《EDA技術(shù)與應(yīng)用》課件第1章 EDA技術(shù)概述與可編程邏輯器件

第1章EDA技術(shù)概述與可編程邏輯器件1.1

EDA技術(shù)1.1.1

EDA技術(shù)的含義

EDA(ElectronicDesignAutomation)，即電子設(shè)計自動化，是隨著集成電路和計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展而產(chǎn)生的一種快速、有效、高級的電子設(shè)計自動化工具。EDA是以計算機(jī)為工作平臺，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)的最新成果而研制成的電子CAD通用軟件包，主要功能是可以輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計工作：集成電路(IntegratedCircuits，IC)設(shè)計、電子電路設(shè)計、印刷電路板(PrintedCircuitsBoard，PCB)設(shè)計。狹義的EDA技術(shù)是指以計算機(jī)為工作平臺，以EDA軟件工具為開發(fā)環(huán)境，以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計載體，以硬件描述語言(HardwareDescriptionLanguage，HDL)為系統(tǒng)邏輯描述的主要方式，自動地完成用軟件方式描述的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、布局布線、邏輯仿真，以及特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒?。廣義的EDA實(shí)際上是EDA工程所涉及的范圍，包括半導(dǎo)體工藝設(shè)計自動化、可編程器件設(shè)計自動化、電子系統(tǒng)設(shè)計自動化、印刷電路板設(shè)計自動化、電子電路仿真與測試、電子產(chǎn)品故障診斷自動化、形式驗證自動化等方面的內(nèi)容。在現(xiàn)代電子設(shè)計領(lǐng)域，EDA技術(shù)已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計的重要手段。利用EDA工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出IC版圖或PCB版圖的整個過程在計算機(jī)上自動處理完成，極大地提高了設(shè)計效率，減少了設(shè)計周期，節(jié)省了設(shè)計成本。1.1.2EDA技術(shù)的發(fā)展歷程從20世紀(jì)70年代起，人們就不斷開發(fā)出各種計算機(jī)輔助設(shè)計工具來幫助設(shè)計人員進(jìn)行集成電路和電子系統(tǒng)的設(shè)計，集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展對EDA技術(shù)提出了新的要求，并促進(jìn)了EDA技術(shù)的發(fā)展。EDA技術(shù)具有豐富的內(nèi)容以及與電子技術(shù)各學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)性，其發(fā)展的歷程同大規(guī)模集成電路設(shè)計技術(shù)、計算機(jī)輔助工程、可編程邏輯器件以及電子設(shè)計技術(shù)和工藝的發(fā)展是同步的。回顧過去幾十年電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展歷程，可將EDA技術(shù)的發(fā)展分為三個階段。1.?CAD階段20世紀(jì)70年代，電子線路的計算機(jī)輔助設(shè)計(ComputerAidedDesign，CAD)是EDA發(fā)展的初級階段。這一階段的主要特征是利用計算機(jī)輔助進(jìn)行IC版圖編輯和PCB布局布線，使得設(shè)計師從傳統(tǒng)的高度重復(fù)、繁雜的繪圖勞動中解脫出來，產(chǎn)生了計算機(jī)輔助設(shè)計的概念。

2.?CAE階段20世紀(jì)80年代，計算機(jī)輔助工程(ComputerAidedEngineering，CAE)的概念出現(xiàn)。與CAD相比，除了純粹的圖形繪制功能外，該階段已具備了設(shè)計自動化的功能，主要是具備了自動布局布線和電路的計算機(jī)仿真、分析與驗證功能。3.?EDA階段20世紀(jì)90年代至今，出現(xiàn)了以高級語言描述、系統(tǒng)仿真和綜合技術(shù)為特征的EDA階段。采用“自頂向下”的設(shè)計順序和“并行工程”的設(shè)計方法，設(shè)計師只需要準(zhǔn)確定義所要設(shè)計的系統(tǒng)，由EDA系統(tǒng)去完成電子產(chǎn)品的系統(tǒng)級到物理級的設(shè)計，就可以進(jìn)行該系統(tǒng)的芯片設(shè)計與制造。進(jìn)入21世紀(jì)后，全定制和半定制專用集成電路正成為新的發(fā)展熱點(diǎn)，專用集成電路的設(shè)計與應(yīng)用必須依靠專門的EDA工具，因此EDA技術(shù)在功能仿真、時序分析、集成電路自動測試、高速印刷電路板設(shè)計及操作平臺的擴(kuò)展等方面都面臨著新的巨大的挑戰(zhàn)。1.1.3EDA的應(yīng)用

EDA在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計與制造等方面都發(fā)揮著巨大的作用。在教學(xué)方面，幾乎所有理工科(特別是電子信息)類的高校都開設(shè)了EDA課程，主要目的是讓學(xué)生了解EDA的基本概念和基本原理，掌握HDL語言編寫規(guī)范，掌握邏輯綜合的理論和算法，使用EDA工具進(jìn)行電子電路課程的實(shí)驗并從事簡單系統(tǒng)的設(shè)計，一般性地學(xué)習(xí)電路仿真工具(如EWB、PSPICE)和PLD開發(fā)工具(如Altera/Xilinx的器件結(jié)構(gòu)及開發(fā)系統(tǒng))，為今后工作打下基礎(chǔ)?？蒲蟹矫嬷饕秒娐贩抡婀ぞ?EWB或PSPICE)進(jìn)行電路設(shè)計與仿真，利用虛擬儀器進(jìn)行產(chǎn)品測試，將CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，復(fù)雜可編程邏輯器件)和FPGA(FieldProgrammableGateArray，現(xiàn)場可編程門陣列)器件實(shí)際應(yīng)用到儀器設(shè)備中，從事PCB設(shè)計和ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits，專用集成電路)設(shè)計等。在產(chǎn)品設(shè)計與制造方面，EDA技術(shù)包括前期的計算機(jī)仿真，產(chǎn)品開發(fā)中的EDA工具應(yīng)用、系統(tǒng)級模擬及測試環(huán)境的仿真，生產(chǎn)流水線的EDA技術(shù)應(yīng)用、產(chǎn)品測試等各個環(huán)節(jié)，如PCB的制作、電子設(shè)備的研制與生產(chǎn)、電路板的焊接、ASIC的流片過程等。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，EDA技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，如前文所說，包括機(jī)械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域，都有EDA的應(yīng)用。另外，EDA軟件的功能日益強(qiáng)大，原來功能比較單一的軟件，現(xiàn)在增加了很多新用途，如AutoCAD軟件可用于機(jī)械及建筑設(shè)計，也可擴(kuò)展到建筑裝潢及各類效果圖繪制、汽車和飛機(jī)的模型設(shè)計、電影特技等領(lǐng)域。1.1.4EDA技術(shù)的發(fā)展趨勢

