ADuM4135: 単電源/両電源、高電圧絶縁型 IGBT ゲート ......単電源/両電源、高電圧絶縁型 IGBT ゲート・ドライバ、ミラー・クランプ内 データシート
FPGA Design Flow & SynthesisFPGA Design Flow & Synthesis•™材.pdf · 2015-09-17 ·...
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教育部顧問室「超大型積體電路與系統設計」教育改進計畫 DIP聯盟雲林科技大學電子系 許明華
FPGA DeviceFPGA DeviceFPGA Device
FPGA Design Flow & SynthesisFPGA Design Flow & SynthesisFPGA Design Flow & Synthesis
DIP Rapid Prototyping Platform DIP Rapid Prototyping Platform DIP Rapid Prototyping Platform
DIP Prototype System Measurement
Design ExampleDesign ExampleDesign Example
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IP Prototype System Measurement
•Ball-less Optical Mouse
•System Signal Measurement
•Data Analysis
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Ball-less Optical Mouse System
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System FeaturesSingle Chip Solution.
800 dpi Resolution
12 in./sec. Maximum Velocity
0.15g Maximum Acceleration
18-pin DIP package
Low Power ConsumptionAuto Power-down Mode and wake up
Operating Voltage VDD 3 3.15V to 3.45 V
VDD 5 4.75V to 5.25 V
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Optical Mouse Hardware Module
IP IP
IP or µp+software
Quadrature
I C2
AMBA
Interface
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System I/O Definition
I/O No.
Name Type Description I/O No.
Name Type Description
1 XA I/O XA Output 8 OSCI I Oscillator Input
2 XB I/O XB Output 9 GND Ground 3 YB I/O YB Output 10 OSC2 O Oscillator
Output 4 YA I/O YA Output 11 GND I Ground 5 XY_LED O LED
Control Output
12 VDD5 I 5.0 V VDD
6 VDD3 I 3.3 V VDD 13 VDD5 I 5.0 V VDD 7 REFB I Internal
Reference 14 NRESET I NRESET
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System SpecificationParameter Symbo
l Min. Typ. Max. Unit Note
Speed 12 In/sec Acceleration 0.15 g Light level onto IC IRRinc 40 25000 MWm
2 λ= 639 nm
LED Peak Wavelength 639 nm Sensor Pitch (both X and Y)
30 um
Output Frame Rate (Normal Mode)
1500 frame
Output Frame Rate (Sleep Mode)
128 frame
Clock Frequency 13.5 18.432 27.0 MHz Power Supply, VDD5 4.75 5.0 5.25 Volt Power Supply, VDD3 3.15 3.3 3.45 Volt Current, Normal Mode
mA
Current, Sleep Mode mA
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Ball-less Optical Mouse System
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Application Specific Demo Board (Natl. Yunlin Univ.)
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ADC IP Image Sensor Input
PowerLED
FPGA I/O Pin
FPGA I/OPin
DIP Sw.
UART
FPGA
JTAG
FPGA I/O PinE2PROM
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Floor Plan of Prototype PCB
Tektronix
Trigger Gain
On GainOff
On GainOff
A
B
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Prototype Signal MeasurementPrototype Signal Measurement
FPGAFPGAAnalog Signal input
FPGA Output
Digital Output
FPGA Input
Digtal Signal input Analog Output
SpecFirstSpecFirst
SpecFirstSpecFirst
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COMS影像元件架構
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Analog LIN Out
20 X 20
CMOS APS
Imaging Area
20 X 20
CMOS APS
Imaging Area
Column Dual CDS CircuitsColumn Dual CDS Circuits
Horizontal Shift RegisterHorizontal Shift RegisterVideoAmp
VideoAmp
Analog XDR Out
Gain OffsetVe r
tical
Shi
f t R
egis
ter
Ve r
tical
Shi
f t R
egis
ter
Hclk
Hreset
Hdata
Bi-directional Bus Control
Bi-directional Bus Control
Dual 12-bit A/DConverter
Dual 12-bit A/DConverter
VADD[9.0] CDS andRESET
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CMOS影像感測器之佈局
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Image Sensor Chip
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Mechanism of Image Sensor
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Timing Diagram of Image Sensor
Image output for video mode(by parallel)
Addr[7..0]
XYSel
ADClk
Data[7..0]
Ready
nDstrb
nWait
R_OutputImgData:mov A,@0x78mov Count,A
mov A,YBeginmov YCount,A
LOutLine:inc Ycountmov A,Ycountmov PORT6,Anopbs PORT8,XYSELbc PORT8,XYSELcall Delay10us
mov A,@0xa0mov Count1,A
LOutPixel:
mov A,Count1add A,XSub
LCheckWantRead:jbc PORT9,nDstrbjmp LCheckWantRead
mov PORT6,A
nopnopnopbc PORT8,ADCLKbs PORT8,ADCLK
bs PORT9,nWait
LCheckReadDone:jbs PORT9,nDstrbjmp LCheckReadDone
bc PORT9,nWait
djz Count1jmp LOutPixel
djz Countjmp LOutLineret
10us
10us
Line i An An-1 An-2 An-3
Dn Dn-1 Dn-2 Dn-3
10us
10us
Line i+1 An An-1 An-2
Dn Dn-1 Dn-2 Dn-3
An-3
We can implement the timing by hardware but we must add 3 bit for control.
