基于FPGA的数字系统的设计

1 基于基于基于基于FPGAFPGAFPGAFPGA的数字系统的数字系统的数字系统的数字系统 设计设计设计设计 电子工程学院窦 衡 联系地点：科1B 425室 电话：83207082 E-mail: douheng 2 教材： 美Michael D.Ciletti 著 张雅绮、李锵 等译 3 读者对象读者对象读者对象读者对象： 适用于学习高级数字设计课程的学生 教材的特点教材的特点教材的特点教材的特点： （1）本书的着眼点是Verilog的核心设计方法及其应用 特点，而不是Verilog语言的语法解释。 （2）本书的焦点是数字电路的设计、验证和综合。 （3）着重讨论能使读者快速设计适于ASIC和/或FPGA 实现的电路描述方法。 （4）深入讨论了基于单元的ASIC和FPGA的综合过程。 （5）深入论述了数字机的算法和结构。 （6）提供大量使用现代设计工具进行高层次设计的实 例（250多个）。 （7）采用算法状态机（ASM）图描述时序状态机行为。 4 第1章 数字设计方法概论 基于基于基于基于FPGA的的的的数字系统设计数字系统设计数字系统设计数字系统设计（EDA）: 工作平台: 计算机 开发平台: FPGA开发设计软件 （仿真、综合、布局布线等） 设计语言: 硬件描述语言、系统描述语言 验证、实现载体: FPGA可编程逻辑器件 实现目标：SOPC 、SOC(ASIC)芯片构成 的复杂电子系统 5 EDA的广义定义范围包括： 半导体工艺设计自动化、 可编程器件设计自动化、 电子系统设计自动化、 印刷电路板设计自动化、 仿真与测试，故障诊断自动化、 形式验证自动化 统称为EDA工程 6 数字设计方法 经典设计方法： 基于电路原理图的人工设计法 现代设计方法： 基于计算机语言的EDA（Electronic Design Automation）设计法 7 一、 数字设计方法发展历程 第一代：70年代 手工绘制PCB和IC版图(计算机辅助设计) 第二代：80年代 仿真和自动布局布线(计算机辅助工程) 第三代：90年代 高级硬件描述语言、系统级仿真和综 合。实现“概念驱动工程”（Concept Driver Engineering, CDE ）的梦想。 8 集成电路设计方法的发展过程 9 二、数字系统设计的基本特征 1. 高级硬件描述语言(HDL)描述 2. Top-Down自上而下分层设计思想 3. 并行设计环境、并行工程 10 1. 高级硬件描述语言 高级硬件描述语言(HDL_Hard Description Language)具有抽象的系统描 述能力，是现代EDA技术的切入点，是设 计者与设计自动化工具之间的桥梁。可实 现系统级的仿真和逻辑综合。据此实现大 规模集成电路的设计，可极大缩短Time- to-Market 时间。 11 HDL特点： （1）可实现系统级直至底层电路级的描述。 （2）可实现自顶向下的层次化设计。 （3）支持各种层次的仿真。 （4）可完成逻辑综合。 （5）设计与工艺无关。 （6）技术齐全，设计方法灵活。 （7）语言标准、规范，易于共享和复用。 12 2. Top-Down自上而下分层设计思想 传统设计方法是自下而上(Buttom-Up) 上上 设计分解构造系统 下下 13 设计分解： 1. 确定设计目标 2. 功能模块分解 3. 进一步细分，直至可用市面上买到 的元器件构建此模块为止 构造系统： 1. 用市面上可买到的元器件构建最底 层模块 2. 用较低一层模块构造较高一层模块 3. 构造顶层模块 4. 测试验证与分析 14 固定功能元件 电路板设计 完整系统构成 系统测试与性能分析 传统设计方法流程： 15 传统设计方法的缺点： 1. 设计依赖于手工和经验。 2. 设计依赖于现有的通用元器件。 3. 设计后期的仿真和调试。 4. 自下而上设计思想的局限。 5. 设计实现周期长，耗时耗力，效率 低下。 16 现代设计方法是：自上而下设计(Top-Down) 逐层描述、逐层仿真，保证满足系统指标 系统指标规范 行为级描述 RTL级描述 逻辑综合 物理实现 设计流程 17 后仿真后仿真后仿真后仿真 行为级描述行为级描述行为级描述行为级描述 逻辑综合逻辑综合逻辑综合逻辑综合 寄存器传输寄存器传输寄存器传输寄存器传输（RTL）级描述级描述级描述级描述 ASIC 自动布局布线自动布局布线自动布局布线自动布局布线（物理实现物理实现物理实现物理实现） 门级网表输出门级网表输出门级网表输出门级网表输出 CPLD/ FPGA 行为级仿真行为级仿真行为级仿真行为级仿真 门级仿真门级仿真门级仿真门级仿真 RTL级仿真级仿真级仿真级仿真 系统指标规范系统指标规范系统指标规范系统指标规范 Top-Down 设计步骤 第三层次 第一层次 第二层次 第四层次 18 3. 