本書介紹了ispLSI系列在系統(tǒng)可編程邏輯器件和ispPAC系列模擬在系統(tǒng)可編程器件的內部結構和工作原理,用于數(shù)字邏輯電路設計的硬件描述語言ABEL-HDL、VHDL和Verilog-HDL,以及在系統(tǒng)可編程邏輯器件的開發(fā)系統(tǒng)ispDesignEXPERT和模擬在系統(tǒng)可編程器件的開發(fā)系統(tǒng)PAC-Design中的使用方法,最后介紹了實現(xiàn)具有一定應用價值的電子系統(tǒng)的設計方法和實例。本書可以作為從事電子產品開發(fā)和生產的工程技術人員學習和開發(fā)在系統(tǒng)可編程集成電路原理和應用技術的參考書,也可以作為大專院校電子工程類專業(yè)開設實驗和數(shù)字系統(tǒng)設計課程的教學參考書?!禘DA技術叢書》編委會名單主任:邵國培(解放軍電子工程學院副院長、教授、博導)副主任:陸伯雄(電子工業(yè)出版社高級編輯)黃正瑾(東南大學電工電子實驗中心主任、教授)主編:李東生(解放軍電子工程學院電子技術實驗中心副主任、副教授)編委:李輝(中國科技大學高級工程師)鄭步生(南京航空航天大學EDA實驗中心副主任、副教授)龔建榮(南京郵電學院信息工程系副主任、副教授)張勇(解放軍電子工程學院高級工程師)序言眾所周知,電子系統(tǒng)的集成化,不僅可使系統(tǒng)的體積小、重量輕且功耗低,更重要的是可使系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此自集成電路問世以來,集成規(guī)模便以10倍/6年的速度增長。從20世紀90年代初以來,電子系統(tǒng)日趨數(shù)字化、復雜化和大規(guī)模集成化。由于個人電腦、無繩電話和高速數(shù)據(jù)傳輸設備的發(fā)展需求,電子廠商們越加迫切地追求電子產品的高功能、優(yōu)品質、低成本、微功耗和微小封裝尺寸。為達此目標,必須采用少量的IC器件和面積盡可能小的PCB板研制高集成化的復雜系統(tǒng),這些要求進一步促進集成工藝的發(fā)展。1999年,以0.18微米工藝為基礎的百萬門器件已經出現(xiàn),預計在2002年和2005年,集成工藝將分別達到0.13微米和0.1微米。深亞微米半導體工藝、B表面安裝技術的發(fā)展又支持了產品的集成化程度的進步,使電子產品進入了片上系統(tǒng)(SOC,SystemOnChip)時代。所謂片上系統(tǒng)的設計,是將電路設計、系統(tǒng)設計、硬件設計、軟件設計和體系結構設計集合于一體的設計。這樣復雜的設計通常需要很多人、經過多年研究開發(fā)方能實現(xiàn),不依靠計算機的幫助是無法在短期完成的。圖0-1產品的利潤與其上市時間的關系另一方面,電子產品設計周期短和上市快也是電子廠商們堅持不懈的追求。圖0-1表明了產品上市時間與其利潤之間的關系。一個產品從開始上市到其從市場上被淘汰為止,其銷售情況是一個三角形。這個三角形的面積便是此產品的總的利潤,如果產品上市晚了,如圖中t2時間較t1時間晚了時間Δ,則從t2開始的三角形的面積比從t1開始的三角形的面積將小得多,也就是所獲得的總利潤將小得多。這說明,一個企業(yè)如果能夠比其競爭對手更快地推出新產品,更快地對市場作出反應,即可獲取更大的市場份額和更大的利潤。電子設計自動化(EDAElectronicsDesignAutomation),即用計算機幫助設計人員完成繁瑣的設計工作,是解決以上兩個問題的惟一途徑。電子設計自動化在不同的時期有不同的內容。在20世紀70年代表現(xiàn)為計算機輔助設計(CAD),即將電子設計中涉及到的許多計算用計算機程序實現(xiàn)。在20世紀80年代表現(xiàn)為計算機輔助工程(CAE),主要體現(xiàn)在一些繪圖軟件出現(xiàn),減輕了設計人員的勞動。