杭州电子科技大学 EDA技术1.4 ASIC与FPGAASIC的发展ASIC与FPGA第一章 绪 论杭州电子科技大学 EDA技术数字系统的硬件实现n早期集成电路除了处理器、存储器，就是系列化 、标准化产品，如74系列的数字集成电路。微处理器：CPU、MPU、DSPn应用系统设计者利用不同的集成块，在PCB板上搭 建面向某一应用的电路或系统。1.4 ASIC与FPGAASIC(1)n80年代中期以后，IC工艺与设计技术的发展水平 已使人们可以在单芯片上实现相当规模与复杂功 能的电路，ASIC的概念应运而生：把本需要多个 中小规模集成块完成的某一电路功能集成到一个 芯片上去实现，这就是ASIC：Application Specified Integrated Circuit。1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术ASIC(2)nASIC一般是面向特定应用领域的IC，如音/视频编 解码芯片、网络通信芯片、LCD显示驱动芯片等。n为了加快ASIC产品的开发速度，更快地满足市场 需求，ASIC的设计采取了不同的模式： 门阵列(Gate Array)半定制ASIC 标准单元(Standard Cell)全定制n半定制是在预定设计前提下受约束的设计，目的 是为了简化设计流程，以牺牲芯片性能为代价来 缩短开发时间。1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术门阵列设计n门阵列是预先设计生产好的由基本逻辑门组成的 阵列，只需根据不同电路设计制作互连线，即得 到最后电路。 IO焊盘块单元行单元布线区1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术门阵列基本单元n门阵列是在一个芯片上把门电路排成阵列形式， 门电路的构成是两对或三对共栅或不共栅的P型晶 体管和N型晶体管，称为基本单元。共栅四管单元电路及其版图 不共栅四管单元电路及版图 1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术标准单元设计n标准单元是预先设 计好“标准”(单 元高度一致)的常 用逻辑功能单元库 ，需要时从库中调 用这些单元，经自 动布局布线，得到 电路版图。n需要全套掩膜版， 芯片利用率高。宏 单 元1.4 ASIC与FPGA功 能 模 块杭州电子科技大学 EDA技术全定制ASIC设计n全定制是整个电路从最基本单元电路开始设计， 设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形，可 使每个器件都达到最优。n可以获得最优的电路性能，即面积利用率高、速 度快、功耗低。缺点是开发周期长，费用高，只 适合大批量产品与模拟电路的设计开发。1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术SOCn随着集成度的提高与EDA的发展，ASIC发展 到了SOC：System On Chip 1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术System-on-a-ChipProcessorMemoryExternal Memory InterfaceIPBus MasterUARTWirelessBridgeUSB1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术可编程逻辑器件n可编程逻辑器件(Programmable Logic Device， PLD)是在ASIC基础上发展起来的一种可编程逻辑IC ，是当前数字系统实现的重要硬件平台。n这是一种制造时无明确功能，而由用户应用时通过 软件编程来决定功能的数字IC，使硬件设计工作成 为软件开发工作。n有些PLD可反复擦除，并进行在线编程，在修改和 升级PLD时，不需改变PCB电路板，只是在计算机上 修改和更新程序，缩短了设计周期，提高了实现的 灵活性。1.4 ASIC与FPGA编程工艺n按编程工艺可将PLD分为四类：熔丝（Fuse）和反熔丝（Antifuse）编程器件可擦除的可编程只读存储器（EPROM）电可擦除的可编程只读存储器（EEPROM）SRAM编程器件（如：FPGA） n前3类为非易失性器件，编程后，配置数据保 留在器件上；第4类为易失性器件，掉电后配 置数据会丢失，每次上电后要重新进行数据 配置。1.4 ASIC与FPGA熔丝连接技术ab逻辑1&ab逻辑1&未编程结构 编程结构1.4 ASIC与FPGA反熔丝连接技术ab逻辑1&ab逻辑1&未编程结构 编程结构1.4 ASIC与FPGA可擦除编程n可擦除编程用一种特殊的浮栅MOS管代替熔 丝。在漏、源极间加高电压，同时在控制栅g上加高压正脉冲，可 在浮置栅上注入负电荷，使单元管开启电压升高，控制栅在正 常电压作用下，管子仍处于截止。1.4 ASIC与FPGASRAM编程1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术可编程逻辑器件发展n可编程逻辑器件，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA 几个发展阶段，其中 CPLD/FPGA属高密度可编程 逻辑器件，是目前主要应用的PLD。n它既有ASIC面向特定应用的优点，但又无须经过 掩膜生产，特别适合于样品研制或小批量产品开 发， 使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大 时，它可以很容易地转由掩膜ASIC实现，使开发 风险也大为降低。