從目前的EDA技術(shù)來看，其發(fā)展趨勢是政府重視、使用普及、應(yīng)用廣泛、工具多樣、軟件功能強(qiáng)大。中國EDA市場已漸趨成熟，不過大部分設(shè)計工程師面向的是PC主板和小型ASIC領(lǐng)域，僅有小部分(不足20%)的設(shè)計人員在研發(fā)復(fù)雜的片上系統(tǒng)器件。為了與臺灣和美國的設(shè)計工程師形成更有力的競爭，中國的設(shè)計隊伍有必要采用一些最新的EDA技術(shù)。在信息通信領(lǐng)域，要優(yōu)先發(fā)展高速寬帶信息網(wǎng)、深亞微米集成電路、新型元器件、計算機(jī)及軟件技術(shù)、新一代移動通信技術(shù)、信息管理、信息安全技術(shù)，積極開拓以數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代信息產(chǎn)品，發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。要大力推進(jìn)制造業(yè)信息化，積極開展計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)、計算機(jī)輔助工程(CAE)、計算機(jī)輔助工藝(CAPP)、計算機(jī)輔助制造(CAM)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)、制造資源計劃(MRPⅡ)及企業(yè)資源管理(ERP)等。有條件的企業(yè)可開展“網(wǎng)絡(luò)制造”，便于合作設(shè)計、合作制造，參與國內(nèi)和國際競爭；開展“數(shù)控化”工程和“數(shù)字化”工程。自動化儀表技術(shù)的發(fā)展趨勢是測試技術(shù)、控制技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)進(jìn)一步融合，形成測量、控制、通信與計算機(jī)(M3C)一體化結(jié)構(gòu)。在ASIC和PLD(ProgrammableLogicDevice，可編程邏輯器件)設(shè)計方面，向超高速、高密度、低功耗、低電壓方向發(fā)展。外設(shè)技術(shù)與EDA工程相結(jié)合的市場前景看好，如組合超大屏幕的相關(guān)連接、多屏幕技術(shù)也有所發(fā)展。中國自1995年以來加速開發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，先后建立了幾所設(shè)計中心，推動系列設(shè)計活動以應(yīng)對亞太地區(qū)其他EDA市場的競爭。

EDA軟件開發(fā)目前主要集中在美國。但各國也正在努力開發(fā)相應(yīng)的工具。日本、韓國都有ASIC設(shè)計工具，但不對外開放。中國華大集成電路設(shè)計中心也提供IC設(shè)計軟件，但性能不是很強(qiáng)。相信在不久的將來會有更多更好的設(shè)計工具在各地開花并結(jié)果。據(jù)最新統(tǒng)計結(jié)果顯示，中國和印度正在成為電子設(shè)計自動化領(lǐng)域發(fā)展最快的兩個市場，年復(fù)合增長率分別達(dá)到了50%和30%。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和市場需求的不斷增長，EDA開發(fā)工具將得到進(jìn)一步發(fā)展，EDA技術(shù)將朝著ESDA(ElectronicSystemDesignAutomation，電子設(shè)計系統(tǒng)自動化)和CE(ConcurrentEngineering，并行設(shè)計工程)的方向發(fā)展，并促使ASIC和FPGA逐步走向融合。

EDA工具層出不窮，目前進(jìn)入我國并具有廣泛影響的EDA軟件有AltiumDesigner、OrCAD、PCAD、Protel、Multisim12(原EWB的最新版本)、Mentor、QuartusⅡ、MATLAB、LSIlogic、Cadence、MicroSim等。這些工具都有較強(qiáng)的功能，一般可用于幾個方面，例如很多軟件都可以進(jìn)行電路設(shè)計與仿真，同時也可以進(jìn)行PCB自動布局布線，可輸出多種網(wǎng)表文件與第三方軟件接口。下面按主要功能或主要應(yīng)用場合，將這些EDA工具分為電路設(shè)計與仿真工具、PCB設(shè)計軟件、IC設(shè)計軟件、PLD設(shè)計工具及其他EDA軟件進(jìn)行簡單介紹。1.2.1電子電路設(shè)計與仿真工具電子電路設(shè)計與仿真工具包括SPICE/PSPICE、Multisim、MATLAB、SystemView、MMICAD等。下面簡單介紹前三個軟件。1.2EDA軟件系統(tǒng)的構(gòu)成(1)?SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)軟件。這是由美國加州大學(xué)推出的電路分析仿真軟件，是20世紀(jì)80年代世界上應(yīng)用最廣的電路設(shè)計軟件，1998年被定為美國國家標(biāo)準(zhǔn)。1984年，美國MicroSim公司推出了基于SPICE的微機(jī)版PSPICE(Personal-SPICE)?，F(xiàn)在用得較多的是PSPICE9.1，可以說在同類產(chǎn)品中，它是功能最為強(qiáng)大的模擬和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件，在國內(nèi)被普遍使用。最新推出的PSPICE17.2版本，可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出，并在同一窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。使用該軟件無論對哪種器件、哪些電路進(jìn)行仿真，都可以得到精確的仿真結(jié)果，并可以自行建立元器件及元器件庫。

