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可编程 ASIC 设计

电子科技大学通信与信息工程学院

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可编程 ASIC 设计

• 总学时： 48

• 上课： 40

• 实验： 8

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绪论

学时分配： 2

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可编程 ASIC 技术• ASIC ： Application Specific Integrated Circuit 专用集成电路• 可编程 ASIC ： 指由用户编程实现所需功能的专用集

成 电路。• 可编程 ASIC 技术应用于 IC 的设计验证，

以及电子系统的可编程设计。

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本门课的主要内容• 讲述数字 ASIC 前端设计 ( 系统设计 ) 的

方法。• FPGA/CPLD 等可编程逻辑器件的应用设

计方法。• 复杂数字系统的高层建模与验证方法。

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提纲• 1. 绪论 (1) 。• 2. 设计流程 (1) 。• 3. 模块化硬件与进程模型 (1.5) 。• 4. 信号传输模型 (1.5) 。• 5. 核心语法与基础电路设计 (2) 。• 6. 状态机设计 (2) 。• 7. 可靠设计与高速设计 (3) 。• 8. 可编程逻辑器件 (1) 。• 9. 数字信号处理的 fpga 实现 (3) 。• 10. 数字系统的 RTL 设计 (3) 。

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进度• 1. 绪论 。• 2. 设计流程 。• 3. 模块化硬件与进程模型 。• 4. 信号传输模型 。• 5. 核心语法与基础电路设计 。• 6. 状态机设计 。• 7. 可靠设计与高速设计 。• 8. 可编程逻辑器件。• 9. 数字信号处理的 fpga 实现。• 10. 数字系统的 RTL 设计。

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关于作业

– 常规作业。平时分数的依据之一。

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考试分数• 考试分数的组成：

– 卷面分数 + 平时分 ( 由实验表现、实验报告、作业情况、平时讨论等决定 ) ；

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实践机会• 常规安排的实验；• 可能为部分同学提供的实际项目实战机

会。

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参考资料• 1. 《数字设计原理与实现 (Digital Design

Principles and Practices) 》， John F.Wakerly( 思科系统公司，斯坦福大学 ) 机械工业出版社；

• 2. 《 VHDL 硬件描述语言与数字逻辑电路设计》，西安工业出版社；

• 3. 《 VHDL 设计表示与综合》，机械工业出版社；• 4. 《数字集成系统的结构化设计与高层次综合》

王志华，邓仰东 清华大学出版社；• 5. 《数字信号处理的 fpga 实现》，清华大学出

版社；• 6. 《可重用设计方法学》。

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网络资源• www.fpga.com.cn• www.opencores.org• Bbs.tsinghua.edu.cn Metech 版• 清华 eda 工具 ftp: (pd) 166.111.64.68 。帐

号密码可在清华 bbs 的 Metech 或者circuit 版查找。

• Oday 软件发布： www.nforce.nl• 电子工程专辑： www.eetchina.com

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VLSI 设计

VLSI( 超大规模集成电路 )

通用集成电路

专用集成电路

(ASIC)

大量生产且设计比较规则。如存储器

等。

面向某一应用背景而专门设计。

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全球 IC 产业的演变 (1)

• 1.80 年代之前，系统公司时代 IC 产业还没有真正从电子产业独立

出来，集成电路的生产仍属于系统公司业务的一部分，这包括系统设计、 IC 设计、以及 IC 制造和封装测试等。代表企业有 IBM,Burroughs,NEC 等。

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全球 IC 产业的演变 (2)

• 2.80 年代， IDM(Integrated Device

Manufacturer) 时代 IDM 的兴起，使得 IC 产业走上

了独立发展的道路。以Intel 、 TI(Texas Instrument) 为代表，其业务过程涵盖系统设计、 IC 设计、 IC 制造和封装测试。

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全球 IC 产业的演变 (3)

• 3.90 年代， Foundry 时代 集成电路的产业链发生了显著的裂

变，新兴的 IC 设计公司不再拥有自己的生产线，被称作 Fabless ，同时，现有的IDM 企业也逐步将越来越多的生产外包给 Foudry 。

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全球 IC 产业的演变 (4)• 4. 新世纪，后 Foundry 时代 IC 产业链的裂变还在继续，在设计方面，

IP(知识产权 ) 供应商和 Design Foundry( 设计代工企业 )开始出现并迅速成长；

在生产方面，生产技术提供者 (往往是大型的 IDM 企业 ) 与生产者出现了相互独立的倾向，具有技术实力和成果的公司为生产企业提供已验证的生产技术，生产企业则将之运用于大规模的生产。

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Moore Law

• Intel 戈登 .摩尔于 1965 年提出，硅晶圆每平方英寸所能容纳的晶体管数目每 12—18个月就提高一倍。

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IC 设计背景摩尔定律

EDA 工具发展SOC

电子系统复杂性和带宽

电子信息产品升级速度

IC 产业裂变

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芯片

电子系统的 SOC 设计理念• SOC ： System On a Chip

cpu内存

外设

其他控制及运算单元

其他部件

关键： IP core 的设计和交易

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电子产品利润分配• 应用系统设计： <= 6% 。• Cpu ，操作系统： >= 60% 。

