EDA技术第1章

1、EDA技术技术与应用与应用授课教师：授课教师：胡辉胡辉电话：2081146E-MAIL：本课程安排本课程安排学时数：学时数：48学时，课堂：学时，课堂：24，实验：，实验：24第第1章章 EDA技术概述技术概述第第2章章 可编程逻辑器件与数字系统的设计可编程逻辑器件与数字系统的设计第第3章章 MAXplus软件的应用软件的应用第第4章章 Quartus 软件的应用软件的应用第第5章章 VHDL设计基础设计基础第第6章章 EDA综合设计综合设计知行合一知行合一教学目的：教学目的：了解一类器件了解一类器件掌握一门设计语言掌握一门设计语言熟悉一种设计工具熟悉一种设计工具教材及参考资料教材及参考资料教

2、材：教材：EDA技术与实验技术与实验李国洪李国洪 机械工业出版社机械工业出版社参考资料参考资料CPLD技术及其应用技术及其应用宋万杰宋万杰 等编著等编著 西安电子科技大学西安电子科技大学VHDL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 顾新等编著顾新等编著 西安电子科技大学西安电子科技大学CPLD/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 电子工业出版社电子工业出版社第第1章章 EDA技术概述第1章 EDA技术概述EDA，Electronics Design Automation -电子设计自动化电子设计自动化 观看视频观看视频讨论讨论：电子

3、设计自动化电子设计自动化都有哪些？都有哪些？1.1、EDA技术的发展及未来1电子系统设计电子系统设计CAD是是EDA发展的初级阶发展的初级阶段（段（20世纪世纪60年代中期年代中期80年代初）。年代初）。2电子系统设计电子系统设计CAE是是EDA发展的中级阶发展的中级阶段（段（ 20世纪世纪80年代初年代初90年代初）。年代初）。3以可编程器件为核心的以可编程器件为核心的EDA技术是技术是EDA发展的高级阶段（发展的高级阶段（ 20世纪世纪90年代以来）年代以来）1.1.1 EDA技术发展的三个阶段-CAD阶段l以二维平面图形的计算机辅助设计软件为工具，以二维平面图形的计算机辅助设计软件为工具

4、，代替传统的手工制图设计印制电路板（代替传统的手工制图设计印制电路板（PCB）和集成电路的阶段。主要进行和集成电路的阶段。主要进行PCB布局布线、布局布线、电路模拟与仿真、原理图的绘制等等。例如：电路模拟与仿真、原理图的绘制等等。例如：SMARTWORK、TANGO、SPICE。l缺点：缺点：l各软件只针对某一具体应用而开发，相互衔接各软件只针对某一具体应用而开发，相互衔接比较困难；比较困难；l不能提供系统级的综合与仿真，难以适应复杂不能提供系统级的综合与仿真，难以适应复杂的、大规模的电子系统设计，主要面向的、大规模的电子系统设计，主要面向LSI和和PCB设计。设计。1.1.1 EDA技术发展

5、的三个阶段- CAE阶段由于制定了由于制定了EDA工业标准，采用统一的数据管理工业标准，采用统一的数据管理技术，各种设计模块逐渐整合成为一个完整的技术，各种设计模块逐渐整合成为一个完整的计算机辅助工程设计系统（计算机辅助工程设计系统（CAE），结合完善的），结合完善的电子系统设计流程，可通过顺序循环完成设计电子系统设计流程，可通过顺序循环完成设计的全过程。的全过程。例如：例如：OrCAD和和Protel早期的版本各软件只针早期的版本各软件只针对某一具体应用而开发，相互衔接比较困难；对某一具体应用而开发，相互衔接比较困难；缺点：设计输入手段以原理图输入为主，形式缺点：设计输入手段以原理图输入为主

