第1章EDA技术概述

1、第第1章章 EDA技术概述技术概述1.1 EDA1.1 EDA技术涵义技术涵义1.2 EDA1.2 EDA发展概况发展概况1.3 EDA1.3 EDA技术特点技术特点1.4 EDA1.4 EDA设计所需的工具设计所需的工具1.5 1.5 常用的常用的EDAEDA软件软件1.6 IP1.6 IP核核1.7 EDA1.7 EDA技术的发展趋势技术的发展趋势2p 以大规模以大规模可编程逻辑器件可编程逻辑器件为设计载体为设计载体p 以以硬件描述语言硬件描述语言为主要表达方式为主要表达方式p 以计算机、大规模可编程逻辑器件的以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发开发软件软件及及实验开发系统实验开发系统为设

2、计工具为设计工具p自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、仿真优化、仿真Electronic Design Automation1.1 EDA1.1 EDA技术涵义技术涵义3EDAEDA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

3、为以上各部分统称为EDAEDA工程工程4 EDA技术的主要内容实现载体：大规模可编程逻辑器件 （PLD:Programmable Logic Device）描述方式：硬件描述语言 （HDL:Hard descripation Language) VHDL、Verilog HDL等设计工具：开发软件、开发系统硬件验证：实验开发系统5EDAEDA技术涉及的领域技术涉及的领域q包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、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，都有矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前的应用。目前EDA 技术已在各大公司、企技术已在各大

4、公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。技术。 6EDA技术的应用71.2 EDA1.2 EDA技术的发展历程技术的发展历程手工设计，人工布线手工设计，人工布线计算机辅助设计计算机辅助设计（CAD，20世纪世纪70年代）年代）电子设计自动化电子设计自动化（EDA ，20世纪世纪90年代至今年代至今）计算机辅助工程计算机辅助工程（CAE， 20世纪世纪80年代年代）8CAD阶段阶段qCAD软件功能十分简单，

5、还涉及不到自动化和软件功能十分简单，还涉及不到自动化和智能化。智能化。q电子设计工程师利用图形界面和相应的电路模电子设计工程师利用图形界面和相应的电路模型，用型，用CAD软件设计印刷电路板和集成电路版软件设计印刷电路板和集成电路版图，设计可达到几百个门的程度。图，设计可达到几百个门的程度。 q本阶段的本阶段的EDA工具供应商只有几家，产品几乎工具供应商只有几家，产品几乎全部面向全部面向LSI和和PCB布线设计。典型的产品如布线设计。典型的产品如Tango PCB布线软件。布线软件。 9CAE阶段阶段q80年代，当时的年代，当时的Mentor、Daisy Systems及及Logic Syste

6、m公司开始提供带电路图编辑工具和逻辑模公司开始提供带电路图编辑工具和逻辑模拟工具的拟工具的CAE软件软件 。q除了除了CAD纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，以实现工程设计，这就是计将两者结合在一起，以实现工程设计，这就是计算机辅助工程（算机辅助工程（CAE）的概念。）的概念。 qCAE的主要功能是：原理图输入、逻辑仿真、电的主要功能是：原理图输入、逻辑仿真、电路分析、自动布局布线和路分析、自动布局布线和PCB后分析等。其中，后分析等。其中，自动布局布线仍是今

7、后算法研究领域的热门课题。自动布局布线仍是今后算法研究领域的热门课题。 10CAD/CAECAD/CAE的局限性的局限性 尽管尽管CAD/CAE技术取得了巨大的成功，但并没技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。 在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不高，各种高，各种CAD/CAE软件界面千差万别，学习使软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼容，直接影响到设计环节用困难，并且互不兼容，直接影响到设计环节间的衔接。间的衔接。 基于以上不足，人们开始追求贯彻整个设计过基于以上不足，人们开始

