高級FPGA設(shè)計

前言

　　FPGA技術(shù)自20世紀80年代中期出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，正在得到越來越廣泛的應(yīng)用，包括各個領(lǐng)域的數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)都會用到FPGA器件。與此同時，F(xiàn)PGA也引起電子設(shè)計技術(shù)的深刻變革，F(xiàn)PGA的可編程特性使得設(shè)計者可以在應(yīng)用現(xiàn)場，利用計算機上自動化設(shè)計軟件完成數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)品樣機的設(shè)計、更新和調(diào)試，不僅縮短了產(chǎn)品的上市時間，而且也能適應(yīng)技術(shù)標準和協(xié)議的更新和升級，延長了產(chǎn)品的壽命周期?！　PGA技術(shù)的這些特點要求設(shè)計者的設(shè)計能力不斷提高，除了自動化設(shè)計軟件在不斷完善和升級，還要求設(shè)計者有更豐富的系統(tǒng)設(shè)計知識、軟／硬件的設(shè)計本領(lǐng)和面對實際問題的處理能力。為了滿足廣大FPGA設(shè)計者的上述需要，獲得明尼蘇達大學(xué)電子工程理科碩士學(xué)位的Steve Kilts，作為Spectrum Design Solutions的共同創(chuàng)建者和主要工程師，他與他的團隊已經(jīng)成功地完成許多委托項目，作者具有豐富和廣泛的FPGA設(shè)計經(jīng)驗，包括在音頻、DSP、高速計算和總線結(jié)構(gòu)、IC測試、工業(yè)自動化和控制、嵌入微處理器、PCI、醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計、商用飛機和ASIC樣機等廣泛的領(lǐng)域。同時他在瞄準速度高、面積小和功率低的FPGA設(shè)計中進行性能的舍取方面積累了多年的經(jīng)驗?！　?ldquo;高級FPGA設(shè)計——結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)和優(yōu)化”一書強調(diào)FPGA設(shè)計和實現(xiàn)中的高級課題，工程師和計算機科學(xué)家通過此書可以加速掌握FPGA設(shè)計的學(xué)習(xí)過程，由于強調(diào)實際的設(shè)計，邏輯和實踐的方法，使讀者可應(yīng)對特殊的設(shè)計挑戰(zhàn)，顯著減少設(shè)計中的彎路，使讀者增長和補充可行的經(jīng)驗，這些實用的參考包括：　　·說明每個課題的波形圖和電路圖　　·用Verilog程序說明典型問題的例子　　·給出大量應(yīng)用的案例研究　　·每章結(jié)尾的小結(jié)　　此書按照典型的設(shè)計流程來安排各章的次序。前幾章討論結(jié)構(gòu)，然后是仿真，再是綜合，接著是布圖等。書中其余的章節(jié)是實例，作者選擇Verilog作為硬件描述語言，選擇Xilinx公司作為FPGA的銷售商，選擇Synplicity作為綜合和布圖的工具，書中覆蓋的課題可以方便地映射到VHDL語言、Altera銷售商、Mentor Graphics的工具，所以，即使對于使用其他技術(shù)的讀者，此書仍然是有價值的?！　τ跒榱双@得高層次FPGA設(shè)計技巧的工程師和計算機科學(xué)家來說，本書是理想的。同時，本書可用來作為內(nèi)行經(jīng)驗的參考，對電子工程和計算機科學(xué)的高年級學(xué)生和碩士生來說，本書也是一本杰出的教科書?！　±畹ず蛣却T士生參與了本書的翻譯過程，討論過許多理解和翻譯方面的問題，但是由于譯者水平有限，譯文中難免有不妥當、不確切乃至錯誤之處，敬請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書主要講解了FPGA設(shè)計、方法和實現(xiàn)。這本書略去了不太必要的理論、推測未來的技術(shù)、過時工藝的細節(jié)，用簡明、扼要的方式描述FPGA中的關(guān)鍵技術(shù)。主要內(nèi)容包括：設(shè)計速度高、體積小、功耗低的體系結(jié)構(gòu)方法，時鐘區(qū)域，實現(xiàn)數(shù)學(xué)函數(shù)，浮點單元，復(fù)位電路，仿真，綜合優(yōu)化，布圖，靜態(tài)時序分析等?！　”緯讯嗄晖茝V到諸多公司和工程師團隊的經(jīng)驗以及由白皮書和應(yīng)用要點匯集的許多知識進行濃縮，可以幫助讀者成為高級的FPGA設(shè)計者。本書以FPGA設(shè)計為主題，覆蓋了實踐過程中最可能遇到的深層次問題，并提供了經(jīng)驗指導(dǎo)。在某些方面，本書能夠取代有限的工業(yè)經(jīng)歷，免去讀者學(xué)習(xí)的困難。這種先進的，實用的方法，成為此書的特色?！　∵@本書把多年推廣到諸多公司和工程師團隊的經(jīng)驗以及由專門的白皮書和應(yīng)用要點匯集的許多知識進行濃縮，可以用來完善工程師的知識，幫助他們成為高級的FPGA設(shè)計者。

