计算机软件技术基础第一章概述ver

1、2022年4月19日20时27分EDA技术技术江苏大学电气学院电子信息系江苏大学电气学院电子信息系2022年4月19日20时27分第2页1、课程性质： EDA技术技术课程是一门将计算机技术运用于电子设计过课程是一门将计算机技术运用于电子设计过程的新技术专业课程，也是电子信息工程、电子信息科学与技术、程的新技术专业课程，也是电子信息工程、电子信息科学与技术、通信工程等专业的必修课程，是电子技术与计算机技术应用的一通信工程等专业的必修课程，是电子技术与计算机技术应用的一个重要方面。它已被广泛运用于电子电路的设计和仿真、集成电个重要方面。它已被广泛运用于电子电路的设计和仿真、集成电路版图设计、印刷电

2、路板的设计以及可编程器件的编程等各项工路版图设计、印刷电路板的设计以及可编程器件的编程等各项工作中，是从事电子设计的工程技术人员不可缺少的重要技术本领。作中，是从事电子设计的工程技术人员不可缺少的重要技术本领。通过本课程的学习，使学生能对可编程逻辑器件及相关技术和设通过本课程的学习，使学生能对可编程逻辑器件及相关技术和设计方法有较全面的认识，包括器件内部结构、特点和选用方法等，计方法有较全面的认识，包括器件内部结构、特点和选用方法等，并且掌握一两种硬件描述语言，同时对相应的开发工具的软件使并且掌握一两种硬件描述语言，同时对相应的开发工具的软件使用和技巧有所了解。为将来从事工程技术工作、科学研究

3、以及开用和技巧有所了解。为将来从事工程技术工作、科学研究以及开拓技术领域打下坚实的基础。拓技术领域打下坚实的基础。 2022年4月19日20时27分第3页2、课程类型：专业课（限选）3、先修课程：数字电子技术数字电子技术C C语言程序设计语言程序设计软件设计基础软件设计基础 等相关课程等相关课程 2022年4月19日20时27分第4页4、采用教材：在系统可编程器件与开发技术在系统可编程器件与开发技术 赵不贿等编著赵不贿等编著 机械工业出版社机械工业出版社EDA技术实用教程技术实用教程 潘松等编著潘松等编著 科学出版社科学出版社 第第2版版 5、参考教材：1.侯伯亨侯伯亨 编著编著 VHDL硬件

4、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西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社2.赵曙光赵曙光 编著编著 可编程逻辑器件原理、开发与应用可编程逻辑器件原理、开发与应用 西安西安电子科技大学出版社电子科技大学出版社3.姜立东姜立东 编著编著VHDL语言程序设计及应用语言程序设计及应用第第2版版 北京邮北京邮电大学出版社电大学出版社2022年4月19日20时27分第5页0. EDA技术技术发展概述发展概述0.1 EDA技术及其发展技术及其发展 20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领

5、域，有力地推动了社会生产电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。人类社会已进人类社会已进入到高度发达的信息化社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。入到高度发达的信息化社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这种进步的主要原

6、因势，而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代就是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前已进展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数表，目前已进展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管；后者的核心就是千万个晶体管；后者的核心就是EDAEDA技术。技术。2022年4月19日20时27分第6页 EDA（Electronic Design Automation）技术就是以计算机为工作平台，）技术就是以计算机为工作平台，以以EDA软件工具为开发环境，以可编程器件为实验载体，

7、以软件工具为开发环境，以可编程器件为实验载体，以ASIC、SOC芯芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。 集成电路设计在不断地向超大规模、极低功耗和超高速的方向发展：集成电路设计在不断地向超大规模、极低功耗和超高速的方向发展：专用集成电路专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的设计成的设计成本不断降低，在功能上，现代的集成电路已能实现单片电子系统本不断降低，在功能上，现代的集成电路已能实现单片电子系统SOC(System on a Chip