6、，形式单一，不适应大规模电子系统的设计。单一，不适应大规模电子系统的设计。1.1.1 EDA技术发展的三个阶段技术发展的三个阶段- EDA阶段l当今的当今的EDA技术更多的是指芯片内的电子系统技术更多的是指芯片内的电子系统设计自动化，即片上系统（设计自动化，即片上系统（SOC，System On Chip）设计。也就是说，开发人员完全可以通）设计。也就是说，开发人员完全可以通过自己的电子系统设计来定制其芯片内部的电过自己的电子系统设计来定制其芯片内部的电路功能，使之成为设计者自己的专用集成电路路功能，使之成为设计者自己的专用集成电路（ASIC，Application Specific IC）芯

7、）芯片。片。l系统设计的核心是可编程器件的设计。设计输系统设计的核心是可编程器件的设计。设计输入形式多样，出现了用硬件描述语言（入形式多样，出现了用硬件描述语言（HDL）描述设计输入的方法。描述设计输入的方法。1.EDA技术的发展趋势技术的发展趋势广度上：大型机广度上：大型机 工作站工作站 微机微机深度上：深度上：ESDA(Electronic System Design Automation) CE(Concurrent Engineering 并行设计工程）并行设计工程） 单芯片集成（单芯片集成（SOC/SOPC：System On a Programmable Chip)1.1.2 ED

8、A技术未来l2.EDA工具的发展趋势工具的发展趋势l输入工具输入工具 发展趋势是以硬件描述语言发展趋势是以硬件描述语言(HDL)为主为主l混合信号处理能力混合信号处理能力 数数/模混合信号的处理模混合信号的处理 数字信号的描述：数字信号的描述：VHDL、Verilog HDL 模拟信号的描述：模拟信号的描述：AHDL 微波信号的描述：微波信号的描述：MHDL 1.1.2 EDA技术未来l仿真工具仿真工具l功能仿真（前仿真、系统级仿真、行为仿真）功能仿真（前仿真、系统级仿真、行为仿真） 验证系统的功能验证系统的功能l时序仿真：（后仿真、电路及仿真）时序仿真：（后仿真、电路及仿真） 验证系统的时序

9、特性、系统性能验证系统的时序特性、系统性能l仿真是系统验证的主要手段、是整个电子设仿真是系统验证的主要手段、是整个电子设计过程中花费时间最多的环节。计过程中花费时间最多的环节。l综合工具综合工具 综合：由高层次描述自动转换为低层次描述的综合：由高层次描述自动转换为低层次描述的过程。过程。 是是EDA的核心。的核心。1.1.2 EDA技术未来1.1.2 EDA技术未来 EDA技术将向广度和深度两个方向发展，技术将向广度和深度两个方向发展，EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域，将会超越电子设计的范畴进入其他领域，随着基于随着基于EDA的的SOC设计技术的发展，软硬核设计技术的发展，软硬核功能库

10、的建立，功能库的建立，IP核复用（核复用（IP Reuse），以），以及基于及基于VHDL所谓自顶向下设计理念的确立，未所谓自顶向下设计理念的确立，未来的电子系统的设计与规划将不再是电子工程来的电子系统的设计与规划将不再是电子工程师们的专利。有专家认为，师们的专利。有专家认为，21世纪将是世纪将是EDA技技术快速发展的时期，并且术快速发展的时期，并且EDA技术将是对技术将是对21世世纪产生重大影响的十大技术之一。当前，纪产生重大影响的十大技术之一。当前，EDA的主要应用方向为微控制器的主要应用方向为微控制器（Microcontroller）、）、ASIC和和DSP等方面。等方面。 美国美国Cy