從20世紀80年代末開始,設計復雜程度越來越高,EDA的主要內容逐步轉變?yōu)殡娮酉到y(tǒng)設計自動化(ESDA)?,F(xiàn)在數(shù)字系統(tǒng)的EDA可以直接根據(jù)設計要求,以自頂至底的方式設計,并相應地完成系統(tǒng)描述、仿真、集成和驗證等環(huán)節(jié),直到最后生成所需要的器件。在以上過程中,除系統(tǒng)級設計和行為級描述及對功能的描述以外均可由計算機自動完成。也就是說,設計人員借助開發(fā)軟件的幫助,可以將設計過程中的許多細節(jié)問題拋開,而將注意力集中在產品的總體開發(fā)上。這樣大大減輕了工作人員的工作量,提高了設計效率,減少了以往復雜的工序,縮短了開發(fā)周期,實現(xiàn)了真正意義上的電子設計自動化。這個變化是伴隨著片上系統(tǒng)的設計出現(xiàn)的,因此有人將EDA轉向片上系統(tǒng)看作是一次關于系統(tǒng)設計的革命。對電子系統(tǒng)設計自動化而言,現(xiàn)代設計方法和現(xiàn)代測試方法是至關重要的。當前,EDA包含單片機、ASIC(專用集成電路)和DSP(數(shù)字信號處理)等主要方向。無論哪一種方向,都需要一個功能齊全、處理方法先進、使用方便和高效的開發(fā)系統(tǒng)。目前世界上一些大型EDA軟件公司已開發(fā)了一些著名的軟件,如orCAD、Cadence、PSPICE(以及由其衍生出的軟件ElectronicWorkBench)和Viewlogic(現(xiàn)在為INNOVEDA)等,各大半導體器件公司為了推動其生產的芯片的應用,也推出了一些開發(fā)軟件,如Lattice公司的Synario,Altera公司的MaxPlusII,Xilinx公司的Fundation等。隨著新器件和新工藝的出現(xiàn),這些開發(fā)軟件也在不斷更新或升級,如Lattice公司的Synario和Altera公司的MaxPlusII將分別被Expert和Quatues所代替。軟件系統(tǒng)變化如此之快,使得幾年前出版的有關書籍,特別是教材,已經不能完全適用于現(xiàn)在的器件和開發(fā)系統(tǒng)的現(xiàn)狀。每個開發(fā)系統(tǒng)都有自己的描述語言,為了便于各系統(tǒng)之間的兼容,IEEE公布了幾種標準語言,最常用的有VHDL和Verilog。VHDL是美國國防部于20世紀80年代初推出,其全稱是VeryHighSpeedIntegratedCircuitHDL,即超高速集成電路硬件描述語言,該語言曾于1987年和1993年兩次被定為IEEE的標準;Verilog語言原是美國GatewayDesignAutomation公司于20世紀80年代開發(fā)的邏輯模擬器Verilog-XL所使用的硬件描述語言。1989年Cadence公司收購該公司后于1990年公開以VerilogHDL名稱發(fā)表,并成立了OVI(OpenVerilogInternational)組織負責該語言的發(fā)?埂S捎詬糜镅緣撓旁叫?,各大皻枥^迤骷痙追撞捎盟魑⒈竟靜返墓ぞ摺EEE也于1995年將其定為協(xié)會的標準,即IEEE1364-1995,這兩種語言已成為從事EDA的電子工程師必須掌握的工具。與開發(fā)工具同樣重要的是器件,就ASIC方向而言,所使用的集成方式有全定制、半定制和可編程邏輯器件等。可編程邏輯器件(PLD)與全定制和半定制不同,它按標準器件生產,芯片工廠因此可以獲得規(guī)模生產效益。而用戶則可以通過編程PLD器件以實現(xiàn)特殊的應用,從而獲得ASIC產品的功能。換言之,PLD將控制功能交給用戶,用戶在用PLD器件研發(fā)產品時即獲得了這種控制功能。