EDA技术与FPGA设计应用

文章摘要：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-Mi

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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。

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