第一章 EDA概述

1、1数字系统EDA技术任课教师：任课教师： 黄际彦黄际彦联系地点联系地点：科研楼：科研楼B427B427E - mail: E - mail: 231、EDA技术和现代数字系统的关系：技术和现代数字系统的关系： EDA技术从技术从上个世纪的七八十年代开始出现并随着计算机技术、上个世纪的七八十年代开始出现并随着计算机技术、电路系统设计、计算机辅助设计技术、微电子技术电路系统设计、计算机辅助设计技术、微电子技术的高速发展，在上世纪九十年代逐步完善，并与本的高速发展，在上世纪九十年代逐步完善，并与本世纪初逐步替代传统的数字系统设计技术手段和工世纪初逐步替代传统的数字系统设计技术手段和工具，成为目前电子

2、系统特别是数字系统设计的主流具，成为目前电子系统特别是数字系统设计的主流技术和手段。技术和手段。2、电子系统、电子系统=传感器传感器+模拟电路模拟电路+模数转换电路模数转换电路+数数字系统字系统+数模转换电路数模转换电路+模拟控制电路模拟控制电路+辅助电路和辅助电路和机构机构=模拟系统模拟系统+数字系统数字系统3、数字系统、数字系统=处理器处理器+存储器存储器+总线结构总线结构+控制逻辑控制逻辑=计算计算+控制控制 4、学习基础：计算机体系结构、学习基础：计算机体系结构+数字逻辑数字逻辑 4本课程安排：本课程安排： 学时：48学时（课堂教学24学时，上机实验24学时）课堂教学内容：课堂教学内容

3、： 第一章、EDA技术概述 (2) 第二章、大规模可编程逻辑器件（2） 第三章、硬件描述语言VHDL(10) 第四章、实验开发平台及工具软件介绍（4） 第五章、NIOS 的介绍（2） 第六章、VHDL设计应用实例（4） 教学目的：教学目的： 了解一类器件，掌握一门设计语言，熟悉一种设计工具。考核方式：考核方式：平时（10%）+实验（30%）+期末（60%）5实验教学内容及要求：实验教学内容及要求： 分6次共24学时。 实验一：十进制计数器设计与仿真（1次）; 实验二：DE2-115开发板接口应用（1次） 实验三：处理器核心电路的设计与验证（2次）； 实验四：NIos 的创建和应用（2次）； 掌

4、握 EDA开发系统 Quartus II，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。实验教学目的：实验教学目的： 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，设计自己的芯片。6教材及参考资料教材及参考资料教材：教材： EDAEDA技术及应用技术及应用谭会生、张昌凡谭会生、张昌凡 编著编著 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社参考资料：参考资料： CPLD技术及其应用宋万杰 等编著 西安电子科大出版社出版 VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 侯伯亨 顾新 等编著 西安电子科技大学出版社 CPL

5、D/FPGA的开发和应用徐光辉 等编著 电子工业出版社出版 7EDA技术的相关网址： 8 第一章第一章 EDAEDA技术概述技术概述1.1 EDA1.1 EDA技术及其发展技术及其发展 一、什么是一、什么是EDAEDA？ Electronic Design Automation 即电子设计自动化。 EDA是指以计算机为工作平台，采用融合应用电子信息、计算机、集成电路技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，辅助进行IC,电子电路和PCB版的设计工作。EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向,其基本特征是设计人员以计算机为工具,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,由硬件

6、描述语言完成系统行为级设计,利用先进的开发工具自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线（PAR,Place And Route）、仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载。9二、二、EDAEDA技术发展的三个阶段：技术发展的三个阶段：1、早期计算机辅助设计阶段 CAD(Computer Assist Design) 20世纪70年代，属EDA技术发展初期。利用计算机、二维图形编辑与分析的CAD工具，完成基于固定功能的中小规模集成电路的电子电路设计过程中的原理图设计、布局布线布局布线等高度重复性工作。 典型设计软件如Tango布线软件。 电子系统的设计，在没有计算机辅助工作时，简单的直接

7、雕刻成电路板，复杂的采用手绘、标准电路设计单元形状的粘贴形成设计电路。10高层设计高层设计系统行为IO关系逻辑设计逻辑设计真值表真值表 表达式表达式 卡诺图卡诺图数字数字逻辑逻辑数字数字逻辑逻辑电路设计电路设计原理图原理图 PCBPCB图图电电子子系系统统专用专用ICIC调试与测试调试与测试手绘手绘贴图贴图制版制版安装安装数数字字系系统统设设计计流流程程CAD工具在数字系统设计中的作用工具在数字系统设计中的作用高层设计高层设计系统行为IO关系逻辑设计逻辑设计真值表真值表 表达式表达式 卡诺图卡诺图数字数字逻辑逻辑数字数字逻辑逻辑电路设计电路设计原理图原理图 PCBPCB图图电电子子系系统统专用