11、press公司推出的可编程片上系统公司推出的可编程片上系统PSoC1/3/5,将将M8C/8051/Cortex-M3 硬核处理硬核处理器、可编程模拟阵列、可编程数字阵列等集成在单器、可编程模拟阵列、可编程数字阵列等集成在单芯片上实现。为国内大学进行电子教学改革提供了芯片上实现。为国内大学进行电子教学改革提供了前所未有的机遇。前所未有的机遇。新的新的EDA创新平台创新平台1.2 EDA技术的构成要素1大规模可编程器件大规模可编程器件-载体载体2硬件描述语言硬件描述语言-主要表达手段主要表达手段3软件开发环境软件开发环境-智能、自动化工具智能、自动化工具4实验开发环境实验开发环境-下载与硬件验证

12、工具下载与硬件验证工具1大规模可编程器电子系统设计的载体；可编程器件：由用户编程以实现某种电子电路可编程器件：由用户编程以实现某种电子电路功能的器件。功能的器件。可编程可编程器件器件可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLD）（Programmable Logic Device）可编程模拟器件（可编程模拟器件（PAC）（Programmable Analog Circuit）PLD低密度低密度PLD高密度高密度PLD可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑(PAL）通用阵列逻辑（通用阵列逻辑（GAL）复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件（CPLD）现场可编程门阵列现场可编程门阵列（FPGA）在系统可编程逻辑器

13、件在系统可编程逻辑器件（isp-PLD）PAC在系统可编程模拟器件（在系统可编程模拟器件（isp-PAC）2硬件描述语言 电子系统设计的主要表达手段电子设计自动化（电子设计自动化（EDA）技术要求用硬件描述语言）技术要求用硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL ）来进）来进行硬件的行为（信号连接关系、定时关系）和功能（逻辑行硬件的行为（信号连接关系、定时关系）和功能（逻辑功能）的描述。功能）的描述。常见的常见的HDL语言：语言： VHDL语言、语言、Verilog HDL语言等。语言等。HDL语言的特点：（1）具有较强的电路描述能力；）具有较强的电路描

14、述能力；（2）易于传递、修改、保存、重复利用设计；）易于传递、修改、保存、重复利用设计；（3）易于层次化和结构化设计；）易于层次化和结构化设计；（4）与具体硬件电路的设计平台无关。）与具体硬件电路的设计平台无关。3软件开发环境电子系统设计的软件平台集成化开发工具：集成化开发工具：Altera公司：公司：MAX Plus II和和QuartusIIXilinx公司：公司：ISE、Foundation、AillanceLattice公司：公司：ispDesignEXPERT系列系列特定功能的开发软件：特定功能的开发软件：综合软件综合软件:Synplicity公司的公司的Synplify/ Synp

15、lify ProSynopsys公司的公司的FPGAexpress、FPGA compiler IIMentor公司的公司的Modelsim仿真类仿真类Model Tech公司的公司的ModelsimAldec公司的公司的Active HDLCadence公司的公司的NC-Verilog、NC-VHDL、NC-SIM4实验开发环境电子系统设计的下载与硬件验证工具提供提供FPGA/CPLD芯片下载电路及芯片下载电路及EDA实验、开发环境的外围资源，以供实验、开发环境的外围资源，以供硬件验证用。一般包括：硬件验证用。一般包括：（1）实验开发所需的各类基本信号发生模块（时钟、脉冲、电平等）实验开发所

16、需的各类基本信号发生模块（时钟、脉冲、电平等）（2）通用数字式和扫描驱动类型接口）通用数字式和扫描驱动类型接口（3）模拟器件及接口）模拟器件及接口（4）监控程序模块）监控程序模块（5）目标芯片适配座，以及）目标芯片适配座，以及FPGA/CPLD目标芯片和编程下载电路等。目标芯片和编程下载电路等。n实验开发板实验开发板 1.3 EDA软件系统的构成EDA软件系统的基本结构大致包括：软件系统的基本结构大致包括：EDA软件系统软件系统设计输入模块设计输入模块设计数据库模块设计数据库模块分析验证模块分析验证模块综合仿真模块综合仿真模块布局布线模块布局布线模块一、设计输入模块接受用户不同的设计输入表达方

