VHDL课件第一章-概述

1、VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 为什么要运用硬件描述语言（HDL)进行 集成电路设计？ VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 1947年年12月月23日日 第一个点接触式第一个点接触式 NPN Ge晶体管晶体管 发明者：发明者： W. Schokley J. Bardeen W. Brattain VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 1958年世界上第一块集成电路：年世界上第一块集成电路：锗衬底上形成台面双极晶体管和锗衬底上形成台面双极晶体管和 电阻，总共电阻，总共1212个器件，用个器件，用超声焊接引线将器件连起来。

2、超声焊接引线将器件连起来。 VHDL课件第一章-概述 Kilby 的专利（1964年） VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 Noyce的专利 （1961年） VHDL课件第一章-概述 SSIMSILSIVLSIULSIGSI 元元件件数数109 门门数数108 集成电路经历了从小规模集成（集成电路经历了从小规模集成（SSI）、中规模）、中规模 集成（集成（MSI）、大规模集成（）、大规模集成（LSI）和超大规模集成电）和超大规模集成电 路路(VLSI)、而达到目前的特大规模集成电路、而达到目前的特大规模集成电路(ULSI)时时 代代 ，目前还有人提出了

3、，目前还有人提出了GSI的说法。的说法。 集成电路的功能也不断增强集成电路的功能也不断增强 VHDL课件第一章-概述 正向设计是指由电路指标、功能出发，进行逻辑设计正向设计是指由电路指标、功能出发，进行逻辑设计(子系子系 统设计统设计)，再由逻辑图进行电路设计，最后由电路进行版图设计，再由逻辑图进行电路设计，最后由电路进行版图设计， 同时还要进行工艺设计。同时还要进行工艺设计。 VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 全定制方法是指在系统功能设计、逻辑和电路 设计完成以后，在优化每个器件的电路参数和器件 参数的情况下，通过人机交互

4、图形系统，人工设计 版图中的各个器件和连线，以获得最佳性能(速度 和功耗等)和最小芯片尺寸. 全定制方法是一种以人工设计为主的设计 VHDL课件第一章-概述 一一.有通道门阵列法 门阵列设计技术是在一个芯片上把形状和尺才相同的单元排 列成阵列形式，每个单元内部包含若干个器件，单元之间留有布 线通道，通道宽度和位置固定， 并预先完成接触孔和连线以外的 所有芯片加工步骤，形成母片然后根据不同的应用，设计出不 同的接触孔版和金属连线版，在单元内部连线以实现某种门的功 能，再通过单元间连线实现所需的电路功能 是一种母片半定制技术 逻辑单元行 布线 通道 门阵列母 片 I/O及压 焊块 VDD GND

5、polysilicon metal possible contact 未使用的单元 In1 In2In3 In4 Out 已经使用的单元 (4-输入 NOR) VHDL课件第一章-概述 定制设计方法 VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 Brodersen92 VHDL课件第一章-概述 是一种已完成了全 部工艺制造的.可以直 接从市场上购得的产 品,刚购来时它不具有 任何逻辑功能,但一经 编程就可以在该器件 上实现设计人员所要 求的逻辑功能. VHDL课件第一章-概述 特点:采用熔断丝、电写入等方法对已制备好 的PLD器件实现编程，利用相应的开发工具就 可完成设计，不需要设计人员

6、承担投片风险和 费用，资金投入小。用户可以反复地编程，以 实现不同的功能。使用FPGACPLD进行电路 设计时，不需要具备专门的IC(集成电路)深层 次的知识，使设计人员更能集中精力进行电路 设计，快速将产品推向市场。 随着VlSI(Very Large Scale IC，超大规 模集成电路)工艺的不断提高，FPGACPLD 芯片的规模也越来越大，它所能实现的功能也 越来越强，目前可以实现系统集成(sopc)。 VHDL课件第一章-概述 二.集成电路设计方法和工具的变革 1.原始的手工设计 随着世界上第一块集成电路的问世，手工设计方法也就诞生了。 在IC设计的所有步骤上、完全依靠手工操作。人脑

7、通过纸和笔，完 成了初步的功能设计、逻辑设计、直至电路设计之后，用分立的元 器件搭制起硬件模拟电路。让信号通过这一模拟电路，以验证其功 能及各项参数是否满足原设计的要求。在接下来的版图设计阶段， 也完全采用人工进行布局布线。凭眼力或感觉反复调整与斟酌。 确定最佳排版案使之遵从面积最小、连线最短原则。然后，用尺和 笔在方格纸上绘制版图分层剥刻红膜，逐一检查整套版中每一层 红膜的每一个孔是否存在漏剥漏刻等等之类的错误。然后用这套红 膜去拍照制版加工出流片所需的光刻掩膜板。 接下来是试制流片。整个流片过程中的工艺设计也是人工的。若 需采取新工艺或调整一些工艺参数，则须通过工艺线上一丝不苟的 实验。最