(2)?Multisim軟件。這是美國國家儀器(NI)有限公司推出的電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作為Windows下運(yùn)行的個人桌面電子設(shè)計工具，Multisim是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。其最新版本為Multisim14，目前普遍使用的是Multisim10.0。Multisim的仿真分析功能中，有一種與真實(shí)實(shí)驗完全類似的方式，就是可以從儀器工具欄中提取各種虛擬儀器，采用與真實(shí)儀器相同的使用方法，連接于創(chuàng)建的電路。然后，打開仿真開關(guān)，即可進(jìn)行各種特定功能的仿真分析。這是它與其他EDA軟件最大的區(qū)別，也是它最受教育界推崇的特點(diǎn)。

(3)?MATLAB產(chǎn)品族。這類軟件的一大特性是有眾多的面向具體應(yīng)用的工具箱和仿真塊，包含了完整的函數(shù)集，用來對圖像信號處理、控制系統(tǒng)設(shè)計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特殊應(yīng)用進(jìn)行分析和設(shè)計。它具有數(shù)據(jù)采集、報告生成和MATLAB語言編程產(chǎn)生獨(dú)立C/C++?代碼等功能。MATLAB產(chǎn)品族具有下列功能：數(shù)據(jù)分析，數(shù)值和符號計算，工程與科學(xué)繪圖，控制系統(tǒng)設(shè)計，數(shù)字圖像信號處理，財務(wù)工程，建模、仿真、原型開發(fā)，應(yīng)用開發(fā)，圖形用戶界面設(shè)計等。MATLAB產(chǎn)品族被廣泛地應(yīng)用于信號與圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計、通信系統(tǒng)仿真等諸多領(lǐng)域。開放式的結(jié)構(gòu)使MATLAB產(chǎn)品族很容易針對特定的需求進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對問題的認(rèn)識的同時，提高自身的競爭力。

1.2.2

PCB設(shè)計軟件

PCB設(shè)計軟件種類很多，如Protel、AltiumDesigner、OrCAD、ViewLogic、PowerPCB、CadencePSD、MentorGraphics的ExpeditionPCB、ZukenCadStar、Winboard/Windraft/lvex-SPICE，以及PCBStudio、TANGO等。目前在我國用得最多的應(yīng)屬Protel，下面僅對此軟件作一介紹。Protel是Altium公司在20世紀(jì)80年代末推出的CAD工具，是PCB設(shè)計者的首選軟件。它較早在國內(nèi)使用，普及率最高，有些高校的電路專業(yè)還專門開設(shè)Protel課程，幾乎所有的電路公司都要用到它。早期的Protel主要作為印刷板自動布線工具使用，其最新版本是AltiumDesigner16，現(xiàn)在普遍使用的是Protel99SE。它是個完整的全方位電路設(shè)計系統(tǒng)，包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設(shè)計(包含印刷電路板自動布局布線)、可編程邏輯器件設(shè)計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server(客戶/服務(wù)器)體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其他設(shè)計軟件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、Excel等。Protel使用多層印刷電路板的自動布線，可實(shí)現(xiàn)高密度PCB的100%布通率。Protel軟件功能強(qiáng)大、界面友好、使用方便，但它最具代表性的是電路設(shè)計和PCB設(shè)計。1.2.3IC設(shè)計軟件IC設(shè)計工具很多，按市場所占份額排行，前三名為Cadence、Mentor

Graphics和Synopsys。這三家都是ASIC設(shè)計領(lǐng)域相當(dāng)有名的軟件供應(yīng)商。其他公司的軟件相對來說使用者較少。中國華大公司也提供ASIC設(shè)計軟件(熊貓2000)；另外近來出名的Avanti公司，是原來在Cadence的幾個華人工程師創(chuàng)立的，他們的設(shè)計工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡，非常適用于深亞微米的IC設(shè)計。下面按用途對IC設(shè)計軟件作一介紹。

(1)設(shè)計輸入工具。這是任何一種EDA軟件必須具備的基本功能，像Cadence的Composer，ViewLogic的Viewdraw。硬件描述語言VHDL、Verilog

HDL是主要設(shè)計語言，許多設(shè)計輸入工具都支持HDL。另外像Active-HDL和其他的設(shè)計輸入方法，包括原理和狀態(tài)機(jī)輸入方法，設(shè)計CPLD/FPGA的工具大都可作為IC設(shè)計的輸入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的開發(fā)工具及ModelsimFPGA等。(2)設(shè)計仿真工具。我們使用EDA工具的一個最大好處是可以驗證設(shè)計是否正確，幾乎每個公司的EDA產(chǎn)品都有仿真工具。Verilog-XL、NC-verilog用于Verilog仿真，Leapfrog用于VHDL仿真，AnalogArtist用于模擬電路仿真。Viewlogic的仿真器有Viewsim門級電路仿真器、SpeedwaveVHDL仿真器、VCS-verilog仿真器。MentorGraphics有其子公司ModelTech出品的VHDL和Verilog雙仿真器ModelSim。Cadence、Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器)?，F(xiàn)在的趨勢是各大EDA公司都逐漸用HDL仿真器作為電路驗證的工具。