17、式（原理图输入、波形输接受用户不同的设计输入表达方式（原理图输入、波形输入、层次输入、入、层次输入、HDL输入等），并进行语义正确性和语法输入等），并进行语义正确性和语法规范性的检查。然后将用户设计描述数据转换为规范性的检查。然后将用户设计描述数据转换为EDA软件软件系统内部数据格式（即网表文件，如系统内部数据格式（即网表文件，如EDIF文件），存入文件），存入设计数据库，以便于其它模块调用。设计数据库，以便于其它模块调用。设计输入模块一般包括对应于各种设计输入方式的编辑器设计输入模块一般包括对应于各种设计输入方式的编辑器和分析器。和分析器。二、设计输入数据库该模块存放系统提供的库单元以及用该

18、模块存放系统提供的库单元以及用户的设计描述和中间设计结果。户的设计描述和中间设计结果。三、分析验证模块进行模拟验证、设计规则检查、故障进行模拟验证、设计规则检查、故障诊断等。诊断等。四、综合仿真模块综合的目的就是将多个模块化设计合并成网表文综合的目的就是将多个模块化设计合并成网表文件，使层次设计平面化。件，使层次设计平面化。综合是把软件设计的综合是把软件设计的HDL描述与硬件结构挂钩，是描述与硬件结构挂钩，是实现软件转化为硬件的关键，是文字描述与硬件实现软件转化为硬件的关键，是文字描述与硬件实现之间的一座桥梁。实现之间的一座桥梁。所谓仿真，就是利用所谓仿真，就是利用EDA工具对综合后的结果进行

19、工具对综合后的结果进行模拟测试的过程。模拟测试的过程。五、布局布线模块实现由逻辑设计到物理实现的映射，与物理实现实现由逻辑设计到物理实现的映射，与物理实现方式密切相关。其功能是将综合产生的网表文件方式密切相关。其功能是将综合产生的网表文件配置于制定的目标器件，也称为适配器。配置于制定的目标器件，也称为适配器。1.4 EDA与传统电子设计的比较传统的数字电子系统设计采用手工的设计步骤，传统的数字电子系统设计采用手工的设计步骤，一般先按电子系统的具体功能要求进行功能划分，一般先按电子系统的具体功能要求进行功能划分，然后画出每个子模块的真值表，用卡诺图进行手然后画出每个子模块的真值表，用卡诺图进行手

20、工逻辑简化，写出布尔表达式，画出相应的逻辑工逻辑简化，写出布尔表达式，画出相应的逻辑线路图，再选择元器件，设计电路板，最后进行线路图，再选择元器件，设计电路板，最后进行实测与调试。实测与调试。EDA数字系统设计的步骤全部都可以在计算机上数字系统设计的步骤全部都可以在计算机上完成。完成。 1.4 EDA与传统电子设计的比较1.4.1 传统的电子设计方法传统的电子设计方法自底向上自底向上 1整体方案设计整体方案设计 2方案选择与可行性论证方案选择与可行性论证 3单元电路的设计及元器件选择单元电路的设计及元器件选择 4安装与调试安装与调试 5设计文档设计文档 6总结报告总结报告1.4 EDA与传统电

21、子设计的比较1.4.2 EDA电子设计方法电子设计方法 1自顶向下的设计方法自顶向下的设计方法 (Top-Down) 1.4 EDA与传统电子设计的比较1.4.2 EDA电子设计方法电子设计方法 2EDA设计方法的优点设计方法的优点 1硬件描述语言的设计输入硬件描述语言的设计输入 2各类库的应用各类库的应用 3简洁的设计文档管理简洁的设计文档管理 4强大的电路仿真和测试功能强大的电路仿真和测试功能 5高效率的共享服务高效率的共享服务 6支持支持SOC设计设计 7具有自主知识产权具有自主知识产权 8计算机完成系统设计计算机完成系统设计 9设计简单化设计简单化 10速度快，可靠性高速度快，可靠性高

