Chapter1 EDA技术概述.ppt

EDATechnology 授课教师 周琦联系方式 87767758 oorrainechow EDA技术 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 2 本课程安排 学时 40学时 课堂教学 上机实验 课堂教学内容 Chapter1EDA技术概述Chapter2可编程逻辑器件Chapter3EDA设计与开发工具及工具的使用Chapter4硬件描述语言VHDLChapter5实验系统箱介绍Chapter6数字系统设计举例与EDA实验 课程安排 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 3 实验教学要求 掌握EDA开发系统MAX PLUSII 从简单的电路设计入手 到最后能够设计比较复杂的电子系统 培养利用EDA技术设计电路系统的实际动手能力 教学目的 了解一类可编程逻辑器件 掌握一门硬件描述语言 熟悉使用一种EDA设计工具 设计复杂电子系统及专用芯片 课程安排 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 4 教材及参考资料 教材 EDA技术实用教程 宋烈武主编湖北科学技术出版社参考资料 EDA技术实用教程 潘松黄继业编著科学出版社 EDA技术及应用 谭会生 张昌凡编著西安电子科技大学出版社 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 5 EDA技术的相关网址 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 6 总成绩评分标准 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 7 Chapter1EDA技术概述 1 1EDA技术的含义 1 2EDA技术的发展阶段 1 3EDA技术的主要内容 1 4传统设计方法和EDA设计方法的区别 1 5EDA技术实现目标 1 6EDA技术的特点及发展趋势 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 8 引言 EDA与电子工程设计传统电子产品的设计生产 从选题 方案论证 性能指标确定 装调电路 修改 定型参数直到批量生产 是一个复杂而又费时的过程 该过程的任一环节 都对产品性能和经济效益产生直接影响 传统的电路装配 调试过程 一般均采用面包板或专门的焊接板 通过手工连线装配 检查无误后 进行电路测量 最后评估电路性能 若性能与设计值不符时 需调换参数并重新调试测量 直至符合设计要求为止 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 9 引言 但是 当电路非常复杂时 采用插接板或焊接板组装电路时所产生的连线错误 器件损坏等人为错误 常会造成人力 财力 时间的浪费及错误的性能评估 尤其是集成电路的设计 器件在插接板上就无法组合成像集成电路内部那样紧密复杂的电子电路 装配板上的寄生参数与集成环境中的完全不同 因此 在装配板测试的特性将无法准确地描述集成电路的真实特性 所以 电子电路的传统设计方法已经不适应当前电子技术发展的要求 这就要借助计算机完成电子电路的辅助设计 即EDA技术 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 10 1 1EDA技术的含义 一 什么是EDA ElectronicDesignAutomation 电子设计自动化 现代电子产品性能取决因素 微电子技术 现代电子技术 ASICSoC EDA ASIC ApplicationSpecificIntegratedCircuit专用集成电路 SoC SystemonaChip单片电子系统 嵌入式系统 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 11 二 EDA的广义定义范围包括 1 半导体工艺设计自动化 2 可编程器件设计自动化 3 电子系统设计自动化 4 印刷电路板设计自动化 5 仿真与测试 故障诊断自动化 6 形式验证自动化 以上各部分统称为EDA工程 1 1EDA技术的含义 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 12 三 EDA技术的狭义定义 1 1EDA技术的含义 EDA ElectronicDesignAutomation 电子设计自动化 技术是以计算机为工作平台 以EDA工具软件为开发环境 以可编程逻辑器件 ProgrammableLogicDevice PLD 为物质基础 以硬件描述语言 HardwareDescriptionLanguage HDL 作为电子系统功能描述的主要方式 以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 13 四 利用EDA技术进行电子系统设计的特点 用软件的方式设计硬件 用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的 设计过程中可用有关软件进行各种仿真 系统可现场编程 在线升级 整个系统可集成在一个芯片上 体积小 功耗低 可靠性高 因此 EDA技术是现代电子设计的发展趋势 1 1EDA技术的含义 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 14 EDA的英文全称 EDA技术的中文涵义 思考题 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 