(3)綜合工具。綜合工具可以把HDL變成門級網(wǎng)表。這方面Synopsys工具占有較大的優(yōu)勢，它的DesignCompile是進(jìn)行綜合的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它還有另外一個產(chǎn)品叫BehaviorCompiler，可以提供更高級的綜合。隨著FPGA設(shè)計的規(guī)模越來越大，各EDA公司又開發(fā)了用于FPGA設(shè)計的綜合軟件，比較有名的有Synopsys的FPGAExpress、Cadence的Synplity、Mentor的Leonardo，這三家的FPGA綜合軟件占據(jù)了市場的絕大部分。(4)布局和布線。在IC設(shè)計的布局布線工具中，Cadence軟件的功能是比較強(qiáng)的，它包含很多產(chǎn)品，可應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)單元、門陣列，且已實(shí)現(xiàn)交互布線，其中最有名的是CadenceSpectra。CadenceSpectra原來應(yīng)用于PCB布線，后來Cadence用它來進(jìn)行IC的布線。CadenceSpectra中的主要工具有Cell3，SiliconEnsemble——標(biāo)準(zhǔn)單元布線器，GateEnsemble——門陣列布線器，DesignPlanner——布局工具。其他各EDA軟件開發(fā)公司也提供各自的布局布線工具。

(5)物理驗證工具。物理驗證工具包括版圖設(shè)計工具、版圖驗證工具、版圖提取工具等。這方面Cadence也是很強(qiáng)的，其Dracula、Virtuoso、Vampire等物理工具有很多的使用者。(6)模擬電路仿真器。前面講的仿真器主要是針對數(shù)字電路的，模擬電路的仿真工具普遍使用SPICE，這是唯一的選擇，只不過是選擇不同公司的SPICE而已，像MicroSim的PSPICE、MetaSoft的HSPICE等。HSPICE現(xiàn)在被Avanti公司收購了。在眾多的SPICE中，HSPICE作為IC設(shè)計，它的模型最多，仿真的精度也最高，頗受青睞。1.2.4

PLD設(shè)計工具PLD(ProgrammableLogicDevice)是一種由用戶根據(jù)需要自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。PLD目前主要有兩大類型：CPLD(ComplexPLD)和FPGA(FieldProgrammableGateArray)。它們的基本設(shè)計方法是借助于EDA軟件，用原理圖、狀態(tài)機(jī)、布爾表達(dá)式、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，最后用編程器或下載電纜，由目標(biāo)器件實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)PLD的廠家很多，但最有代表性的PLD廠家為Altera、Xilinx和Lattice公司。PLD的開發(fā)工具一般由器件生產(chǎn)廠家提供，但隨著器件規(guī)模的不斷增加，軟件的復(fù)雜度也隨之提高，目前由專門的軟件公司與器件生產(chǎn)廠家合作，推出功能強(qiáng)大的設(shè)計軟件。下面介紹主要器件生產(chǎn)廠家和開發(fā)工具。(1)?Altera。Altera在20世紀(jì)90年代以后發(fā)展很快。主要產(chǎn)品有MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。其開發(fā)工具——MAX?+?plusⅡ是較成功的PLD開發(fā)平臺，最新又推出了QuartusⅡ開發(fā)軟件。Altera公司提供較多形式的設(shè)計輸入手段，綁定第三方VHDL綜合工具，例如綜合軟件FPGAExpress、LeonardSpectrum，以及仿真軟件ModelSim。(2)?Xilinx。Xilinx是FPGA的發(fā)明者。Xilinx產(chǎn)品種類較全，主要有XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex等系列，其中的Vertex-ⅡPro器件已達(dá)到800萬門。Xilinx推出的開發(fā)軟件有Foundation和ISE。通常來說，在歐洲用Xilinx產(chǎn)品的人較多，在日本和亞太地區(qū)用Altera產(chǎn)品的人多，在美國則是平分秋色。全球PLD/FPGA產(chǎn)品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以講Altera和Xilinx共同決定了PLD技術(shù)的發(fā)展方向。(3)?Lattice-Vantis。Lattice是ISP(In-SystemProgrammability)技術(shù)的發(fā)明者，ISP技術(shù)極大地促進(jìn)了PLD產(chǎn)品的發(fā)展。與Altera和Xilinx相比，Lattice的開發(fā)工具比Altera和Xilinx的略遜一籌，其中小規(guī)模PLD比較有特色，但大規(guī)模PLD的競爭力還不夠強(qiáng)(Lattice沒有基于查找表技術(shù)的大規(guī)模FPGA)。1999年Lattice推出可編程模擬器件，1999年Lattice收購Vantis(原AMD子公司)，成為第三大可編程邏輯器件供應(yīng)商。2001年12月Lattice收購Agere公司(原Lucent微電子部)的FPGA部門，Lattice的主要產(chǎn)品有ispLSI2000/5000/8000、MACH4/5等。(4)?Actel。Actel是反熔絲(一次性燒寫)PLD的領(lǐng)導(dǎo)者，由于反熔絲PLD抗輻射、耐高低溫、功耗低、速度快，所以在軍品和宇航級市場上有較大優(yōu)勢。Altera和Xilinx則一般不涉足軍品和宇航級市場。