并行设计环境、并行工程 并行设计环境: 功能单一的设计软件发展成为功能完善的 集成化EDA设计系统。 新趋势：抛弃各公司专有设计环境，开发 符合工业标准的公共设计平台和接口标准。 软件、硬件协同设计。 19 并行工程（CE_Concurrent Engineering） CE是将电子产品及相关制造直至销售、 维护全过程统一进行设计的一种方法，其核心 是产品设计对象的全面可预见性。 CE要求从管理层次上把工艺、工具、任 务、智力和时间的安排协调一致，使用统一的 集成化设计环境，由若干个相关的设计小组共 享数据库，同步地进行设计。 20 三、EDA工程的设计方法 1、行为描述法 行为描述：只描述系统模型的行为、功能， 而不管其实现的硬件结构。描述特点是设计文件 简洁、抽象。又称高层描述。 行为描述的语言：高层次硬件描述语言 行为描述的基本特征：将系统的外部行为和 内部的具体硬件实现分隔开来。 体现了现代EDA工程的魅力。 21 三、EDA工程的设计方法 2、IP复用法 IP Core (Intelligent Property Core) IP复用（IP Reuse）是指在集成电路设计 过程中，通过继承、共享或购买所需的知识产 权内核，然后再利用EDA工具进行设计、综合 和验证，从而加速电子系统设计过程，降低开 发风验。 22 IP核分为： 硬核（Hard Core）：经过流片验证过 的版图形式的设计模块。 软核（Soft Core）：经过RTL级验证 的HDL代码形式的电路模块。 固核（Firm Core）：以RTL级验证代 码和对具体工艺的网表混合描述形式的设 计模块。 23 24 IP复用的必要： 现代大规模电子系统、SOC（SOPC） 的特点是： 集成度高（数百万上千万门） 功能复杂（内含存储器、DSP、MCU等） 千万门级的FPGA: Virtex-II/4/5/6、Stratix/II/III/IV 25 职业设计人才的设计能力平均为： 100 - 200门（人.天） IP核的设计与复用是SOC的基础和关键。 SOC实例： Set-Top Box 26 各类IP资源库的建设和共享已形成一种规 范，贯穿在系统设计的全过程。 有关的数据库系统 系统 数据库 知识产权IP 数据库 工艺规则 数据库 通用模块 数据库 系统定义 系统划分、综合实 现、模块映射 模块生成器 指定工艺属性实现 系统级 结构级 电路级 可选的库资源是设计者能力的表征。 27 系统芯片的IP模块含量： 84%2003年 47%2000年 30%1997年 9%1995年 Collett公司统计 28 三、EDA工程的设计方法 3、ASIC设计方法 ASIC_Application Specific Integrated Circuit 是根据某种整机或电子系统 的要求而专门设计的IC。 优点：集成度高、速度快、可靠性好、保密 性好、体积小、功耗低、重量轻。 29 ASIC分类: IC 通用IC 专用IC-ASIC 专用定制ASCP 面向多用户、 特定领域ASSP 全定制ASIC 半定制ASIC 30 全定制ASIC: 设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图 形和工艺规则。 优点：芯片性能最优、速度快、功耗低。 缺点：开发周期长，费用高，只适合大批 量生产。 常用的半定制ASIC: 门阵列(Gate Array) 标准单元(Standard Cell) 可编程逻辑器件(CPLD、FPGA) 31 FPGA与全定制ASIC性能指标比较 指 标FPGA全定制ASIC 速 度很好很好 集成度很好很好 价 格很好很好（大批量） 开发时间很好差 样品及仿真时间很好差 制造时间很好差 使用的难易成度很好差 库存风险很好差 开发工具的支持很好很好 32 ASIC的设计方法 掩膜方法 现场可编程方法 全定制设计方法 定制设计方法 半定制设计方法 硅编译法 可编程逻辑器件法 （CPLD/FPGA） 33 CPLD/FPGA设计ASIC的优点： 1没有投片风险没有投片风险没有投片风险没有投片风险 现场布局现场布局现场布局现场布局、布线布线布线布线，下载完成系统下载完成系统下载完成系统下载完成系统 功能实现功能实现功能实现功能实现。 2反复编程反复编程反复编程反复编程，反复擦除反复擦除反复擦除反复擦除，反复使用反复使用反复使用反复使用 3成本低成本低成本低成本低 4设计周期短设计周期短设计周期短设计周期短 34 可编程逻辑器件（FPGA）的发展趋势： （1）更高密度、更大容量的千万门系统级。 （2）向低成本、低电压、微功耗、微封装和 环保型发展。 （3）IP资源复用理念将得到普遍认同并成为 主要设计方式。 （4）MCU、DSP、MPU等嵌入式处理器IP将 成为FPGA应用的核心。 