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摘要：随着基于PLD的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。从而使它成为当今电子技术发展的前沿之一;本文详细介绍EDA课程设计及相关内容，阐述了EDA的基本概念及发展过程。关键词： EDA 发展与应用 自动售货机1. EDA概况及特点EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）缩写，是90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术是以计算机为工具，根据硬件描述语言HDL（ Hardware Description language）完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。 EDA技术作为现代电子设计技术的核心，它依赖强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合，以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。它的基本特征是：设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。下面介绍与EDA基本特征有关的几个概念。1“自顶向下”的设计方法10年前，电子设计的基本思路还是选用标准集成电路“自底向上”地构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔，不仅效率低、成本高而且容易出错。高层次设计是一种“自顶向下”的全新设计方法，这种设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。然后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。2ASIC设计现代电子产品的复杂度日益提高，一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题。解决这一问题的有效方法就是采用ASIC芯片进行设计。ASIC按照设计方法的不同可分为全定制ASIC、半定制ASIC和可编程ASIC（也称为可编程逻辑器件）。设计全定制ASIC芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则，最后将设计结果交由IC厂家去进行掩模制造，做出产品。这种设计方法的优点是芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低，而缺点是开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。半定制ASIC芯片的版图设计方法分为门阵列设计法和标准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。可编程逻辑芯片与上述掩模ASIC的不同之处在于：设计人员完成版图设计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片,无须IC厂家的参与，大大缩短了开发周期。可编程逻辑器件自70年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段，其中CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200万门/片，它将掩模ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易地转由掩模ASIC实现，因此开发风险也大为降低。上述ASIC芯片，尤其是CPLD/FPGA器件，已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。3.硬件描述语言硬件描述语言（HDL）是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。例如一个32位的加法器，利用图形输入软件需要输入500至1000个门，而利用VHDL语言只需要书写一行“A=BC”即可。而且VHDL语言可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，如ABEL、HDL、AHDL，由不同的EDA厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以上不足，1985年美国国防部正式推出了高速集成电路硬件描述语言VHDL，1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准（IEEESTD1076）。VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次,支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。VHDL还具有以下优点：(1)VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，而花较少的精力于物理实现。(2)VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。(3)VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。(4)VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。4EDA系统框架结构EDA系统框架结构(Framework)是一套配置和使用EDA软件包的规范。目前主要的EDA系统都建立了框架结构，如Cadence公司的DesignFramework，Mentor公司的FalconFramework，而且这些框架结构都遵守国际CFI组织制定的统一技术标准。框架结构能将来自不同EDA厂商的工具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的环境之下，而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中的信息传输与共享，是并行工程和自顶向下设计方法的实现基础。