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1、2023/8/20,现代数字系统设计技术,全国大学生电子设计竞赛选拔培训,郭万有2005.5,2023/8/20,数字集成电路、数字系统、EDA,SOC与SOPC,IP 核,基于FPGA/CPLD的数字系统设计,EDA技术与现代数字系统设计,总结,DSP的FPGA实现,附：数字系统应用,2023/8/20,第一节数字集成电路、数字系统、EDA,2023/8/20,标准通用器件（SSI/MSI）微处理器(CPU)、单片机（MCU）等软件组态器件，外围器件(LSI,VLSI)等,1.1 数字集成电路,门阵列（Gate Array）,标准单元(Standard Cell),可编程逻辑器件(Progr
2、ammable Logic Device),PROM,FPLA,PAL,GAL,HDPLD FPGA,ASIC,全定制(Full Custom),半定制(Semi-Custom),EPLD CPLD,2023/8/20,可编程逻辑器件 经历了从PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD到CPLD和FPGA的发展过程，在结构、工艺、集成度、功能、速度和灵活性方面不断地改进和提高。目前,FPGA 已开始采用90nm工艺，集成度可达上千万门，速度可达千兆级，内置硬核、存储器、DSP块、PLL等,支持多种软核,成为理想的SOC设计平台,2023/8/20,VS,2023/8/20,低速数字系统 信号速
3、率：MHz平台：MCU、SSI/MSI、LSI、VLSI中高速数字系统 信号速率：0 MHz 级 平台：DSP、Embedded、高端CPU、CPLD高速数字系统 信号速率:00 MHz 级 平台：FPGA、ASIC现代数字系统 平台：FPGA、ASIC，内嵌DSP、ARM等 数字系统的设计对FPGA及EDA的依赖程度愈来愈高,1.2 数字系统,2023/8/20,单片机系统,2023/8/20,DSP及嵌入式系统,2023/8/20,FPGA系统,2023/8/20,1.3 EDA技术,EDA(Electronic Design Automation)，即电子设计自动化，是汇集计算机应用学、
4、微电子学和电子系统科学最新成果的一系列电子系统设计软件。EDA 经历了三个发展阶段：CAD(Computer Aided Design)阶段(60年代中80年代初)CAE(Computer Aided Engineering)阶段(80年代初90年代)ESDA(Electronic System Design Automation)阶段(90年代初以来的高速发展的阶段),2023/8/20,数字系统EDA主要特征,高层综合(HLS)理论与方法取得进展，推动了行为级综合优化工具的完善与发展。采用硬件描述语言来描述设计：形成了VHDL和Verilog HDL两种标准硬件描述语言；采用 C 语言、M
5、ATLAB描述数字逻辑也已成为现实。采用平面规划(Floorplaning)技术,对逻辑综合和物理版图设计进行联合管理。可测性综合设计。开发了扫描输入、BLST（内建自测试）、边界扫描等可测性设计(DFT)工具，并已集成到EDA系统中。,2023/8/20,著名EDA公司,2023/8/20,第二节 基于可编程逻辑器件的数字系统设计,2023/8/20,2.1可编程逻辑器件结构基本PLD结构,输入电路,与阵列,或阵列,输出电路,输入,输出,输入项,乘积项,或项,2023/8/20,CPLD 结构图,I/O Control Block,2023/8/20,.,IOC,IOC,.,IOC,IOC,
6、.,IOC,IOC,.,IOC,IOC,.,IOC,IOC,.,IOC,IOC,FPGA 结构图,.,IOC,IOC,.,IOC,IOC,.,IOC,IOC,.,IOC,IOC,.,IOC,IOC,.,IOC,IOC,EAB,EAB,嵌入式 阵 列,2023/8/20,2023/8/20,ISE Foundation 包含了业界用于可编程逻辑设计的最先进的时序驱动实现工具，以及设计输入、综合和验证功能。,2.1可编程逻辑器件开发环境,2023/8/20,1.3 可编程逻辑器件开发过程,设计准备,设计输入原理图硬件描述语言,设计综合与实现优化合并、映射布局、布线生成编程文件,功能仿真,时序仿真,
7、器件测试,器件编程,2023/8/20,设计输入路线图,1K-5K,10-100K,100K-1M,1M-10M,1991,1993,1995,1997,1999,2001,2003,2005,Equations,Schematics,RTL,BehavioralVHDL/Verilog,Intellectual Property,MATLABDSP BUilDER,C-CodeSystem C,1,Usable Gates(K),2023/8/20,1.4 基于FPGA设计的特点,PLD改变了传统的数字系统设计方法门级 板级 芯片级,EDA技术极大地提高了设计效率设计输入 设计综合设计实现
