EDA西安电子科技大学第一章绪论

1、 绪绪 论论 1.1 EDA1.1 EDA技术的涵义技术的涵义1 1 概念概念：EDAEDA技术（技术（Electronic Design Electronic Design Automation)Automation) 以以大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件为设计载体，以为设计载体，以HDLHDL为系统逻辑描述的主要表达方式，以为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算计算机和相应的开发软件机和相应的开发软件为设计工具，自动完成用为设计工具，自动完成用软件设计的电子系统到硬件系统的软件设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑编译、综合、布局布线、仿真，直至对特定目标芯片综合、布局布线、仿真，

2、直至对特定目标芯片的编程下载等工作，最终形成专用集成芯片的的编程下载等工作，最终形成专用集成芯片的新技术新技术。 硬件设计软件化硬件设计软件化2.2.利用利用EDAEDA设计电子系统，具有的特点：设计电子系统，具有的特点： 用软件的方式设计硬件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用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的有关的开发软件开发软件自动完成的；自动完成的； 设计过程中可用有关软件进行各种仿真；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；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、整个系统可集成在一个芯片上，体积小

3、、功耗低、可靠性高。功耗低、可靠性高。 EDAEDA技术是现代电子设计的发展趋势。技术是现代电子设计的发展趋势。1.2 EDA1.2 EDA技术的发展历程技术的发展历程现代电子设计技术的核心已日趋转向基现代电子设计技术的核心已日趋转向基于计算机的于计算机的电子设计自动化电子设计自动化技术，即技术，即EDA(Electronic Design Automation)EDA(Electronic Design Automation)技术。技术。u EDAEDA技术的发技术的发展分为三个阶段展分为三个阶段 2020世纪世纪7070年代年代 2020世纪世纪8080年代年代 2020世纪世纪9090年

4、代年代 从教学和实用的角度看，应掌握以下内容：从教学和实用的角度看，应掌握以下内容：1、大规模可编程逻辑器件；、大规模可编程逻辑器件；2、硬件描述语言；、硬件描述语言；3、软件开发工具；、软件开发工具；4、实验开发系统。、实验开发系统。1.3 EDA1.3 EDA技术的主要内容技术的主要内容1. 1. 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件1 1）可编程逻辑器件）可编程逻辑器件( (简称简称PLD)PLD)是一种是一种由用户编由用户编程以实现某种逻辑功能程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。的新型逻辑器件。2 2）国际上生产）国际上生产FPGA/CPLDFPGA/CPLD的主流公司，并且在的主

5、流公司，并且在国内占有市场份额较大的主要是国内占有市场份额较大的主要是XilinxXilinx，AlteraAltera，LatticeLattice三家公司。三家公司。3 3）XilinxXilinx公司的公司的FPGAFPGA器件有器件有XC2000XC2000，XC3000XC3000，XC4000XC4000，XC4000EXC4000E，XC4000XLAXC4000XLA，XC5200XC5200系列等，系列等，可用门数为可用门数为120012001800018000。4 4）AlteraAltera公司的公司的CPLDCPLD器件有器件有FLEX6000FLEX6000，FLEX

6、8000FLEX8000，FLEX10KFLEX10K，FLEX10KEFLEX10KE系列等，提系列等，提供门数为供门数为500050002500025000；5 5）LatticeLattice公司的公司的ISP-PLDISP-PLD器件有器件有ispLSI1000ispLSI1000，ispLSI2000ispLSI2000，ispLSI3000ispLSI3000，ispLSI6000ispLSI6000系系列等，集成度可多达列等，集成度可多达2500025000个个PLDPLD等效门。等效门。6 6）FPGA FPGA 在结构上主要分为三个部分，即在结构上主要分为三个部分，即可可编程

7、逻辑单元，可编程输入编程逻辑单元，可编程输入/ /输出单元输出单元和和可可编程连线编程连线三个部分。三个部分。7 7）CPLDCPLD在结构上主要包括三个部分，即在结构上主要包括三个部分，即可编可编程逻辑宏单元，可编程输入程逻辑宏单元，可编程输入/ /输出单元输出单元和和可可编程内部连线编程内部连线。2. 2. 硬件描述语言硬件描述语言(HDL)(HDL)1 1）VHDLVHDL：作为作为IEEEIEEE的工业标准硬件描述语言，在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电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。言。2 2）VerilogHDLVerilogHDL

