集成电路EDA技术


    
    题 目 编程逻辑器件集成电路设计











    姓 名 **
    学院 理学院
    专业班级 思源0901
    学 号 09274027
    指导教师 **
    日 期 20** 年 ** 月 23 日






    编程逻辑器件集成电路设计


    摘 :文简述集成电路传统设计方法现代设计方法两者区进行较实例基础介绍集成电路设计程编程逻辑器件定义分类功等进行详阐述介绍编程逻辑器件设计程编程逻辑器件软件设计台QuartusII例介绍编程逻辑器件软件设计台功方法种类软件台作出较国外集成电路设计公司作简介绍分析PLDFPGA芯片文字信息
    关键字集成电路设计编程逻辑器件软件设计台QuartusIIPLDFPGA

    1 集成电路设计方法
    11手工传统设计方法
    传统集成电路设计方法指20世纪5060年代手工设计时代
    传统集成电路设计方法基步骤1 根设计求划分功模块2 确定输入输出关系画出真值表写出逻辑表达式4 利公式卡诺图进行工化简5 根化简逻辑表达式画出电路原理图6 面包板进行实验验证电路正确性7 错误透明薄膜贴图符号贴PCB图8 检查送制板厂制板9 PCB板进行安装调试错误修改设计重复程重新制板
    传统集成电路设计方法特点采(Bottom Up)设计方法采通型逻辑器件搭积木式方式系统硬件设计期进行仿真调试设计文件电路原理图

    图1
    12 EDA技术现代设计方法
    计算机出现助计算机进行集成电路辅助设计样进入20世纪7080年代CAD(计算机辅助)时代利计算机图形设备帮助集成电路设计员进行设计工作减少手工设计时代工作量提高集成电路设计效率80年代期CAD技术日渐成熟集成电路设计真正跨越EDA(电子设计动化)现代设计方法时代
    20世纪90年代国际电子计算机技术较先进国家直积极探索新电子电路设计方法设计方法工具等方面进行彻底变革取巨成功电子技术设计领域编程逻辑器件(CPLDFPGA)应已广泛普器件数字系统设计带极灵活性器件通软件编程硬件结构工作方式进行重构硬件设计软件设计样方便快捷切极改变传统数字系统设计方法设计程设计观念促进EDA技术迅速发展
    EDA技术计算机工具设计者EDA软件台硬件描述语言VHDL完成设计文件然计算机动完成逻辑编译化简分割综合优化布局布线仿真直特定目标芯片适配编译逻辑映射编程载等工作EDA技术出现极提高电路设计效率操作性减轻设计者劳动强度
    EDA技术电子系统设计带变化:设计效率提高设计周期缩短设计质量提高设计成降低更充分发挥设计员创造性设计成果重性提高省必重复劳动
    现代数字系统设计采PLD利EDA开发工具通芯片设计实现系统功普遍顶(Top—Down)设计方法里顶指系统功指系统粗精进行分解直基模块实现顶设计方法般程致分四步图示
    Top-Down设计图
    明确系统功
    确定总体方案
    子系统具体实现
    系统仿真实现
    图2






    明确系统功:设计系统务求原理环境等进行充分调研进明确设计目标确定系统功件关重事做面设计工作意义效率

    确定总体方案:明确设计目标确定系统功接做工作根系统功确定出系统设计总体方案
    系统具体实现:系统方案确定.结构系统进行逻辑划分导出系统结构框图般系统逻辑划分数子系统控制子系统两部分然划分子系统模块模块输入输出信号明确利团队工作子系统基础数字设计确定具体电路实现系统果控制算法包括选择控制算法实现
    系统仿真实现:系统设计完成先采EDA软什设计系统进行仿真具体器件搭电路.保证系统设计正确性性电路实现时般底序进行样做仅行利单电路调试利整系统联调
    严格讲现代数字系统完整设计程应该顶设计底集成

