第一章 EDA概述

1、123了解一类器件，掌握一门设计语言，了解一类器件，掌握一门设计语言，熟悉一种设计工具。熟悉一种设计工具。45分分6 6次共次共2424学时。学时。n实验一：十进制计数器的设计与仿真（实验一：十进制计数器的设计与仿真（1 1次）次）n实验二：实验二：DE-115DE-115开发板接口应用开发板接口应用(1(1次次) )n实验三：处理器核心电路的设计与验证（实验三：处理器核心电路的设计与验证（2 2次）次）n实验四：实验四：NiosNios II II的创建与应用（的创建与应用（2 2次）次） 掌握掌握 EDAEDA开发系统开发系统 QuartusQuartus II II，从简单的，从简单的电

2、路设计入手，到最后能够设计比较复杂的电子电路设计入手，到最后能够设计比较复杂的电子系统。培养利用系统。培养利用EDAEDA技术设计电路系统的实际动技术设计电路系统的实际动手能力。手能力。实验教学内容及要求实验教学内容及要求6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： CPLDCPLD技术及其应用技术及其应用宋万杰宋万杰 等编著等编著 西安电子科大出版社出版西安电子科大出版社出版 VHDLVHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计硬件描述语言与数字逻辑电路设计 侯伯亨侯伯亨 顾新顾新 等编著等

3、编著 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 CPLD/FPGACPLD/FPGA的开发和应用的开发和应用徐光辉徐光辉 等编著等编著 电子工业出版社出版电子工业出版社出版 教材及参考资料教材及参考资料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 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1.5 EDA1.5 EDA技术及技术及EDAEDA工具的发展趋势工具的发展趋势 1.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现9一、什么是一、什么是EDAEDA技术？技术？ E Ele

4、ctronic lectronic D Design esign A Automationutomation 即电子设计自动化。即电子设计自动化。二、二、EDAEDA技术发展的三个阶段：技术发展的三个阶段：1 1、早期电子、早期电子CADCAD（Computer Assist DesignComputer Assist Design）阶段）阶段 2020世纪世纪7070年代，属年代，属EDAEDA技术发展初期。利用计算技术发展初期。利用计算机、二维图形编辑与分析的机、二维图形编辑与分析的CADCAD工具，完成布图布线工具，完成布图布线等高度重复性的繁杂工作。典型设计软件如等高度重复性的繁杂工作

5、。典型设计软件如TangoTango布布线软件。线软件。1.1 EDA1.1 EDA技术及其发展技术及其发展 10 20 20世纪世纪8080年代初，出现了低密度的可编年代初，出现了低密度的可编程逻辑器件（程逻辑器件（PAL_Programmable Array PAL_Programmable Array Logic Logic 和和GAL_Generic Array LogicGAL_Generic Array Logic），相应），相应的的EDAEDA开发工具主要解决电路设计没有完成之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。前的功能检测等问题。8080年代后期，年代后期，E

6、DAEDA工具工具已经可以进行初级的设计描述、综合、优化已经可以进行初级的设计描述、综合、优化和设计结果验证。和设计结果验证。 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1.1 EDA1.1 EDA技术及其发展技术及其发展 11 20 20世纪世纪9090年代，可编程逻辑器件迅速发展，出现年代，可编程逻辑器件迅速发展，出现功能强大的全线功能强大的全线EDAEDA工具。具有较强抽象描述能力的工具。具有较强抽象描述能力的硬件描述语言硬件描述语言(VHDL(VHDL、Verilog HDL)Verilog HDL)及高性能综合工及高性能综合工具的使用，使过去单功能电子产品开发

7、转向系统级电具的使用，使过去单功能电子产品开发转向系统级电子产品开发（即子产品开发（即SOC_ System On a ChipSOC_ System On a Chip：单片系统、：单片系统、或片上系统集成）。开始实现或片上系统集成）。开始实现“概念驱动工程概念驱动工程”（Concept Driver Engineering, CDE Concept Driver Engineering, CDE ）的梦想。）的梦想。 3 3、电子设计自动化、电子设计自动化(EDA)(EDA)阶段阶段1.1 EDA1.1 EDA技术及其发展技术及其发展 Summary:Summary: EDAEDA技术伴随

8、着计算机、集成电路、电子系统技术伴随着计算机、集成电路、电子系统 设计的发展而发展。设计的发展而发展。12三、三、EDAEDA的广义定义范围包括：的广义定义范围包括：1 1、半导体工艺设计自动化；、半导体工艺设计自动化；2 2、可编程器件设计自动化；、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 4、印刷电路板设计自动化；、印刷电路板设计自动化；5 5、仿真与测试、故障诊断自动化；、仿真与测试、故障诊断自动化；6 6、形式验证自动化。、形式验证自动化。 以上各部分统称为以上各部分统称为EDAEDA工程工程1.1 EDA1.1 EDA技术及其发展技术及其发展 13

