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1、EDA 技术及应用 电子工程学院 课程简介 教学安排 教学内容 理论教学 1 18周 36学时 实验 教学 5个实验 15学时 考 试 实验 20 笔试 80 基于FPGA芯片的VHDL数字系统设计 方法 参考教材 EDA技术及应用 朱正伟主编 清华大学出版社 讲授内容 1 6章及第7章部 分内容 重点为5 6章 课程简介 1 实现 用于综合的代码的 VHDL 部分 确定行为和结构 编码风 格之间的差异 2 区分用于综合的代码和用于仿真的代码 3 利用标量和复合数据类型来表达信息 4 掌握用并行和顺序语句描述电路结构的方法 5 实现 常见数字逻辑结 构 组合逻辑 时序控制电路 重点 有限状态机
2、 FSM 6 对基础 VHDL 设计进 行仿真 编写 VHDL 测试 平台 程序 教学目的 参考教材及学习资 源 VHDL与数字电路设计 卢毅编著 科学出版社 EDA技术与VHDL 第2版 潘松编著 清华大学出版社 Verilog数字系统设计 教程 夏宇闻编 著 北京航空航 天大学出版社 VHDL开发精解与实例剖析 詹仙宁主编 电子工业出版社 参考网络资 源 ednchina VHDL语言的基本知识 EDA技术及其发展 常用EDA工具介绍 1 2 3 4 EDA 技术及应用 MAXPLUS II 简介5 EDA工程设计流程 1 EDA技术及其发展 EDA技术的涵义 EDA技术的发展历程 ASI
3、C设计 为什么要使用FPGA 智能手机中的FPGA应用 EDA技术的涵义 1 什么是EDA Electronic Design Automation 电电子设计设计 自动动化 EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的 计算机软件系统 是指以计算机为工作平台 融合 了应用电子技术 计算机技术 信息处理及智能 化技术的最新成果 进行电子产品的自动设计 利用EDA工具 电子设计师 可以从概念 算法 协议等开始设计电 子系统 大量工作可以通过计算 机完成 并可以将电子产品从电路设计 性能分析 到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上 自动处理完成 EDA技术的涵义 广义义上的EDA定义义
4、现在对EDA的概念或范畴用得很宽 包括 在机械 电子 通信 航空航天 化工 矿产 生物 医学 军事等各个领域 都有EDA的应用 目前EDA技术已在各大公 司 企事业单 位和科研教学部门广泛使用 例如在飞机制造 过程中 从设计 性能测试 及特性分析直到飞行模拟 都可能 涉及到EDA技术 本课课程所指的EDA技术术 主要针对电 子电路设计 以大规模可 编程逻辑 器件为设计载 体 以硬件描述语言为系统逻辑 描 述的主要表达方式 以计算机 大规模可编程器件的开发软 件为设计 工具 自动完成用软件方式描述的电子系统设计过 程 最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门多学科融 合的新技术 EDA技术的发展
5、历程 CAD 计计算机辅辅助设计设计 可完成图图形 逻辑逻辑 图图 版图图 输输入与 编辑编辑工作 20世纪纪70年代 OrCAD Tango Protel CAE 计计算机辅辅助工程 解决电电路设计设计没有 完成之前的功能检测检测 应应用于PAL和GAL 20世纪纪80年代初 EDA l电电子设计设计自动动 化 l20世纪纪90年代 l代表技术术 硬件 描述语语言 VHDL Verilog HDL 及高性能 综综合工具 l未来 SOC 面 向系统级统级开发发 ASIC设计 ASIC Application Specific Intergrated Circuits 即专专用集成 电电路 是指
6、应应特定用户户要求和特定电电子系统统的需要而设计设计 制造 的集成电电路 与FPGA相同 是数字信号处处理算法的电电路实现实现 方法 全定制ASIC ASIC与FPGA 的关系 为为什么使用 FPGA 速度快 体积小 重量轻 功耗低 设计成本高 设计周期长 FPGA属于半定制ASIC 可编程 开发周期短 开发成本低 IP核 SOPC 28nm制造工艺 FPGA在智能手机设计中的应用 为什么使用FPGA IP Intellectual Property 内核模块 是一种预先设计好的甚至已 经过验证 的具有某种确定功能的集成电路 器件或部件 在FPGA应用中一般分为软核和硬核两种 软软核 是用VH
7、DL等硬件描述语言描述的功能块 它已经过行为级设计 优化和功能验证 但其中不含有任何具体的物理信息 据此 用户可 以综合出正确的门电路级网表 并可以进行后续结构设计 具有最大 的灵活性 可以很容易地借助于EDA综合工具与其他外部逻辑电 路结 合成一体 根据各种不同的半导体工艺 设计成具有不同性能的器件 可以商品化的软IP内核一般电路结构总门数都在5000门以上 软IP 内核又称作虚拟器件 由于软核是以源代码的形式提供 尽管源代码可以采用加密方法 但其知识产权 保护问题 不容忽视 为什么使用FPGA 硬核 提供设计阶 段最终阶 段产品 已经过 完全的布局布线 的网表形式提供 这种硬核既具有可预见
8、 性 同时还 可以针对 特定工艺或购买 商进行功耗和尺寸上的优化 尽管硬核由于缺乏灵活性而可移植性差 但由于无须 提供寄存器转移级 RTL 文件 因而更易于实现 IP保护 Altera IP Solutions Strategy Focus in house development on High speed I O interconnect technologies PCI Express Serial RapidIO Ethernet SerialLite II memory controllers DSP applications Video and image processing a
