EDA技術(shù)與FPGA技術(shù)設(shè)計應(yīng)用

21世紀(jì)是信息產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的知識經(jīng)濟時代，信息領(lǐng)域正在發(fā)生一場巨大變革，其先導(dǎo)力量和決定性因素正是微電子技術(shù)'>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(shù)，極大促進了集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

　　集成電路發(fā)展經(jīng)歷了電路集成、功能集成、技術(shù)集成，直至今天基于計算機軟硬件的知識集成，這標(biāo)志著傳統(tǒng)電子系統(tǒng)已全面進入現(xiàn)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(shù)'>晶體管、器件工作速度達到1GHz、數(shù)據(jù)傳輸速率達到1Gbps。

　　EDA(Electronic DesignAutomation，電子設(shè)計自動化)技術(shù)基于計算機輔助設(shè)計，它融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、智能化技術(shù)的最新成果，以實現(xiàn)技術(shù)'>電子產(chǎn)品的自動設(shè)計。EDA是現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)的核心，在現(xiàn)代集成電路設(shè)計中占據(jù)重要地位。FPGA(FieldProgrammable GateArray，現(xiàn)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(xiàn)及日益完善適應(yīng)了當(dāng)今時代的數(shù)字化發(fā)展浪潮，它正廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中。

　　EDA技術(shù)與FPGA原理

　　1.EDA技術(shù)特征

　　EDA是電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命，它源于計算機輔助設(shè)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(shè)計師從概念、算法、協(xié)議開始設(shè)計電子系統(tǒng)，從電路設(shè)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(dāng)今電子設(shè)計技術(shù)的最新發(fā)展方向，其基本特征是設(shè)計人員以計算機為工具，按照自頂向下的設(shè)計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設(shè)計和功能劃分，由硬件描述語言完成系統(tǒng)行為級設(shè)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(biāo)的適配編譯和編程下載，這被稱為數(shù)字邏輯電路的高層次設(shè)計方法。

　　作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的主導(dǎo)技術(shù)，EDA具有兩個明顯特征：即并行工程(ConcurrentEngineering)設(shè)計和自頂向下(Top-down)設(shè)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(shè)計內(nèi)容逐步細化，最后完成整體設(shè)計，這是一種全新的設(shè)計思想與設(shè)計理念。

　　2.FPGA原理

　　今天，數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計方法及設(shè)計手段都發(fā)生了根本性變化，正由分立數(shù)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(zhuǎn)變。FPGA與CPLD(Programmable LogicDevice，復(fù)雜可編程邏輯器件)都屬于PLD的范疇，它們在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中正占據(jù)越來越重要的地位。

　　FPGA是由用戶編程來實現(xiàn)所需邏輯功能的數(shù)字集成電路，它不僅具有設(shè)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(shè)計與ASIC前端設(shè)計十分類似，在領(lǐng)域中FPGA應(yīng)用日益普及，已成為集成電路中最具活力和前途的產(chǎn)業(yè)。同時，隨著設(shè)計技術(shù)和制造工藝的完善，器件性能、集成度、工作頻率等指標(biāo)不斷提升，F(xiàn)PGA已越來越多地成為系統(tǒng)級芯片設(shè)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(shè)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(shè)計實現(xiàn)并生成編程文件，最后通過編程器或下載用目標(biāo)器件來實現(xiàn)。

　　FPGA器件采用邏輯單元陣列(LCA，Logic CellArray)結(jié)構(gòu)、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(xiàn)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(nèi)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(gòu)成特定電路。

　　全球生產(chǎn)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F(xiàn)PGA是在20世紀(jì)80年代中期Xilinx公司率先推出的。不同廠家生產(chǎn)的FPGA在可編程邏輯塊的規(guī)模、內(nèi)部互連線結(jié)構(gòu)及所采用的可編程元件上存在較大差異，實際使用時應(yīng)注意區(qū)分。

　　FPGA設(shè)計應(yīng)用及優(yōu)化策略

　　1.FPGA設(shè)計層次分析

　　FPGA設(shè)計包括描述層次及描述領(lǐng)域兩方面內(nèi)容。通常設(shè)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(lǐng)域的描述：行為域描述、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)字電路來實現(xiàn)。而數(shù)字電路本質(zhì)上可視為由寄存器和組合邏輯電路組成，其中寄存器負責(zé)信號存儲，組合邏輯電路負責(zé)信號傳輸。寄存器傳輸層描述正是從信號存儲、傳輸?shù)慕嵌热ッ枋稣麄€系統(tǒng)。寄存器和組合邏輯本質(zhì)上是由邏輯門構(gòu)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(shù)關(guān)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(zhuǎn)化為門級描述。隨著以行為設(shè)計為主要標(biāo)志的新一代系統(tǒng)設(shè)計理論的不斷成熟，能夠?qū)⑾到y(tǒng)行為級描述轉(zhuǎn)化為RTL描述的高層次綜合技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

　　作為現(xiàn)代集成電路設(shè)計的重點與熱點，F(xiàn)PGA設(shè)計一般采用自頂向下、由粗到細、逐步求精的方法。設(shè)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(xiàn)。自頂向下是將數(shù)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(guān)系合理、便于設(shè)計實現(xiàn)為止。

　　2.vhdl在FPGA設(shè)計中的應(yīng)用

　　集成電路設(shè)計規(guī)模及復(fù)雜度不斷增大，用傳統(tǒng)原理圖方法進行系統(tǒng)級芯片設(shè)計已不能滿足設(shè)計要求，而硬件描述語言(HDL，HardwareDescriptionLanguage)在進行大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設(shè)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(shè)計已成為FPGA與ASIC設(shè)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(yán)格，1987年即成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE STD1076-1987，1993年進一步修訂成為IEEE STD 1076-1993。

　　VHDL作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計;

　　● 可讀性好、移植性強，其源文件既是程序又是文檔，便于復(fù)用和交流;

　　● 支持自頂向下的設(shè)計和基于庫(Library-based)的設(shè)計;

　　● 支持同步、異步及隨機電路的設(shè)計;

　　● 與工藝無關(guān)，生命周期長。

　　VHDL語言主要應(yīng)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(xiàn)數(shù)字電路的實質(zhì)是利用綜合工具將高層次描述轉(zhuǎn)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(shè)計

　　具體包括以下重要環(huán)節(jié)：設(shè)計輸入(Design Entry)、設(shè)計綜合(DesignSynthesis)、設(shè)計約束(Design Constraints)、設(shè)計實現(xiàn)(DesignImplement)、設(shè)計仿真(Design Simulation)和器件編程(Device Programming)。