9、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机、大规模可编程器件的开发软件开发软件及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、逻辑化简、逻辑分割、逻到硬件实现的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、布局布线、逻辑仿真，直至完成对辑综合及优化、布局布线、逻辑仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、

10、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。一门多学科融合的新技术。 四、四、EDAEDA技术的技术的狭义定义：狭义定义：1.1 EDA1.1 EDA技术及其发展技术及其发展 14固定功能元件固定功能元件电路板设计电路板设计完整系统构成完整系统构成系统调试、测试与性能分析系统调试、测试与性能分析系统功能需求系统功能需求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 自下而上（自下而上（Bottom - up)Bottom - up)的设计方法，是以固定功能元件的设计方法，是以固定功

11、能元件为基础，基于电路板的设计方法。为基础，基于电路板的设计方法。15 1. 1. 设计依赖于设计师的经验。设计依赖于设计师的经验。 2. 2. 设计依赖于现有的通用元器件。设计依赖于现有的通用元器件。 3. 3. 设计后期的仿真不易实现和调试复杂。设计后期的仿真不易实现和调试复杂。 4. 4. 自下而上设计思想的局限。自下而上设计思想的局限。 5. 5. 设计实现周期长，灵活性差，耗时设计实现周期长，灵活性差，耗时 耗力，效率低下。耗力，效率低下。 传统设计方法的缺点：传统设计方法的缺点：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16系统规格设计功能级描述功

12、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 Specific Integrated Circuits, PLD: Programmable Logic Devices1.2 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Design in House17 方案验证与设计、系统逻辑综合、布局布线、性方案验证与设计、系统逻辑综合、布局布线、性 能仿真、器件编程等均由能仿真、器件编程等均由 EDAEDA工具一体化完成。工具一体化完成。 设计思想设计思想 将数字系统的整体逐步分解为各个子系统

13、和模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。计和实现为止。自上而下设计中可逐层描述，逐层自上而下设计中可逐层描述，逐层仿真，保证满足系统指标。仿真，保证满足系统指标。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181.2 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

14、 传统方法传统方法1.1.从下至上从下至上2.2.通用的逻辑元器件通用的逻辑元器件3.3.系统硬件设计的后期系统硬件设计的后期 进行仿真和调试进行仿真和调试4.4.主要设计文件是电原主要设计文件是电原 理图理图5.5.手工实现手工实现EDAEDA技术极技术极大地大地降低降低硬件电路硬件电路设计难度设计难度，提高设，提高设计效率，计效率，是电子系是电子系统设计方统设计方法的质的法的质的飞跃。飞跃。 EDAEDA方法方法1.1.从上至下从上至下2.2.可编程逻辑器件可编程逻辑器件3.3.系统硬件设计的早期系统硬件设计的早期 进行仿真和调试进行仿真和调试4.4.多种设计文件，发展趋多种设计文件，发展

15、趋 势以势以HDLHDL描述文件为主描述文件为主5.5.自动实现自动实现1920211.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现一、实现载体：大规模可编程逻辑器件一、实现载体：大规模可编程逻辑器件 （PLD:PLD:ProgrammableProgrammable Logic Device Logic Device）二、描述方式：硬件描述语言二、描述方式：硬件描述语言 （HDL:HardHDL:Hard descripationdescripation LauguageLauguage) ) VHDL VHDL、VerlogVerlog HDL HDL等等三、设计工具：开发软件、开发系

16、统三、设计工具：开发软件、开发系统四、硬件验证：实验开发系统四、硬件验证：实验开发系统22一、一、 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件1.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现23 三类器件的主要性能指标比较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1.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现24

17、二、二、 硬件描述语言硬件描述语言 （HDL_Hardware Description Language）1.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现硬件描述语言硬件描述语言( (HDL_HardHDL_Hard Description Description Language)Language)具有抽象的系统描述能力，是现具有抽象的系统描述能力，是现代代EDAEDA技术的技术的切入点切入点，是设计者与设计自动，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，逻辑综合。据此实现大规模集成电路的设计，可

18、极大缩短可极大缩短Time-to-Market Time-to-Market 时间。时间。硬件描述语言的作用：硬件描述语言的作用：25常用的硬件描述语言常用的硬件描述语言1.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现26三、软件开发工具三、软件开发工具1.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现271.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现集成化的开发软件（各大芯片厂商）：集成化的开发软件（各大芯片厂商）：AlteraAltera 公司：公司：QuartusQuartus、MaxplusMaxplus系列系列XilinxXilinx 公司：公司：ISEISE、Found

