EDA设计流程及其工具.ppt
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1、EDA设计流程及其工具2.1 FPGA/CPLD 2.1 FPGA/CPLD 设计流程设计流程 FPGA FPGA:现场可编程门阵列现场可编程门阵列 CPLDCPLD:复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件一、这一、这2 2种器件的一般开发流程为:种器件的一般开发流程为:(One Time Programming)功能功能仿真仿真原理图原理图/HDL文本编辑文本编辑综合综合FPGA/CPLD适配FPGA/CPLD编程下载逻辑综合器逻辑综合器结构综合器结构综合器1.功能仿真功能仿真2.时序仿真时序仿真时序与功能时序与功能门级仿真门级仿真FPGA/CPLD 器件和电路系统器件和电路系统1.isp方式
2、下载方式下载2.JTAG方式下载方式下载3.针对针对SRAM结构的配置结构的配置4.OTP器件编辑器件编辑2.1.1 设计输入设计输入(原理图原理图HDL文本编辑文本编辑)1.1.图形输入图形输入 图形输入图形输入 原理图输入原理图输入 状态图输入状态图输入 波形图输入波形图输入1 1、设计输入(原理图、设计输入(原理图/HDL/HDL文本编辑)文本编辑)将需设计的电子系统的功能和结构以图形或文本方式表将需设计的电子系统的功能和结构以图形或文本方式表达。达。1 1)图形输入图形输入:原理图输入、状态图输入、波形图输入:原理图输入、状态图输入、波形图输入原理图方式应用最为广泛原理图方式应用最为广
3、泛,原理图输入对原理图进行功能原理图输入对原理图进行功能验证后再进行编译即可转换为网表文件。验证后再进行编译即可转换为网表文件。但此方法一般仅实用于小电路。对于稍大的电路,其但此方法一般仅实用于小电路。对于稍大的电路,其可读可读性、可移植性差性、可移植性差。波形图主要应用于仿真功能测试时产生某种测试信号波形图主要应用于仿真功能测试时产生某种测试信号;状态图常用于建模中。状态图常用于建模中。2 2)HDLHDL文本输入文本输入:目前主流输入方式,是最有效的方式,:目前主流输入方式,是最有效的方式,其其可读性、可移植性好、便于存档可读性、可移植性好、便于存档。2 综合综合 整个综合过程就是将设计者
4、在整个综合过程就是将设计者在EDAEDA平台上编辑平台上编辑输入的输入的HDLHDL文本、原理图或状态图形描述,依据文本、原理图或状态图形描述,依据给定的硬件结构组件和约束控制条件进行编译、给定的硬件结构组件和约束控制条件进行编译、优化、转换和综合,最终获得门级电路甚至更底优化、转换和综合,最终获得门级电路甚至更底层的电路描述网表文件。由此可见,综合器工作层的电路描述网表文件。由此可见,综合器工作前,必须给定最后实现的硬件结构参数,它的功前,必须给定最后实现的硬件结构参数,它的功能就是将软件描述与给定的硬件结构用某种网表能就是将软件描述与给定的硬件结构用某种网表文件的方式对应起来,成为相应互的
5、映射关系。文件的方式对应起来,成为相应互的映射关系。综合综合l 将前面输入的原理图、将前面输入的原理图、HDLHDL语言描述转化为电路实现的语言描述转化为电路实现的门级网表的过程;门级网表的过程;l 是从抽象到具体实现的关键步骤;是从抽象到具体实现的关键步骤;l 综合的结果不是唯一的;综合的结果不是唯一的;l 为达到性能要求,往往对综合加以约束。为达到性能要求,往往对综合加以约束。VHDL综合器运行流程综合器运行流程、约束条件:在逻辑综合过程中,为优化输出和工艺映射的需要,一定要有相应的约束条件以实现对设计实体的控制。如:面积、速度、功耗、可测性。、工艺库:工艺库将提供综合工具所需要的全部半导
6、体工艺信息。即工艺库不仅含有ASIC单元的逻辑功能、单元面积、输入到输出的定时关系、输出的扇出限制和对单元所需的定时检查。、逻辑综合3步曲:逻辑综合工具将RTL级描述转换为门级描述一般有3步:1).将RTL描述(VHDL程序)转换为未优化的门级布尔描述(布尔逻辑方程的形式)这一步称为“展平”。2).执行优化算法,化简布尔方程,这一步称为“优化”。3).按半导体工艺要求,采用相应的工艺库,把优化的布尔描述映射成实际的逻辑电路(逻辑实现).门级映射网表:过程:取出优化后的布尔描述,并利用工艺库中得到的逻辑和定时上的信息去做网表,网表是对用户所描述的面积和速度指标的一种体现形式。工艺库中存有大量的网