CPLD和FPGA較全定制和半定制方法具有更多的靈活性——既適用于短研制周期、小批量產品開發(fā),也可用于大批量產品的樣品研制,且項目開發(fā)前期費用低,開發(fā)時間短,有利于新產品占領市場,是目前ASIC設計所使用的最主要的方法。有人認為,可編程邏輯器件(PLD)不僅近年來受到系統(tǒng)設計者的青睞,而且在半導體領域中呈現(xiàn)出一支獨秀的增長態(tài)勢,成為系統(tǒng)級平臺設計的首選。隨著PLD器件向更高速、更高集成度、更強功能和更靈活的方向發(fā)展,將來也仍然是掩膜式專用集成電路(全定制與半定制方式)有力的競爭者。CPLD和FPGA普及的另一個重要原因是IP(知識產權)越來越被高度重視,帶有IP內核的功能塊在ASIC設計平臺上的應用日益廣泛。越來越多的設計人員,采用設計重用,將系統(tǒng)設計模塊化,為設計帶來了快捷和方便。并可以使每個設計人員充分利用軟件代碼,提高開發(fā)效率,減少應市時間,降低研發(fā)費用,縮短研發(fā)周期,降低風險。這是研究EDA技術必須關注的問題。本叢書的宗旨為讀者介紹當前我國最流行的幾種EDA軟件以及CPLD和FPGA的原理和應用,其中包括通用設計軟件Protel,電路設計軟件OrCAD,電路設計軟件Multisim(原ElectronicWorkbench6.0以上版本),系統(tǒng)模擬軟件Systemview和CPLD開發(fā)軟件MaxPlusII(Quatues),F(xiàn)PGA開發(fā)軟件Fundation,ispLSI開發(fā)軟件Expert(Synario)等。在介紹這些EDA軟件時,既不像大部分教科書那樣只簡要介紹它們的基本規(guī)則和有關器件的基本原理(這種介紹只適用于對初學者的訓練,對生產科研的實際應用則不能完全適應);也不像使用手冊那樣洋洋大篇,難以快速掌握;更不像公司宣傳用的資料那樣過多地介紹自己的產品,缺乏可讀性。而是從教會讀者基本使用方法開始,通過各種實例,由淺入深地介紹其應用(在3個介紹開發(fā)軟件的著作中還按以用為本的原則對有關的器件和VHDL語言作了必要的闡述)。叢書作者都是有一定教學和科研實踐經驗的教師,清楚如何啟發(fā)讀者快速地掌握軟件的精要,各本書中也不同程度地反映了作者科研實踐中的寶貴經驗,其中很多是在教科書和使用手冊中見不到的(例如對VHDL的應用,教科書上介紹的只是通用的規(guī)則,本叢書則是介紹針對某個開發(fā)系統(tǒng)中適用的規(guī)則)。尤其介紹了若干較大型的設計實例,直至對IP的簡單應用。讀者可以從入門開始,經過由淺入深的訓練,逐步達到精通的境界。黃正瑾于東南大學2001年12月前言隨著計算機和大規(guī)模集成電路制造技術的迅速發(fā)展,采用普通的小規(guī)模數(shù)字邏輯集成電路,如74系列的TTL通用數(shù)字邏輯集成電路,已經不能夠滿足現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計的要求。因此,在現(xiàn)代的電子產品和復雜的數(shù)字邏輯系統(tǒng)中,一般都采用了各種類型的大規(guī)模集成電路。高密度在系統(tǒng)可編程ispLSI(In-SystemProgammableLargeScaleIntegration)邏輯器件是眾多大規(guī)模復雜可編程邏輯集成電路中的一種,其先進的設計思想和靈活的開發(fā)工具,使原來感到復雜的數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設計變得輕松和簡單了?!癐SP”(在系統(tǒng)可編程)是指用戶為了修改邏輯設計或重構數(shù)字邏輯系統(tǒng),而在已經設計和制作后的電路板上,直接在線編程和反復修改在系統(tǒng)可編程邏輯器件