EDA基础第1章绪论

1、EDA基础主讲：房启志Email：arinc2006学时：48（实验24学时）作业：随堂 答疑：随堂(实验课)考核：总成绩=实验成绩30%+考试70%要求：实验认真，超过三个实验不做不允许参考试或者超过五个实验不合格不允许参加考试参考教材如下指定教材几本参考书：喔伦斯基EDA基础第1章 概述（2学时） 1.1 可编程ASIC综述 1.2 电子设计自动化技术 1.3 数字系统的设计方法 1.4 EDA技术的发展趋势 参考书目：数字系统设计与Verilog HDL 电子工业出版社参考网址： EDA基础第3章 FPGA/CPLD结构（4学时） 3.1 PLD基本结构及分类 3.2 GAL-PLD的基

2、本结构 3.3 CPLD 3.4 FPGA 参考书目： 可编程器件及其应用导论 清华大学出版社MACH可编程逻辑器件及其开发工具清华大学出版社EDA基础第4章 VHDL基础 （8学时） 4.1-4.4 VHDL语言基础 4.5-4.6 VHDL中的描述语句 4.7 有限状态机的设计 EDA基础第5章 开发软件应用（3学时） 5.1-5.3 MAX+PLUS介绍 5.4 其他EDA平台介绍参考书目：EDA技术实用教程潘松 编著 科学出版社EDA基础第6章 FPGA的配置（1学时）第7章 常用模块的设计（6学时） 第二部分实验 （24学时）下面就进入第一部分的学习第1章 概 述关于数字系统关于数字

3、系统数字时代的到来数字系统的优点（5）数字器件的发展（SSI, MSI, LSI, VLSI, SOC ）最具代表性的IC（MCU,RAM/ROM,PLD,DSP,ARM）ASIC 专用集成电路OEIC(Optical Electronic IC) -very popular IT1.1 可编程ASIC综述可编程ASIC技术简介可编程ASIC (Application Specific Integrated Circuit )现状与发展关于可编程ASIC器件的选择问题可编程ASIC的一般开发步骤可编程ASIC的现状与发展专用集成电路ASIC是面向用户特定用途或特定功能的大规模或超大规模集成电路

4、。ASIC有数字的、模拟的、数模混合的。按制造方法分，全定制、半定制和可编程三种。使用可编程ASIC，用户可以借助计算机实现各种实际的数字电路和电子系统的设计及功能仿真和调试。可以说可编程ASIC的问世及广泛应用促进了电子系统设计的重大变革。半定制与全定制ASIC全定制-基于晶体管级的设计半定制-约束性设计：门阵列法、标准单元法、可编程逻辑芯片设计法。根据芯片的集成度和结构的复杂度选择简单可编程逻辑器件PLD复杂可编程逻辑器件CPLD现场可编程逻辑器件FPGA可编程ASIC器件的选择可编程ASIC 的选择选择可编程ASIC还要注意其制造工艺和编程方式双极熔丝制造技术（AMD的PAL）EECMO

5、S制造技术SRAM制造技术反熔丝制造技术时间仿真形成写入数据器件编程ASIC开发步骤设计输入功能仿真逻辑分割布局布线设计输入逻辑图输入逻辑式输入波形输入硬件描述语言（VHDL、ABEL、Verilog）输入1.2 电子设计自动化技术旧模式（书面方法设计硬件搭试样机验证）新方法（书面概念设计仿真测试烧录器件）EDA技术的发展 1、70年代电子CAD（Computer Aided Design） 2、80年代CAE（ Computer Aided Engineering） 3、90年代EDA(Electronic Design Automatic)现代数字系统与EDA技术EDA技术的主要内容 ED