(1) Control bit : 1 ==> start transmit, 0 ==> disable
(2) Indicatation bit : 1 ==> transmit finish, 0 ==> transmitting
(3) Transmit error bit : 1 ==> transmit error, 0 ==> transmit OK!
For flexible using, we can design a control bit to set the timing be operated by hardware or firmware
(1) operate mode : 1 ==> by hardware, 0 ==> by firmware!
50ns
Decided by PCtransmission time
ta+tbta : 50ns (typical)tb : 20~30ns
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A/D Converter I/O Pin
3-Bit VoltageEstimator
3-Bit FlashA/D
Converter
DAC M
+-
3
3
Decoder
OuputLatch and
Tri-stateBuffers
TIMING AND CONTROL CIRCUITRY
OFL* DB7(MSB)
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1 DB0(LSB)
MODE CS RD WR/RDY
A0**
INT
VREF+ VREF-
VIN*,VIN1**
V+
GND
*ADC08061**ADC08062
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12
13
14
15
16
17
18
19
20Vin
DB0
DB1
DB2
DB3
WR/RDY
MODE
RD
INT
GND
V+
NC
OFL
DB7
DB6
DB5
DB4
CS
VREF+
VREF-
圖(24) ADC08061的IC接腳圖
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A/D Controller and Sensor Controller Signal
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PS/2 Quadrature Input
7)BY,(1 ,7)BX,(1 ≤=∆≤≤=∆≤ AYfYAXfX
+1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 -1
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PS/2 Quadrature Output Waveform
ONE
XA/YA
XA/YA
XA/YA
XA/YA
XA/YA
XB/YB
XB/YB
XB/YB
XB/YB
XB/YB
TWO
THREE
FOUR
FIVE
圖(31) 正交信號表示法
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PS/2 Output Data
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Prototype System Measurement
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Mouse Pad Material
膠質(8bit-1200dpi) 尼龍布(8bit-1200dpi)
A4紙(8bit-1200dpi) 蠟質(8bit-1200dpi)
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Mouse Pad Material
相片(8bit-1200dpi) 皮革(8bit-1200dpi)
桌面(8bit-1200dpi) 白紙(8bit-1200dpi)
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Image Sample Data
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 86 85 85 83 83 82 82 82 82 82 82 81 81 81 81 81 81 82 186 85 85 84 84 84 84 84 83 83 82 81 81 81 81 81 82 82 285 85 84 84 84 83 83 83 82 82 82 81 81 81 80 80 84 84 386 84 84 83 83 82 82 82 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 486 84 84 83 83 81 80 81 81 81 82 81 82 81 81 82 82 82 587 85 84 84 84 82 81 82 81 82 83 82 82 83 82 82 83 83 686 84 84 83 83 82 81 82 81 82 82 82 82 82 82 82 82 82 787 85 85 84 83 83 82 83 82 83 83 83 83 83 83 83 83 82 888 86 86 85 84 83 83 83 83 84 84 84 84 83 83 83 83 82 988 87 87 86 86 84 83 84 83 84 84 84 84 83 83 83 83 83 1089 87 87 85 86 84 83 84 84 84 84 84 84 84 83 84 84 84 1188 86 85 85 85 84 83 83 83 84 84 83 84 84 84 84 84 85 1287 86 85 84 85 84 83 84 83 84 84 83 83 84 84 84 84 83 1387 86 85 84 85 84 83 84 83 83 83 83 83 83 83 83 83 83 1488 87 87 87 87 84 83 83 83 83 84 84 84 84 84 83 84 84 1587 87 87 87 86 84 82 83 83 83 84 84 84 85 84 84 84 85 1687 86 86 86 85 83 82 83 83 84 84 84 84 84 84 84 84 86 1787 86 85 85 85 83 82 83 82 83 84 83 83 84 83 84 84 84 18
The Output of ADC Chip:
18*18 Pixel/Frame
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Image Data Analysis1 3 5 7 9
11 13 15 17 S1
S6
S11
S16
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
90-100
80-90
70-80
60-70
50-60
40-50
30-40
20-30
10-20
0-10Image Frame 1
Gray level value
one Sensor line
Frame number
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Consecutive Image Data Analysis
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18S1
S6
S11
S16
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
160-180
140-160
120-140
100-120
80-100
60-80
40-60
20-40
0-20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18S1
S6
S11
S16
0
20
40
60
80
100
120
100-120
80-100
60-80
40-60
20-40
0-20
Image Frame 2 Image Frame 3
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Mouse Track Analysis