8、设计验证,2023/8/20,第三节IP CORE,2023/8/20,IP的定义,IP(Intellectual Property)是知识产权的简称。IP定义为：经过预先设计、预先验证，符合产业界普遍认同的设计规范和设计标准，具有相对独立功能的电路模块；可重用于 SoC或复杂ASIC/FPGA设计中。在工业界，IP常被称为SIP(Silicon IP)或VC(Virtual Component)。在FPGA设计界，IP称为IP 核（IPCore），有硬核(hard core）、软核（soft core)之分.,2023/8/20,来源:Intel public presentations,I
9、P的地位IC产业的三次分工,2023/8/20,工艺发展与设计效率之间的剪刀差,2023/8/20,IP重用对设计生产率的提高,IP模块是设计重用的关键部分，是结束“设计间距”唯一有效的方法，如果没有它，半导体生产商和OEM供应商根本无法达到今天已经达到的水平。,2023/8/20,IP标准化组织,2023/8/20,Altera 公司部分IP Core,2023/8/20,第四节SOC与SOPC,2023/8/20,IC设计发展周期图,许氏循环揭示了集成电路产品沿着“通用”与“专用”波动发展的规律；预测了继SoC之后的下一代的产品将是一种通用器件：可重构SoC SOPC。,SOPC,2023
10、/8/20,系统芯片 SOC,SoC（System on a Chip）,CPU,DSP,Analog,I/F,ROM,PCB（System on a Board）,2023/8/20,SOPC System on a Programmable Chip,2023/8/20,SOPC的途径,2023/8/20,SOPC Builder,SOPCBuilder库中已有的组件：处理器 片内处理器 片外处理器的接口 IP外设 存储器接口 通用的微-外设 通讯外设 桥接口 数字信号处理（DSP）IP 硬件加速外设,2023/8/20,Altera SOPC NiosII BuilderTM,Inter
11、connectPorts,Completed SOPC Architecture,2023/8/20,Altera SOPCNiosII 实验板,2023/8/20,HardCopy 结构化的ASIC,2023/8/20,嵌有IBM PowerPC处理器硬核 MicroBlaze的 FPGA,2023/8/20,第五节DSP的FPGA实现,2023/8/20,Xilinx:多达444个18X18嵌入式乘法器 丰富的DSP算法库 MATLAB/Simulink、Xilinx System Generator for DSP,Altera:,FPGA 的DSP特性,2023/8/20,Altera
12、 FPGA上的DSP块,2023/8/20,在Altera FPGA上实现DSP,2023/8/20,DSP Builder 将与MATLAB、Simulink块和Altera的IP MegaCore功能块组合在一起，从而把系统级的设计和DSP算法的实现连接在一起。DSP Builder允许系统、算法、和硬件设计去共享一个通用的开发平台。,DSP Builder,2023/8/20,Altera DSP 设计流程,2023/8/20,总结,FPGA/CPLD成为现代数字系统设计的主力载体,嵌入式处理器、DSP功能块的完善与开发 主导着当前FPGA结构的发展,EDA软件以IP 核的设计及应用为重
13、要内容,现代数字系统的设计以SOC/SOPC为主要特征,2023/8/20,附：数字系统应用,2023/8/20,单元数字逻辑,信号产生 NCO 数控振荡器 PWM 脉宽调制 PFM 脉频调制 DPLL 数字锁相环。,2023/8/20,单元数字逻辑,信号变换 数字积分/微分 延时/单稳 分频/倍频/混频/频率合成 比例乘法器。,2023/8/20,单元数字逻辑,信号处理 FIR 滤波器 IIR滤波器 FFT谱分析 数字鉴相/频/脉宽/周期 数字调制/解调。,2023/8/20,单元数字逻辑,接口逻辑 EPP/SPI/I2C与并口的转换逻辑 EPP/SPI/I2C与总线的转换逻辑 DPRAM、FIFO、DMA逻辑 PFM 脉频调制 DPLL 数字锁相环。,2023/8/20,简单数字系统,数字钟、音乐演奏系统 DDS、DDFS频率合成系统 CRT光栅扫描系统 LED点阵显示系统 数字接收系统 数字测量系统 ALU系统 自动采集存储系统,2023/8/20,谢谢，再见！,