8、追求贯彻整个设计过程的自动化，这就是程的自动化，这就是EDA，即电子设计自动化。，即电子设计自动化。 EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向。代表了当今电子设计技术的最新发展方向。11EDA阶段阶段 设计人员按照设计人员按照“自顶向下自顶向下”的设计方法，对整的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，然后采用硬个系统进行方案设计和功能划分，然后采用硬件描述语言（件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。 EDA的设计方法被称为高层次的电子设计方法。的设计方法被称为高层次的电子设计方法

9、。 EDA软件以逻辑综合、硬件行为仿真、参数分软件以逻辑综合、硬件行为仿真、参数分析和测试为重点。设计工具门类齐全，能够提析和测试为重点。设计工具门类齐全，能够提供系统设计需要的全部工具，包括设计输入、供系统设计需要的全部工具，包括设计输入、逻辑综合、设计优化、设计验证和性能评估等。逻辑综合、设计优化、设计验证和性能评估等。 121.3 EDA技术的崭新特点 电子技术各个领域全方位融入电子技术各个领域全方位融入EDA技术技术 IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计领核在电子行业的产业领域、技术领域和设计领域得到了广泛的应用。域得到了广泛的应用。 在在FPGA上实现上实现DSP应用成为可能应

10、用成为可能 嵌入式软核处理器的出现，使嵌入式软核处理器的出现，使SOPC进入大规模进入大规模应用阶段。应用阶段。 EDA软件支持的各种硬件描述语言使设计和趋于软件支持的各种硬件描述语言使设计和趋于简单简单 EDA技术使电子领域各学科相互包容和渗透。技术使电子领域各学科相互包容和渗透。13EDA技术基本特征 基于芯片的设计方法基于芯片的设计方法 自顶向下的设计方法自顶向下的设计方法 逻辑综合与优化逻辑综合与优化 硬件仿真硬件仿真 自动布局布线自动布局布线 硬件描述语言硬件描述语言 14基于芯片的设计方法基于芯片的设计方法 传统的数字系统设计方法是选择分立器件，通过传统的数字系统设计方法是选择分立

11、器件，通过设计电路板来实现系统功能。设计电路板来实现系统功能。 利用利用EDA工具，采用可编程逻辑器件，通过设计工具，采用可编程逻辑器件，通过设计芯片来实现系统功能，就称为基于芯片的设计方芯片来实现系统功能，就称为基于芯片的设计方法。法。 随着可编程逻辑器件的规模和速度不断提高，使随着可编程逻辑器件的规模和速度不断提高，使在芯片上设计一个系统成为可能，这就是在芯片上设计一个系统成为可能，这就是SOC（System On Chip）的概念。）的概念。 15自顶向下的设计方法自顶向下的设计方法 传统传统的设计方法是的设计方法是自底向上（自底向上（Bottom-Up）地构地构造出一个新的系统，如同一

12、砖一瓦地建造金字塔，造出一个新的系统，如同一砖一瓦地建造金字塔，效率低且成本高。效率低且成本高。 自顶向下（自顶向下（Up-Bottom）设计方法）设计方法则首先从系统则首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进设计，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统级进行验证。然后用综合优化工行描述，在系统级进行验证。然后用综合优化工具生成具体门电路的网表，其对应的物理实现级具生成具体门电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。可以是印刷电路板或专用集成电路。 由于设计的主要仿真

13、和调试过程是在高层次上完由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这不仅有利于早期发现结构设计上的错误，成的，这不仅有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，而且也减少了逻辑功能仿避免设计工作的浪费，而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。真的工作量，提高了设计的一次成功率。 16传统设计方法：传统设计方法：Bottom - up，基于电路板的设计方法，基于电路板的设计方法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输入输出17 1. 1. 设计依赖于设计师的经验。

14、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：18系统规格设计系统规格设计功能级描述功能级描述功能级仿真功能级仿真逻辑综合、优化、布局布线逻辑综合、优化、布局布线定时仿真、定时检查定时仿真、定时检查输出门级网表输出门级网表ASICASIC芯片投片、芯片投片、

15、PLDPLD器件编程、测试器件编程、测试ASIC:Application Specific Integrated CircuitsPLD: Programmable Logic Devices自顶向自顶向下设计下设计方法方法19 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 EDA EDA方法方法1.1.自上至下自上至下2.2.可编程逻辑器件可编程逻辑器件3.3.系统设计的早期进行仿系统设计的早期进行仿 真和修改真和修改4.4.