8、)的功能。的功能。 数字系统的发展在很大程度上得益于器件和集成技术的发展。著数字系统的发展在很大程度上得益于器件和集成技术的发展。著名的摩尔定律名的摩尔定律(Moores law)曾经预言：大约每曾经预言：大约每18个月，芯片的集成度个月，芯片的集成度提高一倍，而功耗下降一半。几十年来，半导体集成电路的发展过程提高一倍，而功耗下降一半。几十年来，半导体集成电路的发展过程印证了摩尔预言的准确性。数字器件经历了从印证了摩尔预言的准确性。数字器件经历了从SSl、MSI、LSI到到VLSI，直到现在的，直到现在的SOC(System On Chip，系统芯片，系统芯片)，也就是说，现，也就是说，现在人

9、们已经能够把一个完整的电子系统集成在一个芯片上了。在人们已经能够把一个完整的电子系统集成在一个芯片上了。2022年4月19日20时27分第7页年份年份1997199819992001工艺工艺/um0.350.250.180.15设计周期设计周期12-18个月个月10-12个个月月8-10个月个月6-8个月个月集成度集成度/百万门百万门0.20.512461025应用领域应用领域移动电话移动电话PDA DVD机顶盒机顶盒 无线无线PDA互联网设备互联网设备 移动设备移动设备掌上电脑掌上电脑 宽带互联宽带互联控制器控制器2022年4月19日20时27分第8页 IC技术的发展日新月异，而最具有代表性

10、的技术的发展日新月异，而最具有代表性的IC芯片主要包括芯片主要包括以下几类以下几类微控制芯片微控制芯片(MCU, Micro Control Unit)；可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD, Programmable Logic Device)；数字信号处理器数字信号处理器(DSP, Digital Signal Processor)；大规模存储芯片大规模存储芯片(RAMROM, Random Access MemoryRead Only Memory) 以上几类器件在最近以上几类器件在最近20年均取得了长足的发展，无论是芯年均取得了长足的发展，无论是芯片的规模还是性能都有了巨大的提高，构成

11、了现代数字系统的片的规模还是性能都有了巨大的提高，构成了现代数字系统的基石。基石。2022年4月19日20时27分第9页 现代电子设计技术的核心是现代电子设计技术的核心是EDA(Electronic Design Automation)技术。技术。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件工具软件平台上，对以硬件描述语言平台上，对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合辑编译

12、、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合(布局布线布局布线)，以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。软件来完成对系统硬件功能的实现。 2022年4月19日20时27分第10页 从另一方面看，在现代高新电子产品的设计和生产中，微电子技术和现从另一方面看，在现代高新电子产品的设计和生产中，微电子技术和现代电子设计技术是相互促进、相互推动又相互制约的两个技术环节

13、。前代电子设计技术是相互促进、相互推动又相互制约的两个技术环节。前者代表了物理层在广度和深度上硬件电路实现的发展，后者则反映了现者代表了物理层在广度和深度上硬件电路实现的发展，后者则反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新的计算机软件技术有机的融合和升华。因此，严格地说，的计算机软件技术有机的融合和升华。因此，严格地说，EDA技术应该技术应该是这二者的结合，是这两个技术领域共同孕育的奇葩。是这二者的结合，是这两个技术领域共同孕育的奇葩。 EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术，技术在硬件实

14、现方面融合了大规模集成电路制造技术，IC版图设版图设计技术、计技术、ASIC测试和封装技术、测试和封装技术、FPGACPLD编程下载技术、自动测编程下载技术、自动测试技术等；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计试技术等；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计(CAD)、计算、计算机辅助制造机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助工程、计算机辅助工程(CAE)技术技术以及多种计算机语言的设计概念：而在现代电子学方面则容纳了更多的以及多种计算机语言的设计概念：而在现代电子学方面则容纳了更多的内容，如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化内容，

15、如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等等。因此技术及长线技术理论等等。因此EDA技术为现代电子理论和设计的表达技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。与实现提供了可能性。 2022年4月19日20时27分第11页在现代技术的所有领域中，纵观许多得以飞速发展的科学技术，多为计在现代技术的所有领域中，纵观许多得以飞速发展的科学技术，多为计算机辅助设计，而非自动化设计。显然，最早进入设计自动化的技术领算机辅助设计，而非自动化设计。显然，最早进入设计自动化的技术领域之一是电子技术，这就是为什么电子技术始终处于所有科学技术发展域之一是电子技术，这就是为什么