8、后，整个IC芯片试制的成功与否设计的正确与否，尤其 是版图及其之后设计部分的正确性，都只有等到最终测试了流片结 果后才能知晓。 VHDL课件第一章-概述 依据以上的简单介绍，手工设计的缺点也是显而易见的，可以 将它归纳为以下几个方面： (1)文档管理、修改十分不便。对于小规模电路而言，也许只是 增加了一些工作量而己，而随着设计规模的增大，面对几十张，甚 至上百张的逻辑设计图采用手工设计、查错，实际上已经是不可想 象的事情。 (2)只有等到设计的最后阶段才能进行实测分析。通常的方法是 先用分立元件搭样机,通过样机实测，确定所设计的功能是否可以实 现，然后再转入版图设计,等到芯片流片完成后才能获得

9、测试结果。 也就是说，任何一步出了问题，只有到最后才能观测到，因而提 高了设计成本. (3)整个设计过程与工艺相关，没有互换性。对不同的流片厂家, 不同的流片工艺，版图都必须加以重新设计。 手工设计方法主要应用于早期的小规模IC。 VHDL课件第一章-概述 2.第一代EDA（计算机辅助设计CAD) 针对手工设计所面临的困难，CAD技术出现了。随着计算机软件 技术的渗透，各种各样的计算机模拟软件，比如线路模拟、逻辑模 拟、时序模拟、器件模拟、 工艺模拟等软件先后问世、构成了早期 ICCAD技术的主要内涵。 lCCAD除了众多的模拟软件之外。还有一个大的方向即是计 算机也介入丁IC的版图设计领域。

10、版图设计一直是一个费时费力又 十分关键的工作、一般可分为两个环节：一是 总体布图(布局布线)。 又称排版，二是版图的具体绘制。一般早期的ICCAD软件尚不具 备自动的布局布线功能、还只能从事简单的第二步工作、即利用已 有的商品化图 形软件包来辅助设计人员进行交互式的以图形编辑为 主的版图绘制工作。设计人员通过构思，大体上完成了版图的排版 工作之后就可以利用数字化仪、鼠标或光笔等，在计算机上 对版 图进行初步绘制和编辑。这实际上是利用计算机对图形调用、移动、 旋转、缩放、修 改、重复等操作的能力。快速精确地绘制出满足精 度要求的版图经过进一步的检查与调 控形成适合于制版需要的版 图数据文件交由工

11、厂制作掩膜板. VHDL课件第一章-概述 3.第二代EDA（计算机辅助工程CAE系统） 到了80年代，为了适应电子产品在规模和制作上的需要，出现 了以计算机仿真和自动 布线为核心技术的第二代EDA工具。产生了 计算机辅助工程CAE的概念。 这些电子设计工具的主要特征为：硬件采用工作站，软件功能 为原理图的输入、模拟验证、逻辑综合、芯片布图、印刷电路 板布 图等。随着工程数据库技术的发展，这些电子设计工具都提供了元 件库。如用于原理 图的通用元件逻辑电路图库、各种常用元件接插 件的封装库等。标准元件库的建立，使设 计工作方便快捷。这个阶 段的特点是以软件工具为核心，通过这些软件完成产 品开发的设

12、计、 分析、生产、测试等项工作。 VHDL课件第一章-概述 4.第三代EDA 进入90年代，芯片的复杂程度越来越高，单是依靠原理图输入 方式已不堪承受，采用硬件描述语言HDL的设计方式应运而生。90 年代后期，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征 的第三代EDA 工具。主要特征是自动化程度提高，人工干预减少， 电子设计由辅助手段变为主要手段。 未来EDA的发展趋势是高度自动化，设计者从事概念设计或者 是电子系统的“行为设 计”，而大部分工程中的技术问题，由EDA 工具解决。 EDA工具的出现，极大地提高了系统设计的效率，缩短了产品 的研制周期。 VHDL课件第一章-概述 VHDL课

13、件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 SystemC VHDL Verilog HDL SystemVerilog VHDL课件第一章-概述 硬件描述语言VHDL VHDL课件第一章-概述 VHDL课件第一章-概述 VHDL的特点 优点： （1）功能强大、设计灵活 （2）强大的系统硬件描述能力 （3）移植能力强 （4）VHDL语法规范、标准，易于共享与复用 （5）支持广泛，易于修改 （6）与工艺无关 （7）易于ASIC移植 （8）上市时间短，成本低 缺点： （1）不具有描述模拟电路的能力 （2）综合工具生成的逻辑实现有时并不是最佳 （3）

