数字集成电路与系统设计基础知识
数字集成电路与系统设计基础知识（一）
ASIC可分为全定制和半定制。
半定制是调配厂家的设计资源（库单元），全定制是全部自己做。
from scratch：白手起家、从头开始。
such that：使得；这样。
design effort：可理解为设计工作。
手绘Geometry（在光掩模上成像的预期图案）；
所有层定制；（构成设备的一系列重叠光掩模或光掩模图像中的一个）
数字和模拟；
晶体管级仿真（模拟）；
高密度；
高性能；
设计时间长。
PS：对密度的理解
-
光掩模上图案与无图案区域的相对程度，如电路密度（circuit density）
-
给定尺寸下允许的缺陷数，如缺陷密度（defect density）
门阵列：只需要连接现成的门。
标准单元库：直接用厂家写好的lib库。
PLD：可编程逻辑器件，使用术语PLD来表示低密度结构。
PLA是为集成大型两电平组合逻辑电路而开发的，与ROM一样，它们的体系结构由二维数组组成。
简单的PLD（SPLD）：用与或门搭出来的PLA。
复杂的PLD：一个芯片中放很多PLA，互联矩阵。
FPGA 适用于中高密度应用，它们与CPLD在两个重要方面有所不同：
（1）它们的性能取决于设备中针对特定应用实现的路由；
（2）它们的功能由LUT实现，而不是由类似PAL的宽输入与门实现。
FPGA有三种可编程结构（逻辑资源）：
互联矩阵，即连线可编程；
CLB：可重构的逻辑功能块=LE：逻辑单元，可编程；
输出可编程（双向），I/O。
根据开发时间、性能、成本、风险、功能考虑选择全定制还是半定制。
可编程资源（同那三个结构）：可编程逻辑块，输入输出块，接口。
存储设备被认为是PLD（可编程逻辑器件）
因为它们可以实现组合逻辑，将函数的值存储在内存里，由函数输入寻址，从而实现了函数的真值表。
PLD的可编程性：PLD可分为ROM、PLA和PLD，都采用了类似的阵列结构实现。
PLA最灵活，用于大型，复杂的组合逻辑电路，各种PLD的可编程选项如表所示。
PLA：可编程逻辑阵列
PLAs是为集成大型二值组合逻辑电路而开发的，与ROM一样，它们的体系结构由两个数组组成。一个数组实现与操作，生成一个乘积项(例如，一个布尔立方体，可能是一个最小项)；另一个数组实现形成SOP（sum of product）或操作。
可编程逻辑阵列的基本结构如上，与门和或门可以搭成各种逻辑。（SOP）
左边是与逻辑，右边是或逻辑。
可编程阵列逻辑（PAL）：
PAL技术出现在PLA之后，并且通过固定或平面以及只允许对与平面进行编程，简化了双阵列结构。
每个输出由特定数量的行组成，每个行由一些乘积项组成。
一个比较流行的设备是PAL16L8，该设备有16个输入、8个输出；它的封装有20个引脚，包括电源和接地。
一个存储器实现了一个真值表，这也是为什么存储器能做可编程器件。
简单PLD：可以实现只读或随机访问的存储设备。
逻辑有两种：与或逻辑、译码器+或逻辑。
复杂PLD是几个简单PLD堆积起来。
FPGA的基本架构：FPGA有一个固定的体系结构，它是为特定的应用程序在现场编程的。
(1) 可编程功能单元数组 (FU)：用于实现组合逻辑和时序逻辑；
(2) 固定但可编程的互连结构：建立信号路由;
(3) 可配置内存：对设备的功能进行编程；
(4) l/O资源：在设备和环境之间提供接口。
FPGA的特点：编程功能强，是结构接近基于库单元的一种ASIC。
功能块可编程，且是阵列结构（FU是基本的功能块）；
互联是可编程的；
存储器部分可编程；
数据IO可编程。
FPGA由三个部分构成：整体是阵列结构。
可编程的功能单元（CLB/LE）：核心是黄色部分，基于存储器的，叫查找表，左边是两个存储器，右边是两个寄存器。
可编程的连线：蓝色是路由器，一个小块是一个功能单元，靠连线开关（蓝色）连起来，并路由。
可编程的I/O：绿色是输出IO，可编程（单向、双向、缓冲、寄存）。
FPGA有两种：一种是基于存储器的（基于LUT查找表的），另一种是基于多路选通器的（MUX）。
基于存储器的是主流。
FPGA/PLD把一个真值表（也叫烧写文件、配置文件）放入存储器里，逻辑功能实现可编程。
LUT（查找表）：存储器的地址对应LUT的输入，输出对应LUT的输出Z。
CLB：=LE，可编程逻辑模块是FPGA中的核心可配置逻辑单元，FPGA的逻辑功能就是靠CLB单元的配置以及大规模的CLB单元级联来实现的。
只有组合电路才能实现逻辑功能，时序电路只是一个记忆的作用。
使用每个函数发生器（G）作为4输入逻辑(LUT)，或高速同步双端口的RAM。
基于查找表的FPGA：
查找表是实现组合逻辑的，不管时序电路；由于输入有限，功能比较简单，容量受限于输入的数量，而不是复杂性；四条地址16个存储单元，延时（输入到输出耗时，代表数据吞吐量）一定。
基于开关的FPGA：根据S的0、1取值选择一个输出，即多路开关，通过a、b值的变化得到与、或功能，得到了基本的逻辑功能。
总结：
基于查找表的：由可编程的功能单元、可编程的连线、可编程的I/O三部分组成。
基于逻辑单元的FPGA：也叫CLB、LE，一个蓝色小块构成一个完整的数字逻辑单元（查找表+D触发器，逻辑+时序）。
寄存器链构成一个移位寄存器。
一般一个查找表对应一个寄存器。
BUFT：Xilinx的原语，表示一个三态缓冲器。
Carry Logic：进位逻辑，存在于每个slice中，是(主要)用于实现算术逻辑功能的专用逻辑。进位逻辑(或称进位链)在Xilinx器件中垂直分布、向上传递。
开关矩阵：小黑块，相当于交换机和路由器功能，在找路。
可编程的互联：白色点把他们连起来，红框是查找表寄存器，通过它找线，线有本地的，也有全局的。
I/O部分也可以编程：
- 快速I/O驱动程序
- 独立的输入、输出和三态控制寄存器
- 异步/同步设置或复位
- 共用时钟和单独时钟可以提高可用性
- 配置为FF（触发器）或latch（锁存器）
- 可编程的转换速率以及可变输入延迟
- 可选择的I/O标准支持
课程来源于互联网，主讲教师李广军。