电子设计自动化EDA绪论

1、电子设计自动化（EDA)课时：课时：2*15课时，课时，6课时的课外实验课时的课外实验考试：考试： 实验成绩实验成绩 30% （实验考试）（实验考试） 随堂考试随堂考试 70 （考查课）（考查课）实验部分实验部分:（提前准备好实验报告本）（提前准备好实验报告本） 6节小实验（节小实验（3次）次） 综合实验（综合实验（1周）记入平时成绩周）记入平时成绩实验课地点：主楼八楼东边现代通信实验室实验课地点：主楼八楼东边现代通信实验室周次星期日期节次班级10一31/101.2测控09-1一31/103.4测控09-211一7/111.2测控09-1一7/113.4测控09-212一14/111.2测控0

2、9-1一14/113.4测控09-217测控09-1测控09-2测控09-1.2实验时间安排VHDL设计技术参考书CPLD系列设计技术与入门：黄正谨 徐坚 章小丽 熊明珍等 编著，电子科技大学出版社可编程逻辑器件原理、开发与应用： 赵曙光等 编著，西安科技大学出版社VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计： 侯伯亨 顾新 编著，西安电子科技大学出版社VHDL程序设计： 曾繁泰 陈美金编著，清华大学出版社数字集成系统的结构化设计与高层次综合： 王志华 邓仰东 编著，清华大学出版社VHDL应用与开发实践：甘 历 编著，科技出版社 参参 考考 教教 材材 参参 考考 教教 材材 参参 考考 教教 材材

3、课程结构安排：一：第1到第3章基础知识：EDA发展流程，设计流程。基本的硬件结构二：第4章：软件三：第5章是整个VHDL程序设计的语言要素和语句部分（核心内容）四：软件操作以及设计中的一些优化问题。五：第6章，系统设计（综合实验）。第一章 绪论主要内容主要内容1. EDA概念概念2.EDA发展历程发展历程3.EDA发展趋势发展趋势 常见英文缩写解释（按字母顺序排列）常见英文缩写解释（按字母顺序排列）ASIC: Application Specific Integrated Circuit. 专用专用ICCPLD: Complex Programmable Logic Device. 复杂可复杂

4、可编程逻辑器件编程逻辑器件EDA: Electronic Design Automation. 电子设计自动化电子设计自动化FPGA: Field Programmable Gate Array. 现场可编程现场可编程 门阵列门阵列GAL: Generic Array Logic. 通用阵列逻辑通用阵列逻辑HDL: Hardware Description Language. 硬件描述语言硬件描述语言 IP: Intelligent Property. 智能模块智能模块 PAL: Programmable Array Logic. 可编程阵列可编程阵列 逻辑逻辑 RTL: Register T

5、ransfer Level. 寄存器传输级寄存器传输级 （描述）（描述） SOC: System On a Chip. 片上系统片上系统 SLIC: System Level IC. 系统级系统级IC VHDL: Very high speed integrated circuit Hardware Description Language. 超高速集成电路硬件描述语言超高速集成电路硬件描述语言主要内容主要内容1.实现载体：大规模可编程逻辑器件实现载体：大规模可编程逻辑器件2.描述语言：硬件描述语言描述语言：硬件描述语言3.设计工具：软件开发系统设计工具：软件开发系统4.硬件验证：实验开发系统

6、硬件验证：实验开发系统 1. 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件 FPGA和和CPLD主要公司：主要公司：Xilinx，Altera，LatticeFPGA/CPLD显著的优点：显著的优点： 开发周期短、投资风险小、产品上市速度快、开发周期短、投资风险小、产品上市速度快、市场适应能力强、硬件修改升级方便。市场适应能力强、硬件修改升级方便。 实验装置实验装置 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2. 硬件描述语言硬件描述语言(HDL)VHDL：IEEE标准，系统级抽象描述能力较强。标准，系统级抽象描述能力较强。Verilog：IEEE标准，门级开关电路描述能力较强。标准，门

7、级开关电路描述能力较强。ABEL：系统级抽象描述能力差，适合于门级电路：系统级抽象描述能力差，适合于门级电路 描述。描述。3. 软件开发工具软件开发工具集成化的开发系统集成化的开发系统特定功能的开发软件：综合软件特定功能的开发软件：综合软件 仿真软件仿真软件集成化的开发系统集成化的开发系统Altera公司：公司： MAX+plus II、Quartus II系列系列Xilinx公司：公司： ISE、 Foundation、Aillance系列系列Lattice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类：综合类： Synplicity公司的公司的