(5)?QuickLogic。QuickLogic是專業(yè)PLD/FPGA公司，以生產(chǎn)一次性反熔絲工藝產(chǎn)品為主，在中國地區(qū)銷售量不大。(6)?Lucent。Lucent的主要特點(diǎn)是有不少用于通信領(lǐng)域的專用IP核，但PLD/FPGA不是Lucent的主要業(yè)務(wù)，其產(chǎn)品在中國地區(qū)使用的人很少。(7)?Atmel。該公司的中小規(guī)模PLD做得不錯。Atmel也做了一些與Altera和Xilinx產(chǎn)品兼容的芯片，但在品質(zhì)上與原廠家的還是有一些差距，在高可靠性產(chǎn)品中使用較少，多用在低端產(chǎn)品上。(8)?ClearLogic。該公司生產(chǎn)與一些著名PLD/FPGA大公司兼容的芯片，這種芯片可將用戶的設(shè)計一次性固化，不可編程，批量生產(chǎn)時的成本較低。(9)?WSI。WSI生產(chǎn)PSD(單片機(jī)可編程外圍芯片)產(chǎn)品。這是一種特殊的PLD，如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、Flash，并支持ISP(在線編程)，集成度高，主要用于配合單片機(jī)工作。PLD(可編程邏輯器件)是一種可以完全替代74系列及GAL、PLA的新型電路，只要有數(shù)字電路基礎(chǔ)，并會使用計算機(jī)，就可以進(jìn)行PLD的開發(fā)。PLD的在線編程能力和強(qiáng)大的開發(fā)軟件，使工程師在幾天，甚至幾分鐘內(nèi)就可完成以往幾周才能完成的工作，并可將數(shù)百萬門的復(fù)雜設(shè)計集成在一顆芯片內(nèi)。PLD技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已成為電子工程師必備的技術(shù)。1.2.5其他EDA軟件(1)?VHDL，即超高速集成電路硬件描述語言(VHSICHardwareDescriptionLanguage)，是IEEE的一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計語言。它源于美國國防部提出的超高速集成電路(VeryHighSpeedIntegratedCircuit，VHSIC)計劃，是ASIC設(shè)計和PLD設(shè)計的一種主要輸入工具。

(2)?VerilogHDL，這是Verilog公司推出的硬件描述語言，在ASIC設(shè)計方面與VHDL平分秋色。(3)其他EDA軟件如專門用于微波電路設(shè)計和電力載波的工具、PCB制作和工藝流程控制等領(lǐng)域的工具等，在此就不作介紹了。

1.3硬件描述語言

硬件描述語言(HardwareDescriptionLanguage，HDL)是一種用于設(shè)計硬件電子系統(tǒng)的計算機(jī)語言，是EDA技術(shù)中的重要組成部分。它用軟件編程的方式來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式。與傳統(tǒng)的門級描述方式相比，HDL更適合大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計。1.3.1

HDL的發(fā)展歷程常用的硬件描述語言有ABEL、VHDL和VerilogHDL，而VHDL和VerilogHDL是當(dāng)前最流行的，并成為IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。下面簡單介紹一下這幾種語言的發(fā)展歷史。(1)?VHDL，1982年由美國國防部推出。1987年，IEEE將VHDL確定為標(biāo)準(zhǔn)，稱為IEEE1076-1987。自IEEE公布了VHDL的標(biāo)準(zhǔn)版本后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL設(shè)計環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計工具可以和VHDL接口。此后，VHDL在電子設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。1993年，IEEE公布了VHDL的新版本VHDL1164，其中增加了一些新的命令和屬性。1996年，IEEE1076.3成為VHDL的綜合標(biāo)準(zhǔn)。

(2)?VerilogDHL，由GDA(GatewayDesignAutomation)公司的PhilipMoorby在1983年末首創(chuàng)，最初只是設(shè)計了一個仿真與驗證工具，之后又陸續(xù)開發(fā)了相關(guān)的故障模擬與時序分析工具。1985年，Moorby推出了第三個商用仿真器Verilog-XL，從而使VerilogHDL迅速得到推廣應(yīng)用。1995年12月，IEEE制定了VerilogHDL的標(biāo)準(zhǔn)IEEE1364-1995。2000年，IEEE公布了Verilog2001標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)大幅度地提高了系統(tǒng)級和可綜合性能。(3)?ABEL(AdvancedBlooleanEquationLanguage，先進(jìn)的布爾方程語言)，由美國DATAI/O公司于1983—1988年推出，用來描述邏輯函數(shù)，可方便設(shè)計者使用PLD來實(shí)現(xiàn)函數(shù)功能。它支持各種行為的輸入方式，包括布爾方程、真值表、狀態(tài)機(jī)等表達(dá)方式。1.3.2