作者簡介

Steve Kilts，Spectrum Design Solutions公司的創(chuàng)始人之一，首席設(shè)計工程師。Steve擁有廣泛的FPGA設(shè)計經(jīng)驗，包括應(yīng)用在DSP、高速計算和總線體系結(jié)構(gòu)、集成電路測試系統(tǒng)、工業(yè)自動化和控制、音頻、視頻、嵌入式微處理器、PCI、醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計，商業(yè)航空和ASIC原型。Steve和他的

書籍目錄

譯者序前言第1章　高速度結(jié)構(gòu)設(shè)計　1.1　高流量　1.2　低時滯　1.3　時序　　1.3.1　添加寄存器層次　　1.3.2　并行結(jié)構(gòu)　　1.3.3　展平邏輯結(jié)構(gòu)　　1.3.4　寄存器平衡　　1.3.5　重新安排路徑　1.4　小結(jié)第2章　面積結(jié)構(gòu)設(shè)計　2.1　折疊流水線　2.2　基于控制的邏輯復(fù)用　2.3　資源共享　2.4　復(fù)位對面積的影響　　2.4.1　無復(fù)位的資源　　2.4.2　無置位的資源　　2.4.3　無同步復(fù)位的資源　　2.4.4　復(fù)位RAM　　2.4.5　利用置位/復(fù)位觸發(fā)器引腳　2.5　小結(jié)第3章　功耗結(jié)構(gòu)設(shè)計　3.1　時鐘控制　　3.1.1　時鐘偏移　　3.1.2　控制偏移　3.2　輸入控制　3.3　減少供電電壓　3.4　雙沿觸發(fā)觸發(fā)器　3.5　修改終端　3.6　小結(jié)第4章　設(shè)計實例：高級加密標準　4.1　AES結(jié)構(gòu)　　4.1.1　一級字節(jié)代換　　4.1.2　零級行間移位　　4.1.3　兩個流水線級列混合　　4.1.4　一級輪密鑰加　　4.1.5　緊縮結(jié)構(gòu)　　4.1.6　部分流水線結(jié)構(gòu)　　4.1.7　完全流水線結(jié)構(gòu)　4.2　性能與面積　4.3　其他的優(yōu)化第5章　高級設(shè)計　5.1　抽象設(shè)計技術(shù)　5.2　圖形狀態(tài)機　5.3　DSP設(shè)計　5.4　軟硬件協(xié)同設(shè)計　5.5　小結(jié)第6章　時鐘區(qū)域　6.1　跨越時鐘區(qū)域　　6.1.1　準穩(wěn)態(tài)　　6.1.2　解決方案一：相位控制　　6.1.3　解決方案二：雙跳技術(shù)　　6.1.4　解決方案三：FIFO結(jié)構(gòu)　　6.1.5　分割同步模塊　6.2　在ASIC樣機中的門控時鐘　　6.2.1　時鐘模塊　　6.2.2　選通移除　6.3　小結(jié)第7章　設(shè)計實例：12S與SPDIF　7.1　I2S　　7.1.1　協(xié)議　　7.1.2　硬件結(jié)構(gòu)　　7.1.3　分析　7.2　SPDIF　　7.2.1　協(xié)議　　7.2.2　硬件結(jié)構(gòu)　　7.2.3　分析第8章　實現(xiàn)數(shù)學(xué)函數(shù)第9章　設(shè)計實例：浮點單元第10章　復(fù)位電路第11章　高級仿真第12章　綜合編碼第13章　設(shè)計實例：安全散列算法第14章　