對傳統(tǒng)電子系統(tǒng)設(shè)計方法與現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計方法進行了比較,引出了基于EDA技術(shù)的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)電路,提出現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 是近年來迅速發(fā)展的大規(guī)?？删幊虒Ｓ眉呻娐?ASIC),在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計和控制電路中越來越受到重視。介紹了這種電路的基本結(jié)構(gòu)、性能特點、應(yīng)用領(lǐng)域及使用中的注意事項。對基于EDA技術(shù)的FPGA進行了展望。指出EDA技術(shù)將是未來電子產(chǎn)品設(shè)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(shè)計有了更好的應(yīng)用市場,實現(xiàn)方法也有了更多的選擇。傳統(tǒng)電子產(chǎn)品設(shè)計方案是一種基于電路板的設(shè)計方法,該方法需要選用大量的固定功能器件,然后通過這些器件的配合設(shè)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(shè)計上。

隨著計算機性價比的提高及可編程邏輯器件的出現(xiàn),對傳統(tǒng)的數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計方法進行了解放性的革命,現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計方法是設(shè)計師自己設(shè)計芯片來實現(xiàn)電子系統(tǒng)的功能,將傳統(tǒng)的固件選用及電路板設(shè)計工作放在芯片設(shè)計中進行。從20世紀90年代初開始,電子產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)日趨數(shù)字化、復(fù)雜化和大規(guī)模集成化,各種電子系統(tǒng)的設(shè)計軟件應(yīng)運而生。

在這些專業(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(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計方法。它的優(yōu)勢主要集中在能用HDL語言進行輸入、進行PLD(可編程器件)的設(shè)計與仿真等系統(tǒng)設(shè)計自動化上;20世紀90年末,可編程器件又出現(xiàn)了模擬可編程器件,由于受技術(shù)、可操作性及性價比的影響,今后EDA技術(shù)會向模擬可編程器件的設(shè)計與仿真方向發(fā)展,并占據(jù)市場的一定份額。

EDA技術(shù)主要包括大規(guī)模可編程邏輯器件、硬件描述語言、開發(fā)軟件工具及實驗開發(fā)系統(tǒng)4個方面。其中,大規(guī)模可編程邏輯器件是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設(shè)計的載體硬件,描述語言是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設(shè)計的主要表達手段,開發(fā)軟件工具是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設(shè)計的智能化與自動化設(shè)計工具,實驗開發(fā)系統(tǒng)則是提供芯片下載電路及EDA實驗、開發(fā)的外圍資源。

FPGA結(jié)構(gòu)概述

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA作為集成度和復(fù)雜程度最高的可編程ASIC。是ASIC的一種新型門類,它建立在創(chuàng)新的發(fā)明構(gòu)思和先進的EDA技術(shù)之上。運算器、乘法器、數(shù)字濾波器、二維卷積器等具有復(fù)雜算法的邏輯單元和信號處理單元的邏輯設(shè)計都可選用FPGA實現(xiàn)。以Xilinx的FPGA器件為例,它的結(jié)構(gòu)可以分為3個部分: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(nèi)部連接PI (Programmable Interconnect)。CLB在器件中排列為陣列,周圍環(huán)形內(nèi)部連線,IOB分布在四周的管腳上。Xilinx的CLB功能很強,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯函數(shù),還可以配置成RAM等復(fù)雜的形式。

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA是含有大規(guī)模數(shù)字電路的通用性器件。這些數(shù)字電路之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是由用戶使用更高級的軟件來定義的。FPGA可以進行無限次的重復(fù)編程,從一個電路到另一個電路的變化是通過簡單的卸載互聯(lián)文件來實現(xiàn)的,極大地推動了復(fù)雜數(shù)字電路的設(shè)計,縮短了故障檢查的時間。

傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯設(shè)計使用TTL電平和小規(guī)模的數(shù)字集成電路來完成邏輯電路圖。使用這些標準的邏輯器件已經(jīng)被證實是最便宜的手段,但是要求做一些布線和復(fù)雜的電路集成板(焊接調(diào)試)等工作,如果出現(xiàn)錯誤,改動起來特別麻煩。因此,采用傳統(tǒng)電子設(shè)計方案人員的很大一部分工作主要集中在設(shè)備器件之間物理連接、調(diào)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言,電路的生成基本上是由計算機來完成,將使用戶能較快地完成更復(fù)雜的數(shù)字電路設(shè)計,由于沒有器件之間的物理連接,因此調(diào)試及故障排除更迅速、有效。