    13传统现代设计方法区
    传统设计方法现代设计方法集成电路设计技术长足进步传统集成电路设计方法根设计目标真值表完成系统测试调试工作均需工完成想象着数字集成电路发展规模集成电路(SSI)10逻辑门中规模集成电路(MSI)百逻辑门规模集成电路(LSI)万门甚超规模集成电路(VLSI)甚规模集成电路(ULSI)十万百万门电路集成电路迅速规模化传统设计方法根法完成真值表画出卡诺图等工作表现出效率低切手工完成设计周期长容易出错芯片种类数量受市场限制设计灵活性差产品体积等缺点时续电路调试设计需高电路布局布线技巧总言样设计复杂数字系统讲效率太低
    现代设计方法顶实现具体务分工完成软件方式设计硬件软件设计硬件系统硬件系统转换EDA软件动完成设计程中软件进行种仿真现场编程线升级整系统集成块芯片体积功耗低性高容易检查错误便修改设计周期短成功率高优点传统方法法拟提高集成电路设计效率
    说传统方法现代方法集成电路设计跨越


    表1
    2编程逻辑器件
    21编程逻辑器件定义
    编程逻辑器件英文全称:programmable logic device PLDPLD做种通集成电路产生逻辑功户器件编程确定般PLD集成度高足满足设计般数字系统需样设计员行编程数字系统集成片PLD必请芯片制造厂商设计制作专集成电路芯片


    图3

    PLD基结构图示图中阵列阵列PLD体阵列产生关项阵列项构成形式逻辑函数组合逻辑函数均表示表达式门门两级电路实现组合电路时序电路组合电路加存储元件构成PLD结构实现数字电路具普遍意义
    22编程逻辑器件分类功
    编程逻辑器件集成度分类图

    图4
    简单编程逻辑器件PROMPLAPALGAL
    PROM:阵列固定阵列编程逻辑器件特征允许数写入次果数输入错误报废
    PLA: 阵列均编程编程逻辑器件中灵活性高 具阵列均编程特点实现函数时需形成需机项列规模输入数相阵列固定阵列编程PROM目前PLA编程缺少高质量支持软件编程工具器件价格偏高门利率高未广泛应
    PALGAL:阵列编程阵列固定代表器件种结构中阵列固定干积项输出 PALGAL门阵列结构PROM器件成低速度高编程容易PLA器件灵活性等优点结合起成早起实现编程ASIC器件
    复杂编程逻辑器件两种类型现场编程门阵列(FPGA)复杂编程逻辑器件(CPLD)
    FPGA:提供高逻辑密度丰富特性高性 现新FPGA器件提供八百万系统门(相逻辑密度) 先进器件提供诸建硬连线处理器容量存储器时钟理系统等特性支持种新超快速器件器件信号技术 FPGA应范围广泛应中数处理存储仪器仪表电信数字信号处理等
    CPLD:提供逻辑资源少 高约1万门 CPLD提供非常预测性关键控制应非常理想 CPLD器件需功耗极低

    23编程逻辑器件设计程
    采顶(Top—Down)设计方法确定子系统需助EDA软件进行系统设计实现图基EDA软件PLD开发流程框图框图见设计包括设计输入设计处理功仿真时序仿真器件编程载系统测试五部分

    FPGA CPLD设计流程
    设计准备
    设计输入
    Ø 图形输入
    Ø 硬件描述语言HDL
    设计处理
    Ø 编译优化综合
    Ø 适配分割
    Ø 布局布线
    器件编程(载)
    系统测试
    时序仿真
    功仿真
    HDL:
    VHDL(IEEE)
    Verilog (IEEE)
    AHDL
    ABEL
    EDA工具动实现
    CPLD产生Pof文件
    FPGA产生Sof文件

    图5
    设计输入:采原理图硬件描述语言(HDL)描述出输入输出逻辑关系整原理图程序输入计算机中
    设计处理:EDA工具动进行逻辑综合功描述转换门级描述转换成具体PLD网表文件网表文件动适配具体芯片中进行布局布线
    功仿真时序仿真:软件台进行硬件仿真
    编程载:实际芯片中实验台进行验证
    系统测试:测试成型系统阶段问题计算机直接修改设计重复程