6、A技术主要包括三部分的内容：（1）大规模可编程逻辑器件（白纸）。（2）软件开发工具（笔墨）。（3）输入方式（方式）采用硬件描述语言 -HDL（Hardware Description Language）(VHDL, Verilog HDL, C+HDL)具有高层综合和优化功能并行工程（concurrent engineering, CE）标准化和开放性（IEEE）EDA技术的特点 EDA技术的应用系统级设计数字电路设计版图设计PCB板设计PLD开发高速电路设计模拟电路设计综合仿真混合电路设计EDA工具向高密度、大规模的方向发展 向系统内可重构的方向发展 向低电压、低功耗的方向发展 向混合可编程

7、技术方向发展 向高速度发展向SOC发展(先进工艺、处理器内核、硬IP及结构化、低成本器件)可编程器件的发展趋势软件开发工具的发展趋势 具有混合信号处理能力的EDA工具（高级语言）。 有效的仿真工具的发展（系统级仿真）。理想的设计综合（优化）工具的开发。团队协作设计和模块化设计（IP）。 总之，今天的EDA工具将向着功能强大、简单易学、使用方便的方向发展。输入方式简便化趋势 很多电子设计师都具有原理图设计的经验，不具有编程经验，所以仍然希望继续在比较熟悉的符号与图形环境中完成设计，而不是利用编程来完成设计。输入方式高效化和统一化趋势 现在有很多硬件描述语言的人才，也有更多的资深的C语言编程者，他

8、们能够利用这种工具，可以轻松地转到FPGA设计上。过去因为太复杂而不能用硬件描述语言表示的算法以及由于处理器运行速度太慢而不能处理的算法，现在都可以利用C语言在大规模FPGA硬件上得以实现。设计者可以利用C语言快速而简洁的构建功能函数，通过标准库和函数调用技术，设计者还能在很短的时间里创建更庞大，更复杂和更高速的系统。 输入方式发展趋势 1.3 数字系统的设计方法 数字系统设计方法 传统的数字系统设计方法是利用真值表、卡诺图、状态方程组、状态转换表、状态转换图等描述工具建立系统模型来进行系统设计的。 （试凑）对于一个比较复杂的数字系统，由于它的输入变量数、输出变量数和内部的状态变量数很多，如果

9、用常规的工具(如：真值表、卡诺图、状态方程等)和传统的数字系统设计方法来描述和设计十分困难，有时甚至无法进行，因此必须寻求从系统总体出发来描述和设计的方法。这样的数字系统设计方法有多种，常用的有“自顶向下”法和“自底向上”法。数字系统的设计过程早期的数字系统设计采用试凑法，无固定套路可循，靠经验。-修改不便、浪费时间。ASIC芯片本身将成为包含有数以万计元件的电子系统，采用早期的设计方法不行。采用TOP-DOWN和BOTTOM-UP设计思想传统数字系统设计的一般过程了解设计任务；确定系统的整体功能；用某种方法描述系统功能设计实现系统功能的算法根据算法选择电路结构选择器件并实现电路。TOP-DO

10、WN设计树结构BOTTOM-UP层次、结构化设计是TOP-DOWN的逆过程（TOP-DOWN）自上而下的设计数字系统的设计方法系统级设计功能级描述功能仿真门级描述物理实现（BOTTOM-UP）自下而上的设计 是TOP-DOWN结构的逆过程时序仿真数字系统设计的一般过程（采用EDA工具）了解设计任务；划分各功能模块的功能设计输入。目前大多EDA工具软件都支持逻辑图输入和硬件描述语言输入两种方式 。逻辑验证（功能仿真） 逻辑综合。经过逻辑综合，各种逻辑功能可直接用EDA工具目标中的相应单元器件实现。 时间仿真。它是在引入了实际器件的参数后进行的仿真，其结果能真实的反映实际系统的时序、功能。 物理实

11、现 。图形设计方式（原理图输入）基于HDL的设计 -VHDL -VerilogHDL基于C/C+语言的设计（最新应用） - systemC和Handle-C 参考：数字系统的设计方式数字系统的实现方式数字系统的核心是器件数字IC设计全定制半定制门阵列标准单元PLD器件物理版图级EDA技术ASIC设计FPGA/CPLD可编程ASIC 设计 门阵列（MPGA）；标准单元（CBIC）； 全定制；（FCIC）； ASIC设计SOPC/SOC混合ASIC设计EDA技术实现目标作为EDA技术最终实现目标的ASIC，通过三种途径来完成：EDA与传统电子设计方法的比较手工设计方法的缺点是： 1)复杂电路的设计