16、电子技术始终处于所有科学技术发展最前列的原因之一。不难理解，最前列的原因之一。不难理解，EDA技术已不是某一学科的分支，或某技术已不是某一学科的分支，或某种新的技能技术，应该是一门综合性学科。它融合多学科于一体，打破种新的技能技术，应该是一门综合性学科。它融合多学科于一体，打破了软件和硬件间的壁垒，使计算机的软件技术与硬件实现、设计效率和了软件和硬件间的壁垒，使计算机的软件技术与硬件实现、设计效率和产品性能合二为一，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。产品性能合二为一，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。 正因为正因为EDA技术丰富的内容以及与电子技术各学科领域的相关性，其技术丰富

17、的内容以及与电子技术各学科领域的相关性，其发展的历程同大规模集成电路设计技术、计算机辅助工程、可编程逻辑发展的历程同大规模集成电路设计技术、计算机辅助工程、可编程逻辑器件，以及电子设计技术和工艺的发展是同步的。就过去近器件，以及电子设计技术和工艺的发展是同步的。就过去近30年的电子年的电子技术的发展历程，可大致将技术的发展历程，可大致将EDA技术的发展分为三个阶段。技术的发展分为三个阶段。2022年4月19日20时27分第12页 20世纪世纪70年代，集成电路制作方面，年代，集成电路制作方面，MOS工艺已得到广泛的应用。工艺已得到广泛的应用。可编程逻辑技术及其器件已经问世，计算机作为一种运算工

18、具已在科研可编程逻辑技术及其器件已经问世，计算机作为一种运算工具已在科研领域得到广泛应用。而在后期，领域得到广泛应用。而在后期，CAD的概念已见雏形。这一阶段人们开的概念已见雏形。这一阶段人们开始利用计算机取代手工劳动，辅助进行集成电路版图编辑、始利用计算机取代手工劳动，辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布布局布线等工作。线等工作。 20世纪世纪80年代，集成电路设计进入了年代，集成电路设计进入了CMOS(互补场效应管互补场效应管)时代。复时代。复杂可编程逻辑器件已进入商业应用，相应的辅助设计软件也已投入使用。杂可编程逻辑器件已进入商业应用，相应的辅助设计软件也已投入使用。而在而在80年代末

19、，出现了年代末，出现了FPGA(Field Programmable Gate Array)，CAE和和CAD技术的应用更为广泛，它们在技术的应用更为广泛，它们在PCB设计方面的原理图输入、自动布设计方面的原理图输入、自动布局布线及局布线及PCB分析，以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和化简等分析，以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和化简等方面担任了重要的角色，特别是各种硬件描述语言的出现、应用和标准方面担任了重要的角色，特别是各种硬件描述语言的出现、应用和标准化方面的重大进步，为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档化方面的重大进步，为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真

20、测试奠定了基础。及仿真测试奠定了基础。2022年4月19日20时27分第13页 进入进入20世纪世纪90年代，随着硬件描述语言的标准化得到进一步的确年代，随着硬件描述语言的标准化得到进一步的确立，计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得立，计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得更加广泛的应用，与此同时电子技术在通信、计算机及家电产品更加广泛的应用，与此同时电子技术在通信、计算机及家电产品生产中的市场需求和技术需求，极大地推动了全新的电子设计自生产中的市场需求和技术需求，极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展。特别是集成电路设计工艺步入了超深亚动化技术的应用和

21、发展。特别是集成电路设计工艺步入了超深亚微米阶段，百万门以上的大规模可编程逻辑器件的陆续面世，以微米阶段，百万门以上的大规模可编程逻辑器件的陆续面世，以及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模ASIC设计技术的应设计技术的应用，促进了用，促进了EDA技术的形成。更为重要的是各技术的形成。更为重要的是各EDA公司致力于推公司致力于推出兼容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的出兼容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的EDA工具软工具软件的研究，都有效地将件的研究，都有效地将EDA技术推向成熟。技术推向成熟。 2022年4月19日20时27分第14页

