第1章數字系統(tǒng)設計與EDA技術

1、121.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計1.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD1.3 IP1.3 IP核復用技術與核復用技術與SOCSOC1.4 1.4 數字系統(tǒng)的實現方式數字系統(tǒng)的實現方式1.5 1.5 數字系統(tǒng)的設計描述方法數字系統(tǒng)的設計描述方法 第第1 1章章 數字系統(tǒng)設計與數字系統(tǒng)設計與EDAEDA技術技術31.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計一、數字系統(tǒng)的概念一、數字系統(tǒng)的概念二、傳統(tǒng)的數字系統(tǒng)設計方法二、傳統(tǒng)的數字系統(tǒng)設計方法三、現代的數字系統(tǒng)設計方法三、現代的數字系統(tǒng)設計方法41.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計一、數字系統(tǒng)的概念一、數字系統(tǒng)

2、的概念 電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)1. 1. 數字系統(tǒng)數字系統(tǒng)凡是可完成一個特定功能的完整的電子裝置。由一組電子元件或基本電子單元電路相互連接、相互作用而形成的電路整體，能按特定的控制信號，去執(zhí)行所設想的功能。 模擬電子系統(tǒng) 數字（電子）系統(tǒng) 模擬-數字混合電子系統(tǒng) 51.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計 模擬電子系統(tǒng)模擬電子系統(tǒng)由若干模擬集成電路、單元電路和分立元器件組成，對由若干模擬集成電路、單元電路和分立元器件組成，對模擬模擬信號進行檢測、處理、變換和產生的電子系統(tǒng)。信號進行檢測、處理、變換和產生的電子系統(tǒng)。 數字（電子）系統(tǒng)數字（電子）系統(tǒng)由若干數字電路和邏輯部件組成，處理及傳送由若干數

3、字電路和邏輯部件組成，處理及傳送數字數字信信號。號。凡是利用數字技術對數字信息進行處理、傳輸的電子系凡是利用數字技術對數字信息進行處理、傳輸的電子系統(tǒng)。統(tǒng)。工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強；工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強；精確度高；精確度高；便于大規(guī)模集成，易于實現小型化；便于大規(guī)模集成，易于實現小型化；便于模塊化；便于模塊化；便于加密、解密。便于加密、解密。61.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計 模擬模擬- -數字混合電子系統(tǒng)數字混合電子系統(tǒng)由模擬電子電路和數字電子電路組成的電子系統(tǒng)。 主要用于過程控制和各種儀器儀表中，完成對如溫度、主要用于過程控制和各種儀器儀表中，完成對如溫度、壓力、流量、

4、速度等物理量的測量、控制和顯示等。壓力、流量、速度等物理量的測量、控制和顯示等。溫度溫度電壓電壓大信號大信號數字數字信號信號控制控制信號信號模擬模擬信號信號圖圖1-1 1-1 水溫自動控制系統(tǒng)水溫自動控制系統(tǒng) 71.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計 數字電路數字電路：對數字信號進行對數字信號進行算術算術運算和運算和邏輯邏輯運算的電路運算的電路。 數字集成電路數字集成電路：在一塊半導體基片上，把眾多的數字電路在一塊半導體基片上，把眾多的數字電路基本單元制作在一起形成的數字電路基本單元制作在一起形成的數字電路 。 數字集成電路按集成度分數字集成電路按集成度分 每塊包含基本元件數每塊包含基本

5、元件數小規(guī)模集成電路SSIC， 10 100個；中規(guī)模集成電路MSIC， 100 1000個；大規(guī)模集成電路LSIC， 1000 10000個；超大規(guī)模集成電路VLSIC， 10000個以上。 2. 2. 數字集成電路數字集成電路81.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計 按邏輯功能的特點分按邏輯功能的特點分：（1 1）通用型通用型：具有很強的通用性，邏輯功能較簡單，且固定具有很強的通用性，邏輯功能較簡單，且固定不變。不變。（2 2）專用型專用型：即專用集成電路即專用集成電路ASICASIC（Application Specific Application Specific Integra

6、ted CircuitIntegrated Circuit），為某種專門用途而設計的集成電路。），為某種專門用途而設計的集成電路。 數字系統(tǒng)的發(fā)展得益于數字系統(tǒng)的發(fā)展得益于數字器件數字器件和和集成技術集成技術的發(fā)展。的發(fā)展。摩爾定律（摩爾定律（Moores lawMoores law）：每每1818個個月，芯片集成度提高月，芯片集成度提高1 1倍，功耗下降一半倍，功耗下降一半。91.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計 SSICMSIC LSIC VLSIC SOC（System On Chip片上系統(tǒng)）片上系統(tǒng)）SOPC（System On a Programmable Chip，可編程

7、片上系統(tǒng)），可編程片上系統(tǒng)）3. 3. 數字器件的發(fā)展數字器件的發(fā)展4. 4. 集成（集成（ICIC，Integrated CircuitsIntegrated Circuits）技術的發(fā)展）技術的發(fā)展 芯片的工藝線寬越來越小芯片的工藝線寬越來越小 從從19971997年的年的0.350.35 m m，發(fā)展到現在的，發(fā)展到現在的90nm90nm。 設計周期越來越短設計周期越來越短 19971997年時需要年時需要12121818月，現在可能只需要半年甚至更短！月，現在可能只需要半年甚至更短！ 集成度越來越高集成度越來越高 從從19971997年的年的2020萬萬5050萬門，發(fā)展到現在的幾千萬