    3编程逻辑器件软件设计台
    编程逻辑器件软件台PLDFPGA芯片厂家提供基完成设计输入(原理图HDL)仿真综合布线载等工作

    31常编程逻辑器件软件设计台较
    Altera公司:
    QuartusII软件台: Quartus II Altera公司综合性PLD开发软件支持原理图VHDLVerilogHDLAHDL等种设计输入形式嵌综合器仿真器完成设计输入硬件配置完整PLD设计流程
    MaxplusII E+MAX:免费PLD开发软件界面标准版MaxplusII完全样支持MAX7000MAX3000系列器件身支持复杂VHDLVerilog综合
    MaxplusII Baseline:免费PLD开发软件界面标准版MaxplusII完全样需通MAX+PLUSII Advanced Synthsis插件支持VHDLVerilog支持MAX70003000部分FLEXACEX芯片
    Xilinx公司
    ISE软件台: ISEXILINXFPGA必备设计工具完成FPGA开发全部流程包括设计输入仿真综合布局布线生成BIT文件配置线调试等功非常强
    WebFITTER:免费PLD开发软件需载线编译结果email发送信箱简单求较快联网速度支持XC9500 CoolRunner系列
    WebPACK ISE:免费PLD开发软件支持XC9500coolrunnerSpartanII部分VirtexEII器件
    Lattice公司
    ispDesignEXPERT:PLD开发软件目前新软件改名:ispLEVER
    ispLEVER Starter:免费PLD开发软件支持600宏单元Lattice芯片设计
    32 QuartusII软件设计台简介
    QuartusII美国Altera公司行设计第四代PLD开发软件完成PLD设计输入逻辑综合布局布线仿真时序分析器件编程全程时支持SOPC(编程片系统)设计开发
    QuartusⅡ提供方便设计输入方式快速编译直接易懂器件编程够支持逻辑门数百万门逻辑器件开发第三方工具提供缝接口QuartusⅡ支持器件:Stratix ⅡStratix GXStratixMercuryMAX3000AMAX 7000BMAX 7000SMAX 7000AEMAX ⅡFLEX6000FLEX10KFLEX10KAFLEX10KECycloneCyclone ⅡAPEX ⅡAPEX20KCAPEX20KEACEX1K系列QuartusⅡ软件包编程器系统核心提供功强设计处理设计者添加特定约束条件提高芯片利率
    Quartus II软件设计程包括:
    1. 建立项目
    2. 输入设计电路
    3. 设计编译
    4. 设计仿真
    5. 设计载
    中QuartusII输入三种方式(1)原理图输入方式:适系统部分电路熟悉场合(2)硬件描述语言输入方式:硬件描述语言文方式描述设计硬件描述语言ABELAHDLVHDLVerilog等中VHDLVerilog已成IEEE标准(3)波形输入方式
    Quartus Ⅱ中完成设计应设计电路载CPLD芯片中结合户系统进行统调试CPLD编程载方式较计算机接口分:串口载(BitBlasterMasterBlaster)口载(ByteBlaster)USB接口载(MasterBlasterAPU)等方式器件分:CPLD编程(MAX 3000MAX 5000MAX 7000MAX 9000)FPGA载(FLEX 6000FLEX 8000FLEX 10KACEX 1KAPEX 20K)存储器编程EPC1EPC2等

    4集成电路设计公司简介
    41国集成电路设计公司介绍
    唐微电子技术限公司:作目前国规模集成电路设计企业唐微电子积累丰富集成电路设计验年公司移动通信智卡领域中独具特色产品服务引领中国国移动通信智卡市场稳健快速发展唐微电子目前全球智卡领域中生产规模产业链完整生产设备先进智卡企业全球唯家够时芯片级模块级卡片级客户提供全方位产品服务解决方案企业国家指定中国第二代居民身份证专集成电路设计模块加工企业目前公司模块年生产力达4亿枚智卡年发行力超2亿张
    炬力集成电路设计限公司:家致力集成电路设计制造型半导体技术集团美国纳斯达克市公司总部设环境优美海滨城市珠海旗拥三家子公司——炬力集成电路设计限公司炬微电子(深圳)限公司北京炬力北方微电子限公司公司目前700中科研发员占80