可編程特點有助復(fù)雜電路設(shè)計

FPGA能進行無限次的重復(fù)編程。因此能夠在相同的器件上進行修改和卸載已經(jīng)完成好的設(shè)計。在一個FPGA 芯片上的基本部件數(shù)量增加了很多,這使得在FPGA上實現(xiàn)非常復(fù)雜的電子電路設(shè)計變成比較現(xiàn)實。由于采用FPGA的EDA技術(shù)所產(chǎn)生的性價比更高一些,從而使得最近有多家公司開始采用這項技術(shù),并且這種增長趨勢仍舊在繼續(xù)。

FPGA中的邏輯塊是CLB,邏輯塊是指PLD (Programmable Logic Device)芯片中按結(jié)構(gòu)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(tǒng)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這樣的單元,使用時非常靈活。FPGA內(nèi)部互連結(jié)構(gòu)是靠可編程互聯(lián)P I實現(xiàn)邏輯塊之間的聯(lián)接。它的互聯(lián)是分布式的,它的延時與系統(tǒng)布局有關(guān),不同的布局,互聯(lián)延時不同。根據(jù)FPGA的不同類型,可采用開關(guān)矩陣或反熔線絲技術(shù)將金屬線斷的端點連接起來,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(shè)計數(shù)字電路產(chǎn)品最大的特點就是可以使設(shè)計和實現(xiàn)相統(tǒng)一,無須前期風(fēng)險投資,而且設(shè)計實現(xiàn)均在實驗室的EDA開發(fā)系統(tǒng)上進行,周期很短,大大有利于現(xiàn)代產(chǎn)品的市場競爭需求,所以,FPGA的應(yīng)用設(shè)計, 特別適應(yīng)于電子新產(chǎn)品的小批量開發(fā),科研項目的樣機試制以及ASIC產(chǎn)品設(shè)計的驗證,能夠進行現(xiàn)場設(shè)計實現(xiàn)、現(xiàn)場仿真及現(xiàn)場修改。由此,受到電子產(chǎn)品設(shè)計工程師的廣泛推崇和歡迎。

FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域

FPGA所具有的無限次可重復(fù)編程能力,靈活的體系結(jié)構(gòu),豐富的觸發(fā)器及布線資源等一系列的特點使得它可以滿足電子產(chǎn)品設(shè)計的多種需求。FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在替換通用邏輯和復(fù)雜邏輯、重復(fù)編程使用、板極設(shè)計集成、高速計數(shù)器、加減法器、累加器和比較器的實現(xiàn)、總線接口邏輯等方面。

應(yīng)用和開發(fā)FPGA必須對器件的性能有一個全面了解,例如對器件的容量、速度、功耗,接口要求和引腳數(shù)目等進行綜合考慮,同時還要注意以下幾個細節(jié)問題:

● 時序電路應(yīng)用“上電”復(fù)位電路,保證開機加電后,置時序電路于初始狀態(tài);

● 器件的電源與地引腳必須并接一只0.1μF的無感電容,起濾波和去耦作用;

● 不能采用數(shù)目是偶數(shù)的反向器串聯(lián)的方法構(gòu)成“延時電路”,一則延時的時間不準確,二則自動編譯時會作為冗余電路被簡化掉;

● 主要的全局緩沖器必須由半專用的焊盤驅(qū)動,次要的全局緩沖器可以來源于半專用的焊盤或內(nèi)部網(wǎng)線;

● 引腳之間嚴禁短路,忌用萬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大時,不僅會使所用器件的工作效率顯著降低,甚至?xí)p傷芯片。

結(jié)語

基于EDA技術(shù)的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA集成度高,結(jié)構(gòu)靈活,設(shè)計方法多樣,開發(fā)周期短,調(diào)試方便,修改容易,應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。面對科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展、市場競爭十分激烈的現(xiàn)實,熟練的掌握EDA設(shè)計技術(shù),靈活巧妙的使用FPGA至關(guān)重要,其前景將是十分樂觀的。