EDA技術與FPGA設計應用

摘 要：EDA技術是現(xiàn)代電子設計技術的核心，它在現(xiàn)代集成電路設計中占據重要地位。隨著深亞微米與超深亞微米技術的迅速發(fā)展，FPGA設計越來越多地采用基于VHDL的設計方法及先進的EDA工具。本文詳細闡述了EDA技術與FPGA設計應用。

關鍵詞：電子設計自動化;現(xiàn)場可編程門陣列;復雜可編程邏輯器件;專用集成電路;知識產權;甚高速集成電路硬件描述語言

引言

21世紀是電子信息產業(yè)主導的知識經濟時代，信息領域正在發(fā)生一場巨大變革，其先導力量和決定性因素正是微電子集成電路。硅片技術的日益成熟，特別是深亞微米(DSM，Deep Sub-Micron)和超深亞微米(VDSM，Very Deep Sub-Micron)技術，極大促進了集成電路產業(yè)的快速發(fā)展。

集成電路發(fā)展經歷了電路集成、功能集成、技術集成，直至今天基于計算機軟硬件的知識集成，這標志著傳統(tǒng)電子系統(tǒng)已全面進入現(xiàn)代電子系統(tǒng)階段，這也被譽為進入3G時代，即單片集成度達到1G個晶體管、器件工作速度達到1GHz、數(shù)據傳輸速率達到1Gbps。

EDA(Electronic Design Automation，電子設計自動化)技術基于計算機輔助設計，它融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理技術、智能化技術的最新成果，以實現(xiàn)電子產品的自動設計。EDA是現(xiàn)代電子設計技術的核心，在現(xiàn)代集成電路設計中占據重要地位。FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)作為可編程邏輯器件的典型代表，它的出現(xiàn)及日益完善適應了當今時代的數(shù)字化發(fā)展浪潮，它正廣泛應用在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計中。

EDA技術與FPGA原理

1.EDA技術特征

EDA是電子設計領域的一場革命，它源于計算機輔助設計(CAD，Computer Aided Design)、計算機輔助制造(CAM，Computer Aided Made)、計算機輔助測試(CAT，Computer Aided Test)和計算機輔助工程(CAE，Computer Aided Engineering)。利用EDA工具，電子設計師從概念、算法、協(xié)議開始設計電子系統(tǒng)，從電路設計、性能分析直到IC版圖或PCB版圖生成的全過程均可在計算機上自動完成。

EDA代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向，其基本特征是設計人員以計算機為工具，按照自頂向下的設計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分，由硬件描述語言完成系統(tǒng)行為級設計，利用先進的開發(fā)工具自動完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局布線(PAR，Place And Route)、仿真及特定目標芯片的適配編譯和編程下載，這被稱為數(shù)字邏輯電路的高層次設計方法。

作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的主導技術，EDA具有兩個明顯特征：即并行工程(Concurrent Engineering)設計和自頂向下(Top-down)設計。其基本思想是從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，分為行為描述(Behaviour Description)、寄存器傳輸級(RTL，Register Transfer Level)描述、邏輯綜合(Logic Synthesis)三個層次，將設計內容逐步細化，最后完成整體設計，這是一種全新的設計思想與設計理念。

2.FPGA原理

今天，數(shù)字電子系統(tǒng)的設計方法及設計手段都發(fā)生了根本性變化，正由分立數(shù)字電路向可編程邏輯器件(PLD，Programmable Logic Device)及專用集成電路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)轉變。FPGA與CPLD(Programmable Logic Device，復雜可編程邏輯器件)都屬于PLD的范疇，它們在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計中正占據越來越重要的地位。

FPGA是由用戶編程來實現(xiàn)所需邏輯功能的數(shù)字集成電路，它不僅具有設計靈活、性能高、速度快等優(yōu)勢，而且上市周期短、成本低廉。FPGA設計與ASIC前端設計十分類似，在半導體領域中FPGA應用日益普及，已成為集成電路中最具活力和前途的產業(yè)。同時，隨著設計技術和制造工藝的完善，器件性能、集成度、工作頻率等指標不斷提升，F(xiàn)PGA已越來越多地成為系統(tǒng)級芯片設計的首選。

FPGA由PAL(可編程陣列邏輯)、GAL(通用陣列邏輯)發(fā)展而來，其基本設計思想是借助于EDA開發(fā)工具，用原理圖、狀態(tài)機、布爾表達式、硬件描述語言等方法進行系統(tǒng)功能及算法描述，設計實現(xiàn)并生成編程文件，最后通過編程器或下載電纜用目標器件來實現(xiàn)。

FPGA器件采用邏輯單元陣列(LCA，Logic Cell Array)結構、SDRAM工藝，其中LCA由三類可編程單元組成。

(1)可配置邏輯塊(CLB，Configurable Logic Block)：被稱為核心陣列，是實現(xiàn)自定義邏輯功能的基本單元，散布于整個芯片;

(2)輸入/輸出模塊(IOB，Input/Output Block)：排列于芯片四周，為內部邏輯與器件封裝引腳之間提供可編程接口;

(3)可編程互連資源(PI，Programmable Interconnect)：包括不同長度的連線線段及連接開關，其功能是將各個可編程邏輯塊或I/O塊連接起來以構成特定電路。

全球生產FPGA的廠家很多，但影響力最大的是Xilinx公司和Altera公司，世界上第一片F(xiàn)PGA是在20世紀80年代中期Xilinx公司率先推出的。不同廠家生產的FPGA在可編程邏輯塊的規(guī)模、內部互連線結構及所采用的可編程元件上存在較大差異，實際使用時應注意區(qū)分。