基于EDA技術(shù)的FPGA設計

對傳統電子系統設計方法與現代電子系統設計方法進(jìn)行了比較，引出了基于EDA技術(shù)的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）電路，提出現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）是近年來(lái)迅速發(fā)展的大規?？删幊虒?zhuān)用集成電路（ASIC），在數字系統設計和控制電路中越來(lái)越受到重視。介紹了這種電路的基本結構、性能特點(diǎn)、應用領(lǐng)域及使用中的注意事項。對基于EDA技術(shù)的FPGA進(jìn)行了展望。指出EDA技術(shù)將是未來(lái)電子產(chǎn)品設計技術(shù)發(fā)展的主要方向。
集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，讓電子產(chǎn)品設計有了更好的應用市場(chǎng)，實(shí)現方法也有了更多的選擇。傳統電子產(chǎn)品設計方案是一種基于電路板的設計方法，該方法需要選用大量的固定功能器件，然后通過(guò)這些器件的配合設計從而模擬電子產(chǎn)品的功能，其工作集中在器件的選用及電路板的設計上。

隨著(zhù)計算機性?xún)r(jià)比的提高及可編程邏輯器件的出現，對傳統的數字電子系統設計方法進(jìn)行了解放性的革命，現代電子系統設計方法是設計師自己設計芯片來(lái)實(shí)現電子系統的功能，將傳統的固件選用及電路板設計工作放在芯片設計中進(jìn)行。從20世紀90年代初開(kāi)始，電子產(chǎn)品設計系統日趨數字化、復雜化和大規模集成化，各種電子系統的設計軟件應運而生。

在這些專(zhuān)業(yè)化軟件中，EDA（Electronic Design Automation）具有一定的代表性，EDA技術(shù)是一種基于芯片的現代電子系統設計方法。它的優(yōu)勢主要集中在能用HDL語(yǔ)言進(jìn)行輸入、進(jìn)行PLD（可編程器件）的設計與仿真等系統設計自動(dòng)化上；20世紀90年末，可編程器件又出現了模擬可編程器件，由于受技術(shù)、可操作性及性?xún)r(jià)比的影響，今后EDA技術(shù)會(huì )向模擬可編程器件的設計與仿真方向發(fā)展，并占據市場(chǎng)的一定份額。

EDA技術(shù)主要包括大規?？删幊踢壿嬈骷?、硬件描述語(yǔ)言、開(kāi)發(fā)軟件工具及實(shí)驗開(kāi)發(fā)系統4個(gè)方面。其中，大規?？删幊踢壿嬈骷抢肊DA技術(shù)進(jìn)行電子系統設計的載體硬件，描述語(yǔ)言是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統設計的主要表達手段，開(kāi)發(fā)軟件工具是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統設計的智能化與自動(dòng)化設計工具，實(shí)驗開(kāi)發(fā)系統則是提供芯片下載電路及EDA實(shí)驗、開(kāi)發(fā)的外圍資源。

FPGA結構概述

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA作為集成度和復雜程度最高的可編程ASIC.是ASIC的一種新型門(mén)類(lèi)，它建立在創(chuàng )新的發(fā)明構思和先進(jìn)的EDA技術(shù)之上。運算器、乘法器、數字濾波器、二維卷積器等具有復雜算法的邏輯單元和信號處理單元的邏輯設計都可選用FPGA實(shí)現。以Xilinx的FPGA器件為例，它的結構可以分為3個(gè)部分：可編程邏輯塊CLB（Configurable Logic Blocks）、可編程I/O模塊IOB（Input/Output Block）和可編程內部連接PI （Programmable Interconnect）。CLB在器件中排列為陣列，周?chē)h(huán)形內部連線(xiàn)，IOB分布在四周的管腳上。Xilinx的CLB功能很強，不僅能夠實(shí)現邏輯函數，還可以配置成RAM等復雜的形式。

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA是含有大規模數字電路的通用性器件。這些數字電路之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )是由用戶(hù)使用更高級的軟件來(lái)定義的。FPGA可以進(jìn)行無(wú)限次的重復編程，從一個(gè)電路到另一個(gè)電路的變化是通過(guò)簡(jiǎn)單的卸載互聯(lián)文件來(lái)實(shí)現的，極大地推動(dòng)了復雜數字電路的設計，縮短了故障檢查的時(shí)間。

傳統的數字邏輯設計使用TTL電平和小規模的數字集成電路來(lái)完成邏輯電路圖。使用這些標準的邏輯器件已經(jīng)被證實(shí)是最便宜的手段，但是要求做一些布線(xiàn)和復雜的電路集成板（焊接調試）等工作，如果出現錯誤，改動(dòng)起來(lái)特別麻煩。因此，采用傳統電子設計方案人員的很大一部分工作主要集中在設備器件之間物理連接、調試以及故障解決方面。正是因為FPGA的EDA技術(shù)使用了更高級的計算機語(yǔ)言，電路的生成基本上是由計算機來(lái)完成，將使用戶(hù)能較快地完成更復雜的數字電路設計，由于沒(méi)有器件之間的物理連接，因此調試及故障排除更迅速、有效。