7、表,它们的功能相同,但可以在速度和面积之间权衡。3、适配适配 适配器也称结构综合器,它的功能是将由综合器产生的适配器也称结构综合器,它的功能是将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中,使之产生最终的下载文网表文件配置于指定的目标器件中,使之产生最终的下载文件,如件,如JEDECJEDEC、JamJam格式的文件。适配所选定的目标器件格式的文件。适配所选定的目标器件(FPGA/CPLD(FPGA/CPLD芯片芯片)必须属于原综合器指定的目标器件系列。必须属于原综合器指定的目标器件系列。逻辑综合通过后必须利用适配器将综合后网表文件针对某逻辑综合通过后必须利用适配器将综合后网表文件针对某一具体
8、的目标器件进行逻辑映射操作,其中包括底层器件配一具体的目标器件进行逻辑映射操作,其中包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、逻辑布局布线操作。适配完成后置、逻辑分割、逻辑优化、逻辑布局布线操作。适配完成后可以利用适配所产生的仿真文件作精确的时序仿真,同时产可以利用适配所产生的仿真文件作精确的时序仿真,同时产生可用于编程的文件。生可用于编程的文件。4 4、行为仿真、功能仿真、时序仿真、行为仿真、功能仿真、时序仿真 仿真就是让计算机根据一定的算法和一定的仿真库对仿真就是让计算机根据一定的算法和一定的仿真库对EDAEDA设计进行模拟,以验证设计,排除错误。设计进行模拟,以验证设计,排除错误。1 1)行
9、为仿真:)行为仿真:此时的仿真只是根据此时的仿真只是根据VHDLVHDL的语义进行的,与具体电路的语义进行的,与具体电路没有关系。没有关系。2)功能仿真:)功能仿真:直接对直接对VHDL、原理图描述或其他描述形式的逻辑功能、原理图描述或其他描述形式的逻辑功能进行测试模拟,以了解其实现的功能是否满足原设计的要进行测试模拟,以了解其实现的功能是否满足原设计的要求的过程,仿真过程不涉及任何具体器件的硬件特性,如求的过程,仿真过程不涉及任何具体器件的硬件特性,如延时特性。延时特性。3)时序仿真:)时序仿真:接近真实器件运行特性的仿真,仿真文件中已包含了接近真实器件运行特性的仿真,仿真文件中已包含了器件
10、硬件特性参数,仿真精度高。器件硬件特性参数,仿真精度高。5 5、编程下载、编程下载 将适配后的下载文件,通过通信电缆或专用编程器写至将适配后的下载文件,通过通信电缆或专用编程器写至相应目标器件的过程。相应目标器件的过程。FPGA与与CPLD的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作原理。通常的分类方法的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作原理。通常的分类方法为:为:将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为CPLD,它所产生的是熔丝图文件,它所产生的是熔丝图文件即即JEDEC文件(简称文件(简称JED文件)。如文件)。如Lattice的的ispLSI系列、系列
11、、Xilinx的的XC9500系列、系列、Altera的的MAX7000S系列和系列和Lattice(原原Vantis)的的Mach系列等。系列等。将以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为将以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为FPGA,它所产生的是位流数据文,它所产生的是位流数据文件。如件。如Xilinx的的SPARTAN系列、系列、Altera的的FLEX10K或或ACEX1K系列等。系列等。器件编程需要满足一定的条件,器件编程需要满足一定的条件,如编程电压、如编程电压、编程时序和编程算法等。编程时序和编程算法等。普通的普通的EPLD/CPLD器件和器件和一次性编程的一次性编程的FPGA需
12、要专用的编程器完成器件的编需要专用的编程器完成器件的编程工作。程工作。基于基于SRAM的的FPGA可以由可以由EPROM或其它存或其它存储体进行配置。储体进行配置。在线可编程的在线可编程的PLD器件不需要专门的器件不需要专门的编程器,编程器,只要一根编程下载电缆就可以了。只要一根编程下载电缆就可以了。6、硬件测试、硬件测试 将含有载入了设计的将含有载入了设计的FPGA或或CPLD的硬件系统进行统一的硬件系统进行统一测试,以便最终验证设计项目在目标系统上的实际工作情况。测试,以便最终验证设计项目在目标系统上的实际工作情况。实验开发系统实验开发系统 九十年代以来,集成电路工艺发展非常迅速,已从亚微