2.EDA 技术的应用现状现在EDA 技术发展迅猛, 应用比较广泛, 包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域都有EDA 的应用。目前, EDA 技术已在产品设计与制造、教学和科研部门广泛使用, 发挥着巨大的作用。在产品设计与制造方面, EDA 技术可实现前期的计算机仿真、系统级模拟及测试环境的仿真、PCB 的制作、电路板的焊接、ASIC 的设计等。在教学方面, 高校电子类专业的实践教学中, 几乎所有理工科(特别是电子信息)类的高校都开设了EDA 课程。主要是让学生了解EDA 的基本原理和基本概念, 掌握描述系统逻辑的方法, 使用凹ID/ 5PGA 器件进行电子电路课程的模拟仿真实验, 并在作毕业设计时从事简单电子系统的设计, 既使实验设备或设计出的电子系统具有高可靠性, 又经济、快速, 容易实现,修改便利,同时可大大提高学生的实践动手能力、创新能力和计算机应用能力,为今后工作打下基础。具有代表性的是全国每两年举办一次大学生电子设计竞赛活动。在科研和新产品开发中,5PGA 可直接应用于小批量产品的芯片或作为大批量产品的芯片前期开发。传统机电产品的升级换代和技术改造,5PGA 的应用可提高传统产品的性能, 缩小体积, 提高技术含量和产品的附加值。它主要利用电路仿真工具(EWB或PSPICE、VLOL 等)进行电路设计与仿真; 利用虚拟仪器进行产品调试; 将O)LI)/ FPGA器件的开发应用到仪器设备中。例如在CDMA无线通信系统中, 所有移动手机和无线基站都工作在相同的频谱,为区别不同的呼叫, 每个手机有一个唯一的码序列, CDMA 基站必须能判别这些不同观点的码序列才能分辨出不同的传呼进程;这一判别是通过匹配滤波器的输出显示在输人数据流中探调到特定的码序列;FPGA 能提供良好的滤波器设计, 而且能完成DSP 高级数据处理功能, 因而FPGA 在现代通信领域方面获得广泛应用。在产品设计与制造方面, 从高性能的微处理器、数字信号处理器,一直到彩电、音响和电子玩具电路等, EDA 技术不单是应用于前期的计算机模拟仿真、产品调试, 而且也在电子设备的研制与生产、电路板的焊接等方面有着重要的作用。可以说电子EDA技术已经成为电子工业领域不可缺少的技术支持。3.EDA 技术的发展趋势 电子产业瞬息万变,随着新一代半导体工艺和设计方法的进步及新的应用领域和市场需求的变化,设计人员必须不断尝试新的EDA工具及解决方案。目前, EDA 产业正面临一个关键的转折点,必须随着客户、电子及IC设计产业的需求而进行调整、改变与创新。(1) 一体化工具和IP 是发展方向一体化的工具使用户受益于一个统一的用户界面, 避免了在不同的工具间进行数据转换等繁琐的操作。目前，各大EDA 工具供应商分别推出了集成众多工具在内的一体化设计工具, 同时也在分别推出各自的标准数据库,以进一步简化设计流程。未来先进的IC设计平台, 将整合各个公司的许多工具, 覆盖了从设计编译、布局编译、物理编译、DFT 编译以及硅片制造的全部流程, 同时还在内部集成了向第三方开放的数据库, 将不同设计阶段中的数据、时序、计算以及种种约束条件协调起来, 将集成新的模拟和混合信号设计工具，加强利用EDA 工具进行模拟电路设计的能力。IP 的合理应用是加速产品设计流程的一个有效途径。按照美国EDA联盟(The EDA Consortium)的统计数据表明, IP产品的销售额是全球EDA 工业中增加最快的一个领域。IP 应用是IC 设计业中绝对的发展趋势。(2) System Verilog 将成为下一代的描述语言描述语言一直是EDA业中重要的一环，VHDL和Verilog目前是中国的主流设计语言。然而， 随着IC 复杂度的不断提高，高级语言将成为FPGA开发的利器，从更高层次入手对系统进行描述是描述语言未来的发展方向。“System Verilog将最终取代VHDL。”这是Synopsys公司对描述语言发展方向上的预测， 在进一步解释这一预测时，还指出多年来FPGA设计中更关注的是仿真，而目前验证整个设计周期中已经占据了60%甚至更多的时间，而System Verilog可以有效地支持上述两者的需求，同时System Verilog是与Verilog完全兼容的。系统级设计方法除了需要使用高级HDL语言外，更重要的是要得到系统级仿真、综合工具的强力支持。目前Verilog HDL语言发展迅猛，并逐步完善。四.自动售货机的设计4.1、设计原理、方案论证1）设计一个自动售货机，此机能出售1元、2.5元、3元、3.5元的四种商品。出售哪种商品可有顾客按动相应的按键即可，并同时用数码管显示售出的是第几种商品；2）顾客可通过选择投入的钱数来购买商品，并且有一个确认键；3）如果选择投入的钱小于选择的商品价格，则显示出价格和选择的钱数，并且警告灯亮；4) 如果选择投入的钱大于选择的商品价格，则显示出价格和找回的钱；5）此售货机有一个整体复位控制。4.2、设计过程4.2.1、系统框图：开始选择商品 显示选择的商品选择投入的钱币钱数大于商品价格显示钱数、警告灯亮显示找零、输出商品4.2.2、设计总程序：4.2.3、软件仿真当选择钱数为100即为2元、选择商品为10即为3元时，led_warn亮，led_price和led_money、led_good分别显示应该显示的数据4.2.4管脚定义： 4.2.5下载程序与仿真结果：商品选择第二个，投入钱币是5，结果显示中25为价格05为投入的钱，2是选择的商品，led_warn 亮；商品选择第一个，投币35，结果中10为商品价格，25为找零，1为选择的商品五.结语掌握和普及EDA技术,将对我国电子技术的发展具有深远的意义。随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展, 在涉及通信、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中, EDA 技术的含量越来越高, EDA 技术常使一些原来的技术瓶颈得以轻松突破。21 世纪将是EDA 技术的高速发展阶段。随着科技的进步,电子产品的更新日新月异, EDA 技术作为电子产品开发研制的源动力,已成为现代电子设计的核心, 每年都有新的EDA 工具问世。然而, EDA 技术在我国尚未普及, 应用的水平长期落后于发达国家。因此, 作为高等院校有关专业的学生和广大的电子工程师了解和掌握这一先进技术已势在必行, 这不仅是提高设计效率的需要, 更是我国电子工业在市场上生存、竞争与发展的需求。掌握和普及这一全新的技术, 将对我国电子技术的发展具有深远的意义。随