8、門。萬門，發(fā)展到現在的幾千萬門。101.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計 最具有代表性的最具有代表性的IC芯片：芯片：微控制芯片（MCU，Micro Control Unit）可編程邏輯器件（PLD，Programmable Logic Device） 數字信號處理器（DSP，Digital Signal Processor）大規(guī)模存儲芯片（RAM/ROM，Random Access Memory/Read Only Memory）光電集成芯片（OEIC，Optical Electronic IC） 以上這些器件構成了現代以上這些器件構成了現代數字系統(tǒng)的基石。數字系統(tǒng)的基石。111.1

9、 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計二、二、傳統(tǒng)傳統(tǒng)的數字系統(tǒng)設計方法的數字系統(tǒng)設計方法n基于基于電路板電路板采用固定功能器件（通用型器采用固定功能器件（通用型器件），通過設計件），通過設計電路板電路板來實現系統(tǒng)功能來實現系統(tǒng)功能寫出真值表或狀態(tài)表推出邏輯表達式化簡邏輯電路圖用小規(guī)模邏輯器件來實現采用采用自下而上自下而上（Bottom UpBottom Up）的設計方法）的設計方法采用采用通用型通用型邏輯器件邏輯器件搭積木式的方式搭積木式的方式 在系統(tǒng)硬件設計的后期進行仿真和調試在系統(tǒng)硬件設計的后期進行仿真和調試 主要設計文件是主要設計文件是電路原理圖電路原理圖 121.1 1.1 數字系統(tǒng)

10、的設計數字系統(tǒng)的設計三、三、現代現代的數字系統(tǒng)設計方法的數字系統(tǒng)設計方法 基于基于芯片芯片采用采用PLDPLD，利用，利用EDAEDA開發(fā)工具，開發(fā)工具，通過通過芯片芯片設計來設計來實現系統(tǒng)功能實現系統(tǒng)功能。計算機計算機+EDA軟件軟件空白空白PLD+ 數字系統(tǒng)數字系統(tǒng)通常采用自上而下（Top Down）的設計方法采用可編程邏輯器件 在系統(tǒng)硬件設計的早期進行仿真主要設計文件是用硬件描述語言編寫的源程序降低了硬件電路設計難度自行定義器件內部的邏輯和引腳寫出真值表或狀態(tài)表 EDA開發(fā)工具自動進行邏輯綜合 模擬仿真編程下載到PLD中131.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計特特 點點傳統(tǒng)方法傳

11、統(tǒng)方法現代方法現代方法采用器件采用器件通用型器件PLD設計對象設計對象電路板芯片設計方法設計方法自下而上自上而下仿真時期仿真時期系統(tǒng)硬件設計后期系統(tǒng)硬件設計早期主要設計文件主要設計文件電路原理圖HDL語言編寫的程序表表1-1 1-1 數字系統(tǒng)的兩種設計方法比較數字系統(tǒng)的兩種設計方法比較141.1 1.1 數字系統(tǒng)的設計數字系統(tǒng)的設計1. 1.自上而下的設計（自上而下的設計（Top DownTop Down）占據主導地位 輔助的設計手段 功能模塊劃分子模塊設計系統(tǒng)級設計系統(tǒng)級設計功能級描述功能級描述功能仿真功能仿真門級描述門級描述時序仿真時序仿真若仿真未通若仿真未通過，則需修過，則需修改設計！改

12、設計！2.2.自下而上的設計（自下而上的設計（Bottom UpBottom Up）設計基本單元設計基本單元構成子模塊構成子模塊子系統(tǒng)子系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)151.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD一、一、EDAEDA技術技術二、什么是二、什么是PLDPLD？三、三、PLDPLD的發(fā)展演變的發(fā)展演變四、四、EDAEDA技術與技術與PLDPLD的關的關系系161.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD一、一、EDAEDA技術技術1 1什么是什么是EDAEDA技術？技術？ EDAEDA：Electronic Design AutomationElectronic Design Au

13、tomation（電子設計自動化）（電子設計自動化） 是在是在電子產品電子產品的設計開發(fā)工作中使用的設計開發(fā)工作中使用計算機計算機和和計算機網絡計算機網絡作為輔助工具以提高工作效率的技術。作為輔助工具以提高工作效率的技術。是立足于計算機工作平臺開發(fā)出來的一整套先進的設計電是立足于計算機工作平臺開發(fā)出來的一整套先進的設計電子系統(tǒng)的子系統(tǒng)的軟件工具軟件工具。是在計算機的輔助下完成電子產品設計方案的輸入、處理、是在計算機的輔助下完成電子產品設計方案的輸入、處理、仿真和下載的一種仿真和下載的一種硬件設計硬件設計技術。技術。是是微電子技術微電子技術中的核心技術之一，是現代集成系統(tǒng)設計的中的核心技術之一，

14、是現代集成系統(tǒng)設計的重要方法。重要方法。171.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD2 2EDAEDA技術的歷史技術的歷史 以計算機科學、微電子技術的發(fā)展為基礎 匯集了計算機圖形學、拓撲學和計算數學等學科的最新成果（1 1）CADCAD（Computer-Aided DesignComputer-Aided Design）階段（）階段（1964197819641978）“上帝上帝時代時代”最早的最早的EDAEDA技術：電路模擬、邏輯模擬、技術：電路模擬、邏輯模擬、MOSMOS同步和模擬、同步和模擬、PCBPCB布局、線路布線和標準電池等技術布局、線路布線和標準電池等技術 只能進行只