16、多种设计文件，发展趋多种设计文件，发展趋 势以势以 HDLHDL描述文件为主描述文件为主5.5.降低硬件电路设计难度降低硬件电路设计难度20特点特点 用软件的方式设计硬件；用软件的方式设计硬件； 自动化；自动化； 可仿真；可仿真； 系统可现场编程，在线升级系统可现场编程，在线升级（ISP） ； 集成度高（集成度高（SoC）、体积小、功耗低、）、体积小、功耗低、可靠性高、保密性强。可靠性高、保密性强。21逻辑综合与优化逻辑综合与优化 q综合的任务是将所设计的数字系统从高级硬件综合的任务是将所设计的数字系统从高级硬件描述语言的描述最终变为可直接用于芯片设计描述语言的描述最终变为可直接用于芯片设计的

17、版图文件。的版图文件。q中间需要经过系统级、寄存器传输级、逻辑级中间需要经过系统级、寄存器传输级、逻辑级和电路级等多层次的变换，从而使设计与工艺和电路级等多层次的变换，从而使设计与工艺独立。独立。q优化则是对于上述综合生成的电路网表，根据优化则是对于上述综合生成的电路网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小更快的综合布尔方程功能等效的原则，用更小更快的综合结果替代一些复杂的逻辑电路单元，根据指定结果替代一些复杂的逻辑电路单元，根据指定的目标库映射成新的网表。的目标库映射成新的网表。 22硬件仿真硬件仿真 如今集成电路器件的规模已经达到千万门以上，如今集成电路器件的规模已经达到千万门以上，设计过

18、程中仿真技术显得十分重要。较好的设计过程中仿真技术显得十分重要。较好的EDA系统包含三级仿真器，即功能级仿真、逻系统包含三级仿真器，即功能级仿真、逻辑级仿真和线路级仿真。辑级仿真和线路级仿真。 23自动布局布线自动布局布线q如何合理安排元件在芯片上的位置，以及如何如何合理安排元件在芯片上的位置，以及如何连线使得占的面积最小，是难度极大的算法设连线使得占的面积最小，是难度极大的算法设计问题。计问题。q综合、仿真和布局布线算法都是十分高深的算综合、仿真和布局布线算法都是十分高深的算法，因此法，因此EDA软件的成本都非常高，远远高于软件的成本都非常高，远远高于硬件成本。硬件成本。 24硬件描述语言硬

19、件描述语言(HDL)q用硬件描述语言（用硬件描述语言（HDL-Hardware Description Language）进行电路与系统的设计是当前）进行电路与系统的设计是当前EDA技技术的一个重要特征。术的一个重要特征。q与传统的原理图输入设计方法相比较，硬件描述与传统的原理图输入设计方法相比较，硬件描述语言更适合于规模日益增大的电子系统，它还是语言更适合于规模日益增大的电子系统，它还是进行逻辑综合优化的重要工具。进行逻辑综合优化的重要工具。q硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征。它的突出优点是：述设计的结构和内部特征。它

20、的突出优点是：语语言的公开可利用性；设计与工艺的无关性；宽范言的公开可利用性；设计与工艺的无关性；宽范围的描述能力；便于组织大规模系统的设计；便围的描述能力；便于组织大规模系统的设计；便于设计的复用和继承等。于设计的复用和继承等。 25硬件描述语言硬件描述语言(HDL) 硬件描述语言的出现，使硬件与软件的界限相对硬件描述语言的出现，使硬件与软件的界限相对模糊，极大地方便了电子系统的设计。模糊，极大地方便了电子系统的设计。 正如计算机的编程从二进制代码到汇编再到高级正如计算机的编程从二进制代码到汇编再到高级语言从而给编程者带来了充分发挥的空间一样，语言从而给编程者带来了充分发挥的空间一样，硬件描