綜合優(yōu)化第15章　布圖第16章　布局布線優(yōu)化第17章　設(shè)計實例：微處理器第18章　靜態(tài)時序分析第19章　PCB的問題附錄A　AES密碼的流水線級附錄B　SRC處理器的頂層模塊參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第11章 高級仿真　　因為在快速實現(xiàn)、FPGA編程和系統(tǒng)內(nèi)診斷等最近的進展，許多FPGA設(shè)計者正花費較少的時間產(chǎn)生綜合性的仿真測試臺，更多地依靠硬件診斷校驗其設(shè)計。許多現(xiàn)代的FPGA設(shè)計者的一種趨向是只為單個模塊編寫“快和亂”的仿真，而不管頂層的仿真，急于要直接跳到硬件。這個當然不是在常規(guī)工業(yè)的情況，例如醫(yī)療或航空，但是成千個新的非常規(guī)工業(yè)中有許多最近引入FPGA的能力，雖然系統(tǒng)內(nèi)診斷已經(jīng)變得十分靈活，針對這類診斷和設(shè)計有效性的設(shè)計方法已經(jīng)成熟，但是對產(chǎn)生綜合性的、完全自動仿真的環(huán)境有不少遺憾?！　”菊掠懻撛S多技術(shù)包含為校驗FPGA設(shè)計產(chǎn)生一個有用的仿真環(huán)境，描述大量的已經(jīng)在許多工業(yè)上工作證明的探索材料。在本章的課程期間，將要討論以下內(nèi)容?！　?middot;構(gòu)造一個測試臺　　測試臺的元件　　測試臺相應(yīng)的流程包含主要的線程、時鐘產(chǎn)生和測試案例結(jié)論　　·利用.MATIAB等工具產(chǎn)生系統(tǒng)激勵　　·為公共接口的總線功能模塊　　·透徹地了解整個覆蓋的激勵　　·為校驗、診斷和功率估計運行門級仿真　　·共同的測試臺陷阱和模型化器件的相應(yīng)方法11.1測試臺結(jié)構(gòu)　　產(chǎn)生一個有用的仿真環(huán)境的第一步是建立和組織相應(yīng)的測試臺。測試臺是仿真中的頂層模塊，即負責把全部模塊接合在一起。通常，測試臺將提供的各部分激勵與設(shè)計的尺寸和復(fù)雜度有關(guān)。一個設(shè)計差的測試臺一般是把原始設(shè)計快速和無序地組織起來，可能增長成離散行為的結(jié)構(gòu)和激勵等龐大的事物，沒有一個人可以讀懂和完全理解。　　11.1.1測試臺元件　　頂層的測試臺可以按照圖ll-1抽象地模型化。　　測試臺是在仿真中的頂層模塊，把系統(tǒng)模型中的所有子元件接合在一起。一般駐留在測試，臺內(nèi)的測試過程管理仿真的主要線程和測試流程。這個進程定義運行哪個測試，利用哪個矢量、數(shù)據(jù)如何存入和報告?！　∪值募畋硎緫?yīng)用于整個系統(tǒng)的基本矢量。這些矢量的大多數(shù)包括系統(tǒng)時鐘、復(fù)位，以及置系統(tǒng)進入仿真相應(yīng)狀態(tài)的任何初始條件?！　∮布Ｐ屯瑯釉跍y試臺中調(diào)用，它們是在仿真中處于測試下的器件，有最后將要在FPGA中實現(xiàn)的模塊。通常，在測試臺中只有一個硬件模型，即在FPGA中的頂層模型。

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