22、使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能。可能。 在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软软件不断推出。件不断推出。 电子技术全方位纳入电子技术全方位纳入EDA领域，除了日益成熟的数字技术外，传领域，除了日益成熟的数字技术外，传统的电路系统设计建模理念发生了重大的变化：软件无线电技术的统的电路系统设计建模理念发生了重大的变化：软件无线电技术的崛起，模拟电路系统硬件描述语言的表达和设计的标准化，系统可崛起，模拟电路系统硬件描述语言的表达和设计的标准化，系

23、统可编程模拟器件的出现，数字信号处理和图像处理的全硬件实现方案编程模拟器件的出现，数字信号处理和图像处理的全硬件实现方案的普遍接受，软硬件技术的进一步融合等。的普遍接受，软硬件技术的进一步融合等。 EDA技术在进入技术在进入21世纪后，得到了更大的发展；突出表现在世纪后，得到了更大的发展；突出表现在以下几个方面：以下几个方面：2022年4月19日20时27分第15页 EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容：使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容：模拟与数字、软件与硬件、系统与器件、模拟与数字、软件与硬件、系统与器件、ASIC与与FPGA、行为、行为与结构等。与结构等。 更

24、大规模的更大规模的FPGA和和CPLD器件的不断推出。器件的不断推出。 基于基于EDA工具的工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统设计标准单元已涵盖大规模电子系统及及IP核模块。软硬件核模块。软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认设计应用领域得到进一步确认(IP 即即Intellectual Property，即知，即知识产权的简称，往往指一个公司出售给另一个公司的硬件设计识产权的简称，往往指一个公司出售给另一个公司的硬件设计包包)。 SOC高效低成本设计技术的成熟。高效低成本设计技术的成熟。2022年4月19日20时2

25、7分第16页 EDA EDA技术的基本特征技术的基本特征 EDAEDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：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，对整个系统进行方案设计和的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASICASIC）实）实现，然后采用硬件描述语言（现，然后采用硬件描述语言（HDLHDL）完成系统行为级设计，最后通）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。这样的设计方法被称为高过综

26、合器和适配器生成最终的目标器件。这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。层次的电子设计方法。2022年4月19日20时27分第17页 0.2 EDA技术实现目标技术实现目标 一般地，利用一般地，利用EDA技术进行电子系统设计，最后的目技术进行电子系统设计，最后的目标是完成专用集成电路标是完成专用集成电路ASIC的设计和实现，的设计和实现，ASIC作为最终的作为最终的物理平台，集中容纳了用户通过物理平台，集中容纳了用户通过EDA技术将电子应用系统的既技术将电子应用系统的既定功能和技术指标具体实现的硬件实体。一般而言，专用集成定功能和技术指标具体实现的硬件实体。一般而言，专用集成电路就是具有专门

27、用途和特定功能的独立集成电路器件，根据电路就是具有专门用途和特定功能的独立集成电路器件，根据这个定义，作为这个定义，作为EDA技术最终实现目标的技术最终实现目标的ASIC，可以通过三，可以通过三种途径来完成种途径来完成(如图所示如图所示)。2022年4月19日20时27分第18页EDAEDA技术技术ASICASIC设计设计FPGA/CPLDFPGA/CPLD可编程可编程ASICASIC 设计设计 门阵列门阵列（MPGAMPGA）；）；标准单元标准单元（CBICCBIC）；）； 全定制；全定制；（FCICFCIC）；）； ASICASIC设计设计SOPC/SOC混合混合ASICASIC设计设计0

28、.2 EDA技术实现目标技术实现目标作为作为EDA技术最终实现目标的技术最终实现目标的ASIC，通过三种途径来完成：，通过三种途径来完成：2022年4月19日20时27分第19页与与EDAEDA基本特征有关的几个概念基本特征有关的几个概念 自顶向下自顶向下 的设计方法的设计方法 1010年前，电子设计的基本思路还是选择标准集成电路年前，电子设计的基本思路还是选择标准集成电路“自底向上自底向上”（Bottom-UpBottom-Up）地构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦地）地构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦地建造金字塔，不仅效率低、成本高而且还容易出错。建造金字塔，