12、、调试十分困难。 2)如果某一过程存在错误，查找和修改十分不便。 3)设计过程中产生大量文档，不易管理。 4)对于集成电路设计而言，设计实现过程与具体生产工艺直接相关，因此可移植性差。 5)只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实测。EDA技术有很大不同： 1)采用硬件描述语言作为设计输入。 2)库(Library)的引入。 3)设计文档的管理。 4)强大的系统建模、电路仿真功能。 5)具有自主知识产权。 6)开发技术的标准化、规范化以及IP核的可利用性。 7)适用于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案。 8)全方位地利用计算机自动设计、仿真和测试技术。 9)对设计者的硬件知识和硬件经验要求

13、低。10)高速性能好。11)纯硬件系统的高可靠性。数字系统高层设计理念-IP Core 的复用技术如： CPU IP Core ARM、MIPs、DSP、MCU； Interface IP Core CPCI、PCI、UART、USB、1394、I2C、HDLC； DSP IP Core DCT/IDCT、FFT/IFFD、MAC、DIV、DWT； 基于EDA技术的FPGA基本设计 SOPC系统设计 DSP技术及DSP系统设计单片机系统设计 嵌入式系统设计+SOC： SYSTEM ON A CHIPSOPC： SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIP SOPCNIOSEther

14、netInterfaceARMUARTRAM/ROM FIFOUSB PCIDSP BlocksPLLsSDRAM CONTROLVGAPS2Multiply UnitJPEG CPL FIR，IIR，FFT大规模FPGANios嵌入式系统IP软核 Flash ROM固体硬盘SRAM 内存 SDRAM 内存嵌入式Bios嵌入式ROM嵌入式RAM嵌入式FIFOSDRAM控制模块硬件DSP模块RS232CAN控制器DMAVGA控制器RS232接口电路 PS2键盘接口PS2鼠标接口Ethernet接口内部时钟PCI接口浮点算术协处理器VGA接口 PS/2键盘/鼠标接口 D/A接口 A/D接口 LCD

15、接口 LED接口 USB控制器UART FIFO并行接口 图象或语音采样接口 立体声输出接口 通用I/O口 应用系统 SOPCEDA实验的3个层次1、逻辑行为的实现 （特点：非EDA技术及相关器件也能实现，无法体现EDA技术的优势）2、控制与信号传输功能的实现（特点：必须使用EDA技术才也能实现，能体现EDA技术的优势， 是电子设计竞赛赛题最有可能出题的功能范围，值得重视！） 3、算法的实现（特点：使用硬件方式取代由传统CPU完成的许多算法功能，实现高速性能） 主要包括原数字电路中的实验项目，如：简单译码器、简单计数器、红绿交通灯控制、表决器、显示扫描器、电梯控制、乒乓球游戏、数字钟表、普通频

16、率计等等纯逻辑行为实现方面的电路的设计，时钟频率低。 如：高速信号发生器（含高速D/A输出）、PWM、FSK/PSK、A/D采样控制器、数字频率合成、数字PLL、FIFO、RS232或PS/2通信、VGA显示控制电路、逻辑分析仪、存储示波器、虚拟仪表、图像采样处理和显示、机电实时控制系统、FPGA与单片机综合控制等电路的设计。 如：离散FFT变换、数字滤波器、浮点乘法器、高速宽位加法器、数字振荡器、DDS、编码译码和压缩、调制解调器、以太网交换机、高频端DSP（现代DSP）、基于FPGA的嵌入式系统、SOPC/SOC系统、实时图象处理、大信息流加解密算法实现等电路的设计，嵌入式ARM、含CPU