HDL的特點(diǎn)(1)?HDL支持?jǐn)?shù)字電路的設(shè)計、驗證、綜合和測試，可以在行為域和結(jié)構(gòu)域?qū)?shù)字系統(tǒng)建模，并支持這兩個域的所有描述層次。(2)?HDL既是包含一些高級程序設(shè)計語言的結(jié)構(gòu)形式，又是兼顧描述硬件電路連接的具體構(gòu)件。(3)?HDL是并發(fā)的，即具有在同一時刻執(zhí)行多任務(wù)的能力。通常，程序設(shè)計語言是串行的，但在實(shí)際硬件中許多操作都是在同一時刻發(fā)生的，所以HDL語言具有并發(fā)的特征。(4)?HDL有時序的概念。一般來說，程序設(shè)計語言是沒有時序概念的，但在硬件電路中，從輸入到輸出總是有延時存在。為描述這些特征，HDL需要建立時序的概念。因此，使用HDL除了可以描述硬件電路的功能外，還可以描述其時序要求。1.3.3VHDL系統(tǒng)設(shè)計的特點(diǎn)及優(yōu)勢作為IEEE的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，VHDL具有很多其他硬件描述語言所不具備的優(yōu)勢。其特點(diǎn)如下：(1)功能強(qiáng)大，設(shè)計靈活。VHDL擁有強(qiáng)大的語言結(jié)構(gòu)，可以用簡潔的程序描述復(fù)雜的邏輯控制。為了有效地控制設(shè)計的實(shí)現(xiàn)，它具有多層次的設(shè)計描述功能，支持設(shè)計庫和可重復(fù)使用的元件生成；支持層次化設(shè)計和模塊化設(shè)計；支持各種設(shè)計方法，如自底向上的設(shè)計和自頂向下的設(shè)計。同時，VHDL還支持同步、異步和隨機(jī)電路的設(shè)計，這是其他硬件描述語言難以比擬的。(2)與具體器件無關(guān)。設(shè)計人員采用VHDL設(shè)計硬件電路時，并不需要首先確定設(shè)計采用哪種器件，也不需要特別熟悉器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。(3)很強(qiáng)的移植能力。VHDL是一種標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言，同一個設(shè)計的程序可以被不同的工具所支持，使得設(shè)計描述的移植成為可能。(4)強(qiáng)大的硬件描述能力。VHDL具有多層次的設(shè)計描述功能，既可以描述系統(tǒng)級電路，又可以描述門級電路；而描述方式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結(jié)構(gòu)描述，也可以用混合描述方式。另外，VHDL支持慣性延遲和傳輸延遲，以便準(zhǔn)確地建立硬件電路模型。(5)易于共享和復(fù)用。VHDL采用基于庫的設(shè)計方法，可以建立各種可再次利用的模塊。這些模塊可以預(yù)先設(shè)計或使用以前設(shè)計中的存檔模塊，將這些模塊存放到庫中，就可以使設(shè)計成果在設(shè)計人員間進(jìn)行交流和共享，減少硬件電路設(shè)計的工作量。但是，VHDL也并不是一種完美的硬件描述語言，其自身也存在著不足之處，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)對設(shè)計者的硬件電路功底要求較高。(2)系統(tǒng)級抽象描述能力較差。

(3)不具備描述模擬電路的能力。(4)綜合工具生成的邏輯實(shí)現(xiàn)有時并不是最佳的。(5)綜合工具的不同將導(dǎo)致綜合質(zhì)量的不同。1.3.4VerilogHDL的優(yōu)點(diǎn)VerilogHDL不僅定義了語法，而且對每個語法結(jié)構(gòu)都定義了清晰的模擬、仿真語義，也從C語言中繼承了多種操作符和結(jié)構(gòu)。因此，用這種語言編寫的模型能夠使用Verilog仿真器進(jìn)行驗證。VerilogHDL提供了擴(kuò)展的建模能力，其中許多擴(kuò)展最初很難理解，但是，其核心子集非常易于學(xué)習(xí)和使用，這對大多數(shù)建模應(yīng)用來說已經(jīng)足夠。當(dāng)然，完整的硬件描述語言足以對從最復(fù)雜的芯片到完整的電子系統(tǒng)進(jìn)行描述。Verilog具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)通用的HDL，與C語言類似，易學(xué)易用。(2)有大量的單元庫資源。(3)允許對同一個電路進(jìn)行不同抽象層次的描述，包括開關(guān)級、門級、RTL級或行為級描述電路。(4)既可以設(shè)計電路，也可以描述電路的激勵，用于電路的驗證。(5)類似編程，有利于開發(fā)調(diào)試，在設(shè)計前期就可以完成電路功能驗證，節(jié)省費(fèi)用和時間。

(6)具有設(shè)計的工藝無關(guān)性，支持程序綜合。(7)與C語言有PLI接口，設(shè)計者可以通過編寫增加的C語言代碼來訪問Verilog內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展語言功能。對比VHDL，Verilog更靈活、效率更高，能以較少的代碼實(shí)現(xiàn)相同的功能。另外，Verilog擁有一些VHDL沒有的系統(tǒng)函數(shù)，如?$time、$random等。1.4可編程邏輯器件1.4.1可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件(ProgrammableLogicDevice，PLD)是一類半定制的通用型器件，用戶可以通過對PLD器件進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)所需的邏輯功能。與專用集成電路ASIC相比，PLD具有靈活度高、設(shè)計周期短、成本低、風(fēng)險小等優(yōu)勢，因而得到了廣泛應(yīng)用，其各項相關(guān)技術(shù)也迅速發(fā)展起來。PLD目前已經(jīng)成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的重要硬件基礎(chǔ)。PLD從20世紀(jì)70年代發(fā)展至今，已經(jīng)形成了許多類型的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)、工藝、集成度、速度等方面都在不斷完善和提高。目前，Xilinx、Altera、Lattice為主要的PLD生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)的FPGA單品規(guī)?？蛇_(dá)上千萬門，速度可達(dá)550?MHz，采用65?nm甚至更高的光刻技術(shù)。隨著數(shù)字系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度的增長，許多簡單的PLD產(chǎn)品已經(jīng)逐漸退出市場，目前使用最廣泛的可編程器件就是FPGA和CPLD。FPGA和CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)稍有不同。通常，F(xiàn)PGA中的寄存器資源比較豐富，適合同步時序電路較多的數(shù)字系統(tǒng)；CPLD中組合邏輯資源比較豐富，適合組合電路較多的控制應(yīng)用。在這兩類可編程邏輯器件中，CPLD提供的邏輯資源較少，而FPGA提供了極高的邏輯密度、極豐富的特性和極高的性能，目前FPGA已經(jīng)在通信、消費(fèi)電子、醫(yī)療、工業(yè)和軍事等各應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。1.4.2