8、Synplify/ Synplify pro Synopsys公司的公司的FPGA Express、 FPGA compiler II Mentor公司的公司的LeonardoSpectrum仿真类：仿真类： Model Tech公司的公司的Modelsim Aldec公司的公司的Active HDL Cadence公司的公司的NC-Verilog、NC-VHDL、NC- SIM4.实验开发系统实验开发系统EDA技术技术 狭义定义：以狭义定义：以大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件为设为设计载体，以计载体，以硬件描述语言硬件描述语言为系统逻辑描述的主为系统逻辑描述的主要表达方式，以要表达方

9、式，以计算机计算机、大规模可编程逻辑器、大规模可编程逻辑器件的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，自为设计工具，自动完成用软件方式方式描述的电子系统到硬件动完成用软件方式方式描述的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑系统的逻辑编译、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、编对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用程下载等工作，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。集成芯片的一门多学科融合的新

10、技术。1.1 EDA技术及其发展EDA（Electronic Design Automation）EDA：是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技而研制成的电子CAD(Computer Aided Design)通用软件包。功能：辅助IC(integrated circuit)设计,电子电路设计,PCB(Printed Circuit Board)设计 EDA技术的发展技术的发展 七十年代为七十年代为CAD（Computer Aided Design计算机辅助设计算机辅助设计）阶段计）阶段 用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工画图。 八十年代为八十年代

11、为CAE（Computer Aided Engineering计算机辅计算机辅助工程）阶段助工程）阶段 支持电路功能设计和结构设计，通过电路网表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE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，PCB后分析。 九十年代为九十年代为ESDA（Electronic System Design Automation电子系统设计自动化）阶段阶段1.EDA概念以及发展概念以及发展七十年代为七十年代为CAD（Computer Aided Design计算机辅助设计）阶计算机辅助设计）阶段段 用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工画图。 八

12、十年代为八十年代为CAE（Computer Aided Engineering计算机辅助工计算机辅助工程）阶段程）阶段 支持电路功能设计和结构设计，通过电路网表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE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，PCB后分析。 九十年代为九十年代为ESDA（Electronic System Design Automation电子系统设计自动化）阶段阶段上节课内容回顾：2. 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 CPLD: Complex Programmable Logic Device. 复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件 FPGA: Field

13、Programmable Gate Array. 现场现场可编程可编程 FPGA和和CPLD主要公司：主要公司：Xilinx，Altera，Lattice3.硬件描述语言硬件描述语言 VHDL: Very high speed integrated circuit Hardware Description Language. 超高速集成电路硬件描述语言超高速集成电路硬件描述语言 VHDL：IEEE标准，系统级抽象描述能力较强。标准，系统级抽象描述能力较强。 Verilog：IEEE标准，门级开关电路描述能力较强。标准，门级开关电路描述能力较强。4. 集成化的开发系统集成化的开发系统Altera

14、公司：公司： MAX+plus II、Quartus II系列系列ESDA技术的基本特征技术的基本特征 （1） 支持支持“自顶向下自顶向下”的设计方法的设计方法 （2）支持）支持ASIC (Application Specific Integrated Circuit)设设计计 （3）采用硬件描述语言）采用硬件描述语言 （4）基于系统框架结构）基于系统框架结构 在我国所使用的工具中，在我国所使用的工具中， 最有代表性的设计工具最有代表性的设计工具是是Tango和早期的和早期的ORCAD。 它们的出现，它们的出现， 使得电子使得电子电路设计和印刷板布线工艺实现了自动化，电路设计和印刷板布线工艺实

15、现了自动化， 但还只能但还只能算自下而上的设计方法。算自下而上的设计方法。 随着大规模专用集成电路的随着大规模专用集成电路的开发和研制，开发和研制， 为了提高开发的效率和增加已有开发成为了提高开发的效率和增加已有开发成果的可继承性，果的可继承性， 以及缩短开发时间，以及缩短开发时间， 各种新兴的各种新兴的EDA工具开始出现，工具开始出现， 特别是硬件描述语言特别是硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）的出现，）的出现， 特别是硬件描述语言特别是硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）的出现，）的出现， 使得传统的

16、硬件电路设计方法发使得传统的硬件电路设计方法发生了巨大的变革，生了巨大的变革， 新兴的新兴的EDA设计方法采用了自上而设计方法采用了自上而下（下（Top Down）的设计方法。）的设计方法。 所谓自上而下的设计方法，所谓自上而下的设计方法， 就是从系统总体要求出就是从系统总体要求出发，发， 自上而下地逐步将设计内容细化，自上而下地逐步将设计内容细化， 最后完成系统最后完成系统硬件的整体设计。硬件的整体设计。 各公司的各公司的EDA工具基本上都支持两种标准的工具基本上都支持两种标准的HDL， 分别是分别是VHDL和和Verilog HDL。关于VHDL(06) Very high speed i