    42国外集成电路设计公司介绍
    Xilinx(赛灵思):全球领先编程逻辑完整解决方案供应商Xilinx研发制造销售范围广泛高级集成电路软件设计工具作预定义系统级功IP(Intellectual Property)核客户Xilinx合作伙伴动化软件工具IP核器件进行编程完成特定逻辑操作Xilinx公司成立 1984年Xilinx首创现场编程逻辑阵列(FPGA)创新性技术1985年首次推出商业化产品目前Xilinx满足全世界 FPGA产品半需求Xilinx产品线包括复杂编程逻辑器件(CPLD)某控制应方面CPLD通常FPGA速度快提供逻辑资源较少

    XlinxFPGA产品:Xilinx流FPGA分两类种侧重低成应容量中等性满足般逻辑设计求Spartan系列种侧重高性应容量性满足类高端应Virtex系列户根实际应求进行选择 性满足情况优先选择低成器件
    * Spartan33L 新代FPGA产品结构VirtexII类似全球第款90nm工艺FPGA12v核2003年开始陆续推出
    * Spartan3E:基Spartan33L性成进步优化
    * Spartan6:xilinx新推出低成FPGA
    * VirtexII2002年推出015um工艺15v核规模高端FPGA产品
    * VirtexII pro 基VirtexII结构部集成CPU高速接口FPGA产品
    * Virtex4 xilinx新代高端FPGA产品包含三子系列:LXSXFX
    * Virtex5:65nm工艺产品
    * Virtex6:新高性FPGA产品45nm
    * Virtex7:20**年推出超高端FPGA产品

    Altera:二十年前发明世界第编程逻辑器件开始Altera公司秉承创新传统世界编程芯片系统(SOPC)解决方案倡导者Altera结合带软件工具编程逻辑技术知识产权(IP)技术服务世界范围14000客户提供高质量编程解决方案新产品系列编程逻辑优势——灵活性产品时面市——更高级性集成化结合起专满足范围系统需求开发设计 Altera编程解决方案包括:业先进FPGACPLD结构化ASIC技术全面嵌软件开发工具佳IP核定制嵌入式处理器现成开发包专家设计服务

    AlteraFPGA产品:Altera 流FPGA分两类种侧重低成应容量中等性满足般逻辑设计求CycloneCycloneII种侧重高性应容量性满足类高端应StartixStratixII等户根实际应求进行选择性满足情况优先选择低成器件
    * Cyclone(飓风):Altera中等规模FPGA2003年推出013um工艺15v核供电Stratix结构类似种低成FPGA系列 目前流产品配置芯片改全新产品
    * CycloneII:Cyclone代产品2005年开始推出90nm工艺12v核供电属低成FPGA性Cyclone相提供硬件法器单元
    * Stratix :altera规模高端FPGA2002年中期推出013um工艺15v核供电集成硬件加器芯片部结构Altera前产品变化
    * StratixII Stratix代产品2004年中期推出90nm工艺12v核供电容量高性FPGA
    *StrtratixValtera目前高端产品采28nm工艺提供28G收发器件适合高端FPGA产品开发
    5PLDFPGA片文字信息分析

    图6
    图FPGA芯片左角XILINX文字设计生产该芯片公司名称KINTEX7芯片型号Kintex7 系列赛灵思公司种新型 FPGA Virtex6 系列半价格实现相性性价提高倍功耗降低半边文字芯片具体型号等方TAIWAN芯片产


    参考文献
    1 侯建军 数字电子技术基础高等教育出版社2007年
    2 朱明程 编程逻辑器件应 西安电子科技学出版社2004年
    3 百度百科 PLD FPGA Xilinx Altera
    4 陈忠高金定 高见芳 基Quartus IIFPGACPLD设计实践 电子工业出版社 2007年



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