Real Track
Prototype Track
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Mouse Track Analysis
Error Source:
1. Sensor Noise
2. A/D QuantizationReal Track
Prototype Track
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教育部顧問室「超大型積體電路與系統設計」教育改進計畫 DIP聯盟雲林科技大學電子系 許明華
Refined Modification and Re-Test
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教育部顧問室「超大型積體電路與系統設計」教育改進計畫 DIP聯盟雲林科技大學電子系 許明華
Refined Modification and Re-Test
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教育部顧問室「超大型積體電路與系統設計」教育改進計畫 DIP聯盟雲林科技大學電子系 許明華
Refined Modification and Re-Test
Error Vertical Track Final Modified Result
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教育部顧問室「超大型積體電路與系統設計」教育改進計畫 DIP聯盟雲林科技大學電子系 許明華
Refined Modification and Re-Test
Error Horizontal Track Final Modified Result
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Refined Modification and Re-Test
Prototype Track
Real Track
Complete Match
Error Elliptical Track Final Modified Result
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成果驗證成果驗證
以下是利用PC-based Logic Analysisor所顯示的結果
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Chip Floor PlanChip Floor Plan
ImageSensor
IP
ADCIP
Digital Circuits
IP
CLCC
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FPGA DeviceFPGA DeviceFPGA Device
FPGA Design Flow & SynthesisFPGA Design Flow & SynthesisFPGA Design Flow & Synthesis
DIP Rapid Prototyping Platform DIP Rapid Prototyping Platform DIP Rapid Prototyping Platform
DIP Prototype System MeasurementDIP Prototype System MeasurementDIP Prototype System Measurement
Design Example
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Design Example -Square Root Algorithm
Feature:Shift operations instead of multiplications.Without the need to resort to multiplications or divisions.Advantageous in terms of both area & timing.Parameterizable.
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Algorithm Presentation
Uses unsigned integers to represent.Based on bisection method.The algorithm presented by E . W. Dijkstra .Find a non negative integer a satisfying the following constraints:
2arg root remainder= +
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Advance Version –Add Fraction Part (1)
Algorithm 1: (approximation) Use Remainder part to convert it.I find one regular rule as the following:
The differential value are regular between
radicands
We see the differential value are regular , so we can use divider or shifter operator to convert the remainder to fraction part.Ex. I chose radicand is 6 , so I get the root equal 2 and remainder equal 2 . I know the differential value of radicand is 5 between root equal 2 and 3 , so the fraction part = 2/5=0.4 (approximation).
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Advance Version –Add Fraction Part (2)
Algorithm 2: (Accurate) Use Radicand part to convert it.Only require shift operator and can obtain higher accuracy.General formula :
EX. We choose radicand is
( ){ } ( ){ }:
, :2
: 2 2
n Radicand bitsinterger n minterger n m dot point M for m Extend Radicand bits
mM mM
⎧⎡ ⎤ ⎨⎣ ⎦ ⎪
⎪ =⎩
( ) ( )( 12)7 (0000 _ 0111) 0000 _ 0111_ 0000 _ 0000 _ 0000
600 _1010 _1001.
0010.101001 2.641
left shift m bitsradicand
square root dot point right shift M bits
So We can get a solution is
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→
− =
=
≈
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Design Flow
nLint : Novas nLintCode Coverage : TransEDA VN
Simulation : Modelsim or Quartus II Waveform (.wlf)Testbench :
Xilinx HDL Bencher Synapti CAD TestBencher Pro Diagonal BestBench
Compilation : Quartus II
Synthesis : Synplicity Synplify
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Hardware Design- APB InterfaceAMBA APB Transfer Protocol:
Require two clock cycle to completethe write or read operation.