15、能進行PCBPCB板布局布線和簡單版圖繪制板布局布線和簡單版圖繪制181.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD（2 2）CAECAE（Computer-Aided EngineeringComputer-Aided Engineering）階段（）階段（1978199719781997）“英雄英雄時代時代”電子電子CADCAD工具逐步完善，單點工具集成化工具逐步完善，單點工具集成化并從技術上向并從技術上向CAECAE過渡：誕生了先進的布局和布線、邏輯綜合、過渡：誕生了先進的布局和布線、邏輯綜合、HDLHDL語言、模擬加速器和仿真器以及高級綜合等技術語言、模擬加速器和仿真器以及高級綜

16、合等技術（3 3）EDAEDA階段（階段（19931993現在）現在）“人性人性時代時代” ” 微電子工藝飛速發(fā)展，工藝水平已達到深亞微米級；晶體管集成微電子工藝飛速發(fā)展，工藝水平已達到深亞微米級；晶體管集成度提高到百萬門甚至千萬門級；因特網開始進入廣泛應用階段，度提高到百萬門甚至千萬門級；因特網開始進入廣泛應用階段，工程師們開始設計系統(tǒng)級芯片工程師們開始設計系統(tǒng)級芯片(systems-on-chip)(systems-on-chip)EDAEDA技術發(fā)展到物理校驗、布局、邏輯綜合、模擬設計以及軟件技術發(fā)展到物理校驗、布局、邏輯綜合、模擬設計以及軟件/ /硬件協(xié)同設計。硬件協(xié)同設計。 EDAE

17、DA技術已成為電子設計的重要工具技術已成為電子設計的重要工具 EDAEDA技術受制造技術驅動而發(fā)展技術受制造技術驅動而發(fā)展 隨微電子技術、計算機技術而發(fā)展隨微電子技術、計算機技術而發(fā)展191.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD3 3現代現代EDAEDA技術的特點技術的特點 特征特征：采用高級語言描述，具有系統(tǒng)級仿真和綜合能力：采用高級語言描述，具有系統(tǒng)級仿真和綜合能力（1 1）采用硬件描述語言采用硬件描述語言HDLHDL（Hardware Description LanguageHardware Description Language）v 與原理圖設計方法相比：與原理圖設計方法

18、相比：更適于描述更適于描述大規(guī)模大規(guī)模的系統(tǒng)的系統(tǒng)在在抽象抽象的層次上描述系統(tǒng)的的層次上描述系統(tǒng)的結構結構與與功能功能v 采用采用HDLHDL的的優(yōu)點優(yōu)點：語言的公開可利用性語言的公開可利用性設計與工藝的無關性設計與工藝的無關性寬范圍的描述能力寬范圍的描述能力系統(tǒng)級、算法級、系統(tǒng)級、算法級、RTLRTL級、門級、開關級級、門級、開關級便于組織大規(guī)模系統(tǒng)的設計便于組織大規(guī)模系統(tǒng)的設計便于設計的復用、交流、保存與修改便于設計的復用、交流、保存與修改201.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD（2 2）高層綜合和優(yōu)化高層綜合和優(yōu)化支持系統(tǒng)級的綜合與優(yōu)化。支持系統(tǒng)級的綜合與優(yōu)化。綜合綜合：

19、通過EDA工具把用HDL語言描述的模塊自動轉換為用門級電路網表表示的模塊，即將電路映射到器件的專用基本結構。優(yōu)化優(yōu)化：采用優(yōu)化算法，將設計簡化，去除冗余項，提高系統(tǒng)運行速度。（3 3）并行工程并行工程定義定義：一種系統(tǒng)化的、集成化的、并行的產品及相關過程（指制一種系統(tǒng)化的、集成化的、并行的產品及相關過程（指制造和維護）的開發(fā)模式。造和維護）的開發(fā)模式?，F代EDA工具建立了并行工程框架結構的開發(fā)環(huán)境，支持多人同時并行進行設計。一種軟件平臺結構（4 4）開放性和標準化開放性和標準化開放性開放性： EDA工具只要具有符合標準的開放式框架結構，就可以接納其他廠商的EDA工具一起進行設計資源共享標準化標

20、準化：隨著設計數據格式標準化EDA框架標準化，即在同一個工作站上集成各具特色的多種EDA工具，它們能夠協(xié)同工作。 211.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD4 4EDAEDA技術的范疇和應用技術的范疇和應用 可分為可分為系統(tǒng)級系統(tǒng)級、門級門級和和物理實現級物理實現級三個層次的輔助設計過程三個層次的輔助設計過程 涵蓋了從系統(tǒng)級設計到版圖設計的全過程涵蓋了從系統(tǒng)級設計到版圖設計的全過程，涉及電子電路設涉及電子電路設計的各個領域：計的各個領域：IC版圖設計版圖設計PLD開發(fā)開發(fā)電路（原理）設計電路（原理）設計 模擬電路 數字電路 混合電路 高速電路PCB板設計板設計本課程內容本課程內容