15 一 早期电子CAD阶段 用于集成电路的版图设计20世纪70年代 属EDA技术发展初期 随着中小规模集成电路的开发应用 用传统的手工制图方式设计印刷电路版和集成电路已无法满足设计精度和效率的要求 因此工程师们开始进行二维平面图形的计算机辅助设计 以便摆脱繁杂的版图设计工作 这个阶段的特征是 采用小型计算机 软件功能为交互式二维图形编辑 设计规则检查 1 2EDA技术的发展阶段 CAD ComputerAidedDesign计算机辅助设计 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 16 20世纪80年代初 为了适应电子产品在规模和制作上的需要 出现了以计算机仿真和自动布线为核心技术的第二代EDA工具 产生了CAM CAT CAE等概念 80年代后期 EDA工具已经可以进行初级的设计描述 综合 优化和设计结果验证 二 计算机辅助工程设计CAE阶段 CAE ComputerAidedEngineering计算机辅助工程设计CAM ComputerAidedManufacturing计算机辅助制造CAT ComputerAidedTest计算机辅助测试 1 2EDA技术的发展阶段 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 17 20世纪90年代 出现了以高级语言描述 系统级仿真和综合技术为特征的第三代EDA工具 它们的出现 极大地提高了系统设计的效率 使广大的电子设计师开始实现 概念驱动工程 ConceptDriverEngineering CDE 的梦想 设计师们摆脱了大量的具体设计工作 而把精力集中于创造性的方案与概念构思上 从而大大提高了设计效率 缩短了产品的研制周期 三 电子设计自动化 EDA 阶段 1 2EDA技术的发展阶段 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 18 EDA技术的发展经历了哪些历程 思考题 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 19 1 3EDA技术的主要内容 实现载体 可编程逻辑器件 PLD ProgrammableLogicDevice 描述方式 硬件描述语言 HDL HardDescripationLauguage VHDL VerlogHDL等设计工具 工具软件 开发系统 硬件验证 实验开发系统 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 20 1 3EDA技术的主要内容 一 可编程逻辑器件PLDPLD ProgrammableLogicDeviceEDA技术与PLD器件密不可分 EDA技术是以PLD的不断发展及其开发工具的不断完善为基础的 逻辑器件 LogicDevice 是用来实现某种特定逻辑功能的电子器件 最简单的逻辑器件是与 或 非门 例如 74LS00 74LS04等 在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能 可编程逻辑器件 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 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 21 1 3EDA技术的主要内容 PLD从最初的PAL GAL发展到现今的大规模可编程逻辑器件 按工作原理分为两类 FPGA和CPLD 当今电子系统设计中 FPGA和CPLD器件的应用已十分广泛 它们将随着EDA技术的发展而成为电子设计领域的重要角色 PAL ProgrammableLogicArray可编程逻辑阵列GAL GenericArrayLogic通用逻辑器件FPGA FieldProgrammableGatesArray现场可编程门阵列CPLD ComplexProgrammableLogicDevice复杂可编程逻辑器件 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 22 1 3EDA技术的主要内容 FPGA在结构上主要分为三个部分 即可编程逻辑单元 可编程输入 输出单元和可编程连线三个部分 CPLD在结构上主要包括三个部分 即可编程逻辑宏单元 可编程输入 输出单元和可编程内部连线 FPGA CPLD显著优点 高集成度 高速度和高可靠性是FPGA CPLD最明显的特点 其时钟延时可小至ns级 开发周期短 投资风险小 产品上市速度快 市场适应能力强 硬件修改升级方便 主流公司 Xilinx Altera Lattice 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 23 1 3EDA技术的主要内容 二 硬件描述语言 HDL HardwareDescriptionLanguage 常用的硬件描述语言有VHDL Verilog ABEL VHDL IEEE标准 系统级抽象描述能力较强 作为IEEE的工业标准硬件描述语言 在电子工程领域 已成为事实上的通用硬件描述语言 VHDL VeryhighspeedintegratedcircuitHardwareDescriptionLanguage 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 24 1 3EDA技术的主要内容 Verilog IEEE标准 门级开关电路描述能力较强 支持的EDA工具较多 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 ABEL 