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Hardware Design- APB Interface
AMBA APB W/R Transfer
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APB Wrapper & Interface Architecture
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User Programming Model
RDYRFDxxxxxxxxxxxxxxxxxx
Status Register.28bits 1bit 1 bit 1 bit 1bit
Memory Mapped DFF Status Register
DFFsDFF_W DFF_R
Address mapping range
Address space
0x0000_0000
0x0000_0050D Q D Q
Interrupt
Int_gen
If the square root calculate complete,The interrupt occur & RDY set “1”
0 0
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Hardware Circuit (Top Level)
srt_module
U_U3
s_clk_clocks_rst_n_as_load
[7:0] s_radicand[7:0]
s_done_r[7:0]s_srt[7:0]
interface_module
U_U2
s_clk_clocks_clk_ens_rst_n_as_sels_w_rs_done
[2:0] s_addr_dec[2:0][31:0] s_apb_data_in[31:0][7:0] s_srt_nxt[7:0]
s_int_gens_load
[7:0]s_radicand_r[7:0][31:0]s_apb_data_out[31:0]
wrapper_module
U_U1
s_selx[31:0] s_addr[31:0]
[2:0]s_addr_dec[2:0]
s_prdata[31:0][31:0]
s_interrupts_pwdata[31:0] [31:0]
s_paddr[31:0] [31:0]
s_pwrite
s_pselx
s_prst_n
s_penable
s_clk_pclk
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Hardware Circuit (Wrapper)
if (s_selx==1'b1 && s_addr[`ADDR_UP-1 : `ADDR_UP-4]==`FIFO_W_ADDR )s_addr_dec = `NUM_DECODER'b001;
else if (s_selx==1'b1 && s_addr[`ADDR_UP-1 : `ADDR_UP-4==`FIFO_R_ADDR)s_addr_dec = `NUM_DECODER'b010;
else if (s_selx==1'b1 && s_addr[`ADDR_UP-1 : `ADDR_UP-4]==`FIFO_ST_REG)s_addr_dec = `NUM_DECODER'b100;
elses_addr_dec = `NUM_DECODER'b000;
Address decode to DFF_W
Address decode to DFF_R
Address decode to Status Registers
addr_dec_proc_s_addr_dec20
addr_dec_proc_s_addr_dec19
addr_dec_proc_s_addr_dec18
addr_dec_proc_un1_s_addr_1<
[7:4]
1100
addr_dec_proc_un1_s_addr<
[7:4]
0110
s_w_addr_dce[2:0]
s_paddr[31:0] [31:0]
s_pselx
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Hardware Circuit (Interface)
s_apb_data_out_1[7:0]
0
1
[2]
[7:0][7:0]
s_st_reg_rfd
ed
ed
ed
ed
ed
ed
0
1
[1]0
[3]0
1
0
s_load
ed
ed
ed
0
[3]1
[2]
s_int_gen
ed
ed
ed
0
1
[2]
un1_s_cur_state_6
[2]
un1_s_cur_state_5
[2]
un1_s_cur_state_4
[0]
un1_s_cur_state_3
[0]
un1_s_cur_state_2[1]
ed
ed
ed
ed
[0]0
[1]0
[2]1
[3]1
statemachine
s_cur_state[3:0]
I[2:0][3:0]Q[3:0]C
R
un1_s_st_reg_rdy32
un1_s_cur_state_1
[2]
seq_fsm_proc_s_st_reg_rdy32
[1]
s_srt_q_r[7:0]
R
[7:0]Q[7:0][7:0] D[7:0]E
seq_fsm_proc_s_st_reg_rfd10
[0]
s_radicand_r[7:0]
R
[7:0]Q[7:0][7:0] D[7:0]E
read_reg_proc_s_srt_q_r6
[1]
un1_s_cur_state
[3]
write_reg_proc_s_radicand_r6
[0]
s_prdata[31:0]
s_w_load
s_interrupt
s_w_radicand[7:0][7:0]
s_w_srt[7:0] [7:0]
s_pwdata[31:0] [31:0]
s_w_addr_dce[2:0] [2:0]
s_w_done
s_pwrites_pselx
s_prst_n
s_penable
s_clk_pclk
000000000000000000000000[7:0]
00000
0
The FSM is used generated flags Interrupt generation
-
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Simulation
APB Protocol Signals
Address Bus
Square Roots
Radicand data
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n-Lint
These warnings include:1. Bit width mismatch in assignment.2. FSM and non-FSM logic in same
module.So the total warnings are 4 in my design.