21、221.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD5 5EDAEDA技術發(fā)展的現狀技術發(fā)展的現狀EDAEDA技術在進入技術在進入2121世紀后，得到了更大的發(fā)展，突出表現在以下幾世紀后，得到了更大的發(fā)展，突出表現在以下幾個方面：個方面：使電子設計成果以自主知識產權的方式得以明確表達和確認成使電子設計成果以自主知識產權的方式得以明確表達和確認成為可能；為可能；在在設計設計和和仿真仿真兩方面支持標準硬件描述語言的功能強大的兩方面支持標準硬件描述語言的功能強大的EDA軟件軟件不斷推出。不斷推出。電子技術全方位納入電子技術全方位納入EDA領域；領域；EDA使得電子領域各學科的界限更加模糊，更加互

22、為包容；使得電子領域各學科的界限更加模糊，更加互為包容；更大規(guī)模的更大規(guī)模的FPGA和和CPLD器件不斷推出；器件不斷推出；基于基于EDA工具的工具的ASIC設計標準單元設計標準單元已涵蓋大規(guī)模電子系統(tǒng)及已涵蓋大規(guī)模電子系統(tǒng)及IP核模塊；核模塊；軟硬件軟硬件IP核核在電子行業(yè)的產業(yè)領域、技術領域和設計應用領域在電子行業(yè)的產業(yè)領域、技術領域和設計應用領域得到進一步確認；得到進一步確認；SoC高效低成本設計技術的成熟。高效低成本設計技術的成熟。231.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD6 6EDAEDA技術的發(fā)展方向技術的發(fā)展方向（1 1）將沿著智能化、高性能、高層次綜合方向發(fā)展將沿

23、著智能化、高性能、高層次綜合方向發(fā)展（2 2）支持軟硬件協(xié)同設計支持軟硬件協(xié)同設計芯片和芯片工作所需的應用軟件同時設計，同時完成。采用協(xié)同設計，可以及早發(fā)現問題，保證一次設計成功，縮短開發(fā)周期，這在設計大系統(tǒng)時尤為重要。 （3 3）采用描述系統(tǒng)的新的設計語言采用描述系統(tǒng)的新的設計語言這種語言統(tǒng)一對硬件和軟件進行描述和定義，從開始設計功能參數的提出直至最終的驗證。能夠使設計過程一體化；設計效率更高；而且必須從現存的方法學中深化出來。 （4 4） 推出更好的仿真和驗證工具推出更好的仿真和驗證工具隨著單一芯片上邏輯門數量超過百萬門，對設計的驗證工作將變得比設計任務本身還要艱難。241.2 EDA1.

24、2 EDA技術與技術與PLDPLD二、什么是二、什么是PLDPLD？1 1什么是什么是PLDPLD？ PLDPLD：Programmable Logic DeviceProgrammable Logic Device，可編程邏輯器件，可編程邏輯器件是用戶可自行定義其邏輯功能的一種專用集成電路（是用戶可自行定義其邏輯功能的一種專用集成電路（ASICASIC）。）。 作為一種通用型器件生產，作為一種通用型器件生產，但但其邏輯功能由用戶通過器件編程其邏輯功能由用戶通過器件編程自行設定。自行設定。 PLDPLD是一種數字集成電路的是一種數字集成電路的半成品半成品，在它的芯片上按照一定的，在它的芯片上按

25、照一定的排列方式集成了大量的門和觸發(fā)器等基本邏輯元件，使用者可排列方式集成了大量的門和觸發(fā)器等基本邏輯元件，使用者可以利用某種開發(fā)工具對它進行加工，等于把片內的元件連接起以利用某種開發(fā)工具對它進行加工，等于把片內的元件連接起來，使它完成某個邏輯電路或系統(tǒng)功能，成為一個可以在實際來，使它完成某個邏輯電路或系統(tǒng)功能，成為一個可以在實際電子系統(tǒng)中使用的專用集成電路。電子系統(tǒng)中使用的專用集成電路。PLD集中了通用型集中了通用型器件和器件和ASIC的優(yōu)的優(yōu)點！點！251.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD2 2PLDPLD的特點的特點（1 1）編程方便編程方便：利用開發(fā)工具，用戶可反復編程

26、、擦除，修改設計方便 （2 2）集成度高集成度高：單片邏輯門數已達數十萬門甚至上百萬門（3 3）速度快速度快（4 4）價格低價格低（5 5）開發(fā)周期短開發(fā)周期短：EDA開發(fā)工具齊全，設計人員在很短時間內可完成電路設計的輸入、編譯、仿真和編程，大大縮短了開發(fā)周期。 261.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD三、三、PLDPLD的發(fā)展演變的發(fā)展演變 發(fā)展于發(fā)展于20世紀世紀70年代初。年代初。 主要有主要有FPLA、PAL、GAL、CPLD和和FPGA等。等。器件器件含義含義出現時期出現時期FPLA現場可編程邏輯陣列20世紀70年代初PAL可編程陣列邏輯20世紀70年代末期GAL通用

27、陣列邏輯20世紀80年代初期CPLD復雜可編程邏輯器件20世紀80年代中期FPGA現場可編程門陣列20世紀80年代中期表表1-2 PLD1-2 PLD的發(fā)展演變的發(fā)展演變271.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD 工藝線寬工藝線寬：由于生產工藝的發(fā)展，：由于生產工藝的發(fā)展，PLD集成電路的工藝集成電路的工藝線寬可達到線寬可達到0.35 m（1997年），年），0.15 m（2001年），年）， 0.13 m（2002、2003年），年）， 0.1 m（2004年）；年）； 90nm（2005年）；目前年）；目前半導體公司半導體公司正重點研發(fā)正重點研發(fā)60nm工藝。工藝。 集成度集