可編程特點(diǎn)有助復雜電路設計

FPGA能進(jìn)行無(wú)限次的重復編程。因此能夠在相同的器件上進(jìn)行修改和卸載已經(jīng)完成好的設計。在一個(gè)FPGA芯片上的基本部件數量增加了很多，這使得在FPGA上實(shí)現非常復雜的電子電路設計變成比較現實(shí)。由于采用FPGA的EDA技術(shù)所產(chǎn)生的性?xún)r(jià)比更高一些，從而使得最近有多家公司開(kāi)始采用這項技術(shù)，并且這種增長(cháng)趨勢仍舊在繼續。

FPGA中的邏輯塊是CLB，邏輯塊是指PLD （Programmable Logic Device）芯片中按結構劃分的功能模塊，它有相對獨立的組合邏輯單元，塊間靠互連系統聯(lián)系。FPGA的邏輯塊粒度小，輸入變量為4～8，輸出變量為1～2，每塊芯片中有幾十到上千個(gè)這樣的單元，使用時(shí)非常靈活。FPGA內部互連結構是靠可編程互聯(lián)P I實(shí)現邏輯塊之間的聯(lián)接。它的互聯(lián)是分布式的，它的延時(shí)與系統布局有關(guān)，不同的布局，互聯(lián)延時(shí)不同。根據FPGA的不同類(lèi)型，可采用開(kāi)關(guān)矩陣或反熔線(xiàn)絲技術(shù)將金屬線(xiàn)斷的端點(diǎn)連接起來(lái)，從而使信號可以交換于任意兩邏輯單元之間。

采用FPGA技術(shù)集成設計數字電路產(chǎn)品最大的特點(diǎn)就是可以使設計和實(shí)現相統一，無(wú)須前期風(fēng)險投資，而且設計實(shí)現均在實(shí)驗室的EDA開(kāi)發(fā)系統上進(jìn)行，周期很短，大大有利于現代產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭需求，所以，FPGA的應用設計，特別適應于電子新產(chǎn)品的小批量開(kāi)發(fā)，科研項目的樣機試制以及ASIC產(chǎn)品設計的驗證，能夠進(jìn)行現場(chǎng)設計實(shí)現、現場(chǎng)仿真及現場(chǎng)修改。由此，受到電子產(chǎn)品設計工程師的廣泛推崇和歡迎。

FPGA的應用領(lǐng)域

FPGA所具有的無(wú)限次可重復編程能力，靈活的體系結構，豐富的觸發(fā)器及布線(xiàn)資源等一系列的特點(diǎn)使得它可以滿(mǎn)足電子產(chǎn)品設計的多種需求。FPGA的應用領(lǐng)域主要集中在替換通用邏輯和復雜邏輯、重復編程使用、板極設計集成、高速計數器、加減法器、累加器和比較器的實(shí)現、總線(xiàn)接口邏輯等方面。

應用和開(kāi)發(fā)FPGA必須對器件的性能有一個(gè)全面了解，例如對器件的容量、速度、功耗，接口要求和引腳數目等進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)還要注意以下幾個(gè)細節問(wèn)題：

●時(shí)序電路應用“上電”復位電路，保證開(kāi)機加電后，置時(shí)序電路于初始狀態(tài)；
●器件的電源與地引腳必須并接一只0.1μF的無(wú)感電容，起濾波和去耦作用；
●不能采用數目是偶數的反向器串聯(lián)的方法構成“延時(shí)電路”，一則延時(shí)的時(shí)間不準確，二則自動(dòng)編譯時(shí)會(huì )作為冗余電路被簡(jiǎn)化掉；
●主要的全局緩沖器必須由半專(zhuān)用的焊盤(pán)驅動(dòng)，次要的全局緩沖器可以來(lái)源于半專(zhuān)用的焊盤(pán)或內部網(wǎng)線(xiàn)；
●引腳之間嚴禁短路，忌用萬(wàn)用表直接測量器件引腳；
●器件的I/ O口如被定義為輸出端，忌對該端加信號，否則將損壞芯片；
●低功耗的器件如接負載過(guò)大時(shí)，不僅會(huì )使所用器件的工作效率顯著(zhù)降低，甚至會(huì )損傷芯片。

結語(yǔ)

基于EDA技術(shù)的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA集成度高，結構靈活，設計方法多樣，開(kāi)發(fā)周期短，調試方便，修改容易，應用領(lǐng)域極為廣泛。面對科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展、市場(chǎng)競爭十分激烈的現實(shí)，熟練的掌握EDA設計技術(shù)，靈活巧妙的使用FPGA至關(guān)重要，其前景將是十分樂(lè )觀(guān)的。