29、不仅效率低、成本高而且还容易出错。高层次设计给我们提供了一种高层次设计给我们提供了一种 自顶向下自顶向下 （Top-DownTop-Down）的全新的设计方法，）的全新的设计方法，这种设计方法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这种设计方法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。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统设计。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。然后用综合优化工具行为进行描述，在系统一级进行验证。然后用综合优化工具 生成具体门电生成具体门电路的网表，其对应的物理实现级可以是

30、印刷电路板或专用集成电路。由于路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。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，避免设计工作的浪费，而且也减少了逻辑功能仿真的结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。工作量，提高了设计的一次成功率。2022年4月19日20时27分第20页 方案论证与系统级构建独立于硬件的系统行为评估和设计。系统仿真：包括系统级的硬件设计与仿真，软件设计与仿真现代电子系统设计流程将硬件系统设计文件转

31、换成可综合（RTL）硬件描述语言（HDL）。 进行功能仿真将硬件描述语言转换成标准网表文件，如EDIF、VHDL、Verilog等通过结构综合或适配（芯片内的布线布局），将标准网表文件转换成芯片下载文件。进行时序仿真硬件系统实现。硬件系统测试与调试HARDWEAR DEBUGERRING软件设计与调试。SOFTWEAR DEBUGERRING系统设计完成传统电子系统设计流程根据方案和系统指标选购硬件，并设计电路板，即硬件系统实际自顶向下的设计流程自底向上的设计流程方案论证，与算法确定软件设计与调试。SOFTWEAR DEBUGERRING硬件系统测试与调试系统设计完成，或系统中的某一模块实际完

32、成EDAEDA设计流程与传统技术设计流程比较设计流程与传统技术设计流程比较2022年4月19日20时27分第21页 ASICASIC设计设计现代电子产品的复杂度日益加深，一个电子系统可能由数万个中小现代电子产品的复杂度日益加深，一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，解决这一问题的有效方法就是采用，解决这一问题的有效方法就是采用ASIC (Application Specific ASIC (Application Specific Integrated Circuits)Integrat

33、ed Circuits)芯片进行设计。芯片进行设计。ASICASIC按照设计方法的不同可按照设计方法的不同可分为：全定制分为：全定制ASICASIC，半定制，半定制ASICASIC，可编程，可编程ASICASIC（也称为可编程逻辑（也称为可编程逻辑器件）。器件）。设计全定制设计全定制ASICASIC芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则，最后将设计结果交由形和工艺规则，最后将设计结果交由ICIC厂家掩膜制造完成。优点是厂家掩膜制造完成。优点是：芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低。：芯片可以获得最优的性能，即面积利

34、用率高、速度快、功耗低。缺点是：开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。缺点是：开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。2022年4月19日20时27分第22页 半定制半定制ASIC芯片的版图设计方法有所不同，分为门阵列设计法芯片的版图设计方法有所不同，分为门阵列设计法和标准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目和标准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时 间。间。可编程逻辑芯片与上述掩膜可编程逻辑芯片与上述掩膜ASIC的不同之处在于：设计人员完成的不同之处在于：设计

35、人员完成版图设计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片版图设计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片,无须无须IC厂家的厂家的参与，大大缩短了开发周期。参与，大大缩短了开发周期。可编程逻辑器件自七十年代以来，经历了可编程逻辑器件自七十年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段，其中几个发展阶段，其中 CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件属高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达千万门，目前集成度已高达千万门/片，它将掩膜片，它将掩膜ASIC集成度高的优点和集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别

36、适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易的转由掩膜大时，它可以很容易的转由掩膜ASIC实现，因此开发风险也大为实现，因此开发风险也大为降低。降低。2022年4月19日20时27分第23页 硬件描述语言硬件描述语言 硬件描述语言（硬件描述语言（HDL-Hardware Description LanguageHDL-Hardware Description Language）是一种）是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的

37、方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。式相比，它更适合大规模系统的设计。 例如一个例如一个3232位的加法器，利用图形输入软件需要输入位的加法器，利用图形输入软件需要输入500500至至10001000个门，而利用个门，而利用VHDLVHDL语言只需要书写一行语言只需要书写一行A=B+CA=B+C即可，而且即可，而且VHDLVHDL语言可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，如语言可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，如ABEL-HDLABEL-HDL