28、成度：在一塊硅片上可集成上千萬個以上邏輯門。：在一塊硅片上可集成上千萬個以上邏輯門。 速度速度：器件的速度指標：器件的速度指標，FPGA的門延時的門延時3ns，CPLD的系統(tǒng)速度的系統(tǒng)速度180MHz。 工藝手段工藝手段：CMOS工藝在速度上超過雙極型工藝，成為工藝在速度上超過雙極型工藝，成為PLD的主要工藝手段。的主要工藝手段。 281.2 EDA1.2 EDA技術與技術與PLDPLD四、四、EDAEDA技術與技術與PLDPLD的關系的關系 PLDPLD的應用開發(fā)過程中貫穿著的應用開發(fā)過程中貫穿著EDAEDA技術的應用技術的應用原始設計輸入原始設計輸入EDAEDA開發(fā)軟件開發(fā)軟件器件配置信息

29、器件配置信息PLDPLD硬件設備硬件設備PLDPLD在在編程靈活性編程靈活性、容量容量與與速度速度等方面達到了相當高的水平，可在一個器等方面達到了相當高的水平，可在一個器件中實現具有相當規(guī)模的、完整、高速的數字系統(tǒng)。件中實現具有相當規(guī)模的、完整、高速的數字系統(tǒng)。EDAEDA開發(fā)工具也十分成熟高效，可使用開發(fā)工具也十分成熟高效，可使用HDLHDL語言、電路圖、波形圖等多種語言、電路圖、波形圖等多種方法進行設計輸入，并進行綜合、仿真與編程。方法進行設計輸入，并進行綜合、仿真與編程。 PLDPLD廣泛應用于廣泛應用于產品開發(fā)產品開發(fā)、原型設計原型設計、小批量小批量生產生產中。中。 隨著隨著PLDPL

30、D成本和功耗不斷降低、性能大幅度提成本和功耗不斷降低、性能大幅度提高，高，PLDPLD開始取代開始取代高端高端 ASICASIC、DSPDSP和和微處理器微處理器。291.3 IP1.3 IP核復用技術與核復用技術與SOCSOC一、一、IPIP核復用技術核復用技術二、片上系統(tǒng)二、片上系統(tǒng)SOCSOC三、可編程片上系統(tǒng)三、可編程片上系統(tǒng)SOPCSOPC301.3 IP1.3 IP核復用技術與核復用技術與SOCSOC一、一、IPIP核復用技術核復用技術1 1IPIP與與IPIP核核（Intellectual PropertyIntellectual Property）原意為知識產權、著作權，在IC

31、設計領域指實現某種功能的設計。完成某種功能的虛擬電路模塊。又稱為虛擬部件虛擬部件（VC，Virtual Component）。它是以HDL語言描述的構成VLSI中各種功能單元的軟件群。（IPIP模塊）模塊）IPIP核分為：軟核、硬核及固核核分為：軟核、硬核及固核311.3 IP1.3 IP核復用技術核復用技術與與SOCSOC（1 1）軟核（）軟核（Soft CoreSoft Core）定義：功能經過驗證的、可綜合的、實現后電路結構總門數在定義：功能經過驗證的、可綜合的、實現后電路結構總門數在50005000門以上的門以上的HDLHDL模型。模型。指在寄存器級或門級對電路功能用指在寄存器級或門級

32、對電路功能用HDLHDL進行描述的設計模塊；進行描述的設計模塊；用戶可修改，具有最大的靈活性用戶可修改，具有最大的靈活性；主要用于接口、算法、編碼、譯碼和加密模塊的設計。主要用于接口、算法、編碼、譯碼和加密模塊的設計。（2 2）硬核）硬核（Hard CoreHard Core）指以指以版圖版圖形式描述的設計模塊。形式描述的設計模塊。基于一定的設計工藝，針對某一具體芯片，基于一定的設計工藝，針對某一具體芯片，用戶不能改動用戶不能改動。常用硬核有存儲器、模擬器件及接口。常用硬核有存儲器、模擬器件及接口。（3 3）固核（）固核（Firm CoreFirm Core）介于硬核和軟核之間；介于硬核和軟核

33、之間；用戶可重新定義關鍵的性能參數，內部連線可重新優(yōu)化。用戶可重新定義關鍵的性能參數，內部連線可重新優(yōu)化。321.3 IP1.3 IP核復用技術核復用技術與與SOCSOC 典型的典型的IPIP核核微處理器核（MPU core）數字信號處理器核（DSP core）存儲器核（Memory core）特定功能核（如MPEG）標準接口核（Ethernet、USB、PCI及IEEE1394核)處理器核處理器核（MCU）RAM/ROMDSP核核 A/D D/A PCI接口或接口或USB接口接口I/O單單元元圖圖1-11 1-11 由由IPIP核構成片上系統(tǒng)核構成片上系統(tǒng)SOCSOC331.3 IP1.3