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Code CoverageUse TransEDA VN v.2002.05 to Run code coverage
Code Coverage. We see the all coveragesreach 100% , but VN can’t detect my FSMin interface_module.
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FloorPlan View
Carry Chain :-------------------------Length number
15 116 217 1
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Resource
Target Dveice EPF10K30EFC256-1FlipFlops 58Logic elements 157/1728 (9 %)Pins 102/102 (57 %)EAB bits 0/24576 (0 %)Fan-out 467fmax 107.53Mhz
(period=9.3ns)
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Download to Integrator
My Results
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FPGA Environment Platform
Nios Development board
PC-based Logic Analyzer
Signals Probe
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FPGA Verification Result
The verification result for PC-based logic analyzer
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FPGA Summary
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FPGA Hierarchy
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Floorplan View
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FPGA Post-Synthesis Resource
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FPGA fmax
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Logic Synthesis – Synopsys (1)
Wrapper_moduleSrt_module
Interface_module
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Logic Synthesis – Synopsys (2)
Wrapper_module
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Logic Synthesis – Synopsys (3)
Interface_module
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Logic Synthesis – Synopsys (4)
Srt_moduleDw01_add
Dw01_sub
Dw01_cmp2
Dw01_add
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Logic Synthesis – Synopsys (5)
Critical path
OK !
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REFERENCES
http://www.cic.edu.tw/chip_design國科會CIC中心
Altera hhtp://www.altera.comhhtp://www.altera.com/IPmegastore
XILINX http://www.xilinx.com/products
廠商: http://www.zeepe.com.tw廠商: http://www.chirkal.com.tw
儀器: http://www.tek.com儀器: http://www.hp.com
http://www.cic.edu.tw/chip_designhttp://www.xilinx.com/productshttp://www.zeepe.com.tw/http://www.chirkal.com.tw/http://www.tek.com/http://www.hp.com/
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REFERENCE BOOKS
[1] K. Coffman, Real Workd FPGA Design with Verilog, Prentice Hall PTR, 1999.[2] M. B. Uwe, Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays,
Springer Verlag, 2001.[3] C. Scholl, Functional Decomposition with Applications to FPGA Synthesis,
Kluwer Academic Publishers, 2001.[4] J. O, Hamblen, M. D. Furman, Rapid Prototyping of Digital Systems,
Kluwer Academic Publishers, 2001.[5] J. V. Oldfield and R. C. Dorf, Field-Programmable Gate Arrays: Reconfigurable
Logic for Rapid Prototyping and Implementation of Digital Systems,[6] J. Bergeron, Writing Testbenches - Functional Verification of HDL Models
, Kluwer Academic Publishers, 2000.[7] D. J. Smith, Hdl Chip Design: A Practical Guide for Designing, Synthesizing &
Simulating Asics & Fpgas Using Vhdl or Verilog, Doone Pubns, 1998.[8] Soild-State Optical Mouse Sensor with PS/2 and Quadration Outputs,
HP databook, 2000.
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REFERENCES
國外光學滑鼠製造商http://www.atek.com/accessories/minimouse.htm.http://www.store.yahoo.com/ibselec/index.html.http://shop.store.yahoo.com/colorcase-store/crysopmous.html.http://www.usbman.com/Reviews/belkin_optical_mouse.htm.http://www.aopen.com/products/mice/o35g.htm.
國內光學滑鼠製造商http://www.gowisdom.com.tw.http://www.gigabyte.com.tw/chinese-web/news.http://www.tcstar.com.tw/product_mouse_opt.htm.http://www.btc.com.tw/btc2001_c/news_9.html.http://hk.tom.com/poptech/product/hard/periph.
光學滑鼠控制晶片設計商http://www.microsoft.com/Taiwan/products/hardwarehttp://www.semiconductor.agilent.com/cgi-bin/morpheus
http://www.atek.com/accessories/minimouse.htmhttp://www.store.yahoo.com/ibselec/index.htmlhttp://shop.store.yahoo.com/colorcase-store/crysopmous.htmlhttp://www.usbman.com/Reviews/belkin_optical_mouse.htmhttp://www.aopen.com/products/mice/o35g.htmhttp://www.gowisdom.com.tw/http://www.tcstar.com.tw/product_mouse_opt.htmhttp://www.btc.com.tw/btc2001_c/news_9.htmlhttp://hk.tom.com/poptech/product/hard/periph
COMS影像元件架構CMOS影像感測器之佈局Algorithm PresentationAdvance Version – Add Fraction Part (1)User Programming Model