14、EDA工具的不同导致综合质量的不同 VHDL课件第一章-概述 集成电路的设计过程：集成电路的设计过程： 设计创意设计创意 + + 仿真验证仿真验证 功能要求功能要求 行为行为（VHDL） Sing off 集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架 是是 行为仿真行为仿真 综合、优化综合、优化网表网表 时序仿真时序仿真 布局布线布局布线版图版图 后仿真后仿真 否否 是是 否否 否否 是是 设计业设计业 VHDL课件第一章-概述 把抽象的实体结合成单个或统一的实体。把抽象的实体结合成单个或统一的实体。 图图1-2 编译器和综合功能比较编译器和综合功能比较 （A）软件语言设计目标流程 （B）

15、硬件语言设计目标流程 C、ASM 程序 软件程序编译器 COMPILER CPU指令/数据代码： 010010 100010 1100 VHDL/VERILOG 程序 硬件描述语言综合器 COMPILER 为ASIC设计提供的电路网表文件 QD JQ K （a） （b） SYNTHESIZER VHDL课件第一章-概述 图图1-3 VHDL综合器运行流程综合器运行流程 VHDL 程序 工艺库 约束 图表 VHDL 综合器 VHDL课件第一章-概述 目标：是完成专用集成电路目标：是完成专用集成电路ASIC的设计和实现的设计和实现 EDA技术 ASIC设计 FPGA/CPLD 可编程ASIC 设计

16、 混合 ASIC 设计 门阵列（MPGA） 标准单元（CBIC） 全定制（ASIC） ASIC设计 数字ASIC 图图1-1 EDA技术实现目标技术实现目标 VHDL课件第一章-概述 图图1-4 自顶向下的设计流程自顶向下的设计流程 1设计说明书 2建立VHDL行为模型 3VHDL行为仿真 4VHDL-RTL级建模 5前端功能仿真 6逻辑综合 7测试向量生成 8功能仿真 9结构综合 10门级时序仿真 11硬件测试 12设计完成 VHDL课件第一章-概述 一般一般ASIC设计的流程设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流

17、程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 2.2.2 一般ASIC设计的流程 图图2-4 ASIC设计流程设计流程 VHDL课件第一章-概述 1、 设计输入编辑器设计输入编辑器 2、 HDL综合器综合器 FPGA Compiler II、DC-FPGA综合器、综合器、 Synplify Pro综合器、综合器、LeonardoSpectrum综合综合

18、 器和器和Precision RTL Synthesis综合器综合器 3、 仿真器仿真器 VHDL仿真器仿真器 Verilog仿真器仿真器 Mixed HDL仿真器仿真器 其他其他HDL仿真器仿真器 4、 适配器适配器 5、 下载器下载器 VHDL课件第一章-概述 图图1-9 Quartus II设计流程设计流程 VHDL课件第一章-概述 可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证 有各类库的支持有各类库的支持 某些某些HDLHDL语言也是文档型的语言语言也是文档型的语言( (如如VHDL) VHDL) 日益强大的逻辑设计仿真测试技

19、术日益强大的逻辑设计仿真测试技术 设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞 良好的可移植与可测试性，为系统开发提供了可靠的保证良好的可移植与可测试性，为系统开发提供了可靠的保证 能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中 自动设计能力、不同内容的仿真模拟、完整的测试自动设计能力、不同内容的仿真模拟、完整的测试 VHDL课件第一章-概述 在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能 可编程逻辑器件开始进入传统的可编程逻辑器件开始进入传统的ASIC市场市场 EDA工具和工具

20、和IP核应用更为广泛核应用更为广泛 高性能的高性能的EDA工具得到长足的发展工具得到长足的发展 计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的SoC设计提供了设计提供了 物理基础。物理基础。 VHDL课件第一章-概述 SOC SOC 其他接 口模块 ARM/ POWER PC 等 VHDL课件第一章-概述 SOCSOC： SYSTEM ON A CHIPSYSTEM ON A CHIP SOPCSOPC： SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIPSYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIP SOPC SOPC NIOS Ethernet

21、 Interface ARM UARTUART RAM/ROM FIFO USB PCI PCI DSP Blocks PLLs SDRAM CONTROL VGAPS2 Multiply Unit JPEG CPL FIR，IIR，FFT VHDL课件第一章-概述 大规模大规模FPGAFPGA NiosNios嵌入式嵌入式 系统系统IPIP软核软核 Flash ROM 固体硬盘 SRAM 内存 SDRAM 内存 嵌入式Bios嵌入式ROM嵌入式RAM 嵌入式FIFO SDRAM控 制模块 硬件DSP模块 RS232 CAN控制器 DMA VGA控制器 RS232接口电路 PS2键盘接口 PS2鼠标接口Ethernet接口 内部时钟PIC接口 浮点算术协处理器 VGA接口 PS/2键盘/ 鼠标接口 D/A接口 A/D接口 LCD接口 LED接口 USB控制器 UART FIFO 并行接口 图象或语音 采