34、IP核復用技術與核復用技術與SOCSOC2 2IPIP核復用（核復用（IP ReuseIP Reuse） 越來越多的公司投入IP核的開發(fā)，IP核已作為一種商品廣泛銷售和使用。 運用IP核技術可以縮短硬件開發(fā)時間，避免重復勞動，保證大規(guī)模器件的性能，提高其可靠性。 電子系統(tǒng)的設計：自行設計IP或購買第三方的IP在功能上進行整合迅速形成產品341.3 IP1.3 IP核復用技術與核復用技術與SOCSOC3. 3. 虛擬插座接口虛擬插座接口VSIVSI（Virtual Socket InterfaceVirtual Socket Interface）標準）標準 為便于IP的開發(fā)和復用，需要制定一個統(tǒng)

35、一的標準。 一些IC廠家、EDA公司、IP公司聯(lián)合成立了虛擬插座接口協(xié)會（ Virtual Socket Interface Association） ，制定了關于IP產品的標準與規(guī)范 VSI標準。4. IP4. IP產品產品（1 1）虛擬器件虛擬器件：只提供門級和寄存器傳輸級的HDL源代碼，可綜合，與器件結構有關（2 2）虛擬接口模型虛擬接口模型：提供系統(tǒng)級代碼，與器件結構無關對應具體的PLD器件通用模型351.3 IP1.3 IP核復用技術與核復用技術與SOCSOC IPIP產品產品微處理器（如8031、80C51）數字信號處理器（DSP）RAM和ROM通用串行接口（如8251）并行輸入輸

36、出接口（PIO）直接存儲器存?。―MA）PCI總線控制器中斷控制器（如8259）361.3 IP1.3 IP核復用技術與核復用技術與SOCSOC二、二、片上片上系統(tǒng)（系統(tǒng)（SOCSOC， System on a ChipSystem on a Chip）1 1定義定義 把一個完整的系統(tǒng)集成在一個芯片上，或用一個芯片實現一個把一個完整的系統(tǒng)集成在一個芯片上，或用一個芯片實現一個功能完整的系統(tǒng)。功能完整的系統(tǒng)。 包括包括CPUCPU、I/OI/O接口、存儲器，以及一些重要的模擬集成電路。接口、存儲器，以及一些重要的模擬集成電路。 2.2.實現方式實現方式（1 1）采用全定制方式）采用全定制方式將設

37、計的網表文件提交給半導體廠家流片缺點缺點：風險高，費用大，周期長（2 2）采用）采用PLDPLDCPLD和FPGA集成度越來越高，速度越來越快用戶通過編程完成設計優(yōu)點優(yōu)點：風險小，費用低，周期短371.3 IP1.3 IP核復用技術與核復用技術與SOCSOC 微電子制造工藝的進步微電子制造工藝的進步為為SOCSOC提供硬件基礎提供硬件基礎 EDAEDA軟件技術的提高軟件技術的提高 為為SOCSOC提供開發(fā)平臺提供開發(fā)平臺版圖級(物理版圖) 設計復雜程度設計復雜程度 設計效率設計效率圖圖1-12 EDA1-12 EDA工具向高層化發(fā)展工具向高層化發(fā)展晶體管級(原理圖)邏輯門級(原理圖)寄存器級(

38、HDL描述) 系統(tǒng)級(IP模塊)381.3 IP1.3 IP核復用技術核復用技術與與SOCSOC三、三、可編程片可編程片上上系統(tǒng)系統(tǒng)SOPC(System on Programmable Chip)SOPC(System on Programmable Chip) 1 1定義定義SOPCSOPC即是將計算機核心的即是將計算機核心的CPUCPU和操作系統(tǒng)結合在一和操作系統(tǒng)結合在一片單片的片單片的PLDPLD芯片中，允許設計人員直接開發(fā)具有自芯片中，允許設計人員直接開發(fā)具有自主產權的計算機系統(tǒng)。主產權的計算機系統(tǒng)。 2. 2. 基本特征基本特征至少包含一個嵌入式處理器內核；具有小容量片內高速RAM

39、資源；豐富的IP 核資源可供選擇；足夠的片上可編程邏輯資源；處理器調試接口和FPGA編程接口；可能包含部分可編程模擬電路；單芯片、低功耗、微封裝。 391.3 IP1.3 IP核復用技術與核復用技術與SOCSOC3. SOPC3. SOPC設計方案設計方案 目前國際上大多數目前國際上大多數SOPCSOPC設計開發(fā)都利用了設計開發(fā)都利用了EDAEDA工具、硬件工具、硬件描述語言（描述語言（HDLHDL）和）和IPIP核。核。首先把片內通用的硬件功能集成為一個硬宏格式，即首先把片內通用的硬件功能集成為一個硬宏格式，即IPIP軟核，軟核，以獲得最大的性能和最小的面積，可以加快整個設計流程，以獲得最大

40、的性能和最小的面積，可以加快整個設計流程，縮短開發(fā)周期；縮短開發(fā)周期；其次確定把這些其次確定把這些IPIP模塊和片內的其它功能連接在一起的體系模塊和片內的其它功能連接在一起的體系和總線結構，以實現最大的系統(tǒng)級性能和效率；和總線結構，以實現最大的系統(tǒng)級性能和效率；還需要幾類設計工具： 常規(guī)的硬件設計工具 嵌入式軟件設計工具 新的系統(tǒng)級設計工具 建模支持和調試工具 401.3 IP1.3 IP核復用技術與核復用技術與SOCSOC4. 4. 支持支持SOPCSOPC設計的器件設計的器件 AlteraAltera公司公司APEX 20K、 APEX II系列（較早期產品）；Cyclone、 Cyclo