PLD的分類PLD的各生產(chǎn)廠家有不同的系列和產(chǎn)品名稱，器件結(jié)構(gòu)和分類更是不同，以下是幾種比較通行的PLD的分類方法。1.按集成度分類(1)低密度PLD，PLD中的等效門數(shù)不超過500門，只能完成較小規(guī)模的邏輯電路設(shè)計，如PROM、PLA、PAL和GAL。(2)高密度PLD，PLD中的等效門數(shù)超過500門，可用于設(shè)計大規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)，集成度高，甚至可以做到SOC級，如FPGA和CPLD。2.按互連結(jié)構(gòu)分類(1)確定型，此類PLD互連結(jié)構(gòu)每次用相同的互連線實(shí)現(xiàn)布線，所以線路的時延是可以預(yù)測的。此類PLD包括簡單PLD(PROM、PLA、PAL、GAL)和CPLD。(2)統(tǒng)計型，指設(shè)計系統(tǒng)每次執(zhí)行相同的功能，都能給出不同的布線模式，一般無法確切地預(yù)知線路的時延。此類PLD的典型代表是FPGA。3.按編程元件分類(1)熔絲或反熔絲開關(guān)。熔絲開關(guān)是最早的可編程元件，由熔斷絲組成。它是一次可編程器件，缺點(diǎn)是占用面積大，要求大電流，難于測試，如PROM、PAL和Xilinx的XC5000系列。(2)浮柵編程技術(shù)，用懸浮柵存儲電荷的方法來保存編程數(shù)據(jù)，在斷電時，存儲數(shù)據(jù)不會丟失，如GAL和大多數(shù)CPLD。(3)?SRAM配置存儲器，即使用靜態(tài)存儲器SRAM存儲配置數(shù)據(jù)。大多數(shù)公司的FPGA器件采用了這種編程結(jié)構(gòu)，這種SRAM配置存儲器具有很強(qiáng)的抗干擾性。每次掉電后配置數(shù)據(jù)會丟失，在每次上電時需要進(jìn)行重新配置。4.按可編程特性分類(1)一次可編程，典型產(chǎn)品如PROM、PAL、熔絲和反熔絲型FPGA。(2)重復(fù)可編程，在此類器件中，用紫外線擦除的產(chǎn)品的編程次數(shù)一般為幾十次的量級；用電擦除方式的編程次數(shù)稍多些，采用E2CMOS工藝的產(chǎn)品，擦寫次數(shù)可達(dá)上千次；采用SRAM配置結(jié)構(gòu)的，則被認(rèn)為可實(shí)現(xiàn)無限次編程.1.4.3

PLD產(chǎn)品介紹PLD產(chǎn)品眾多，系列豐富，這里主要介紹以下三種：Altera公司的MAX7000系列、FLEX8000系列和FLEX10K10系列。主要從產(chǎn)品特點(diǎn)、型號、結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行說明。1.?Altera公司的MAX7000系列1)?MAX7000的特點(diǎn)①該系列是以第二代多陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的、高性能的CMOS器件。②高密度，有600～5000個可用邏輯門。③MAX7128E可提供5000個門，其中可用門數(shù)為2500，有128個宏單元，最大I/O引腳達(dá)104個。④引腳到引腳的時延為6?ns，計數(shù)器工作頻率為151?MHz。⑤可配置的擴(kuò)展乘積項，允許向每個宏單元提供52個乘積項。⑥44到208個引腳的各種封裝：引線塑料載體(PLCC)、針柵陣列(PGA)、扁平封裝(QFP)。⑦3.3?V或5?V的電源電壓。⑧具有可編程保密位。⑨AlteraMAX?+?plus軟件提供開發(fā)支持。

2)系列型號該系列結(jié)構(gòu)型號為EPM7032、EPM7032V、EPM7064、EPM7096、EPM7128E、EPM7160、EPM7192、EPM7256。3)?MAX7000的結(jié)構(gòu)MAX7000的結(jié)構(gòu)可分為I/O(輸入/輸出)模塊、FB邏輯陣列模塊(LAB)。這些模塊由可編程互連矩陣相互連接。①專用輸入信號。MAX7000結(jié)構(gòu)包含4個可以作為通用輸入或宏單元和I/O引腳的高速、全局控制信號(時鐘、清除和兩個輸出使能信號)的專用輸入。②邏輯陣列塊(LAB)。每個LAB由16個宏單元組成，多個LAB通過可編程連線陣列互連，每一個LAB有來自PIA的36個信號、用于寄存器輔助功能的控制信號和I/O引腳到寄存器的直接通道。③宏單元。宏單元可以單獨(dú)配置為組合邏輯和時序邏輯工作方式，它由三個功能塊組成：邏輯陣列、乘積項選擇矩陣和可編程觸發(fā)器。④擴(kuò)展乘積項。擴(kuò)展乘積項可以使一個宏單元實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯函數(shù)，而不是使用兩個宏單元。⑤可編程連線陣列。該陣列將各個LAB互連在一起，構(gòu)成所需的邏輯功能。⑥I/O控制塊。允許每個I/O引腳可以單獨(dú)配置為輸入、輸出或是雙向工作方式。2.?FLEX8000系列FLEX是FlexibleLogicElementMatrix的縮寫。該系列采用0.8?μmCMOSSRAM或0.65?μmCMOSSRAM集成電路制造工藝制造。1)?FLEX8000的特點(diǎn)①最大門數(shù)為32?000，具有2500～16?000個可用門和282～1500個觸發(fā)器。②在線可重配置。③可預(yù)測在線時間延遲的布線結(jié)構(gòu)。④實(shí)現(xiàn)加法器和計數(shù)器的專用進(jìn)位通道。⑤3.3?V和5?V電源。⑥MAX?+?plus軟件支持自動布線和布局。⑦84～304個引腳的各種封裝。2)常用型號常用型號為EPF8282、EPF8452、EPF8636、EPF8820、EPF81188、EPF81500。3.FLEX10K10系列該系列采用0.5?μmCMOSSRAM或0.25?μmCMOSSRAM(10K10E系列)集成電路制造工藝制造。1)?FLEX10K10的特點(diǎn)①具有7000～31?000個可用門、6144位RAM、720個觸發(fā)器，最大I/O數(shù)為150。②在線可重配置。③可預(yù)測在線時間延遲的布線結(jié)構(gòu)。④實(shí)現(xiàn)加法器和計數(shù)器的專用進(jìn)位通道。⑤3.3?V或5?V的電源電壓。⑥MAX?+?plus軟件支持自動布線和布局。⑦84～562個引腳的各種封裝。2)常用型號常用型號為EPF10K10、EPF10K20、EPF10K30、EPF10K40、EPF10K50、EPF10K70、EPF10K100等。1.4.4

