数字系统设计技术概述(编辑修改稿)

数字系统设计技术概述(编辑修改稿)内容摘要：

转换的仿真。 从设计的流程上来看，有单位延时的功能仿真（又称前仿真）和布局布线后的系统时延仿真（又称后仿真）。 （ 5）数据下载与编程工具 在采用 FPGA 作为目标芯片的数字系统现场集成的设计过程中，对于 FPGA的目标数据下载和编程是设计过程的最后一环。 对于不同类型的 FPGA，其数据下载与编程的方式不一样，所配用的工具也不同。 常用的数据下载与编程技术主要可分为下述几种： ① 对于 SRAM FPGA 的是系统可重配置技术（ ISR） SRAM FPGA的功能定义由 两种方式进行： 其一，连接电脑的下载电缆，可以按照 FPGA 数据手册给出的数据下载的接线规则，通过软件包中的数据下载工具，将经过布局布线后转化的编辑网表文件的数据流，下载到SRAM FPGA的芯片中（如图 14所示），实现 FPGA芯片的功能定义。 但由于 SRAM 具有掉电后的数据易失性，故一旦芯片的供电中断，数据自然失去。 下载电缆 目标器件 PC I S R S R A M F G P A 图 14 SRAM FPGA 的 ISR 数据下载 第 1 章 数字系统设计技术概述 7 其二，通过 SRAM FPGA周边配置的 PROM 中的网表数据，在 FPGA被加电时，自动启动 FPGA中的数据下载程序，将 PROM 中的芯片功能定义数据流自动载入 FPGA，实现FPGA的数据配置（如图 15 所示）。 只是对于 PROM中的数据编程，要通过软件包中的数据下载软件中的网表格式转换软件，将系统功能定义的网表文件转为 PROM 格式，再由通用编程器实现对 PROM 数据的烧写。 S RA M F P G A P RO M 图 15 配置 PROM 的 SRAM FPGA 工作模式 ② 对 Flash MEMORY FPGA 或 E2PROM PLD 的是系 统可编程（ ISP） 对于 Flash MEMORY FPGA 或 E2PROM PLD都属于可以在系统编程，且非易失性存储的器件，因此，都可采用专用的 5脚或 8 脚在系统编程（ ISP）下载电缆来实现芯片功能定义数据的下载编程（如图 16 所示）。 该过程可由软件包配附的下载编程软件执行。 下载电缆 目标器件 PC I S P F l a s h F P G A 图 16 CPLD 的系统编程（ ISP） ③ 对反熔丝 FPGA的是专用编程器数据烧写 反熔丝 FPGA 的编程 原理，是根据芯片功能定义网表文件的要求，通过公司专门配用的数据编程器，实现在数据下载的过程中，由编程器给定的程序指引将相应的需要编程的熔丝进行融通，实现应有的芯片逻辑定义（如图 17 所示）。 专用数据烧写器 反熔丝 F PG A 图 17 反熔丝 FPGA 的是专用编程器数据烧写 目标芯片 数字系统设计的目标是集成电路系统实现。 在 VLSI 工艺技术和 EDA技术高度发展的今天，几乎所有用户系统的设计都将归结为系统的芯片设计，归结为专用集成电路的设计。 主要的实现途径可以分成：工艺集成 技术、现场集成技术。 ACTEL 数字系统现场集成技术 8 所谓工艺集成技术，是指通过 VLSI 工艺去实现的集成电路的制作过程，其主要目标芯片是 ASIC（专用集成电路）。 按目前具体的工艺技术来分，有双极电路工艺、 CMOS 电路工 艺、双极 /CMOS 工艺。 按电路构成形式来分，有全定制 IC、半定制 IC。 全定制 IC 将从系统原理、模块结构、电路功能 /性能各方面进行全优化的用户系统设计，追求性能最佳、面积最省、功耗最小等综合系统指标的实现。 半定制 IC则主要有门阵列设计、标准单元设计等，其目的是在支付一定代价的条件下，追求获取另一些特征指标。 例如门阵列设 计由于其母片是事先制作的规范结构，故芯片系统设计制作流程少、周期短、产品上市速度快，但芯片面积利用效率则较低。 所谓的现场集成技术，是指通过以 FPGA（现场可编程门阵列）为代表的可编程逻辑器件去现场实现数字系统的设计。 目前，主要的 FPGA产品按原理来分，有 3 类：基于 SRAM 阵列开关编程的 FPGA、基于 E2PROM 或 Flash 阵列开关编程的 FPGA、基于反熔丝阵列开关编程的 FPGA。 此外，模拟现场可编程门阵列和数模混合型现场可编程门阵列也在开发之中。 目前 FPGA 亦在向系统级大规模器件和低压低功耗器件方向发展。 数字系统的设计方法学 数字系统设计，以其设计目标来规范，可以概括为 ASIC 的工艺集成设计和 FPGA 的现场集成设计两类。 而从设计方法而言，这两种设计模式都是类同的。 设计方法的一般模式 如图 18 所示，数据系统集成化设计的一般模式大约可分为 3 种：自顶向下设计、自底向上设计、在中间相遇设计。 自顶向下 功能级 行为级 寄存器传输级 在中间相遇 逻辑级 第 1 章 数字系统设计技术概述 9 版图级 自底向上 图 18 数字系统集成化设计的一般模式 自顶向下设计模式，是当前采用 EDA 技术（如 VHDL 行为描述全 FPGA 目标现场实现）进行设计的最常用的模式。 所谓自顶向下的设计，就是设计者首先从整体上规划整个系统的功能和性能，然后对系统进行划分，分解为规模较小、功能较为简单的局部模块，并确立它们之间的相互关系，这种划分过程可以不断地进行下去，直到划分得到的单元可以映射到物理实现。 图 19 所示的是自顶向下与自底向上的设计比较。