电子设计自动化 第一章

1、电子设计自动化电子设计自动化主讲：周向阳主讲：周向阳 讲师讲师专业：电气工程及其自动化专业：电气工程及其自动化电话：电话箱：邮箱：学科基础性课程学科基础性课程技术基础应用性课程技术基础应用性课程l数字电路数字电路为基础：学习数字电路的基本设计方法。为基础：学习数字电路的基本设计方法。l电子设计自动化电子设计自动化：面向实际工程应用，紧跟技术发：面向实际工程应用，紧跟技术发展，掌握数字系统新的设计方法。展，掌握数字系统新的设计方法。l更新数字电路的设计观念，建立用更新数字电路的设计观念，建立用PLD器件取代传统器件取代传统TTL器件设计数字电路的思想器件设计数字电路的思

2、想l更新数字系统设计手段，学会使用硬件描述语言代替更新数字系统设计手段，学会使用硬件描述语言代替传统的数字电路设计方法来设计数字系统。传统的数字电路设计方法来设计数字系统。l器件为什么能够编程？器件为什么能够编程？了解大规模可编程逻辑器件的结构及工作原理了解大规模可编程逻辑器件的结构及工作原理l怎样对器件编程？怎样对器件编程？熟悉一种熟悉一种EDA软件的使用方法（工具）软件的使用方法（工具） 以以Altera公司的公司的MaxPlusII为例为例掌握一种硬件描述语言（方法），以设计软件掌握一种硬件描述语言（方法），以设计软件的方式来设计硬件（重点）的方式来设计硬件（重点） 以以VHDL语言为例

3、语言为例l逻辑器件：用来实现某种特定逻辑功能的电子器件，逻辑器件：用来实现某种特定逻辑功能的电子器件，最简单的逻辑器件是与、或、非门（最简单的逻辑器件是与、或、非门（74LS0074LS00，74LS0474LS04等），在此基础上可实现复杂的时序和组合等），在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。逻辑功能。l可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLDPLDProgrammable Logic Programmable Logic DeviceDevice）：器件的功能不是固定不变的，而是可根）：器件的功能不是固定不变的，而是可根据用户的需要而进行改变，即由编程的方法来确定据用户的需要而进行改变

4、，即由编程的方法来确定器件的逻辑功能。器件的逻辑功能。了解了解 EDA 的最终目的是设计电路。电路设计大致分为两的最终目的是设计电路。电路设计大致分为两种：一种是基于种：一种是基于 PCB 的电路，另一种是集成电路的电路，另一种是集成电路 ，即，即 IC(含含 PLD 和和 ASIC)。实现。实现 IC 和和 PCB 电路的思想、方法电路的思想、方法和过程就构成和过程就构成 EDA的全部内容。的全部内容。 教学的内容按照教学的内容按照 EDA 的层次化设计方法和知识模块的层次化设计方法和知识模块组织，分为两大部分：第一部分组织，分为两大部分：第一部分 “理论与实践理论与实践”主要介主要介绍绍

5、EDA 的基本设计理念，的基本设计理念，PCB、PLD 和和 ASIC 设计，系设计，系统级、电路级、版图级仿真或验证问题，统级、电路级、版图级仿真或验证问题，VHDL 语言、语言、IC 设计基础等。第二部分设计基础等。第二部分“上机仿真上机仿真或实验开发系统操作或实验开发系统操作”包含了常用的软件包含了常用的软件MAXplusII入门级使用指导。入门级使用指导。 谭会生，张昌凡谭会生，张昌凡. EDA技术及应用技术及应用.西安电子科技大学出版社，西安电子科技大学出版社，2004潘松，王国栋潘松，王国栋EDA技术实用教程科学出版社，技术实用教程科学出版社，2001楮振勇，齐亮楮振勇，齐亮. F