38、、AHDLAHDL，是由不同的，是由不同的EDAEDA厂商开发的，互相不兼容，而且厂商开发的，互相不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。 为了克服以上缺陷，为了克服以上缺陷，19851985年美国国防部正式推出了年美国国防部正式推出了VHDL(Very High VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language)Speed IC Hardware Description Language)语言，语言，19871987年年IEEEIEEE采采纳纳VHDLVHDL为硬件描述语

39、言标准（为硬件描述语言标准（IEEE STD-1076IEEE STD-1076）。还有我们将介绍）。还有我们将介绍的的ABELABEL语言，他们都是标准的硬件描述语言。语言，他们都是标准的硬件描述语言。2022年4月19日20时27分第24页 EDA技术的主要设计对象是超大规模专用集成电路，怎样对一技术的主要设计对象是超大规模专用集成电路，怎样对一片超大规模集成电路进行功能划分、行为描述、逻辑综合、时序分片超大规模集成电路进行功能划分、行为描述、逻辑综合、时序分析、故障测试、形式验证是析、故障测试、形式验证是EDA技术解决的主要问题。技术解决的主要问题。EDA工具是工具是一种以计算机为基本工

40、作平台，利用计算机图形学、拓扑逻辑学、一种以计算机为基本工作平台，利用计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学以及人工智能学等多种计算机应用学科的最新成果而开发计算数学以及人工智能学等多种计算机应用学科的最新成果而开发出来的一整套软件工具，是一种帮助电子设计工程师从事电子元件出来的一整套软件工具，是一种帮助电子设计工程师从事电子元件产品和系统设计的综合工具。产品和系统设计的综合工具。EDA技术的主要特征是技术的主要特征是:硬件工具采硬件工具采用工作站和高档微机，软件采用用工作站和高档微机，软件采用EDA工具，功能包括工具，功能包括:原理图输入原理图输入、硬件描述语言输入、波型输入、仿真设计、可测试设

41、计、逻辑综、硬件描述语言输入、波型输入、仿真设计、可测试设计、逻辑综合、形式验证、时序分析等各个方面。设计方法采用自顶向下的方合、形式验证、时序分析等各个方面。设计方法采用自顶向下的方法，设计工作从高层开始，使用标准化硬件描述语言法，设计工作从高层开始，使用标准化硬件描述语言(VHD或或Verilog HDL等等)描述电路行为，自顶向下跨过各个层次，完成整个描述电路行为，自顶向下跨过各个层次，完成整个电子系统的设计。电子系统的设计。 2022年4月19日20时27分第25页EDA与传统电子设计方法的比较与传统电子设计方法的比较手工设计方法的缺点是：手工设计方法的缺点是： 1)1)复杂电路的设计

42、、调试十分困难。复杂电路的设计、调试十分困难。 2)2)如果某一过程存在错误，查找和修如果某一过程存在错误，查找和修改十分不便。改十分不便。 3)3)设计过程中产生大量文档，不易管设计过程中产生大量文档，不易管理。理。 4)4)对于集成电路设计而言，设计实现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，因此过程与具体生产工艺直接相关，因此可移植性差。可移植性差。 5)5)只有在设计出样机或生产出芯片后只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实测。才能进行实测。EDA技术有很大不同：技术有很大不同： 1)1)采用硬件描述语言作为设计输入。采用硬件描述语言作为设计输入。 2)2)库库(L

43、ibrary)(Library)的引入。的引入。 3)3)设计文档的管理。设计文档的管理。 4)4)强大的系统建模、电路仿真功能。强大的系统建模、电路仿真功能。 5)5)具有自主知识产权。具有自主知识产权。 6)6)开发技术的标准化、规范化以及开发技术的标准化、规范化以及IPIP核的可利用核的可利用性。性。 7)7)适用于高效率大规模系统设计的自顶向下设计适用于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案。方案。 8)8)全方位地利用计算机自动设计、仿真和测试技全方位地利用计算机自动设计、仿真和测试技术。术。 9)9)对设计者的硬件知识和硬件经验要求低。对设计者的硬件知识和硬件经验要求低。10)10