SOPC成为FPGA的发展趋势 35 FPGA（SOPC）与ASIC的融合： 两种方式实现SOPC（可编程ASIC） 1、在FPGA中嵌入CPU等内核，获得可编 程系统平台。（Xilinx的PPC405、440， Microblaze, Altera的Nios II） 2、将可编程模块置入ASIC之中，得到具 有可配置功能的ASIC。 36 三、EDA工程的设计方法 4、SOC设计方法 SOC代表当今电子设计的发展方向，其设计 方法称为高层次设计方法。 基本特征： （1） “自顶向下”的设计方法，对整个系统 进行方案设计和功能划分，在单个（或 少数几个）芯片上完成整个系统的功能。 （2）以IP核为设计基础和核心。 37 三、EDA工程的设计方法 4、SOC设计方法 基本特征： （3）以分层次的系统（硬、软件）描述语言 为系统功能和结构的主要描述手段。 （4）芯片的软件设计与硬件设计同步进行。 （5）各模块的综合与验证同步进行。 38 SOC芯片的一般设计流程 39 三、EDA工程的设计方法 5、e-DA网上设计方法 网上 e-service EDA方法的兴起，通 过网络将大的设计项目要求分发给多家 专业EDA设计公司，可更快得到设计结 果。充分利用网络技术资源, IP知识产 权、EDA人才资源共享，缩短产品开发 时间（time_to_market）。 40 三、EDA工程的设计方法 6、软、硬件协同设计方法 随着SOC的发展，SOC所包含的嵌入式软件 所占的比重和作用将越来越大。SOC上软硬件的 平衡及协同工作将变得更为重要。 设计方法学上的突破：软硬件协同设计。 系统描述语言： （VHDL、Verilog HDL） （C、C+） System C 或其它 41 42 软硬件协同设计的一般流程图： 系统描述 HW/SW划分 协同综合 系统集成 协同仿真、验证 软件硬件 问题：系统建模、系统描述语言、软硬件划分、性能 评估、协同综合、协同仿真、协同验证。 功能协同仿真 43 四、EDA工程理论基础 1、EDA工程的实现载体 全定制ASIC芯片、 半定制ASIC芯片、 可编程ASIC芯片、 可编程逻辑器件（CPLD、FPGA） 44 FPGA的结构与ISP I/O Block Logic Block Programmable Interconnect 45 四、EDA工程理论基础 2、EDA工程的设计语言 硬件描述语言(HDL_Hard Description Language) VHDL、 Verilog HDL、SystemVerilog、 Superlog、 SystemC、（软、硬件协同设计） SpecC 46 四、EDA工程理论基础 3、系统建模 数字系统的模型多种多样，如下模型 将数字系统分为控制部分、执行部分和公 共部分。 控制部分 执行部分 输 入 输 出 公共部分(电源、时钟、同步电路等) 47 四、EDA工程理论基础 3、系统建模 把整个的功能划分为数 据路径和控制路径 整个功能整个功能整个功能整个功能 数据路径数据路径数据路径数据路径 控制器控制器控制器控制器 组合逻辑组合逻辑组合逻辑组合逻辑 时序逻辑时序逻辑时序逻辑时序逻辑 （FSM） 48 四、EDA工程理论基础 3、系统建模 数字系统的控制部分一般用状态机作 为系统模型。状态机分为两种： MOORE型状态机 MEALY型状态机 49 四、EDA工程理论基础 4、高层次综合 数字系统可在不同层次上描述，如：算法层、 寄存器传输层、逻辑层、电路层和版图层。 在每个层次上有不同领域的描述，分为行为 领域描述、结构领域描述和物理领域描述。 50 数字系统各个层次的描述与综合的关系： 物理领域描述结构领域描述行为领域描述 版图层 电路层 逻辑层 寄存器传输层 算法层 高层次综合 逻辑综合 逻辑综合 版图综合 51 数字系统设计的综合分为三个层次： (1)高层次综合（high-level synthesis） (2)逻辑综合（logic synthesis） (3)版图综合（layout synthesis） 高层次综合： 给定数字系统的算法级行为描述、约束条 件和目标集合，在目标集合中找出一个满足约 束条件、实现系统行为的结构。 即抽象的高层描述向具体的低层描述的自 动转化。 52 高层次综合的意义： 1、对于超大规模芯片设计和上市时间的 压力，高层次综合是必由之路。可明显提高 设计速度，极大缩短设计周期。 2、对系统不同实现方案进行选择。 3、对系统不同实现方案的性能（资源、 速度等）作出初期评估。 例：Y=A+B+C+D 的实现 53 四、EDA工程理论基础 5、仿真验证 工作量占整个设计的60% 70% 主要手段：功能仿真技术、 静态时序分析技术、 （形式验证技术） 仿真(simulation): 指从电路的描述抽象出 模型，然后将外部激励信号或数据施加于此模 型，通过观察该模型在外部激励信号作用下的 反应来判断该电子系统是否达到了设计目标。 