6、PGA设计及应用设计及应用.西安电子科技大学出版社，西安电子科技大学出版社，2006可编程逻辑器件可编程逻辑器件 EDA中心中心 EDA中国门户网站中国门户网站 中国中国EDA技术网技术网 EDA爱好者爱好者 抓住一个重点抓住一个重点：VHDL的编程的编程掌握两个工具掌握两个工具：FPGA/CPLD开发软件和开发软件和EDA实验开发系统实验开发系统 运用三种手段运用三种手段：案例分析、应用设计、上机实践：案例分析、应用设计、上机实践采用四个结合采用四个结合：边学边用相结合、边用边学相结合、理论：边学边用相结合、边用边学相结合、理论与实践相结合、课内与课外相结合与实践相结合、课内与课外相结合 本

7、课程最终目的是让大家学会使用现代电子设计的本课程最终目的是让大家学会使用现代电子设计的方法和工具，采用方法和工具，采用 VHDL 语言和辅助工具进行数字系统语言和辅助工具进行数字系统设计。上课积极思考问题，实行互动式教学设计。上课积极思考问题，实行互动式教学 考核方法：平时成绩考核方法：平时成绩10%+作业情况作业情况10%+实验情况实验情况10%+考试考试70% 王志功说：王志功说： “目前制造工艺每年增长目前制造工艺每年增长58%，设计能，设计能力每年只提高力每年只提高21%。这样下去落差会越来越大。这样下去落差会越来越大”。 台湾省拥有的集成电路专业人员多达台湾省拥有的集成电路专业人员多

8、达2万，中国内地万，中国内地到到2002年却只有年却只有1.5万人，万人，1999年只有年只有2000人，且大多集人，且大多集中于半导体领域，占中于半导体领域，占75%，高层次的系统设计人才只有，高层次的系统设计人才只有2000多人。而发达国家与地区的人才结构正好倒了过多人。而发达国家与地区的人才结构正好倒了过来来半导体占半导体占25%，其余，其余75%是高层次的系统设计人是高层次的系统设计人才。根据我国集成电路产业的发展规划，才。根据我国集成电路产业的发展规划，“十五十五”期间期间我国需要我国需要IC设计人才设计人才15万，巨大的人才缺口已经成为制万，巨大的人才缺口已经成为制约国内芯片产业的

9、瓶颈。现在一个刚毕业的本科生去当约国内芯片产业的瓶颈。现在一个刚毕业的本科生去当设计师，年薪可达到设计师，年薪可达到8万元。万元。“国外回来的高水准国外回来的高水准IC设计设计人员，年薪人员，年薪120万元我也要。万元我也要。”南京斯威特集团董事长严南京斯威特集团董事长严晓群说。晓群说。 上海上海20052005年有年有2020条生产线，条生产线，20102010年增加到年增加到3030条生条生产线，到产线，到20082008年需要年需要2828万万ICIC设计人才。而上海市集成设计人才。而上海市集成电路行业协会统计显示：电路行业协会统计显示：1998-20021998-2002五年间，上海微

10、电五年间，上海微电子专业培养的子专业培养的ICIC人才累计不过人才累计不过14701470人。人。 根据北京市发展微电子产业的建设规划，到根据北京市发展微电子产业的建设规划，到20102010年，北京市要逐步建成年，北京市要逐步建成2020条左右大规模高水平的芯片条左右大规模高水平的芯片生产线，生产线，200200家高水平的家高水平的ICIC卡专业设计公司。据预测，卡专业设计公司。据预测，北京市微电子产业将超过北京市微电子产业将超过20002000亿元人民币。亿元人民币。 美国美国ICIC设计人员设计人员4040多万。多万。第一章第一章 绪论绪论解决的问题解决的问题电气类专业为何开设电气类专业