44、)高速性能好高速性能好。11)11)纯硬件系统的高可靠性。纯硬件系统的高可靠性。2022年4月19日20时27分第26页EDAEDA技术的基本设计方法技术的基本设计方法 电路级设计电路级设计 电子工程师接受系统设计任务后，首先确定设计方案，同时要选择能实电子工程师接受系统设计任务后，首先确定设计方案，同时要选择能实现该方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着现该方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态分析。系统在进行仿真时

45、，必须要有元件模型库的支持，直流分析、瞬态分析。系统在进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局板的自动布局布线。在制作布线。在制作 PCB板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并且可

46、以将分析后的结果参数扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真，这一次仿真主要是检反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真，这一次仿真主要是检验验PCB板在实际工作环境中的可行性。板在实际工作环境中的可行性。2022年4月19日20时27分第27页由此可见，电路级的由此可见，电路级的EDAEDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前，就可以全面地了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发之前，就可以全面地了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，

47、也降低过程中出现的缺陷消灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。了开发成本。 系统级设计系统级设计 进入进入9090年代以来，电子信息类产品的开发出现了两个明显的特点：年代以来，电子信息类产品的开发出现了两个明显的特点：一是产品的复杂程度加深，二是产品的上市时限紧迫。然而电路级一是产品的复杂程度加深，二是产品的上市时限紧迫。然而电路级设计本质上是基于门级描述的单层次设计，设计的所有工作（包括设计本质上是基于门级描述的单层次设计，设计的所有工作（包括设计输入，仿真和分析，设计修改等）都是在基本逻辑门这一层次设计输入，仿真和分析，设计修改等）都是在基本逻辑门这一层次上进行的，显然这种设

48、计方法不能适应新的形势，为此引入了一种上进行的，显然这种设计方法不能适应新的形势，为此引入了一种高层次的电子设计方法，也称为系统级的设计方法。高层次的电子设计方法，也称为系统级的设计方法。2022年4月19日20时27分第28页 高层次设计是一种高层次设计是一种“概念驱动式概念驱动式”设计，设计人员无须通过门设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述，由于摆脱了级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述，由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性的概念构思与电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性的概念构思与方案上，一旦这些概念构思以高层次描

49、述的形式输入计算机后，方案上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。 高层次设计步骤如下：第一步：按照高层次设计步骤如下：第一步：按照“自顶向下自顶向下”的设计方法进的设计方法进行系统划分。第二步：行系统划分。第二步： 输入输入VHDL代码，这是高层次设计中最为普代码，这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式（框图，状态图遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式（框图，状态图等），这种输入方式具有直观、容易理解的优点。等），这种输入方式具有直观、容易理解的优点。 202

50、2年4月19日20时27分第29页 第三步：将以上的设计输入编译成标准的第三步：将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。对于文件。对于大型设计，还要进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设大型设计，还要进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在计的正确性，因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间，综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。一般情况下，可略去这一仿真步骤。 第四步：利用综合器对第四步：利用综合器对VHDL源代码进行综合

51、优化处理，生源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件成门级描述的网表文件,这是将高层次这是将高层次 描述转化为硬件电路的关键描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。综合后，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，较为粗略。一般设计，这一仿真步骤也可具体器件的硬件特性，较为粗略。一般设计，这一仿真步

52、骤也可略去。略去。 2022年4月19日20时27分第30页第五步：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第五步：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，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。适配完成后，产生多项设计结果：适配报告，包括芯片局布线。适配完成后，产生多项设计结果：适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等；适配后的仿真内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等；适配后的仿真模型；器件编程文件。模型；器件编程文件。 根据适配后的仿真模型，可以进行适配根据适配

