数字系统设计论文.doc

中 国 地 质 大 学研究生课程论文课程名称 数字系统设计 教师姓名 叶敦范 研究生姓名 刘刈 研究生学号 研究生领域 电子与通信工程 所在院系 机械与电子信息学院 类别: 工程硕士 日期: 2014 年 6 月 15 日 1数字系统设计课程论文EDA技术的现状及发展趋势【摘要】: 随着微电子技术和计算机技术的不断发展,在涉及通信、国防、航天、工业自动化、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中,EDA技术的含量正以惊人的速度上升,它已成为当今电子技术发展的前沿之一。本文首先介绍了EDA 技术的基本概念和发展历程, 然后从软件设计和硬件实现方面阐述了现代EDA技术的基本特征, 最后分析了EDA 技术在应用中的基本设计方法。指出EDA技术已成为当今电子技术发展的重要领域之一,较系统地介绍了EDA技术的发展历史、发展趋势与特征,分析了EDA技术的应用现状。EDA技术已经成为电子设计领域中的极其重要的组成部分。本文介绍了EDA 技术发展的基本现状,论述了EDA技术的用。EDA 技术是通过有关的开发软件,自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术,最终形成集成电子系统或专用集成芯片。除了介绍EDA技术,以及该技术在实际生活生产中地位之外,还说明了EDA 技术与传统电子设计方法的差异,和硬件描述语言。【关键词】： EDA技术；应用；发展趋势；设计工具1 EDA概述 EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写。由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，理解各异，所以目前尚无一个确切的定义1。但从EDA技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA技术是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电子系统到硬件系统的一门新技术。可以实现逻辑编译、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。完成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2。EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有30多年的历程。大致可以分为三个发展阶段。20世纪70年代的CAD(计算机辅助设计)阶段：这一阶段的主要特征是利用计算机辅助进行电路原理图编辑，PCB布同布线，使得设计师从传统高度重复繁杂的绘图劳动中解脱出来。20世纪80年代的QAE(计算机辅助工程设计)阶段：这一阶段的主要特征是以逻辑摸拟、定时分析、故障仿真、自动布局布线为核心，重点解决电路设计的功能检测等问题，使设计能在产品制作之前预知产品的功能与性能3。20世纪90年代是EDA(电子设计自动化)阶段：这一阶段的主要特征是以高级描述语言，系统级仿真和综合技术为特点，采用“自顶向下”的设计理念，将设计前期的许多高层次设计由EDA工具来完成4。EDA是电子技术设计自动化，也就是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具。该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用，使设计更复杂的电路和系统成为可能。在原理图设计阶段，可以使用EDA中的仿真工具论证设计的正确性；在芯片设计阶段，可以使用EDA中的芯片设计工具设计制作芯片的版图；在电路板设计阶段，可以使用EDA中电路板设计工具设计多层电路板。特别是支持硬件描述语言的EDA工具的出现，使复杂数字系统设计自动化成为可能，只要用硬件描述语言将数字系统的行为描述正确，就可以进行该数字系统的芯片设计与制造5。21世纪将是EDA技术的高速发展期，EDA技术将是对21世纪产生重大影响的十大技术之一。 硬件描述语言:硬件描述语言(HDL)是一种用于进行电子系统硬件设计的计算机高级语言，它采用软件的设计方法来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式。常用硬件描述语言有HDL、verilog和VHDL语言。2 EDA技术的现状现在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 EDA技术在进入21世纪后，由于更大规模的FPGA器件的不断推出，在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断更新、增加，使电子EDA技术得到了更大的发展。电子技术全方位纳入EDA领域，EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容，突出表现在以下几个方面：使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能；基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP核模块；软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认；soc高效低成本设计技术的成熟。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的迅猛发展，电子系统的设计方法和设计手段都发生了很大的变化。可以说电子EDA技术是电子设计领域的一场革命。