11、为何开设电子设计自动化电子设计自动化？EDA进行数字系统设计的基本流程是什么？进行数字系统设计的基本流程是什么？掌握掌握EDA技术的涵义及技术特点。技术的涵义及技术特点。EDA的工程设计流程。的工程设计流程。1.1 EDA技术的涵义技术的涵义数字电路（组合逻辑和时序逻辑）的设计数字电路（组合逻辑和时序逻辑）的设计1） 数字逻辑模型的建立（真值表、状态图等）；数字逻辑模型的建立（真值表、状态图等）；2） 数字逻辑的化简（卡诺图、布尔代数等）；数字逻辑的化简（卡诺图、布尔代数等）；3） 利用基本数字逻辑门（与门、或门、非门、与利用基本数字逻辑门（与门、或门、非门、与非门、与或门、与或非门、异或门、

12、同或门、非门、与或门、与或非门、异或门、同或门、RS触触发器、发器、JK触发器、触发器、D触发器等）连线构成系统。触发器等）连线构成系统。4）。）。EDA: 电子电子设计设计自动化自动化 Electronic Design Automationl设计方法的局限设计方法的局限卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。采用采用“搭积木搭积木”的方法的方法进行设计。必须熟的方法的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。适的器件，缺乏灵活性。设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。设

13、计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。l采用中小规模器件的局限采用中小规模器件的局限电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，可电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，可靠性低靠性低提高芯片的集成度提高芯片的集成度设计比较困难设计比较困难能方便地发现设计错误能方便地发现设计错误电路修改很麻烦电路修改很麻烦提供方便的修改手段提供方便的修改手段lPLD器件的出现器件的出现改变了这一切改变了这一切传统电子系统设计的局限及改进传统电子系统设计的局限及改进信息社会的标志产品是电子产品。现代电子产品的信息社会的标志产品是电子产品。现代电子产品的性能越来越高，复杂度越来越大，更新步伐也越来越快。性能越来越高，

14、复杂度越来越大，更新步伐也越来越快。实现这种进步的主要原因就是实现这种进步的主要原因就是微电子技术微电子技术和和电子技术电子技术的的发展。前者以发展。前者以微细加工技术微细加工技术为代表，目前已进入超深亚为代表，目前已进入超深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成几千万个晶微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成几千万个晶体管；后者的核心就是体管；后者的核心就是电子设计自动化电子设计自动化EDA技术。技术。现代电子产品的现状现代电子产品的现状 电子工程各学科领域不可缺少的核心技术电子工程各学科领域不可缺少的核心技术 电子工程各学科领域不可缺少的核心技术电子工程各学科领域不可缺少的核心技术 狭义

15、的狭义的EDA技术（技术（ASIC自动设计技术）是指自动设计技术）是指以大规以大规模逻辑器件为设计载体模逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为以硬件描述语言为系统逻辑描系统逻辑描述的述的主要表达方式主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件，以计算机、大规模可编程逻辑器件的的开发软件开发软件及及实验开发系统为设计工具实验开发系统为设计工具，通过有关的开，通过有关的开发软件，发软件，自动完成自动完成用用软件软件方式设计的电子系统方式设计的电子系统到硬件到硬件系系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定

16、目标芯片的适逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等配编译、逻辑映射、编程下载等工作工作，最终形成集成电，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。子系统或专用集成芯片的一门新技术。 广义的广义的EDA技术（现代电子设计技术）包括半导体技术（现代电子设计技术）包括半导体工艺设计自动化、可编程器件设计自动化、电子系统设工艺设计自动化、可编程器件设计自动化、电子系统设计自动化、印刷电路板设计自动化、仿真与测试、故障计自动化、印刷电路板设计自动化、仿真与测试、故障诊断自动化、形式验证自动化。诊断自动化、形式验证自动化。讨论学习对象讨论学习对象EDA技术的定义

17、：技术的定义：识记识记EDA技术的特点：技术的特点： 用软件的方式设计硬件；用软件的方式设计硬件； 用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；的开发软件自动完成的； 设计过程中可用有关软件进行各种仿真；设计过程中可用有关软件进行各种仿真； 系统可现场编程，在线升级；系统可现场编程，在线升级； 整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。可靠性高。理解理解 利用利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通