41、ne 系列（支持Nios II 嵌入式處理器）；Stratix、 Stratix 系列（支持Nios II 嵌入式處理器） ； XilinxXilinx公司公司Virtex-Pro 是Xilinx公司第一款集PowerPC和高速收發(fā)模塊的FPGAVirtex-4 Xilinx公司最新一代高端FPGA產品，包含三個子系列：LX、SX、FX，將逐步取代VirtexII，VirtexII-Pro411.41.4 數字系統(tǒng)的實現方式數字系統(tǒng)的實現方式一、全定制方式一、全定制方式二、門陣列（二、門陣列（Gate ArrayGate Array）法）法三、標準單元方式三、標準單元方式四、四、PLDPLD實

42、現方式實現方式421.4 1.4 數字系統(tǒng)的實現方式數字系統(tǒng)的實現方式 數字系統(tǒng)的核心是器件，數字系統(tǒng)的實現方式即指數字系統(tǒng)的核心是器件，數字系統(tǒng)的實現方式即指采用何種采用何種器件器件來實現數字系統(tǒng)來實現數字系統(tǒng) 在進行數字系統(tǒng)設計時需綜合考慮：性能、周期、成本在進行數字系統(tǒng)設計時需綜合考慮：性能、周期、成本 數字器件的設計按其實現方式分為：數字器件的設計按其實現方式分為： （1 1）全定制（）全定制（Full-customFull-custom）設計）設計：基于版圖級的設計方法 （2 2）半定制（）半定制（Semi-customSemi-custom）設計）設計：約束性設計方法，在廠家預先設

43、計的基本單元基礎上的二次設計性能要求很高、批量很大設計周期短、批量小431.4 1.4 數字系統(tǒng)的實現方式數字系統(tǒng)的實現方式數字數字IC設計設計全定制全定制半定制半定制通用通用ICASIC門陣列門陣列標準單元標準單元 PLD圖圖1-13 1-13 數字器件的設計方式數字器件的設計方式Application Specific IC441.4 1.4 數字系統(tǒng)的實現方式數字系統(tǒng)的實現方式一、全定制方式一、全定制方式 在最底層，即物理版圖級實現設計的方法 使用版圖編輯工具，從晶體管的版圖尺寸、位置及連線開始設計 優(yōu)點：芯片面積利用率高、速度快、功耗低 缺點：設計周期長、成本高 適用場合：性能要求很高

44、或批量很大的芯片由ICIC廠廠定制451.4 1.4 數字系統(tǒng)的實現方式數字系統(tǒng)的實現方式二、門陣列（二、門陣列（Gate ArrayGate Array）法）法由ICIC廠廠定制 又稱“母片”（Master Slice）法 母片：IC廠按照一定規(guī)格事先生產的半成品芯片。 硅片出廠時已有預先制造好的大量規(guī)則排列的晶體管，芯片四周已預制好I/O焊盤，芯片中只留下一層或兩層金屬鋁連線的掩膜，需根據用戶電路的不同而定制。 設計人員只需完成電路一級的設計，將電路的連結網表文件以EDIF（Electronic Data Interchange Format）格式交由IC廠定制即可 優(yōu)點：設計過程簡便，生

45、產周期短、成本低 缺點：門利用率不高、芯片面積大、性能不高 適用場合：設計周期短、成本低、批量小、性能要求不高的芯片461.4 1.4 數字系統(tǒng)的實現方式數字系統(tǒng)的實現方式三、標準單元方式三、標準單元方式 又稱庫單元法庫單元法 標準單元標準單元是由IC廠家預先設計好的一批具有一定功能的單元，以庫的形式放在CAD工具中，其結構符合一定的電氣和物理標準 設計人員選擇標準單元構成電路，調用標準單元的版圖，利用自動布局布線軟件可完成版圖一級的最終設計 優(yōu)點：可設計出性能較高、面積較小的芯片 缺點：與門陣列法比，周期長、成本高 適用場合：性能要求較高、批量較大的芯片由ICIC廠廠定制471.4 1.4

46、數字系統(tǒng)的實現方式數字系統(tǒng)的實現方式四、四、PLDPLD實現方式實現方式 PLD已完成全部工藝制造，可直接從市場上購得 設計可在實驗室由用戶編程完成，功能、引腳都可由用戶自行定義 優(yōu)點：便于修改，設計周期短、成本低 缺點：與全定制方式相比，芯片速度較低，功耗、面積不是最小 適用場合：電子系統(tǒng)開發(fā)階段的硬件驗證，原型設計、小批量生產481.4 1.4 數字系統(tǒng)的實現方式數字系統(tǒng)的實現方式全定制方式全定制方式門陣列法門陣列法標準單元法標準單元法PLD實現方式實現方式優(yōu)優(yōu) 點點可設計出高速度、低功耗、小面積的芯片設計過程簡便，設計周期短、成本低可設計出性能較高、面積較小的芯片可反復修改、反復編程，設