1.4 ASIC与FPGA可编程逻辑器件分类2.1.1 PLD的发展历程 2.1.2 PLD分类 1.4 ASIC与FPGA可编程逻辑器件结构1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术FPGAnFPGA(Field Programmable Gate Array)是一 种可编程逻辑阵列，内部由可配置的逻辑功能 块排成阵列，四周为可编程的输入/输出功能 块。1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术ASIC与FPGA 设计流程n ASIC与FPGA因后端设计流程不同，因此设计工具也不同。1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术FPGA应用nFPGA的传统应用场合包括：l小规模量产l需要快速上市的产品l原型样品设计lASIC的逻辑验证l专用计算或信号处理n随着FPGA性能、集成度的不断提高，目前FPGA 的规模已可支持实现相当复杂的数字系统，满 足大多数应用的需要，成本也变得可接受，正 在很多场合取代ASIC。1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术FPGA实现的性能FPGA和DSP芯片实现FIR滤波器的速度对比8位FIR滤波器阶数FPGA的处理速度单位： MIPS达到相当速度所需DSP芯片的指令执行速度单位：MIPS8 16 24 32104 101 103 105832 1616 2472 33601.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术16阶8位FIR滤波器综合性能对比1.4 ASIC与FPGA FPGA实现的性能杭州电子科技大学 EDA技术ASIC与FPGA市场1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术数字系统的不同硬件实现全定制标准单元门阵列FPGA 设计时间长较短短短 制造时间长长短无 开发周期长中等短很短 单价低低中等高 芯片面积小中等大很大 速度最快快中等慢n同一个数字系统可用全定制、半定制、FPGA 等不同的硬件形式实现，不同的实现由不同的 特性。1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术不同硬件实现的特性Standard CellGate ArrayFPGAPLDManual VLSI全定制半定制 可编程器件设计开发周期、产品上市时间芯片利用率、电路性能1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术FPGA的发展(1)n随着集成度的提高，目前的FPGA器件内嵌了高速 乘法器、Gbits差分串行接口、微处理器 (PowerPC500MHz，Xilinx)等专用硬核，以提高 性能。nAltera、Xilinx还分别提供了用户可裁剪的RISC 软核Nios、 NiosII（Altera) 和MicroBlaze、 Picoblaze（Xilinx）。n这标志着FPGA的应用范围已扩展到系统级，与 SOC类似，与各种IP核一起，实现SOPC，为嵌入 式系统的开发提供了极大方便。1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术SOPC: System-on-a-Programmable-Chip NIOSEthernet InterfaceARMUARTRAM/ROMFIFOUSBPCIFIR,IIR,FFT DSP BlocksPLLsSDRAM CONTROLVGAPS2MultiplyUnitJPEG CPLSOPC1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术FPGA的发展(2)nFPGA使硬件电路成为可编程的，这为电子系统 的发展应用提供了一系列新的可能：l发现并修正在产品生命期内的错误 l方便修改，增添新的特性，实现可重配置、可重 构的计算l能够通过在线程序运行来修改芯片，甚至通过网 络实现远程升级l实现自适应、可进化的系统1.4 ASIC与FPGA杭州电子科技大学 EDA技术课程安排n本课程主要介绍如何用Verilog HDL描述设计数字 电路与系统的方法，并能在FPGA上进行实现。n课程目的与要求：l了解EDA技术及现代电子设计方法l掌握Verilog HDL语言l掌握常见数字电路与系统的设计方法l掌握相关EDA工具与FPGA开发平台的使用n课程安排：理论课：31030学时实践课：3618学时第一章 绪论参考资料nMichael D.Ciletti,Verilog HDL高级数字设计。nSamir Palnitktar,Verilog HDL数字设计与综合。n夏宇闻,Verilog 数字系统设计教程。nDonald E.Thomas，Philip R.Moorby，刘明业等译， 硬件描述语言Verilog（第四版）。第一章 绪论杭州电子科技大学 EDA技术第一章思考题1、什么是EDA技术？其基本工具有哪些？简述 其在电子信息产业中的作用。 2、什么是EDA技术的自顶向下的设计方法？其 意义何在？ 3、 ASIC 、FPGA之间有什么关系？FPGA在 ASIC设计中有什么用处？ 4、什么是HDL？说明HDL的主要特点，及其对 EDA的重要意义。 5、什么是IP及基于IP的设计？第一章 绪论