8、专用ICIC调试与测试调试与测试绘图绘图 布局布线布局布线制版制版安装安装少量完整性验证少量完整性验证11 CAECAE(Computer Assist Engineering)。20世纪80年代初，出现了低密度的可编程逻辑器件可编程逻辑器件（PAL_Programmable Array Logic 和GAL_Generic Array Logic），相应的EDA开发工具主要解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。 2 2、计算机辅助工程设计、计算机辅助工程设计CAECAE阶段阶段高层设计高层设计系统行为IO关系逻辑设计逻辑设计真值表真值表 表达式表达式 卡诺图卡诺图数字数字逻辑逻辑数字数字

9、逻辑逻辑电路设计电路设计原理图原理图 PCBPCB图图电电子子系系统统PALPALGALGAL和专和专用用ICIC调试与测试调试与测试绘图绘图 布局布线布局布线制版制版安装安装逻辑仿真逻辑仿真PCBPCB分析分析12 20世纪90年代，可编程逻辑器件迅速发展，出现功能强大的全线EDA工具。具有较强抽象描述能力的硬件硬件描述语言描述语言及高性能综合工具综合工具的使用，可编程逻辑器件的密度和性能的提升，使单功能电子产品开发转向系统级电子产品开发（即SOC:System On a Chip：单片系统）。 开始实现“概念驱动工程”（Concept Driver Engineering, CDE ）的梦

10、想。 3 3、电子设计自动化、电子设计自动化(EDA)(EDA)阶段阶段高层次设计高层次设计系统行为特性功能+逻辑描述工艺实现工艺实现网表文件EDAEDA工具工具FPGAFPGACPLDCPLD电电子子系系统统仿真验证仿真验证概念概念工程工程13三、三、EDAEDA的广义定义范围包括：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 3、电子系统设计自动化；、电子系统设计自动化；4、印刷电路板设计自动化；5、系统仿真与测试、故障诊断自动化6、形式验证自动化。 以上各部分统称为EDA工程设计思想设计描述设计验证设计实现系统测试14 以大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑

11、器件为设计载体，以硬件硬件描述语言描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程器件的开发软件开发软件及实验开发系统实验开发系统为设计工具，自动完成用软件方式描述的电子系统到硬件实现的逻辑编译逻辑编译、逻辑化简逻辑化简、逻辑分割逻辑分割、逻逻辑综合及优化辑综合及优化、布局布线布局布线、逻辑仿真逻辑仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译适配编译、逻辑映射逻辑映射、编程下载编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门多学科融合的新技术。 四、数字系统四、数字系统EDAEDA技术的技术的定义：定义：15 一、传统设计方法：传统设计方法：自下而上（Bottom - up)的

12、 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。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1.2 1.2 传统设计方法和传统设计方法和 EDAEDA方法的区别：方法的区别：输入输出16 1. 设计依赖于设计师的经验（数字逻辑设计） 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：传统设计方法的缺点：17 二、二、 EDAEDA方法方法：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

13、、性能仿真、器件编程等均由 EDA工具一体化完成。设计思想不同： 自上而下（Top - Down)的设计方法。 自上而下是指将电子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。与设计者对设计对象的与设计者对设计对象的认识一致。认识一致。 自上而下设计中可逐层描述，逐层仿真，保证满足系统指标。18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:Application Specif

14、ic Integrated Circuits, PLD: Programmable Logic Devices19三、传统方法与三、传统方法与EDAEDA方法比较：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的质的飞跃。2021221.3 1.3 本课程的主要内容本课程的主要内容实现载体：大规模可编程

15、逻辑器件 （PLD:Programmable Logic Device）描述方式：硬件描述语言描述方式：硬件描述语言 （HDL:Hard descripation Lauguage) VHDL、Verlog HDL等设计工具：开发软件、开发系统硬件验证：实验开发系统23 FPGA：Field Programmable Gates Array CPLD：Complex Programmable Logic Device 主流公司：Xilinx、Altera、Lattice FPGA/CPLD 显著优点： 1、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。一、一、

16、大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件24 三类器件的主要性能指标比较 ASIC：Application Specific Integrated Circuits指 标PLDASIC分离式逻辑速 度很好很好差集成度很好很好差价 格较好很好差开发时间很好差较好样品及仿真时间很好差差制造时间很好差较好使用的难易成度很好差较好库存风险很好差较好开发工具的支持很好很好差25 VHDL：IEEE标准，系统级抽象描述能力较强。 Verilog: IEEE标准，门级开关电路描述能力 较强。 ABEL: 系统级抽象描述能力差，适合于门级 电路描述。二、二、 硬件描述语言硬件描述语言 （HDL_Hardwar