21、述语言的出现是电子系统设计的一次重大硬件描述语言的出现是电子系统设计的一次重大变革，它使设计者可以专注于数学模型的建立和变革，它使设计者可以专注于数学模型的建立和算法的设计，避免一些无谓的重复劳动。而这一算法的设计，避免一些无谓的重复劳动。而这一切都与切都与EDA技术的进步密切相关。技术的进步密切相关。 261.4 EDA设计所需的工具 计算机计算机：以往只能在工作站上进行设计，目前大：以往只能在工作站上进行设计，目前大多数多数EDA软件已可在普通的软件已可在普通的PC机上运行。机上运行。 EDA软件软件：主要有综合软件、仿真软件、布局布：主要有综合软件、仿真软件、布局布线软件、版图设计软件等

22、。由于线软件、版图设计软件等。由于EDA主要依靠软主要依靠软件，因此可以作为软件业来对待。件，因此可以作为软件业来对待。 工艺库工艺库：可编程器件单元库和：可编程器件单元库和ASIC单元库。对设单元库。对设计可编程逻辑器件而言，各个芯片厂商都针对其计可编程逻辑器件而言，各个芯片厂商都针对其器件提供逻辑单元库，可在原理图中直接调入。器件提供逻辑单元库，可在原理图中直接调入。 27EDA设计辅助软件工具设计辅助软件工具 设计输入工具（编辑器）设计输入工具（编辑器） 设计仿真工具设计仿真工具(仿真器仿真器) 检查分析工具检查分析工具 优化优化/综合工具（综合器）综合工具（综合器） 布局和布线工具布局

23、和布线工具(适配器适配器) 下载工具下载工具(编程器编程器) PCB设计工具设计工具 模拟电路仿真工具模拟电路仿真工具28EDA设计流程设计准备设计输入原理图硬件描述语言波形图器件编程设计完成设计处理优化、综合适配、分割布局、布线功能仿真时序仿真器件测试29 设计准备设计准备 在设计之前，根据任务要求，确定系统所要完成的功在设计之前，根据任务要求，确定系统所要完成的功能及复杂程度，器件资源的利用、成本等所要做的准备能及复杂程度，器件资源的利用、成本等所要做的准备工作，如：进行方案论证、系统设计和器件选择等。工作，如：进行方案论证、系统设计和器件选择等。30 设计输入设计输入 将设计好的系统或电

24、路按照将设计好的系统或电路按照EDA开发软件要求的某种形式表开发软件要求的某种形式表示出来，并送入计算机的过程。示出来，并送入计算机的过程。 图形输入方式图形输入方式 应用软件系统提供的原器件库及各种符号和连线画出设计电路应用软件系统提供的原器件库及各种符号和连线画出设计电路的的原理图原理图，形成图形输入文件。，形成图形输入文件。 用于对各部分电路很熟悉或系统对时间特性要求较高的场合。用于对各部分电路很熟悉或系统对时间特性要求较高的场合。优点：容易实现仿真，便于信号的观察和电路的调整。优点：容易实现仿真，便于信号的观察和电路的调整。 文本输入方式文本输入方式 指采用硬件描述语言进行电路设计的方

25、式。具有很强的逻辑描指采用硬件描述语言进行电路设计的方式。具有很强的逻辑描述和仿真功能，可实现与工艺无关的编程与设计。述和仿真功能，可实现与工艺无关的编程与设计。 波形输入方式波形输入方式 用于建立和编辑波形文件，以及输入仿真向量和功能测试向量。用于建立和编辑波形文件，以及输入仿真向量和功能测试向量。适用于时序逻辑和有重复性的逻辑函数，系统软件可根据用户定适用于时序逻辑和有重复性的逻辑函数，系统软件可根据用户定义的输入义的输入/输出波形自动生成逻辑关系。输出波形自动生成逻辑关系。31 设计处理设计处理 EDA设计的核心环节。对设计输入文件进行逻辑化简、综合设计的核心环节。对设计输入文件进行逻辑

