EDA技术与FPGA设计应用

摘 要：EDA技术是现代电子设计技术的核心，它在现代集成电路设计中占据重要地位。随着深亚微米与超深亚微米技术的迅速发展，FPGA设计越来越多地采用基于VHDL的设计方法及先进的EDA工具。本文详细阐述了EDA技术与FPGA设计应用。

关键词：电子设计自动化;现场可编程门阵列;复杂可编程逻辑器件;专用集成电路;知识产权;甚高速集成电路硬件描述语言

引言

21世纪是电子信息产业主导的知识经济时代，信息领域正在发生一场巨大变革，其先导力量和决定性因素正是微电子集成电路。硅片技术的日益成熟，特别是深亚微米(DSM，Deep Sub-Micron)和超深亚微米(VDSM，Very Deep Sub-Micron)技术，极大促进了集成电路产业的快速发展。

集成电路发展经历了电路集成、功能集成、技术集成，直至今天基于计算机软硬件的知识集成，这标志着传统电子系统已全面进入现代电子系统阶段，这也被誉为进入3G时代，即单片集成度达到1G个晶体管、器件工作速度达到1GHz、数据传输速率达到1Gbps。

EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)技术基于计算机辅助设计，它融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理技术、智能化技术的最新成果，以实现电子产品的自动设计。EDA是现代电子设计技术的核心，在现代集成电路设计中占据重要地位。FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)作为可编程逻辑器件的典型代表，它的出现及日益完善适应了当今时代的数字化发展浪潮，它正广泛应用在现代数字系统设计中。

EDA技术与FPGA原理

1.EDA技术特征

EDA是电子设计领域的一场革命，它源于计算机辅助设计(CAD，Computer Aided Design)、计算机辅助制造(CAM，Computer Aided Made)、计算机辅助测试(CAT，Computer Aided Test)和计算机辅助工程(CAE，Computer Aided Engineering)。利用EDA工具，电子设计师从概念、算法、协议开始设计电子系统，从电路设计、性能分析直到IC版图或PCB版图生成的全过程均可在计算机上自动完成。

EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，其基本特征是设计人员以计算机为工具，按照自顶向下的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，由硬件描述语言完成系统行为级设计，利用先进的开发工具自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线(PAR，Place And Route)、仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载，这被称为数字逻辑电路的高层次设计方法。

作为现代电子系统设计的主导技术，EDA具有两个明显特征：即并行工程(Concurrent Engineering)设计和自顶向下(Top-down)设计。其基本思想是从系统总体要求出发，分为行为描述(Behaviour Description)、寄存器传输级(RTL，Register Transfer Level)描述、逻辑综合(Logic Synthesis)三个层次，将设计内容逐步细化，最后完成整体设计，这是一种全新的设计思想与设计理念。

2.FPGA原理

今天，数字电子系统的设计方法及设计手段都发生了根本性变化，正由分立数字电路向可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device)及专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)转变。FPGA与CPLD(Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)都属于PLD的范畴，它们在现代数字系统设计中正占据越来越重要的地位。

FPGA是由用户编程来实现所需逻辑功能的数字集成电路，它不仅具有设计灵活、性能高、速度快等优势，而且上市周期短、成本低廉。FPGA设计与ASIC前端设计十分类似，在半导体领域中FPGA应用日益普及，已成为集成电路中最具活力和前途的产业。同时，随着设计技术和制造工艺的完善，器件性能、集成度、工作频率等指标不断提升，FPGA已越来越多地成为系统级芯片设计的首选。

FPGA由PAL(可编程阵列逻辑)、GAL(通用阵列逻辑)发展而来，其基本设计思想是借助于EDA开发工具，用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法进行系统功能及算法描述，设计实现并生成编程文件，最后通过编程器或下载电缆用目标器件来实现。

FPGA器件采用逻辑单元阵列(LCA，Logic Cell Array)结构、SDRAM工艺，其中LCA由三类可编程单元组成。

(1)可配置逻辑块(CLB，Configurable Logic Block)：被称为核心阵列，是实现自定义逻辑功能的基本单元，散布于整个芯片;

(2)输入/输出模块(IOB，Input/Output Block)：排列于芯片四周，为内部逻辑与器件封装引脚之间提供可编程接口;

(3)可编程互连资源(PI，Programmable Interconnect)：包括不同长度的连线线段及连接开关，其功能是将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来以构成特定电路。

全球生产FPGA的厂家很多，但影响力最大的是Xilinx公司和Altera公司，世界上第一片FPGA是在20世纪80年代中期Xilinx公司率先推出的。不同厂家生产的FPGA在可编程逻辑块的规模、内部互连线结构及所采用的可编程元件上存在较大差异，实际使用时应注意区分。