8、：支持的支持的EDAEDA工具较多，其综合过程工具较多，其综合过程较较VHDLVHDL稍简单，但其在高级描述方面不如稍简单，但其在高级描述方面不如VHDLVHDL。3 3）ABELABEL：可支持各种不同输入方式的可支持各种不同输入方式的HDLHDL，被广泛，被广泛用于各种可编程逻辑器件的逻辑功能设计。用于各种可编程逻辑器件的逻辑功能设计。IEEE (The institute of Electrical and Electronics Engineers)（ A） 软 件 语 言 设 计 目 标 流 程（ B） 硬 件 语 言 设 计 目 标 流 程C、 ASM程 序软 件 程 序 编 译

9、器COMPILERCPU指 令 /数 据 代 码 ：010010 100010 1100VHDL/VERILOG程 序硬 件 描 述 语 言 综 合 器COMPILER为 ASIC设 计 提 供 的 电 路 网 表 文 件QDJQK （ a） （ b） SYNTHESIZER 3. 3. 软件开发工具软件开发工具1 1）MAX+plus IIMAX+plus II：支持原理图、支持原理图、VHDLVHDL和和VerilogVerilog语言文本文件，以及以波形等格式语言文本文件，以及以波形等格式的文件作为设计输入，并支持这些文件的的文件作为设计输入，并支持这些文件的任意混合设计。任意混合设计。

10、 界面友好，使用方便，被誉为业界最易学界面友好，使用方便，被誉为业界最易学易用的易用的EDAEDA的软件的软件 。ispEXPERTispEXPERT：ispEXPERT SystemispEXPERT System是是ispEXPERT ispEXPERT 的主要集成环境。通过它可以进行的主要集成环境。通过它可以进行VHDLVHDL、VerilogVerilog及及ABELABEL语言的设计输入、综合、语言的设计输入、综合、适配、仿真和在系统下载。适配、仿真和在系统下载。 ispEXPERT SystemispEXPERT System是目前流行的是目前流行的EDAEDA软件中软件中最容易掌

11、握的设计工具之一，它界面友好，操最容易掌握的设计工具之一，它界面友好，操作方便，功能强大。作方便，功能强大。3 3）Foundation SeriesFoundation Series：XilinxXilinx公司最新集公司最新集成开发的成开发的EDAEDA工具。是业界最强大的工具。是业界最强大的EDAEDA设计工设计工具之一。具之一。4）Quartus II：是是Altera公司的新近推出的公司的新近推出的EDA软件工具，其设计工具完全支持软件工具，其设计工具完全支持VHDL、Verilog的设计流程，其内部嵌有的设计流程，其内部嵌有VHDL、Verilog逻辑综合器。第三方的综合工具，如逻

12、辑综合器。第三方的综合工具，如Leonardo Spectrum、Synplify Pro、FPGA Compiler II有着更好的综合效果，因此通常有着更好的综合效果，因此通常建议使用这些工具来完成建议使用这些工具来完成VHDL/Verilog源程源程序的综合。序的综合。 EDAEDA软件系统应当包含以下子模块：软件系统应当包含以下子模块： 设计输入子模块、设计数据库子模块、设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块、布局分析验证子模块、综合仿真子模块、布局布线子模块等。布线子模块等。1.4 EDA1.4 EDA软件系统的构成软件系统的构成1. 1. 设计输入工具的发

13、展趋势设计输入工具的发展趋势1)1)早期早期EDAEDA工具设计输入普遍采用原理图输入工具设计输入普遍采用原理图输入方式，方式，以文字和图形作为设计载体和文件，以文字和图形作为设计载体和文件，将设计信息加载到将设计信息加载到EDAEDA工具，完成设计分析工具，完成设计分析工作。工作。2)202)20世纪世纪8080年代末，电子设计开始采用新的年代末，电子设计开始采用新的综合工具，设计描述开始由原理图设计描综合工具，设计描述开始由原理图设计描述转向以述转向以各种硬件描述语言为主各种硬件描述语言为主的编程方的编程方式。式。1.5 EDA1.5 EDA工具的发展趋势工具的发展趋势EDAEDA公司在公