47、計周期短、成本低缺缺 點點設計周期長、成本高門的利用率不高，芯片面積大比門陣列法周期長、成本高芯片速度較低，功耗、面積不是最小適應適應范圍范圍性能要求很高、批量很大的芯片設計周期短、成本低、批量小、性能要求不高的芯片性能要求較高、批量較大的芯片電子系統(tǒng)開發(fā)階段的硬件驗證，原型設計、小批量生產表表1-5 1-5 數字系統(tǒng)的實現方式優(yōu)缺點比較數字系統(tǒng)的實現方式優(yōu)缺點比較491.4 1.4 數字系統(tǒng)的實現方式數字系統(tǒng)的實現方式設計效率設計效率功耗功耗/面積面積電路電路速度速度設計設計出錯率出錯率可測性可測性可重復可重復設計性設計性全定制全定制標準單元法標準單元法門陣列法門陣列法PLD 表表1-6 1

48、-6 數字系統(tǒng)的實現方式綜合比較數字系統(tǒng)的實現方式綜合比較注注： ：最高（最大），：最高（最大）， ：高（大），：高（大）， ：中等，：中等， ：低（?。?，：低（小）， ：最低（最小）：最低（最?。┌攵ㄖ瓢攵ㄖ?01.5 1.5 數字系統(tǒng)的設計描述方法數字系統(tǒng)的設計描述方法一、圖形設計方式一、圖形設計方式二、基于二、基于HDLHDL的設計的設計511.5 1.5 數字系統(tǒng)的設計描述方法數字系統(tǒng)的設計描述方法 一、圖形設計方式一、圖形設計方式 常用于設計常用于設計規(guī)模較小規(guī)模較小的電路和系統(tǒng)的電路和系統(tǒng) 適合描述適合描述電氣連接電氣連接關系和關系和接口接口關系關系 EDAEDA工具必須提供元件庫

49、或宏單元庫工具必須提供元件庫或宏單元庫 優(yōu)點優(yōu)點：直觀、形象對表現層次結構、模塊化結構更為方便 缺點缺點：不適于描述邏輯功能通用性、可移植性較弱521.5 1.5 數字系統(tǒng)的設計描述方法數字系統(tǒng)的設計描述方法 例例 電子秒表電路的頂層圖形文件電子秒表電路的頂層圖形文件531.5 1.5 數字系統(tǒng)的設計描述方法數字系統(tǒng)的設計描述方法二、基于二、基于HDLHDL的設計的設計 硬件描述語言硬件描述語言（HDL，Hardware Description Language）是一種用形式化方法（即文本形式）來描述和設計數字電路和數字系統(tǒng)的語言。一種專門用于PLD設計的高級模塊化語言。是電子系統(tǒng)硬件行為描述

50、、結構描述、數據流描述的語言 。 HDLHDL常用來設計常用來設計規(guī)模較大規(guī)模較大、復雜復雜的電子系統(tǒng)的電子系統(tǒng)用用HDLHDL描描述設計述設計編程下載編程下載EDAEDA工具工具綜合、仿真綜合、仿真目標文件目標文件圖圖1-14 1-14 高層設計高層設計(High Level Design)(High Level Design)方法方法541.5 1.5 數字系統(tǒng)的設計描述方法數字系統(tǒng)的設計描述方法 優(yōu)點優(yōu)點：能形象化、抽象地表示電路的結構和行為適于描述邏輯功能借用高級語言簡化電路的描述具有電路仿真與驗證機制便于文檔管理易于理解和移植重用 缺點缺點：不如圖形設計方式直觀 在我國廣泛使用的有在

51、我國廣泛使用的有3種：種： VHDL、Verilog HDL和和AHDL551.5 1.5 數字系統(tǒng)的設計描述方法數字系統(tǒng)的設計描述方法1. Verilog1. Verilog HDL HDLMAX+PLusMAX+PLus 只支持只支持其子集！其子集！可用來進行邏輯設計、邏輯綜合、仿真驗證及時序分析等。適合系統(tǒng)級（System）、算法級（Algorithm）、寄存器傳輸級（RTL）、門級（Gate）和開關級（Switch）的設計和描述；便于將設計移植到不同廠家的不同芯片中；便于修改信號參數；具有工藝無關性。1983年，由GDA公司的Phil Moorby首創(chuàng)。1989年，Cadence公司收

52、購了GDA公司，Verilog HDL語言成為Cadence公司的私有財產。1990年，Cadence公司公開發(fā)表Verilog HDL語言。1995年正式成為IEEE標準。561.5 1.5 數字系統(tǒng)的設計描述方法數字系統(tǒng)的設計描述方法2. VHDL2. VHDLVHSIC Hardware Description LanguageVHSIC Hardware Description Language（VHSICVery High Speed Integrated Circuits），甚高速集成電路的硬件描述語言。來源于美國軍方。1987年成為IEEE標準。全方位HDL，包括從系統(tǒng)到電路的所

53、有設計層次。支持結構、數據流和行為3種描述形式的混合描述。MAX+PLusMAX+PLus 只支只支持其子集！持其子集！571.5 1.5 數字系統(tǒng)的設計描述方法數字系統(tǒng)的設計描述方法v 特點特點 （1 1）數據類型豐富）數據類型豐富 標準數據類型：不僅有整數、布爾、字符、字符串等數據類型，還有位型（Bit）、位矢量型（Bit-Vector）、時間型（Time）等數據類型； 允許自定義數據類型，如枚舉、數組或記錄等。 （2 2）層次結構性）層次結構性 將一個數字系統(tǒng)劃分為若干個模塊來描述，每個模塊包括實體Entity與構造體Architecture這兩個設計單元； 實體定義了與其他模塊的接口（輸入輸出接口及參數），構造體描述了模塊內部的結構和行為狀態(tài) （3 3）串行性與并