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eda技术 第一章电子系统及电子系统设计概论 1 1电子系统由电子元器件及相关装置组成的能实现某些特定功能的电子电路分类模拟电子系统数字电子系统模拟数字混合的电子系统 什么是eda技术 以大规模可编程逻辑器件为设计载体 以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式 以计算机 大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具 通过有关的开发软件 自动完成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译 逻辑化简 逻辑分割 逻辑综合及优化 逻辑布局布线 逻辑仿真 直至对于特定目标芯片的适配编译 逻辑映射 编程下载等工作 最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术 eda技术的发展20世纪70年代的cad computerassistdesign 计算机辅助设计 阶段20世纪80年代的cae computerassistengineering 计算机辅助工程设计 阶段20世纪90年代的eda electronicdesignautomation 电子设计自动化 阶段 eda技术的主要内容大规模可编程逻辑器件硬件描述语言软件开发工具实验开发系统 大规模可编程逻辑器件是利用eda技术进行电子系统设计的载体 硬件描述语言是利用eda技术进行电子系统设计的主要表达手段 软件开发工具是利用eda技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具 实验开发系统则是利用eda技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具 大规模可编程逻辑器件 可编程逻辑器件 简称pld 是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件 fpga fieldprogrammablegatearray 和cpld complexprogrammablelogicdevice 分别是现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件的简称 简单pld实现的半加器的逻辑阵列 硬件描述语言 hdl 硬件描述语言hdl是eda技术中的重要组成部分 常用的硬件描述语言有vhdl veriloghdl和ahdl 而vhdl和veriloghdl是当前最流行的并成为ieee标准的硬件描述语言 vhdl是超高速集成电路硬件描述语言 very high speedintegratedcircuithardwaredescriptionlanguage 的缩写 具有很强的电路描述和建模能力 能从多个层次对数字系统进行建模和描述 从而大大简化了硬件设计任务 提高了设计效率和可靠性 vhdl具有于具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性 并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力 在语言易读性和层次化结构化设计方面表现了强大的生命力和应用潜力 vhdl veriloghdl 适用于rtl级和门电路级的描述 其综合过程较vhdl稍简单 但其在高级描述方面不如vhdl ahdl ahdl alterahardwaredescriptionlanguage 是altera公司根据自己公司生产的max系列器件和flex系列器件的特点专门设计的一套完整的硬件描述语言 ahdl是一种模块化的硬件描述语言 它完全集成于altera公司的max plusii的软件开发系统中 软件开发工具 目前比较流行的 主流厂家的eda软件有altera公司的max plusii lattice公司的ispexpert xinlinx的foundationseries max plusii 支持原理图 vhdl和verilog语言文本文件 以及以波形等格式的文件作为设计输入 并支持这些文件的任意混合设计 可以进行功能仿真和时序仿真 能够产生精确的仿真结果 界面友好 使用便捷 被誉为业界最易学易用的eda软件 并支持主流的第三方eda工具 ispexpert ispexpertsystem是ispexpert的主要集成环境 通过它可以进行vhdl verilog等语言的设计输入 综合 适配 仿真和在系统下载 ispexpertsystem是目前流行的eda软件中最容易掌握的设计工具之一 操作及功能方面也很强大 foundationseries xinlinx公司最新集成开发的eda工具 它采用自动化的 完整的集成设计环境 也是业界最强大的eda设计工具之一 实验开发系统 提供芯片下载电路及eda实验 开发的外围资源 类似于用于单片机开发的仿真器 供硬件验证用 一般包括 实验或开发所需的各类级别信号发生模块 包括时钟 脉冲 高低电平等 fpga cpld输出信息显示模块 包括数码显示 发光管显示 声响指示等 目标芯片适配座以及上面的fpga cpld目标芯片和编程下载电路等 kl 1型fpga开发实验板是基于altera公司epf10k10芯片的开发实验系统板 1 3数字电子系统设计的流程 自底向上设计法 bottom updesign 首先确定构成系统的最底层的电路模块或元件的结构和功能 然后根据主系统的功能要求 将它们组合成更大的功能块 使它们的结构和功能满足高层系统的要求 自底向上设计法的特点致力于解决系统最底层硬件的可获得性 以及功能特性方面的问题 在设计任意时刻 最底层目标器件的更换 缺货 或临时提出降低成本要求等不可预测的外部因素 都可能使前面的工作前功尽弃 低效 低可靠性 费时费力 且成本高昂的设计方法 自顶向下的设计方法 top downdesign 在eda技术应用中 自顶向下的设计方法 就是将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块 若子系统规模较大 则还需将子系统进一步分解为更小的子系统和模块 层层分解 直至整个系统中各子系统关系合理 并便于逻辑电路级的设计和实现为止 一个项目的设计过程包括从自然语言说明到vhdl的系统行为描述 从系统的分解 门级模型产生到最终的可以物理布线实现底层电路 此法的有效应用必须基于功能强大的eda工具 具备集系统描述 行为描述和结构描述功能为一体的vhdl硬件描述语言等 自顶向下的设计方法的优点 自顶向下设计方法是一种模块化设计方法 由于高层设计同器件无关 可以完全独立于目标器件的结构 因此在设计的最初阶段 设计人员可以不受芯片结构的约束 集中精力对产品进行最适应市场需求的设计 从而避免了传统设计方法中的再设计风险 缩短了产品的上市周期 由于系统采用硬件描述语言进行设计 可以完全独立于目标器件的结构 因此设计易于在各种集成电路工艺或可编程器件之间移植 适合多个设计者同时进行设计 1 4eda软件系统的构成 从专用集成电路的开发与应用角度来看 eda软件系统一般包含以下子模块 设计输入子模块 该模块接受用户的设计描述 并进行语义正确性 语法规则的检查 检查通过后 将用户的设计描述数据转换为eda软件系统的内部数据格式 存入设计数据库被其他子模块调用 设计输入子模块不仅能接受图形描述输入 硬件描述语言 hdl 描述输入 还能接受图文混合描述输入 该子模块一般包含针对不同描述方式的编辑器 如图形编辑器 文本编辑器等 同时包含对应的分析器 表示方法1 文本表示方式在eda的设计中 最一般化 最具普遍性的设计表示方式就是文本表示方式 也就是利用硬件描述语言 hdl 用软件编程的方式来表达自己的设计 根据文本表示方式所使用的抽象层次 我们又可将文本表示方式分为 行为描述 结构描述和数据流 寄存器传输级 描述 文本表示方式的优点 设计的可读性好 设计的复用性好 设计的移植性好 入档 交流 交付方便 2 图形表示方式在eda的设计中 有时也用图形表示方式来表示自己的设计 图形表示方式常用的有原理图 状态图 波形图等 图形表示方式的优点是直观 方便 但是其存在以下缺点 设计的可读性差 设计的复用性差 设计的移植性差 入档 交流 交付不方便 3 文本 图形混用方式在eda的设计中 根据自己设计所使用软件的性能及如何使设计简单易行 有时也经常采用文本 图形混用的方式 设计数据库子模块 该模块存放系统提供的库单元以及用户的设计描述和中间设计结果 分析验证子模块 该模块包括各个层次的模拟验证 设计规则的检查 故障诊断等 综合仿真子模块 该模块包括各个层次的综合工具 理想的情况足 从高层次到低层次的综合仿真全部由eda工具自动实现 布局布线子模块 该模块实现由逻辑设计到物理实现的映射 因此与物理实现的方式密切相关 例如 最终的物理实现可以是门阵列 可编程逻辑器件等 由于对应的器件不问 因此各自的布局布线工具会有很大的差异 第三章