17、软核Nios的软硬件联合设计。时钟频率一般在50MHz以上 思考题 1 简述EDA技术的发展历程？EDA技术的核心内容是什么？ 2 在EDA技术中，自顶向下的设计方法的含义是什么？一般步骤如何？ 3 IP在EDA技术的应用和发展中的意义是什么？ FPGA芯片叫板微处理器 - 如果没有微处理器,电脑会怎样?答案令人惊讶- 它的处理速度比常规电脑更快,而且快出很多倍!FPGA芯片武装超级电脑 尽管FPGA芯片的主频要低于奔腾处理器,但是由于FPGA芯片可并行处理多项任务,因此处理速度要比奔腾处理器或数字信号处理器快得多! FPGA芯片叫板微处理器 美国赢通系统公司（Wincom Systems）推

18、出一款令人惊叹的服务器。这款专为网站运行而设计的服务器尺寸仅有DVD播放机大小，工作能力却相当于,甚至超过50台戴尔、IBM或SUN公司售价5000美元的服务器。 赢通公司的这款服务器并未采用目前电脑中不可或缺的微处理器。 传统的个人电脑及服务器通常采用英特尔的奔腾处理器或SUN计算机系统公司的SPARC芯片作为中央处理单元。而赢通的这一产品却没有采用微处理器，而是由FPGA芯片驱动。 FPGA芯片的运行速度比奔腾处理器慢，但可并行处理多项任务，而微处理器一次仅能处理一项任务。因此，赢通公司的服务器只需配置几个价格仅为2000多美元的FPGA芯片，便可击败SUN计算机系统公司的服务器或采用英特

19、尔处理器的电脑，“我们的服务器处理速度要比普通服务器快50到300倍”。 FPGA芯片在一定程度上正在蚕食微处理器的市场。FPGA芯片也开始用于消费类的电子设备中，包括手机和数码相机。飞利浦、诺基亚、Palm及索尼均在其消费类的电子产品中采用了FPGA芯片。 XILINX的首席执行官W.Roelandts亲眼目睹了FPGA如何改变电脑构架。50多年前，匈牙利数学家纽曼（John von Neumann）提出了电脑的设计构想-通过中央处理器从存储器中存取数据，并逐一处理各项任务。现在，通过采用可编程芯片FPGA取代微处理器，电脑可并行处理多项任务。 W.Roelandts说，“由纽曼提出的电脑架

20、构已经走到尽头”，“可编程芯片将掀起下一轮应用高潮。 尽管FPGA芯片的时钟频率要低于奔腾处理器，但是由于FPGA芯片可并行处理各种不同的运算，所以可完成许多复杂的任务。例如网页显示，全球天气建摸及基因组合核对等，而且处理速度比奔腾处理器或数字信号处理器快得多。在通用计算方面，FPGA仍然不敌Intel的处理器。对于那些只需要进行重复单任务操作的机器而言，使用FPGA芯片显然是大材小用。 位于内华达州的TimeLogic公司也间接受益于FPGA。戴尔和SUN公司生产的某些标准服务器采用了ALTERA公司的FPGA芯片。 TimeLogic公司对这些标准服务器加以改进之后，生产了一种用于基因研究

21、的高速处理设备。“我们的设备比原来的产品至少快1000倍”， TimeLogic公司总监Christopher Hoover说。该公司的这一设备售价25万美元。 马里兰州的Annapolis Micro Systems公司在其电脑芯片电路板中也集成了XILINX的FPGA芯片，以提高产品性能。又如加州的BlueArc公司用ALTERA的FPGA开发出一种存储器产品，其速度比Network Appliance和EMC公司的竞争产品更快。华盛顿州Bellevue市的MidStream Technologies公司采用XILINX的FPGA，为有限电视运营商开发视频流服务器。这款服务器高仅3.5英尺，采用了2片FPGA芯片，可同时提供425路视频流信号，比基于通用微处理器的服务器速度更快。 如果您正在福布斯的网站上阅读这