PLD的配置1.?MAX7000系列由于MAX7000系列的配置程序是固化在芯片內(nèi)的EEPROM中的，因此該系列不需要專用的配置存儲器，所以MAX7000系列產(chǎn)品都由Altera公司提供的編程硬件和軟件進(jìn)行編程。(1)編程硬件包括編程卡、主編程部件(MasterProgrammingUnit，MPU)和配套的編程適配器。(2)編程軟件主要是MAX?+?plusⅡ。2.?FLEX8000系列和FLEX10K10系列該系列產(chǎn)品的配置信息存放在芯片內(nèi)的SRAM中，當(dāng)?shù)綦姾?，配置信息將全部丟失，所以這些配置信息需要存放在其他EPROM中，Altera公司提供了為該系列芯片配套使用的EPROM。所以對芯片的編程就是對EPROM的編程。芯片開始工作時，進(jìn)入命令狀態(tài)，在該狀態(tài)將配置信息從EPROM中讀到自己的SRAM中，然后進(jìn)入用戶狀態(tài)，在用戶狀態(tài)器件就可以按照配置的功能進(jìn)行工作。整個配置過程全部自動進(jìn)行，也可以靠外部邏輯控制進(jìn)行。時鐘可由器件自己提供，也可由外部時鐘控制。所以，整個器件只要更換EPROM中的配置信息就可以更換功能，其靈活性是不言而喻的。該器件有如下配置方式：主動串行配置(AS)、主動并行升址和降址配置(APU和APD)、被動并行同步配置(PPS)、被動并行異步配置(PPA)、被動串行配置(PS)。1)主動串行配置(AS)該配置使用Altera公司提供的EPROM配置(如EPC1213)作為器件的配置數(shù)據(jù)源，配置EPROM以串行位流(bit-stream)方式向器件提供數(shù)據(jù)。FLEX8000DEnCONFIG引腳接電源。使該器件有開機(jī)自動配置能力。2)主動并行升址和降址配置(APU和APD)在該方式，F(xiàn)LEX8000提供驅(qū)動外部PROM地址輸入的連續(xù)地址，PROM則在數(shù)據(jù)引腳DATA[7…0]上送回相應(yīng)的字節(jié)數(shù)據(jù)，F(xiàn)LEX8000Q器件產(chǎn)生連續(xù)地址直至加載完成。對于APU方式，計數(shù)順序是上升的(00000H到3FFFFH)；對于APD方式，計數(shù)順序是下降的。使用并行EPROM以APU或APD方式配置FLEX8000器件。所有FLEX8000芯片通過自己的18條地址線向EPROM提供地址。3)被動串行配置(PS)被動串行配置方式采用外部控制器，通過串行位流來配置FLEX8000，F(xiàn)LEX8000以從設(shè)備的方式通過5條線與外部控制器連接。外部控制器有如下幾種：Altera公司的PL-MPU編程部件和FLEX卸載電纜(downloadcable)；智能主機(jī)(微機(jī)或單片機(jī))；Altera公司的BitBlaster電纜，該電纜與RS232接口兼容。使用Altera的FLEX卸載電纜進(jìn)行被動串行配置時，F(xiàn)LEX的卸載電纜一端接MPU主編程部件的EPROM適配器，另一端與要編程的目的板中的配置FLEX器件連接起來，向FLEX器件提供5個信號，配置數(shù)據(jù)取自MAX?+?plusⅡ軟件編譯形成的SRAM目標(biāo)文件(*.SOF)。4)在線重新配置FLEX8000進(jìn)入用戶狀態(tài)后，隨時都可以置換器件內(nèi)的配置數(shù)據(jù)，這個過程叫做在線重新配置(In-Circuit-Configuration)或在線系統(tǒng)編程(In-System-Programmable)。MAX?+?plusⅡ配置與編程支持該軟件，可以產(chǎn)生四種不同類型的編程文件。(1)?SRAM文件。該文件(SRAMObjectFile)(*.SOF)用于被動串行配置，可使用MAX?+?plusⅡ編程器、FLEX卸載電纜和Altera編程部件將數(shù)據(jù)直接裝入系統(tǒng)中的FLEX8000中。利用該文件可以生成POF、TTF和HEX文件。(2)編程目標(biāo)文件。該文件(ProgrammerObjectFile)(*.POF)用于主動串行配置(AS)Altera的EPROM，MAX?+?plusⅡ軟件為每一個設(shè)計自動生成一個POF文件。

(3)十六進(jìn)制文件(Inter格式文件)。該文件(HexadecimalFile)(*.HEX)是InterHEX格式的ASCII文件。使用APU或APD方式配置FLEX8000時需使用標(biāo)準(zhǔn)的并行EPROM，通用燒錄器可以完成此項工作。(4)列表文本文件。該文件(TabularTextFile)(*.TTF)是一個表格文件，它提供的是逗號分隔開的文件，可以用于PPA、PPS和一位寬的PS方式配置數(shù)據(jù)。1.4.5可編程邏輯器件的發(fā)展歷史及未來趨勢當(dāng)今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會。數(shù)字集成電路本身在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路，發(fā)展到超大規(guī)模集成電路(VLSIC，幾萬門以上)以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