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電子技術的日新月異，不斷地改變著人們的生活方式。而世界電子技術及設計方法的發展，正在給中國的電子設計工程師們以新的挑戰和壓力。不能否認，目前中國電子設計技術仍遠遠落后于發達國家水平，尤其是在電子技術的基礎產業，即IC/ASIC方面。當國人以國產計算機，電視，VCD，影碟機等產業欣欣向榮，飛速發展而沾沾自喜的時候，卻不能不看到，幾乎所有的核心技術和幾乎所有的內部關鍵集成電路，仍然印著國外半導體廠家的商標。單從時間上看，國內技術可能只落后一、二十年，但是我們更應該看到：一方面，這一產業的發展是以非線性速度向前推進的，另一方面，當發達國家“全民皆兵”，整體發展水平平均較高時，國內仍局限在為數不多的幾個國家重點投資企業或合資/獨資企業里。 然而，我們有幸的看到，FPGA/EPLD的發展正逐步取代越來越多的ASIC市場。可重復使用，小批量，低投入，高性能，高密度，開發周期短等諸多優點，使國內更多的工程師們樂于采用。由于不需要任何投片費用，也不需要建立任何生產線，因此，采用FPGA/EPLD所需的投資遠遠低于ASIC的投資。據估計，引進一套先進的FPGA Top-Down設計工具所需費用還不到ASIC所需的十分之一，而大力推廣先進的FPGA設計方法，既可以降低諸多產業投資成本，也可培養一大批國內的Top-Down的設計人才，從而提高國內Top-Down設計的整體水平，為將來國內ASIC產業的快速、健康發展打下堅實的基礎。 FPGA/EPLD的自上而下（Top-Down）設計方法： 傳統的設計手段是采用原理圖輸入的方式進行的，如圖1所示。通過調用FPGA/EPLD廠商所提供的相應物理元件庫，在電路原理圖中繪制所設計的系統，然后通過網表轉換產生某一特定FPGA/EPLD廠商布局布線器所需網表，通過布局布線，完成設計。原理圖繪制完成后可采用門級仿真器進行功能驗證。 圖1:傳統的設計手段與Top-Down設計工具的比較 然而，工程師的最初設計思想不是一開始就考慮采用某一FPGA/EPLD廠商的某一特定型號器件，而是從功能描述開始的。設計工程師首先要考慮規劃出能完成某一具體功能、滿足自己產品系統設計要求的某一功能模塊，利用某種方式（如HDL硬件描述語言）把功能描述出來，通過功能仿真（HDL仿真器）以驗證設計思路的正確性。當所設計功能滿足需要時，再考慮以何種方式（即邏輯綜合過程）完成所需要的設計，并能直接使用功能定義的描述。實際上這就是自頂而下設計方法。 與傳統電原理圖輸入設計方法相比，Top-Down設計方法具體有以下優點： １、完全符合設計人員的設計思路，從功能描述開始，到物理實現的完成。 ２、功能設計可完全獨立于物理實現 在采用傳統的電原理輸入方法時，FPGA/EPLD器件的采用受到器件庫的制約。由于不同廠商FPGA/EPLD的結構完全不同，甚至同一廠商不同系列的產品也存在結構上的差別，因此，在設計一開始，工程師的設計思路就受到最終所采用器件的約束，大大限制了設計師的思路和器件選擇的靈活性。而采用Top-Down設計方法，功能輸入采用國際標準的HDL輸入方法，HDL可不含有任何器件的物理信息，因此工程師可以有更多的空間去集中精力進行功能描述，設計師可以在設計過程的最后階段任意選擇或更改物理器件。 ３、設計可再利用 設計結果完全可以以一種知識產權（IP-Intellectual Property）的方式作為設計師或設計單位的設計成果，應用于不同的產品設計中，做到成果的再利用。 ４、易于設計的更改 設計工程師可在極短的時間內修改設計，對各種FPGA/EPLD結構進行設計結果規模（門消耗）和速度（時序）的比較，選擇最優方案。 ５、設計、處理大規模、復雜電路 目前的FPGA/EPLD器件正向高集成度、深亞微米工藝發展。為設計系統的小型化，低功耗、高可靠性等提供了集成的手段。設計低于一萬門左右的電路，Top-Down設計方法具有很大的幫助，而設計更大規模的電路，Top-Down設計方法則是必不可少的手段。 ６、設計周期縮短，生產率大大提高，產品上市時間提前，性能明顯提高，產品競爭力加強。據統計，采用Top-Down設計方法的生產率可達到傳統設計方法的2到4倍。 Top-Down設計流程如圖2所示，其核心是采用HDL語言進行功能描述，由邏輯綜合(Logic Synthesis)把行為(功能)描述轉換成某一特定FPGA/EPLD的工藝網表，送到廠商的布局布線器完成物理實現。在設計過程的每一個環節，仿真器的功能驗證和門級仿真技術保證設計功能和時序的正確性。 FPGA/EPLD To p-Down 設計工具的黃金組合 Mentor Graphics公司提供一整套基于UNIX平臺和Windows 95/NT 平臺的FPGA/EPLD Top-Down設計工具:Renoir/ModelSim 和Exemplar，如圖2所示。兩種平臺的工具具有相同的用戶界面，并保證數據庫的完全統一。目前，在FPGA/EPLD Top-Down設計方法全球市場上，Mentor已擁有42%的市場份額，遠遠領先于其他任何一個廠家。 采用Top-Down設計方法進行FPGA/EPLD設計，其設計結果的優劣與否取決于三個重要的因素:描述手段(即HDL語言)、設計方法（Style）和設計工具。描述手段是基礎，設計方法需要工程經驗，而設計工具則是Top-Down設計的關鍵。