26、化简、综合和优化，并适当地用一片或多片器件自动地进行适配，最后产生和优化，并适当地用一片或多片器件自动地进行适配，最后产生编程用的编程文件。编程用的编程文件。 设计编译和检查设计编译和检查检查语法。如原理图接线、信号有无双重来源，文本文件中有检查语法。如原理图接线、信号有无双重来源，文本文件中有无错误，并标示错误位置。无错误，并标示错误位置。设计规则检验。如总的设计有无超出器件资源或超出规定的限设计规则检验。如总的设计有无超出器件资源或超出规定的限制，指明违反规则和潜在不可靠电路的情况。制，指明违反规则和潜在不可靠电路的情况。 逻辑优化和综合逻辑优化和综合优化：化简所有的逻辑方程或用户自建的宏

27、，使设计占用的资源优化：化简所有的逻辑方程或用户自建的宏，使设计占用的资源最少；最少；综合：将多个模块化设计文件合并为一个网表文件，并使层次设综合：将多个模块化设计文件合并为一个网表文件，并使层次设计平面化。计平面化。32 设计处理设计处理 适配和分割适配和分割 确定优化后的逻辑能否与下载目标器件适配，确定优化后的逻辑能否与下载目标器件适配，然后将设计分割成小块映射到器件相应的宏单然后将设计分割成小块映射到器件相应的宏单元。如果一片不够，可以装入同系列的多片器元。如果一片不够，可以装入同系列的多片器件中。件中。 布局和布线布局和布线 软件自动完成，同时生成报告，提供各部分资软件自动完成，同时生

28、成报告，提供各部分资源的使用情况。源的使用情况。 生成编程数据文件生成编程数据文件 产生可供器件编程使用的数据文件。产生可供器件编程使用的数据文件。33 设计校验设计校验 功能仿真功能仿真 设计输入后，选择具体器件进行编译前进行的逻辑功能验证，设计输入后，选择具体器件进行编译前进行的逻辑功能验证，也称为前仿真。也称为前仿真。 时序仿真时序仿真 选择了具体器件并完成布局、布线后进行的时序仿真，也称为选择了具体器件并完成布局、布线后进行的时序仿真，也称为后仿真。后仿真。 器件编程器件编程 将设计处理中产生的编程数据文件通过软件放到具体的可编程将设计处理中产生的编程数据文件通过软件放到具体的可编程逻

29、辑器件中。逻辑器件中。 器件测试和设计验证器件测试和设计验证341.5 常用的EDA软件 SPICE（晶体管级仿真）（晶体管级仿真）、EWB（虚拟电子实验室虚拟电子实验室 ） PROTEL、PADS（PCB高端用户工具软件高端用户工具软件 ） ISE、Webpack（功能比（功能比ISE少，少，xilinx公司）公司） Maxplus II、Quartus II（Altera公司）公司） ispDesignEXPERT、ispLVER（Lattice公司）公司） Active HDL、Modelsim：仿真工具：仿真工具 Synplify、FPGA Express、Exemplar ：综合工具综合工具 Cadence、Mentor等公司提供的专用集成电路设计等公司提供的专用集成电路设计软件软件351.6 IP（Intellectual Property）核 IP：知识产权核或知识产权模块。用于知识产权核或知识产权模块。用于ASIC或或CPLD/FPGA中的预先设计好的电路功能模块。中的预先设计好的电路功能模块。 分为分为软软IP、固、固IP和硬和硬IP。 软软IP：用用HDL描述，不涉及具体用什