54 仿真的层次： 1. 电路级仿真 仿真对象是用晶体管、电阻、电容组成的电 路网路。工具如：SPICE 2. 门级仿真 针对以逻辑门和功能块描述的电路系统。 3. 寄存器传输级仿真 电子系统由寄存器、存储器、总线、运算单 元等基本单元构成，并描述数据在这些元件 中流动的条件和过程。 4. 高层次仿真(行为仿真) 以行为算法和结构的混合描述为对象。 55 仿真验证的充分性：不是100% 逻辑仿真存在的问题： （1）仿真输入数据由用户给出，输入数据 的好坏决定了所能查出错误的多少。 （2）输出结果的分析要由有经验的人来进行。 （3）由于输入数据难以穷举，不能保证查 出全部错误。验证是一穷举逼近过程。 56 仿真的效率问题： 仿真过程中，逻辑门一个数量级的增加会 导致仿真所需的周期数3个数量级的增长。 57 四、EDA工程理论基础 6、形式验证 形式验证(formal verification): 是利用理 论证明的方法和数学推导的方法来验证设计结 果的正确性。形式验证基于严密的理论体系， 可解决逻辑仿真存在的问题。 验证的覆盖率可达100% Mentor: FormalPro; Synopsys: Formality; Cadence: FormalCheck 58 形式验证的优点： （1）更早发现设计缺陷，降低周期和成本。 （2）无需编写复杂的测试向量。 （3）100%覆盖率，提高验证质量。 （4）可与其它验证方法结合使用。 形式验证的不足： （1）只适合模块级或中小系统级的验证。 （2）验证的完整性取决于特性是否被全面准 确地表达。 59 五、HDL硬件描述语言 1、硬件描述语言 HDL语言是当今EDA技术发展的突出代表。是 EDA技术的切入点，是设计者与自动化工具之间的 桥梁。 特点：用HDL设计电路能够获得非常抽象的描述。 用HDL描述电路设计，在设计的前期就可以 完成电路功能级的验证。可实现逻辑综合。 流行的HDL：VHDL （善于更高层设计） Verilog HDL（善于更低层设计） 60 电路级（Circuit Level） 门级（Gate Level） 寄存器传输级 （Register Transfer Level） 算法级（Algorithmic Level） 系统级（System Level） VHDL Verilog HDL 61 没有库的概念存储编译过的 Entity、 Architecture、 Package和 Configuration 库 函数和过程必须在 同一Module内， 可使用include 用Package来共享 函数、过程、类型 和组件 设计重用 数据类型简单，无 用户定义类型，弱 类型检查 数据类型多，用户 自定义类型，严格 类型检查 数据类型 CPascal, Ada语言基础 Verilog HDLVHDL VHDL与Verilog HDL的比较： 62 算法级至电路级系统级至门级设计层次 无使用Generate结构重复 文件访问类似硬 件操作 Generic、 Configuration 很有用 测试平台 简练，类似C烦琐，更像句子可读性 容易掌握，类似 C 不易学，同一电路 有多种建模方法 易学性 无允许并发过程调用过程和任务 无Package、 Configuration、 Generate、Generic 大型设计 能力 Verilog HDLVHDL 63 五、HDL硬件描述语言 2、VHDL/Verilog语言的产生及发展 VHDL：Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language VHDL由美国国防部组织开发 两个版本：VHDL87 称为IEEE1076-1987 VHDL93 称为IEEE1076-1993 96年IEEE1076.3 成为综合标准 最新版本：VHDL2002 64 Verilog HDL： 1983198319831983年由年由年由年由GDA(GDA(GDA(GDA(GateWayGateWayGateWayGateWay Design Automation)Design Automation)Design Automation)Design Automation)公司的公司的公司的公司的 PhilPhilPhilPhil MoorbyMoorbyMoorbyMoorby所创所创所创所创。 Phil Phil Phil Phil MoorbyMoorbyMoorbyMoorby后来成为后来成为后来成为后来成为VerilogVerilogVerilogVerilog- - - -XLXLXLXL的的的的 主要设计者和主要设计者和主要设计者和主要设计者和CadenceCadenceCadenceCadence公司的第一个合伙人公司的第一个合伙人公司的第一个合伙人公司的第一个合伙人。 