度、工作頻率等指標不斷提升，FPGA已越來越多地成為系統(tǒng)級芯片設計的首選。
FPGA由PAL(可編程陣列邏輯)、GAL(通用陣列邏輯)發(fā)展而來，其基本設計思想是借助于EDA開發(fā)工具，用原理圖、狀態(tài)機、布爾表達式、硬件描述語言等方法進行系統(tǒng)功能及算法描述，設計實現并生成編程文件，最后通過編程器或下載用目標器件來實現。
FPGA器件采用邏輯單元陣列(LCA，Logic CellArray)結構、SDRAM工藝，其中LCA由三類可編程單元組成。
(1)可配置邏輯塊(CLB，Configurable LogicBlock)：被稱為核心陣列，是實現自定義邏輯功能的基本單元，散布于整個芯片;
(2)輸入/輸出模塊(IOB，Input/OutputBlock)：排列于芯片四周，為內部邏輯與器件封裝引腳之間提供可編程接口;
(3)可編程互連資源(PI，Programmable Interconnect)：包括不同長度的連線線段及連接，其功能是將各個可編程邏輯塊或I/O塊連接起來以構成特定電路。
全球生產FPGA的廠家很多，但影響力最大的是Xilinx公司和Altera公司，世界上第一片FPGA是在20世紀80年代中期Xilinx公司率先推出的。不同廠家生產的FPGA在可編程邏輯塊的規(guī)模、內部互連線結構及所采用的可編程元件上存在較大差異，實際使用時應注意區(qū)分。
FPGA設計應用及優(yōu)化策略
1.FPGA設計層次分析
FPGA設計包括描述層次及描述領域兩方面內容。通常設計描述分為6個抽象層次，從高到低依次為：系統(tǒng)層、算法層、寄存器傳輸層、邏輯層、電路層和版圖層。對每一層又分別有三種不同領域的描述：行為域描述、結構域描述和物理域描述。
系統(tǒng)層是系統(tǒng)最高層次的抽象描述，針對于電子系統(tǒng)整體性能。算法層又稱為行為層，它是在系統(tǒng)級性能分析和結構劃分后對每個模塊的功能描述。算法層所描述的功能、行為最終要用數字電路來實現。而數字電路本質上可視為由寄存器和組合邏輯電路組成，其中寄存器負責信號存儲，組合邏輯電路負責信號傳輸。寄存器傳輸層描述正是從信號存儲、傳輸的角度去描述整個系統(tǒng)。寄存器和組合邏輯本質上是由邏輯門構成，邏輯層正是從邏輯門組合及連接角度去描述整個系統(tǒng)。
FPGA各個描述層次及綜合技術關系如圖1所示。傳統(tǒng)的綜合工具是將寄存器傳輸級(RTL)的描述轉化為門級描述。隨著以行為設計為主要標志的新一代系統(tǒng)設計理論的不斷成熟，能夠將系統(tǒng)行為級描述轉化為RTL描述的高層次綜合技術不斷涌現。
作為現代集成電路設計的重點與熱點，FPGA設計一般采用自頂向下、由粗到細、逐步求精的方法。設計最頂層是指系統(tǒng)的整體要求，最下層是指具體的邏輯電路實現。自頂向下是將數字系統(tǒng)的整體逐步分解為各個子系統(tǒng)和模塊，若子系統(tǒng)規(guī)模較大則進一步分解為更小的子系統(tǒng)和模塊，層層分解，直至整個系統(tǒng)中各子模塊關系合理、便于設計實現為止。
2.vhdl在FPGA設計中的應用
集成電路設計規(guī)模及復雜度不斷增大，用傳統(tǒng)原理圖方法進行系統(tǒng)級芯片設計已不能滿足設計要求，而硬件描述語言(HDL，HardwareDescriptionLanguage)在進行大規(guī)模數字系統(tǒng)設計時具有諸多優(yōu)勢，因此利用硬件描述語言進行系統(tǒng)行為級設計已成為FPGA與ASIC設計的主流。目前最流行、最具代表性的硬件描述語言是美國國防部(DOD)開發(fā)的VHDL(VHSICHardware Description Language)和GDA(Gateway DesignAutomation)公司開發(fā)的Verilog HDL。
VHSIC代表Very High Speed IntegratedCircuit，因此VHDL即甚高速集成電路硬件描述語言。VHDL語法嚴格，1987年即成為IEEE標準，即IEEE STD1076-1987，1993年進一步修訂成為IEEE STD 1076-1993。
VHDL作為IEEE標準，已得到眾多EDA公司支持，其主要優(yōu)點有：
● 描述能力強，支持系統(tǒng)行為級、寄存器傳輸級和門級三個層次設計;
● 可讀性好、移植性強，其源文件既是程序又是文檔，便于復用和交流;
● 支持自頂向下的設計和基于庫(Library-based)的設計;
● 支持同步、異步及隨機電路的設計;
● 與工藝無關，生命周期長。
VHDL語言主要應用在行為層和寄存器傳輸層，這兩層可充分發(fā)揮出VHDL面向高層的優(yōu)勢。利用VHDL實現數字電路的實質是利用綜合工具將高層次描述轉化為低層次門級描述，其中綜合可分為三個層次：高層次綜合(High-LevelSynthesis)、邏輯綜合(Logic Synthesis)和版圖綜合(Layout Synthesis)。3.基于VHDL的FPGA系統(tǒng)行為級設計
具體包括以下重要環(huán)節(jié)：設計輸入(Design Entry)、設計綜合(DesignSynthesis)、設計約束(Design Constraints)、設計實現(DesignImplement)、設計仿真(Design Simulation)和器件編程(Device Programming)。
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