17、e Description Language）硬件描述语言(HDL_Hard Description Language)具有抽象的系统描述能力，是现代EDA技术的切入点，是设计者与设计自动化工具之间的桥梁。可实现系统级的仿真和逻辑综合。据此实现大规模集成电路的设计，可极大缩短Time-to-Market 时间。26EDA开发工具分为： 集成化的开发系统: 特定功能的开发软件：综合软件 仿真软件三、软件开发工具三、软件开发工具27Altera 公司：Max+plus 、Quartus系列Xilinx 公司：ISE、Foundation、 Aillance系列Lattice公司：ispDesign

18、EXPERT 系列集成化的开发系统差别：1、面向的目标器件不一样；2、性能各有优劣28 综合类： SynplicitySynplicity公司的公司的Synplify/Synplify ProSynplify/Synplify Pro Synopsys公司的FPGAexpress、FPGA compiler Mentor公司的 LeonardoSpectrum 仿真类： Model TechModel Tech公司的公司的ModelsimModelsim Aldec 公司的 Active HDL CadenceCadence公司的公司的NC-VerilogNC-Verilog、NC-VHDLN

19、C-VHDL、NC-SIMNC-SIM 特定功能的开发软件，在某些性能上面比较优越29 四、实验开发系统四、实验开发系统 30 一、设计输入子模块一、设计输入子模块 用图形编辑器、文本编辑器作设计描述， 完成语义正确性、语法规则的检查。二、设计数据库子模块二、设计数据库子模块 系统的库单元、用户的设计描述、中间 设计结果。三、分析验证子模块三、分析验证子模块 各个层次的仿真验证、设计规则的检查、 故障诊断。1.4 EDA1.4 EDA软件系统的构成软件系统的构成31 四、综合仿真子模块四、综合仿真子模块 实现从高层抽象描述向低层次描述的自动转换，及各个层次的仿真验证。 综合模块：将电路的高级语

20、言描述转换成低级的，可与FPGA/CPLD或构成ASIC的门阵列基本结构相映射的网表文件。 仿真模块：实现对所描述电路的功能、逻辑和时序等进行验证。五、布局布线子模块五、布局布线子模块 完成由逻辑设计到物理实现的映射。32 一、一、 EDAEDA技术的发展趋势技术的发展趋势 1、广度上：大型机工作站微机 2、深度上： ESDA：（Electronic System Design Automation ） CE： （Concurrent Engineering 并行设 计工程） 单芯片集成：（SOC/SOPC：System On a Programmable Chip）1.5 EDA1.5 ED

21、A技术及技术及EDAEDA工具的发展趋势工具的发展趋势 33ESDA： ESDA软件集成系统的构成和设计、仿真过程技术要求系统目标定义算法建立与仿真验证任务分解、定义设计规范系统级仿真硬件系统设计VHDL、AHDL设计数字电路设计模拟电路设计综合与优化优化设计硬件仿真库电路级仿真器件模拟库电路结构与模块划分ASIC方式综合优化ASIC模拟库PLD、FPGA器件库PCB、MCM实现方式数模混合电路优化PLD、FPGA方式综合优化电路级验证、布局布线器设计参数提取和仿真验证系统调试、系统测试测试仪器仪表行为功能设计验证算法软件控制软件设计系统专用开发系统微控制器ESDA强调建立从系统到电路的统一描

22、述语言，在设计综合中考虑各种约束条件，统一进行设计描述和优化，提高设计的一次成 功率。ESDA技术中，系统设计的核心仍是可编程逻辑器件的设计。34并行工程（CE）： CE是将电子产品及相关制造直至销售、维护全过程统一进行设计的一种方法，其核心是产品设计对象的全面可预见性。 CE要求从管理层次上把工艺、工具、任务、智力和时间的安排协调一致，使用统一的集成化设计环境，由若干个相关的设计小组共享数据库，同步地进行设计。 并行工程（CE）和自上而下（Top-Down）设计方法被誉为构成现代电子产品开发方式的两大特征。体现了设计策略的变革。35电子系统的发展趋势：SOC/SOPC存储器、P、PLD等多合

23、一36二、二、EDAEDA工具的发展趋势工具的发展趋势 1、全面的输入工具 硬件描述语言硬件描述语言（HDL）成为成为输入工具的发展趋势发展趋势 2、混合信号处理能力 数/模混合信号的处理 数字信号的描述：VHDL、Verilog HDL 模拟信号的描述：AHDL 微波信号的描述：MHDL 373、仿真工具的有效性 仿真分为： 功能仿真：又称前仿真、系统级仿真或行为仿 真，用于验证系统的功能。 时序仿真：又称后仿真、电路级仿真，用于验 证系统的时序特性、系统性能。 仿真是系统验证的主要手段，是电子系统设 计中费时最多的环节。4、综合工具 综合：由高层次描述自动转换为低层次描述的过 程。是EDA技术的核心。38EDA设计的描述层次和相应的综合工具：行为 级描述RTL 级描述门电路级描述物理