19841985198419851984198519841985年年年年，MoorbyMoorbyMoorbyMoorby设计出了第一个设计出了第一个设计出了第一个设计出了第一个VerilogVerilogVerilogVerilog- - - -XLXLXLXL的的的的 仿真器仿真器仿真器仿真器。 1986198619861986年年年年，MoorbyMoorbyMoorbyMoorby提出了用于快速门级仿真的提出了用于快速门级仿真的提出了用于快速门级仿真的提出了用于快速门级仿真的XLXLXLXL算法算法算法算法。 1990199019901990年年年年，CadenceCadenceCadenceCadence公司收购了公司收购了公司收购了公司收购了GDAGDAGDAGDA公司公司公司公司 1991199119911991年年年年，CadenceCadenceCadenceCadence公司公开发表公司公开发表公司公开发表公司公开发表VerilogVerilogVerilogVerilog语言语言语言语言，成立了成立了成立了成立了 OVI(OpenOVI(OpenOVI(OpenOVI(Open VerilogVerilogVerilogVerilog International)International)International)International)组织来负责组织来负责组织来负责组织来负责VerilogVerilogVerilogVerilog HDLHDLHDLHDL语言的发展语言的发展语言的发展语言的发展。 两个版本：Verilog HDL IEEE1364-1995 Verilog HDL IEEE1364-2001 65 五、HDL硬件描述语言 3、HDL语言的特点 优点： VHDL/Verilog是一种全方位的硬件描述语言。 ?具有强大丰富的语言结构，系统硬件描 述能力强、设计效率高； ?具有较高的抽象描述、多层次描述能力； ?支持库和设计复用，支持模块化设计； ?既可仿真也可综合。 66 一个可置数的16位计数器的电原理图： 67 用VHDL描述的可置数16位计数器： 68 用Verilog描述的可置数16位计数器： 69 HDL语言可读性强，易于修改和发现错误。 具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确。 特别是对HDL源代码进行行为、功能仿真。 支持电路描述由高层到低层的综合和转换。 HDL语言可实现与工艺无关编程、与器件 无关设计。 移植性好。 HDL语言标准、规范，支持广泛，易于共 享和移植复用。 容易实现ASIC移植。 用于产品开发，上市时间快，成本低。 70 缺点： （1）VHDL放弃对电路级实现的控制，代之 抽象、高层描述。（向电路级描述的扩 展工作正在进行） Verilog系统级描述能力稍弱。 出现SystemVerilog等系统级描述语言。 （2）HDL不是100%能被综合。 （3）综合器综合出的电路性能不完美。 （4）综合的效果随工具的不同而不同。 71 五、HDL硬件描述语言 4、HDL语言的开发环境 分为： HDL模拟器（仿真器） HDL综合器 相应软件：仿真软件和综合软件 72 仿真类： Model Tech公司的Modelsim Aldec 公司的 Active HDL Cadence公司的NC-Verilog、NC-VHDL、 NC-SIM 综合类： Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro Synopsys公司的FPGA compiler 、 Design Compiler、 Behavior Compiler Mentor公司的 LeonardoSpectrum 73 Altera 公司：Quartus、Maxplus系列 Xilinx 公司：ISE、Foundation、Aillance系列 Lattice 公司：ispEXPERT、ispLEVER 系列 集成化的开发系统（CPLD、FPGA） 74 后仿真后仿真后仿真后仿真（时序验证时序验证时序验证时序验证） 行为级描述行为级描述行为级描述行为级描述（HDL建模建模建模建模） 逻辑综合逻辑综合逻辑综合逻辑综合 寄存器传输寄存器传输寄存器传输寄存器传输（RTL）级描述级描述级描述级描述 ASIC 自动布局布线自动布局布线自动布局布线自动布局布线（工艺映射工艺映射工艺映射工艺映射） 门级网表输出门级网表输出门级网表输出门级网表输出 CPLD/ FPGA 行为级仿真行为级仿真行为级仿真行为级仿真（功能功能功能功能） 门级