系统级抽象描述能力差 适合于门级电路描述 一种支持各种不同输入方式的HDL 被广泛用于各种可编程逻辑器件的逻辑功能设计 由于其语言描述的独立性 因而适用于各种不同规模的可编程器件的设计 有专家认为 在新世纪中 VHDL与Verilog语言将承担几乎全部的数字系统设计任务 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 25 1 3EDA技术的主要内容 三 EDA工具软件 目前比较流行的 主流厂家的EDA的软件工具有Altera的MAX plusII QuartusII Lattice的ispLEVER6 0 Xilinx的ISEFoundation8 2i MAX plusII 支持原理图 VHDL和Verilog语言文本文件以及以波形与EDIF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 它具有门级仿真器 可以进行功能仿真和时序仿真 能够产生精确的仿真结果 其它工具软件介绍见课本P3 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 26 1 3EDA技术的主要内容 四 实验开发系统 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 以供硬件验证用 一般包括 实验或开发所需的各类基本信号发生模块 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 监控程序模块 提供 电路重构软配置 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 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 27 1 3EDA技术的主要内容 EDA实验箱 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 28 各类CPLD FPGA下载板 1 3EDA技术的主要内容 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 29 从使用的角度来讲 EDA技术主要包括几个方面的内容 思考题 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 30 1 4传统设计方法和EDA设计方法的区别 一 传统设计方法 自下而上 Bottom up 的设计方法 是以固定功能元件为基础 基于电路板的设计方法 1 设计依赖于设计师的经验 2 设计依赖于现有的通用元器件 3 设计后期的仿真不易实现和调试复杂 4 自下而上设计思想的局限 5 设计实现周期长 灵活性差 耗时耗力 效率低下 传统设计方法的缺点 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 31 1 4 固定功能元件 电路板设计 完整系统构成 系统调试 测试与性能分析 系统功能需求 输入 输出 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 32 1 4传统设计方法和EDA设计方法的区别 二 EDA设计方法 自上而下 Top Down 的设计方法 其方案验证与设计 系统逻辑综合 布局布线 性能仿真 器件编程等均由EDA工具一体化完成 自上而下 Top Down 的设计思想 自上而下是指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快 层层分解 直至整个系统中各个子系统关系合理 并便于逻辑电路级的设计和实现为止 自上而下设计中可逐层描述 逐层仿真 保证满足系统指标 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 33 1 4传统设计方法和EDA设计方法的区别 系统规格设计 功能级描述 功能级仿真 逻辑综合 优化 布局布线 定时仿真 定时检查 输出门级网表 ASIC芯片投片 PLD器件编程 测试 ASIC ApplicationSpecificIntegratedCircuitsPLD ProgrammableLogicDevices 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 34 1 4传统设计方法和EDA设计方法的区别 三 传统方法与EDA方法比较 传统方法1 从下至上2 通用的逻辑元 器件3 系统硬件设计的后期进行仿真和调试4 主要设计文件是电原理图 EDA方法1 自上至下2 可编程逻辑器件3 系统设计的早期进行仿真和修改4 多种设计文件 发展趋势以HDL描述文件为主5 降低硬件电路设计难度 EDA技术极大地降低硬件电路设计难度 提高设计效率 是电子系统设计方法质的飞跃 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 35 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 36 一个电子系统可由单片机技术实现 也可由EDA技术实现 请同学们试着比较两种方案各自的特点 思考题 武汉职业技术学院电信学院光电系周琦lorrainechow 2020 1 24 37 1 5EDA技术实现目标 利用EDA技术进行电子系统设计的最后目标 是完成专用集成电路ASIC的设计和实现 ASIC作为最终的物理平台 集中容纳了用户通过EDA技术将电子应用系统的既定功能和技术指标具体实现的硬件实体 一般而言 专用集成电路就是具有专用用途和特定功能的独立集成电路器件 根据