13、米(0.5到1微米)进入到深亚微米(小于0.5微米),进而进入到超深亚微米(小于0.25微米)。其主要特点:特征尺寸越来越小 芯片尺寸越来越大 单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快 电源电压越来越低 布线层数越来越多 I/O引线越来越多一、集成电路工艺的发展特点和规律一、集成电路工艺的发展特点和规律2.2 ASIC及其设计流程及其设计流程年份 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012最小线宽 0.25 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.01 (m)DRAM容量 256M 1G 1G4G 4G 16G 64G 256G每片晶体管数 11 21
14、 40 76 200 520 1400 (M)芯片尺寸 300 440 385 430 520 620 750(平方毫米)频率(兆赫)750 1200 1400 1600 2000 2500 3000金属化层层数 6 6-7 7 7 7-8 8-9 9最低供电电压 1.8-2.5 1.5-1.8 1.2-1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.5-0.6 (v)最大晶圆直径 200 300 300 300 300 450 450 (mm)发展规划代次的指标发展规划代次的指标 1、集成电路发展的方向 1)在发展微细加工技术的基础上,开发超高速、超高集成度的电路。2)迅速、全面
15、地利用已达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装技术、和测试技术等发展各种专用集成电路(ASIC)。二、IC发展方向与我国IC的发展情况 从另一个角度来说,进入90年代以来,电子信息类产品的开发明显地出现了两个特点:1、开发产品的复杂程度加深,出现SOC;2、开发产品的上市时限紧迫。2、我国集成电路的发展现状2002年中国信息技术趋势大会上专家指出的IC技术是IT领域热点技术之一;IC是整个电子信息产业乃至国民经济的基础。目前我国的半导体集成电路生产分为三大类:IC设计公司(Fabless,无生产线)国内半导体芯片厂家的主流产品是5至6英寸硅片,大约占总量的三分之二强。随着上海华虹NEC公司8
16、英寸生产线的投产,6至8英寸硅片的需求量将上升。芯片加工厂(Foundry)我国集成电路芯片制造业现己相对集中,主要分布在上海、北京、江苏、浙江等省市。后工序(测试、封装、设备)其中IC设计以人为主,脑力密集型,属高回报产业。3、我国集成电路生产能力方面:93年生产的集成电路为1.78亿块,占世界总产量的0.4%,相当于美国1969年的水平,日本1971年的水平。96年为7.09亿块,而1996年国内集成电路市场总用量为67.8亿块,国内市场占有率仅为10。99年为23亿块,销售额70多亿元,国内市场占有率不足20,绝大部分依靠进口。2000年需求量为180亿块,预计可生产32亿块。总之,我国
17、集成电路产业的总体发展水平还很低,与国外相比大约落后15年。但是,目前已具备0.25微米芯片设计开发和0.18微米芯片规模生产能力,以“方舟”、“龙芯”为代表的高性能CPU芯片开发成功,标志着我国已掌握产业发展的部分重大核心技术。三、三、IC分类分类(一)按功能结构分类(一)按功能结构分类集成电路按其功能、结构的不同,可以分为模拟集成电路数字集成电路和数/模混合集成电路三大 模拟集成电路又称线性电路用来产生、放大和处理各种模拟信号(指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号录放机的磁带信号等),其输入信号和输出信号成比例关系。数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号(指在时间上和幅
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