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IC 设计背景

• 信息产业和高新技术产业的核心和战略产业是集成电路产业。

摩尔定律

EDA 工具发展SOC

电子系统复杂性和带宽

电子信息产品升级速度

•SOC是当前 IC设计发展的主流，开发和应用 SOC也是当前 IT 产业发展的需要。

IC 产业裂变

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中国 IC 产业的发展趋势 (1)

• 巨大的市场空间 “ 十五”期间，信息产业预计将保持 20%

以上的增长速度 我国的集成电路市场仍将保持年均 30%

以上的增长速度。 2000 年集成电路市场销售额达到 975 亿元 ,

到 2005 年，市场需求总规模预计将达到 2900亿元，成为世界主要集成电路市场之一。

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中国 IC 产业的发展趋势 (2)• 政策的优惠

2000 年底，国务院颁布了《关于鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》（也称 18号文件）。

信息产业部制定的“十五”产业规划中，提出 IC 产业要以芯片设计为突破口。

• 人力资源供给人力资源供给 2002 年，我国的 IC 设计人才仅有 3000 到

4000 人，到 2008 年，需求量将达 25 万人。而目前缺口基本上集中在前端设计前端设计。

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SOC 产业政策与发展思路 (1)

• 从 IC 设计企业赢利之年开始，所得税两年免税，三年减半。 ( 负面效应：中芯上市的股价委靡 )

• “十五”期间国家已安排了 10个重大专项，第一批财政拨款达 53.9亿元，把 IC放到第一位，在中国的科技投资里，这是空前的。

• 我们要突破高性能 CPU 设计瓶颈，建立中国自己的 SOC 设计平台，建立 IP 核库。形成若干个产业化基地，并培养出一批高水平的 IC 设计人才。

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SOC 产业政策与发展思路 (2)• 十五期间重点支持产品包括：• 1.CPU 产品—微处理器、微控制器、 DSP ；• 2.移动芯片—基站芯片、射频芯片、军用电

路及其支持产品；• 3. 数字音视频电路—数字

VCD 、 DVD 、 DTV 、 HDTV 、数码相机、 PDA 等支持产品；

• 4.IC卡芯片—电话卡、身份卡、金融卡等；• 5. 量大、面广的适销对路产品— CMOS运放、

存储卡等。

SOC 设计业的技术创新（ 1）• IT行业的核心是 IC ， IC知识产权的核心是设计，因此，加强 IC 设计业的技术创新已成为头等重要的任务。IC 设计创新的主要任务有两个创新和四个关键技术：

• 1.SOC 。这里包括：– 1)算法功能的突破。增加模糊算法、神经元算法以

及安全算法。– 2) 电路结构突破。 CMOS 还有很长的生命力，但

由于引入 RF 和 Flash 等将有新的发展。• 2.MEMS 。是微电子、机械、光学技术的结合。• 3.DNA 。是指微电子和生命科学结合的创新领域。• 4. 设计技术。设计方法创新。

SOC 设计业的技术创新（ 2）• 实现 SOC 的技术突破，所需要的关键技

术有：• 1) 软硬件协同技术。• 2)IP 模块库。• 3) 模块连接界面的综合分析。• 4)IP 的重用标准和流程。

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电子系统设计方法的演变过程1. CAD阶段 (20世纪 60‘ ~ 80’初期 )

开始用计算机辅助进行 IC 版图编辑、 PCB布局布线，取代了手工操作。

许多软件公司如 Mentor ， Daisy System 等进入市场，软件工具产品增多。

但设计各阶段的软件彼此独立，不利于快速设计；且这些软件仍不提供系统级的仿真与综合，不利于复杂系统设计。

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电子系统设计方法的演变过程1. CAD阶段 (20世纪 60‘ ~ 80’初期 ) 2. CAE阶段 (20世纪 80‘初期 ~ 90’初期 )

各种设计工具，如原理图输入、编译与链接、逻辑模拟、测试码生成、版图自动布局以及各种单元库均已齐全。

可以由 RTL级开始，实现从设计输入到版图输出的全过程设计自动化。

典型的 CAE 系统有 Mentor Graphics 、 Valid Daisy 等公司的产品。

电子系统设计方法的演变过程1. CAD阶段 (20世纪 60‘ ~ 80’初期 ) 2. CAE阶段 (20世纪 80‘初期 ~ 90’初期 ) 3. EDA阶段 (20世纪 90‘ – )

微电子工艺水平已经达到深亚微米级，一个芯片上已经可以集成数百万乃至上千万只晶体管，工作速度可以达到 Gb/s 。

人们开始追求贯彻整个设计过程的自动化。设计方法演变成“自顶向下”。

出现硬件描述语言 (HDL) 。设计者可将精力集中于创造性的方案与概念的构思上。