53、后的仿真模型，可以进行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性（如时延特性），后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性（如时延特性），所以仿真结果能比较精确地预期未来芯片的实际性能。如果仿真结所以仿真结果能比较精确地预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果达不到设计要求，就需要修改果达不到设计要求，就需要修改VHDLVHDL源代码或选择不同速度品质的源代码或选择不同速度品质的器件，直至满足设计要求。器件，直至满足设计要求。第六步：将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入第六步：将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片到目标芯片FPGAFPGA或或CPLDC

54、PLD中。如果是大批量产品开发，通过更换相应中。如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由的厂家综合库，可以很容易转由ASICASIC形式实现。形式实现。2022年4月19日20时27分第31页1超大规模可编程逻辑器件超大规模可编程逻辑器件现代电子产品的复杂度日益加深，一个电子系统可能由数万个现代电子产品的复杂度日益加深，一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，解决这一问题的有效方法就是采用差的问题，解决这一问题的有效方法就是采用ASIC (Application Spec

55、ific Integrated Circuits)芯片进行设计。芯片进行设计。ASIC按照设计方法的不同可分为：全定制按照设计方法的不同可分为：全定制ASIC，半定制，半定制ASIC，可，可编程编程ASIC（也称为可编程逻辑器件）。（也称为可编程逻辑器件）。2022年4月19日20时27分第32页2半定制或全定制半定制或全定制ASIC设计全定制设计全定制ASIC芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则，最后将设计结果交由形和工艺规则，最后将设计结果交由IC厂家掩膜制造完成。优点是：厂家掩膜制造完成。优点是：芯片可以获得最优的性能，即面

56、积利用率高、速芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速 度快、功耗低。缺度快、功耗低。缺点是：开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。点是：开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。半定制半定制ASIC芯片的版图设计方法有所不同，分为门阵列设计法和标芯片的版图设计方法有所不同，分为门阵列设计法和标准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。2022年4月19日20时27分第33页3可编程逻辑芯片可编程逻辑芯片 可编程逻辑芯片

57、与上述掩膜可编程逻辑芯片与上述掩膜ASIC的不同之处在于：设计人员完的不同之处在于：设计人员完成版图设计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片成版图设计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片,无须无须IC厂家的厂家的参与，大大缩短了开发周期。参与，大大缩短了开发周期。 可编程逻辑器件自七十年代以来，经历了可编程逻辑器件自七十年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段，其中几个发展阶段，其中 CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件，属高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达目前集成度已高达200万门万门/片，它将掩膜片，它将掩膜ASIC集成度高的优点和可集成度高的优点和可编程逻辑

58、器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易的转由掩膜它可以很容易的转由掩膜ASIC实现，因此开发风险也大为降低。实现，因此开发风险也大为降低。 上述上述ASIC芯片，尤其是芯片，尤其是CPLD/FPGA器件，已成为现代高层次电子器件，已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。设计方法的实现载体。 2022年4月19日20时27分第34页数数字字集集成成电电路路标标准准电电路路用户用户定制定制电路电

59、路RAM、ROM、SSI、LSI 如如74系列、系列、40系列系列软件组态的微处理器软件组态的微处理器 如如CPU、DSP、PLC全定制电路全定制电路半定制电路半定制电路可编程器件可编程器件(ASIC)门阵列门阵列标准单元阵列标准单元阵列FPGA数字集成电路（系统）的分类PROM、PLA、PAL、GAL、CPLD2022年4月19日20时27分第35页FPGA和和CPLD分别是现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件的分别是现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件的简称，现在，简称，现在，FPGA和和CPLD器件的应用已十分广泛，它们将随着器件的应用已十分广泛，它们将随着EDA技术的发展而成为电子设计

60、领域的重要角色。国际上生产技术的发展而成为电子设计领域的重要角色。国际上生产FPGA/CPLD的主流公司，并且在国内占有市场份额较大的主要的主流公司，并且在国内占有市场份额较大的主要是是Xilinx，Altera，Lattice三家公司，三家公司，Xilinx公司的公司的FPGA器件有器件有XC2000，XC3000，XC4000,XC4000E，XC4000XLA,XC5200系系列等，可用门数列等，可用门数120018000;Altera公司的公司的CPLD器件器件FLEX6000,FLEX8000,FLEX10K,FLEX10KE2022年4月19日20时27分第36页FPGA在结构上主