19、ationFoundation、AillanceAillance系列系列LatticeLattice公司：公司：ispDesignEXPERTispDesignEXPERT 系列系列 28 综合类：综合类： SynplicitySynplicity公司的公司的Synplify/SynplifySynplify/Synplify Pro Pro SynopsysSynopsys公司的公司的FPGAexpressFPGAexpress、FPGA compilerFPGA compiler Mentor Mentor公司的公司的 LeonardoSpectrumLeonardoSpectrum 仿真

20、类：仿真类： Model TechModel Tech公司的公司的ModelsimModelsim AldecAldec 公司的公司的 Active HDLActive HDL Cadence Cadence公司的公司的NC-NC-VerilogVerilog、NC-VHDLNC-VHDL、NC-SIM NC-SIM 特定功能的开发软件特定功能的开发软件1.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现29 EDA EDA软件系统的构成软件系统的构成1.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现304 4、综合仿真子模块、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实现从高层

21、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。换，及各个层次的仿真验证。 综合模块：将电路的高级语言描述转换成低级综合模块：将电路的高级语言描述转换成低级的，可与的，可与FPGA/CPLDFPGA/CPLD或构成或构成ASICASIC的门阵列基本结构相的门阵列基本结构相映射的网表文件。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。时序等进行验证。5 5、布局布线子模块、布局布线子模块 完成由逻辑设计到物理实现的映射。完成由逻辑设计到物理实现的映射。1.3 EDA1.3 EDA设计工程实现设计工程实现3132文本编辑器、

22、图形编辑器文本编辑器、图形编辑器 VHDL综合器综合器（逻辑综合、优化）（逻辑综合、优化） FPGA/CPLD布线布线/适配器适配器（自动优化、布局、布线、适配）（自动优化、布局、布线、适配）VHDL仿真器仿真器（行为仿真、（行为仿真、 功能仿真、功能仿真、 时序仿真）时序仿真）编程器编程器/下载电缆下载电缆（编程、下载）（编程、下载） 测试电路测试电路（硬件测试）（硬件测试） 网表文件网表文件（EDIF、XNL、 VHDL)门级仿真器门级仿真器（功能仿真、（功能仿真、 时序仿真）时序仿真）各种编程文件各种编程文件331.5 EDA1.5 EDA技术及技术及EDAEDA工具的发展趋势工具的发展

23、趋势 34ESDA： ESDA软件集成系统的构成和设计、仿真过程软件集成系统的构成和设计、仿真过程技术要求技术要求系统目标定义系统目标定义算法建立与仿真验证算法建立与仿真验证任务分解、定义设计规范任务分解、定义设计规范系统级仿真系统级仿真硬件系统设计硬件系统设计VHDL、AHDL设计设计数字电路设计数字电路设计模拟电路设计模拟电路设计综合与优化综合与优化优化设计优化设计硬件仿真库硬件仿真库电路级仿真电路级仿真器件模拟库器件模拟库电路结构与模块划分电路结构与模块划分ASIC方式综合优化方式综合优化ASIC模拟库模拟库PLD、FPGA器件库器件库PCB、MCM实现方式实现方式数模混合电路优化数模混

24、合电路优化PLD、FPGA方式综合优化方式综合优化电路级验证、布局布线器电路级验证、布局布线器设计参数提取和仿真验证设计参数提取和仿真验证系统调试、系统测试系统调试、系统测试测试仪器仪表测试仪器仪表行为功能行为功能设计验证设计验证算法软件算法软件控制软件控制软件设计系统设计系统专用开发系专用开发系统微控制器统微控制器ESDA强调建立从系统到电路的统一描述语言，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。35并行工程（并行工程（CE : Concurrent EngineeringCE : Concurre

25、nt Engineering ）：）： CE CE是将电子产品及相关制造直至销售、维护全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。计对象的全面可预见性。 CECE要求从管理层次上把工艺、工具、任务、智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计环境，由若干个相关的设计小组共享数据库共享数据库，同步同步地进行设计。地进行设计。 并行工程（并行工程（CECE）和自上而下（）和自上而下（To

26、p-DownTop-Down）设）设计方法被誉为构成现代电子产品开发方式的两大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。特征。体现了设计策略的变革。1.5 EDA1.5 EDA技术及技术及EDAEDA工具的发展趋势工具的发展趋势 36电子系统的发展趋势：电子系统的发展趋势：SOC/SOPC 存储器、存储器、P、PLD等多合一等多合一1.5 EDA1.5 EDA技术及技术及EDAEDA工具的发展趋势工具的发展趋势 371.5 EDA1.5 EDA技术及技术及EDAEDA工具的发展趋势工具的发展趋势 381.5 EDA1.5 EDA技术及技术及EDAEDA工具的发展趋势工具的发展趋势 时序仿真：针对某一时序仿真：针对某一PLD器件，对综合后的电路，器件，对综合后的电路，进行布局布线，仿真过程中则是比较接近真实器件进行布局布线，仿真过程中则是比较接近真实器件运行的仿真，在已经对器件的物理模型参数做了