传统的“固定功能集成块十连线”的设计方法正逐步地退出历史舞台，而基于芯片的设计方法正成为现代电子系统设计的主流。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是势在必行，这不仅是提高设计效率的需要，更是时代发展的需求，只有掌握了EDA技术才有能力参与世界电子工业市场的竞争，才能生存与发展。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。所以发展EDA技术将是电子设计领域和电子产业界的一场重大的技术革命，同时也对电类课程的教学和科研提出了更深更高的要求。特别是EDA技术在我国尚未普及，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 4. 结语 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。所以发展EDA 技术将是电子设计领域和电子产业界的一场重大的技术革命,同时也对电子专业课程的教学和科研提出了更深更高的要求。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。参考文献1 潘松，黄继业.EDA技术实用教程.北京：科学出版社，20022 焦素敏.EDA 应用技术.北京: 清华大学出版社, 2005 年. 3王锁平, 龚建荣. EDA 技术及发展趋势J . 电子世界,2002 (12) 4 杜玉远EDA设计快速入门圆电子世界，2004,(1):245 赵世强,许杰. 电子电路EDA 技术M . 西安:西安电子科技大学出版社,2001.6 侯继红,李向东. EDA 实用技术教程M . 北京:中国电力出版社,2004.7 孙富明，李笑盈.基于多种EDA工具的FPGA设计，电子技术应用，2002年1月，第1期 8 曾繁泰. EDA 的过去、现在和未来J . 计算机世界,1999 , (4) 序列检测器一 设计目的（1）熟悉触发器和相关逻辑器件的使用。.（2）掌握proteus仿真软件的应用。（3）掌握同步时序逻辑电路的设计部骤。二 设计思路 使用JK触发器、“与”门、非门，设计“1101”序列检测器。根据所学的同步时序电路及各种触发器的应用知识,加之题目的要求对连续输入信号1101时电路输出为1否则为0。三 设计过程 状态分配由给定的逻辑功能建立原始状态图和原始状态表状态化简画出逻辑图并检查自起动能力确定激励方程和输出方程选择触发器类型图（1）四 逻辑实验电路的具体分析与设计： 使用时序逻辑电路的设计方法来设计“1101序列检测器，具体有以下步骤：1、 画出“1101”序列检测器的原始状态图和原始状态表，如图所示a0/01/0b 0/00/00/0 e1/01/0 0/0 1/01/1 ccd1/00/0 图（2） 解析： 由给定的逻辑功能建立原始状态图和状态表，从给定的逻辑功能可知电路有一个输入信号A和一个输出信号Y，电路功能是对信号A的编码序列进行检测，当检测到信号A出现连续编码为1101序列时，输出为1，检测到其他编码序列，则输出为0。设电路的初始状态为a，电路输出Y=0，这时可能的输入有A=0和A =1，两种情况。当CP脉冲相应沿到来时，若A输入为0，应保持在a不变；若输入信号A=1,则进入下一状态b，表示电路接收到一个1。当在状态b时，若输入A=0，则表明连续输入编码为10，而不是110，则应回到初始状态a，重新开始检测；若输入A=1，则进入状态c，表示已连续接收到两个1。在状态c时，若输入A=0，则进入d状态，表示连续编码为110；若输入A为1，则接收到的编码为111，应保持在c状态不变，此时输出仍为Y=0，看下一个编码输入是否为A=0；在d状态时，若输入A=0时,则应回到状态a；若输入A=1，则进入状态e，表示电路接收到的连续编码为1101，此时输出Y=1；在e状态时，若输入A=0时，则应回到状态a；若输入A=1则应回到状态c。如上所述列出原始状态表和转换后的状态表以下：现态 次态/输出Qn+1/YQnA=0A=1aa/0b/0ba/0c/0cd/0c/0da/0e/1ea/0c/0 图（3） 状态简化现态 次态/输出Qn+1/YQnA=0A=1aa/ob/0ba/oc/0cd=0c/0da/0b/1 图（4） 3 化简后，用2位二进制数组合00 01 11 10 令a=00 b=01 c=11 d=101/00/0011000011101000/01/11/00/0 图（5） 1/00/011 101011111111110 因为状态编码的位数n（触发器的个数），状态数为M ，M和n的关系2n-1M 2n，在此我们选择Jk触发器(两个)。4 写出JK触发器的状态方程Qn+1=J Qn +K Qn JK触发器的激励表 如下QnQn+1JK000*011*10*111*0图（6）5 由状态图转换为真值表及激励信号Q1nQ0 nAQ1n+1Q0n+1YJ1K1J0K00000000*0*0010100*1*0100000*10111101*0110100*0*1111110*0*0100000*10*101011*11* 图（7）6由此画出卡诺图J1Q0 J1=A Q0 0010* Q1J0Q0 J0=A 01*01* A K1 Q1Q0K1= Q0 *11* A Q1K0 Q0 K0= A *01*01 A Q1 Y Q0 Y= A Q1Q0 00000100 A Q1 7 画出逻辑图2五 程序调试与结果分析。 在proteus仿真软件上模拟时，由于画卡诺图时一些无关项干扰导致输出不是理想结果，经过我们小组三人的深入探讨，终于得出正确的结果。其次在仿真时脉冲信号的选择上困难重重，经过大量的重复实验调整好了时钟脉冲信号。由于输出波形用示波