9、nd general purpose Embedded market Nios II embedded processors peripherals and design environment Leverage third party partners for additional products and expertise Complete solutions Flexible high quality IP cores Proven validation using development kits Reference designs to kick start system desi
10、gn Interoperability testing for key I O protocols Altera IP Portfolio Processors and peripherals DSP n32 16 bit Nios II embedded processor nSOPC Builder peripherals SRAM SDR SDRAM Flash Timer UART Serial peripheral interface SPI Programmable I Os nFilters and transforms Finite impulse response FIR F
11、ast Fourier transform FFT Cascaded integrator comb CIC nError correction and detection Viterbi Reed Solomon Turbo nModulation and demodulation Numerically controlled oscillator NCO Digital video broadcast DVB nVideo and image processing H 264 decoder JPEG encoder decoders MPEG 2 4 CODECs Color space
12、 converter Scaler 2D FIR filter 2D median filter Line buffer compiler Gamma corrector Chroma resampler Deinterlacer Alpha blending mixer Clocked video input Clocked video output Frame buffer Clipper Color frame sequencer Altera IP Portfolio Continued nCommunications Packet over SONET POS PHY 2 3 and
13、 SPI 4 2 8B 10B Utopia Cyclical redundancy check CRC nEthernet 10 100 1000 Mbps media access control MAC and physical coding sublayer PCS 10 Gbps MAC and PCS 1588 industrial Ethernet Any speed MAC nHigh speed RapidIO standard HyperTransport technology SerialLite II nPCI 32 64 bit PCI PCI X PCI Expre
14、ss x1 x4 x8 nSerial USB 2 0 function I2C nVideo Serial digital interface SDI Asynchronous serial interface ASI nDirect memory access DMA DMA controller Scatter gather DMA nSDRAM DDR DDR2 SDRAM controllers DDR DDR2 DDR3 SDRAM high performance controllers RLDRAMII controller QDR II controller 为什么使用FPG
15、A 基于FPGA CPU集成将带来的一些潜在优势包括 系统外设可定 制 比如UART个数 降低功耗改善了系统的性能 灵活性和可升 级性大大提高 处理器到外设的接口能够得到优化 有利于设计的 重用和新设计的快速成型 简化单芯片甚至整板的PCB布局布线 SOPC System on a Programmable Chip既片上系统 A D转换 D A转换 各种数字 接口外设 控制电路 存储器 CPU FPGA A D转换 D A转换 FPGA 存储器 CPU 各种数字 接口外设 控制电路 为什么使用FPGA FPGA的摩尔定律 不断更新的新技术 2011年 FPGA市场的两大巨头 同时发 布了采用
16、最新一代 28nm工艺的FPGA工程样片 这表示FPGA正式进入28nm 时代 并且都在今年进入了通用MPU市场 推出 FPGA ARM Cortext A9的嵌入式处理器 这不同于以往 FPGA中集成CPU核 这次是一个重大的战略转移 新的平 台Xilinx的Zynq与Altera的FPGA SoC 直接针对传统 的 MPU市场 向通用DSP MPU发起挑战 FPGA的28nm创新 以xilinx公司产品为例 28nm工艺 功耗降低30 速度提升80 SSI 堆叠硅片互联 技术 将四个不同 FPGA 芯片在无源硅 中介层上并排互联 具有 200 万个逻辑单 元 集成68亿颗 晶体管 相当于2000万门的ASIC SSI 堆叠硅片互联 技术 芯片封装上的 创新 Virtex 7 2000T 为什么使用FPGA 更多的资源 更低的价格 200220042007 2 20K logic elements LEs 295 Kbits embedded RAM DDR support Nios embedded processor 5 70K LEs 1 1 Mbits embedded RA