一套完整、強大、性能卓越的設計工具，可幫助設計工工程師最大限度的發揮其設計能力。 1． 圖形化輸入工具-Renoir ----設計工程師采用Top-Down方法進行FPGA/EPLD設計所面臨到的第一個問題就是HDL語言的學習。語言的學習過程和應用能力直接影響設計產品的完成及其性能。但是設計師進行產品設計的最初并不是考慮如何去寫語言，而是習慣于畫出設計的框圖，并采用圖形化方法（流程圖、狀態圖、真值表等）把它描述出來。Renoir這一圖形化輸入工具，不僅可以幫助設計師完成產品的功能描述，更可以自動生成HDL語言，為邏輯綜合提供必要的輸入數據。 ---- 采用圖形化輸入方法主要優點體現在： 提供框圖、流程圖、狀態圖、真值表等圖形輸入方法，使設計工程師從純文本的設計方法理解脫出來，設計手段更貼近于設計師的思維過程： 便于工程師之間進行設計的相互交流以及對前人/他人設計結果的理解與再利用； 便于初學者學習HDL語言； 便于設計成果的存檔，以便設計交流與再利用。 ---- Renoir作為新一代的圖形化輸入工具更具有以下諸多優點： 自動生成高效的HDL語言描述，生成結果可進行功能驗證及邏輯綜合； 完全支持VHDL和Verilog兩種國際標準，并完全支持VHDL/Verilog的混合描述； 支持UNIX和Win95/NT兩種平臺，具有相同界面和數據庫。Win95/NT平臺采用標準的Windows界面，易學易用； 支持框圖/流程圖的動畫（Animation）仿真、調試過程便于設計的調試； 即插即用（plug and play），與多種仿真器、綜合器及軟硬件協同驗證工具有完善的接口，組成各種設計流程； 在線查錯功能（On line checking），進行語法和可綜合性檢查； 語言到圖形的轉換，可以把VHDL、Verilog或混合HDL語言描述換成框圖、流程圖或狀態圖，并保持原設計的層次結構； 支持OLE（Object Liking and Embedding）標準，可把Renoir中的任何圖形設計形式連接或嵌入到任一支持OLE的應用程序中，如Word、Powerpoint等，以便用戶建立設計文檔； 支持在圖形輸入中加入注釋、屬性（pragma， attribute）、并可自動加到所產生的HDL源碼中； 支持IP調用，并可自動生成相應符號，以使IP嵌入到所設計的系統中； 完善的設計管理，支持設計項目管理、設計層次管理、設計小組管理及設計數據版本管理等； 通過需求與設計可跟蹤（Requirement & Tracebility）管理，不僅保證設計正確，而且保證正確設計（Design thing Right and Design Right thing）。 2. 邏輯綜合工具-Exemplar ---- 邏輯綜合工具是通過映射和優化過程，把設計功能描述轉換成與物理實現密切相關的工藝網表。在轉換過程中，不僅需要確保每一功能映射正確，還需保證盡量采用較少的硬件開銷，滿足設計的時序要求。因此，邏輯綜合工具是FPGA/EPLD Top-Down設計過程的關鍵。 Exemplar的主要特點： 完全支持VHDL/Verilog兩種國際標準； 針對不同結構的FPGA/EPLD器件，采用不同的綜合優化算法，以保證結果的最優化； 支持不同類型器件的重映射，設計師可直接從一種器件的工藝網表映射到另一種器件的工藝網表，無需重新設計； 支持各廠商器件網表的不同格式輸入與輸出。如：XNF，EDIF等： 支持布局、布線后設計的反標注，產生后仿真所需功能網表（HDL）及延時網表（SDF）； 持靜態時序分析； 支持綜合結果的圖形輸出，設計師可通過圖形輸出跟蹤分析關鍵路徑（Critical Path）； 支持廣泛的FPGA廠商及其最新芯片型號，包括采用深亞微米技術的器件。廠商包括：Actel、Altera、Atmel、Cypress、Lattice、Lucent、Motorola、Quicklogic、Xilinx等； FPGA/EPLD設計到ASIC設計可實現無縫升級，保證設計數據的兼容性及可再利用性； 即插即用，可與各種前端/后端工具結合使用，設計數據無虛人為干預/修改； 持UNIX平臺和Win95/NT平臺，不同平臺工具具有相同的用戶界面、功能、并完全保證設計數據的兼容性。 3. 功能仿真與時序驗證-ModelSim ---- 在FPGA/EPLD Top-Down設計流程中，設計仿真包含在設計過程的每一環節中，以保證設計的正確性。 ModelSim不僅可以完成設計的功能驗證（RTL級），也可實現邏輯綜合后的門級仿真以及布局布線后的功能和時序驗證。 ---- ModelSim的主要特點： 完全支持VHDL和Verilog標準； 采用直接編輯技術（Direct-Compiled），大大提高HDL編譯和仿真速度； 唯一支持VHDL和Verilog混合描述的仿真工具； 支持RTL級和門級驗證，支持VITAL，SDF等； 具有友好的用戶界面，仿真器包括主控窗口、源碼窗口、仿真波形窗口、列表窗口、數據流窗口、設計結構/層次窗口、過程管理窗口等； 支持單步調試，斷點設置，批命令處理方式，幫助設計師快速完成設計調試和驗證； 可與Renoir協同工作，完成狀態圖和流程圖的動畫調試； 即插即用，可與其它工具結合，完成各種流程； 支持UNIX和Window 95/NT平臺，不同平臺間具有相同的用戶界面和數據庫。 |