17、ntegrated Hardware Description Language (VHDL) 是IEEE、工业标准硬件描述语言 用语言的方式而非图形等方式描述硬件电路 容易修改 容易保存 特别适合于设计的电路有： 复杂组合逻辑电路，如： 译码器、编码器、加减法器、多路选择器、地址译码器. 状态机 等等.VHDL的功能和标准的功能和标准 VHDL 描述 输入端口 输出端口 电路的行为和功能 VHDL有过两个标准： IEEE Std 1076-1987 (called VHDL 1987) IEEE Std 1076-1993 (called VHDL 1993)概述： 用HDL语言表达设计意图，

18、FPGA作为硬件载体，计算机为设计开发工具，EDA作为软件开发环境的现代化电子设计方法简介背景（二） 美国国防部在80年代初提出了VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）计划，其目标之一是为下一代集成电路的生产，实现阶段性的工艺极限以及完成10万门级以上的设计，建立一项新的描述方法。1981年提出了一种新的HDL，称之为VHSIC Hardware Description Language，简称为VHDL，这种语言的成就有两个方面： 描述复杂的数字电路系统 成为国际的硬件描述语言标准VHDL的特点： 将一项工程设计或称设计实体（可以是一个元件，一个电路

19、模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，即端口）和内部（或称不可视部分），即设计实体的内部功能和算法完成部分。VHDL语言特色： VHDL语言中设计实体（design entity),程序包(pacage),设计库，为设计人员重复利用别人的设计提供了技术手段。 重复利用他人的IP模块和软核（soft cove)是VHDL语言的特色。VHDL语言的优点： 1.具有很强的行为描述能力。 2.支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。 3.可读性好，易于修改和发现错误。 4.可以使用仿真器对VHDL源代码进行仿真。 5.允许设计者不依赖于器件。 6.实现了设计与工艺无关。 7.可移植性好。 8.上市时

20、间快，成本低。 9.ASIC移植。VHDL与计算机语言的区别 运行的基础 计算机语言是在CPURAM构建的平台上运行 VHDL设计的结果是由具体的逻辑、触发器组成的数字电路 执行方式 计算机语言基本上以串行的方式执行 VHDL在总体上是以并行方式工作 验证方式 计算机语言主要关注于变量值的变化 VHDL要实现严格的时序逻辑关系C、ASM.程序程序CPUCPU指令指令/ /数据代码：数据代码：010010 100010 1100010010 100010 1100软件程序编译器软件程序编译器 COMPILER编译器和综合功能比较编译器和综合功能比较VHDL/VERILOG.程序程序 硬件描述语言

21、硬件描述语言 综合器综合器 SYNTHESIZER SYNTHESIZER为为ASICASIC设计提供的设计提供的 电路网表文件电路网表文件（a）软件语言设计目标流程（b）硬件语言设计目标流程HDL语言的种类 Candence公司的 Verilog HDL语言，于1995年成为IEEE标准，从C语言发展而来。 Menter Graghics公司的 BLM语言，从PASCAL语言发展而来，未成为IEEE标准。 Altera公司的 AHDL的语言，具有C语言风格。 系统集成芯片成为IC设计的发展方向，这一发展趋势表现在如下几个方面： 超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，深亚微米超大规模集成

22、电路的集成度和工艺水平不断提高，深亚微米(Deep-Submicron)(Deep-Submicron)工艺，如工艺，如0.18m0.18m，0.13m0.13m已经走向成熟，已经走向成熟，在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能。在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能。 市场对电子产品提出了更高的要求，如必须降低电子系统的市场对电子产品提出了更高的要求，如必须降低电子系统的成本，减小系统的体积等，从而对系统的集成度不断提出更高成本，减小系统的体积等，从而对系统的集成度不断提出更高的要求。的要求。 高性能的高性能的EDAEDA工具得到长足的发展，其自动化和智能化程度工具得到长足的发展，其自动化和智能化程度不断提高，为嵌入式系统设计提供了功能强大的开发环境。不断提高，为嵌入式系统设计提供了功能强大的开发环境。 计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的SoCSoC设计提供了设计提供了物理基础。物理基础。EDA的发展趋势的发展趋势EDAEDA技术技术ASICAS