22、 1.5 基于可编程器件的EDA技术设计流程1.5 基于可编程器件的EDA技术设计流程1.5.1 设计准备设计准备 设计准备工作包括系统设计、设计方案论证和器件设计准备工作包括系统设计、设计方案论证和器件选择等。首先根据所设计电子系统项目的功能，初步定选择等。首先根据所设计电子系统项目的功能，初步定义义I/O端口，根据器件本身的资源、系统延迟时间、系端口，根据器件本身的资源、系统延迟时间、系统速度要求、连线的可布性及成本等方面进行权衡选择统速度要求、连线的可布性及成本等方面进行权衡选择合适的合适的FPGA/CPLD器件，使器件在资源和速度上能够器件，使器件在资源和速度上能够满足所设计电子系统的

23、需求。然后采用一定的方法对满足所设计电子系统的需求。然后采用一定的方法对EDA项目进行逻辑划分，按电路形式划分为若干模块，项目进行逻辑划分，按电路形式划分为若干模块，尽量以宏单元模块方式进行划分。尽量以宏单元模块方式进行划分。1.5 基于可编程器件的EDA技术设计流程1.5.2 设计输入设计输入源程序的编辑和编译源程序的编辑和编译 由设计者利用由设计者利用EDA工具的文本编辑器或图形编辑器对器工具的文本编辑器或图形编辑器对器件的逻辑功能进行描述，以文本方式或图形方式表达出来，件的逻辑功能进行描述，以文本方式或图形方式表达出来，进行编辑和编译，变成进行编辑和编译，变成VHDL文件格式。常用的源程

24、序输入文件格式。常用的源程序输入方式有原理图、层次简图和方式有原理图、层次简图和VHDL语言等三种。语言等三种。 1.原理图输入方式原理图输入方式 利用利用EDA工具提供的图形编辑器以原理图的方式进行工具提供的图形编辑器以原理图的方式进行输入。原理图输入方式是早期的输入。原理图输入方式是早期的CAE主要采用的、传统的主要采用的、传统的设计输入法，现在依然大量使用。此法适于自底向上设计输入法，现在依然大量使用。此法适于自底向上（Bottom-Up Design）的板级系统的集成设计。）的板级系统的集成设计。 1.5 基于可编程器件的EDA技术设计流程1.5.2 设计输入设计输入源程序的编辑和编译

25、源程序的编辑和编译 2层次简图输入方式层次简图输入方式 层次简图输入方式是图形化免编程式的设计输层次简图输入方式是图形化免编程式的设计输入法，也称为状态图输入方式，设计者可用他们最方入法，也称为状态图输入方式，设计者可用他们最方便和熟悉的设计方式（框图、状态图、波形图、真值便和熟悉的设计方式（框图、状态图、波形图、真值表和文字）构思设计，然后由表和文字）构思设计，然后由EDA工具自动生成综合工具自动生成综合工具所需的工具所需的VHDL（或其他（或其他HDL）描述程序。）描述程序。 3HDL软件程序的文本方式软件程序的文本方式 最一般化、最具普遍性的输入方法，任何支持最一般化、最具普遍性的输入方

26、法，任何支持HDL的的EDA工具软件都支持文本方式的编辑和编译。工具软件都支持文本方式的编辑和编译。 1.5 基于可编程器件的EDA技术设计流程1.5.3 设计实现设计实现 把设计输入文件变为硬件系统，首先需要利用把设计输入文件变为硬件系统，首先需要利用EDA软件系软件系统的综合器进行逻辑综合，然后进行器件的布局、布线和适统的综合器进行逻辑综合，然后进行器件的布局、布线和适配，最后生成下载文件熔丝图文件（即配，最后生成下载文件熔丝图文件（即JEDEC格式的文件，格式的文件，简称简称JED文件）或位流数据文件，或统称为数据文件。文件）或位流数据文件，或统称为数据文件。 1.5.3 设计实现设计实