14、司在9090年代推出一批图形化免编程年代推出一批图形化免编程的设计输入工具，设计师用最方便的设计的设计输入工具，设计师用最方便的设计方式，如方式，如框图、状态图、真值表和逻辑方框图、状态图、真值表和逻辑方程建立设计文件，程建立设计文件，然后由然后由EDAEDA工具自动生成工具自动生成综合所需的硬件描述语言文件。综合所需的硬件描述语言文件。2. 2. 具有混合信号处理能力的具有混合信号处理能力的EDAEDA工具工具2020世纪世纪9090年代以来年代以来EDAEDA工具厂商都比较重工具厂商都比较重视数视数/ /模混合信号设计工具的开发。对数字模混合信号设计工具的开发。对数字信号的语言描述，信号的

15、语言描述，IEEEIEEE已经制定了已经制定了VHDLVHDL标准，标准，对模拟信号的语言正在制定对模拟信号的语言正在制定AHDLAHDL标准。标准。3. 3. 更为有效的仿真工具的发展更为有效的仿真工具的发展在整个电子设计过程中仿真是花费时间最在整个电子设计过程中仿真是花费时间最多的工作也是占用多的工作也是占用EDAEDA工具资源最多的一个工具资源最多的一个环节。环节。系统级仿真验证系统的功能，电路级仿真系统级仿真验证系统的功能，电路级仿真验证系统的性能，验证系统的性能，决定怎样实现设计所需决定怎样实现设计所需的精度。的精度。图图1.1 EDA工程设计流程图工程设计流程图EDA的工程的工程

16、设计流程设计流程1.7.1 1.7.1 数字系统的设计模型数字系统的设计模型1.7 1.7 数字系统的设计数字系统的设计 数字系统指的是交互式的、以离散形式表示的具数字系统指的是交互式的、以离散形式表示的具有存储、传输、信息处理能力的逻辑子系统的集合。有存储、传输、信息处理能力的逻辑子系统的集合。 普遍采用的模型就是根据数字系统的定义，将整个系普遍采用的模型就是根据数字系统的定义，将整个系统划分为两个模块或两个子系统：统划分为两个模块或两个子系统：数据处理子系统和数据处理子系统和控制子系统，控制子系统，如图如图1.21.2所示。所示。图图1.2 1.2 数字系统的设计模型数字系统的设计模型 控

17、制子系统外部控制系统时钟控制与条件信号数据输入数据输出数据处理子系统设计一个数字系统时，采用该模型的优点是：设计一个数字系统时，采用该模型的优点是：(1) (1) 使设计者面对的电路规模减小，二者可以分使设计者面对的电路规模减小，二者可以分别设计。别设计。(2) (2) 由于数字系统中控制子系统的逻辑关系比较由于数字系统中控制子系统的逻辑关系比较复杂，将其独立划分出来后，可突出设计重点。复杂，将其独立划分出来后，可突出设计重点。(3) (3) 逻辑分工清楚，任务明确，这可以使电路的逻辑分工清楚，任务明确，这可以使电路的设计，调试和故障处理都比较方便。设计，调试和故障处理都比较方便。1.7.2

18、1.7.2 数字系统的设计方法数字系统的设计方法数字系统设计有多种方法，如模块设计法、数字系统设计有多种方法，如模块设计法、自顶向自顶向下设计法下设计法和自底向上设计法等。和自底向上设计法等。采用自顶向下的设计方法有如下优点采用自顶向下的设计方法有如下优点: : (1) (1) 自顶向下设计方法是一种模块化设计方法。自顶向下设计方法是一种模块化设计方法。对设计的描述从上到下逐步由粗略到详细，符合常规对设计的描述从上到下逐步由粗略到详细，符合常规的逻辑思维习惯。由于高层设计同器件无关，设计易的逻辑思维习惯。由于高层设计同器件无关，设计易于在各种可编程器件之间移植。于在各种可编程器件之间移植。 (2) (2) 适合多个设计者同时进行设计。适合多个设计者同时进行设计。1.7.3 1.7.3 数字系统的设计步骤数字系统