27、现1逻辑综合逻辑综合 综合器的功能就是将设计者在综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成平台上完成的针对某个系统项目的的针对某个系统项目的HDL、原理图或状态图的描、原理图或状态图的描述，针对给定硬件结构组件进行编译、优化、转述，针对给定硬件结构组件进行编译、优化、转换和综合，最终获得门级电路甚至更底层的电路换和综合，最终获得门级电路甚至更底层的电路描述文件。描述文件。 1）语法检查和设计规则检查）语法检查和设计规则检查 2）网络表提取）网络表提取 3）逻辑优化和综合）逻辑优化和综合1.5 基于可编程器件的EDA技术设计流程1.5.3 设计实现设计实现 2器件适配器件适配 逻辑综合通过后必须

28、利用适配器将综合后的网表逻辑综合通过后必须利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分割、布局与布线，适配中包括底层器件配置、逻辑分割、布局与布线，适配完成后可以利用适配所产生的仿真文件作精确的时序完成后可以利用适配所产生的仿真文件作精确的时序仿真。仿真。 1.5 基于可编程器件的EDA技术设计流程1.5.4 器件编程与配置器件编程与配置 设计编译好后，将数据文件通过编程器或下载电缆下载设计编译好后，将数据文件通过编程器或下载电缆下载到目标芯片到目标芯片FPGA/CPLD中。中。ispLSI器件可

29、在线路板上编器件可在线路板上编程，也可以在专用编程器上编程。程，也可以在专用编程器上编程。 器件编程需要满足一定的条件，如编程电压、编程时序器件编程需要满足一定的条件，如编程电压、编程时序和编程算法等。在系统的可编程器件和编程算法等。在系统的可编程器件CPLD不需要专门的编不需要专门的编程器，只要一根下载编程电缆就可以进行编程。基于程器，只要一根下载编程电缆就可以进行编程。基于SRAM的的FPGA可以由可以由EPROM或其他存储器进行配置。器件在编程或其他存储器进行配置。器件在编程完毕之后，可以用编译时产生的文件对器件进行检验、加完毕之后，可以用编译时产生的文件对器件进行检验、加密等工作。对于

30、具有边界扫描测试能力和在系统编程能力密等工作。对于具有边界扫描测试能力和在系统编程能力的器件来说，测试起来就更加方便。的器件来说，测试起来就更加方便。 1.5 基于可编程器件的EDA技术设计流程1.5.5 设计验证设计验证 上述设计过程中，同时进行验证过程。包括了行为上述设计过程中，同时进行验证过程。包括了行为仿真、功能仿真、时序仿真和硬件仿真仿真、功能仿真、时序仿真和硬件仿真/器件测试。器件测试。 1行为仿真行为仿真 在综合以前可以先对在综合以前可以先对VHDL所描述的内容进行行为所描述的内容进行行为仿真，即将仿真，即将VHDL设计源程序直接送到设计源程序直接送到VHDL仿真器中仿仿真器中仿

31、真，这就是所谓的真，这就是所谓的VHDL行为仿真。因为此时的仿真只行为仿真。因为此时的仿真只是根据是根据VHDL的语义进行的，与具体电路没有关系。在的语义进行的，与具体电路没有关系。在这时的仿真中，可以充分发挥这时的仿真中，可以充分发挥VHDL中的适用于仿真控中的适用于仿真控制的语句及有关的预定义函数和库文件。制的语句及有关的预定义函数和库文件。 1.5 基于可编程器件的EDA技术设计流程1.5.5 设计验证设计验证 2功能仿真功能仿真 功能仿真是仅对功能仿真是仅对VHDL描述的逻辑功能进行测试描述的逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能是否满足原设计的要求，模拟，以了解其实现的功能是否满足原设计的要求，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，如延时特性。仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，如延时特性。仿真