18、过计算协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出到设计出IC版图或版图或PCB版图的整个过程在计算机上版图的整个过程在计算机上自动处理完成。自动处理完成。 在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、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，都有生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。的应用。 例：以前我国定型一个中型飞机的设计，从草例：以前我国定型一个中型飞机的设计，从草案到详细设计到风洞试验再到最后出图到实际投产，案到详细设计到风洞试验再到最后出图到实际投产，整

19、个周期大概要整个周期大概要10年。而美国是年。而美国是1年。年。 1.2 EDA技术的发展历程技术的发展历程u计算机辅助设计计算机辅助设计CAD阶段：从阶段：从20世纪世纪60年代中期到年代中期到20世纪世纪80年代初期，使用计算机辅助进行年代初期，使用计算机辅助进行IC版图编辑版图编辑和和PCB布局布线等高度重复性的繁杂工作。布局布线等高度重复性的繁杂工作。u计算机辅助工程设计计算机辅助工程设计CAE阶段：从阶段：从20世纪世纪80年代初年代初期到期到20世纪世纪90年代初期，实现从设计输入到版图输出年代初期，实现从设计输入到版图输出的全程设计自动化。可进行初级的设计描述、综合、的全程设计自

20、动化。可进行初级的设计描述、综合、优化和设计结果验证。优化和设计结果验证。u电子设计自动化电子设计自动化EDA阶段：阶段：20世纪世纪90年代以来，出年代以来，出现了以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的现了以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代第三代EDA技术。技术。了解了解电子系统的电子系统的发展趋势：发展趋势：SOC/SOPC存储器、存储器、P、PLD等等多合一多合一1.3 EDA技术的主要内容技术的主要内容设计载体设计载体 大规模可编程逻辑器件（具有三高特性：大规模可编程逻辑器件（具有三高特性：高集成、高速度、高可靠度）高集成、高速度、高可靠度）CPLD：复杂可编程逻辑器

21、件：复杂可编程逻辑器件FPGA：现场可编程门阵列：现场可编程门阵列了解了解表达方式表达方式 硬件描述语言（标准化高）硬件描述语言（标准化高）VHDL、Verilog HDL、ABEL了解了解三三-八八译码译码VHDL源程序源程序设计工具设计工具 软件开发平台（智能化高）软件开发平台（智能化高）Altera：MAX+plus II、Quartus IILattice：ispEXPERTXilinx：Foundation Series了解了解MAX+plus II1.4 EDA软件系统的构成软件系统的构成1 1、设计输入子模块设计输入子模块：用图形编辑器、文本编辑器作：用图形编辑器、文本编辑器作设

22、计描述，完成语义正确性、语法规则的检查。设计描述，完成语义正确性、语法规则的检查。2 2、设计数据库子模块设计数据库子模块：系统的库单元、用户的设计：系统的库单元、用户的设计描述、中间设计结果。描述、中间设计结果。3 3、分析验证子模块分析验证子模块： 各个层次的模拟验证、设计各个层次的模拟验证、设计规则的检查、故障诊断。规则的检查、故障诊断。4 4、综合仿真子模块综合仿真子模块：实现从高层抽象描述向低层次：实现从高层抽象描述向低层次描述的自动转换，及各个层次的仿真验证。描述的自动转换，及各个层次的仿真验证。5 5、布局布线子模块布局布线子模块：完成由逻辑设计到物理实现的：完成由逻辑设计到物理

23、实现的映射。映射。识记识记1.5 EDA工具的发展趋势工具的发展趋势1、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。2、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；数字信号的描述：模混合信号的处理；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；微波信号的描述：述：MHDL3、仿真工具、仿真工具 功能仿真功能仿真：又称：又称前前仿真、系统级仿真或行为仿真，用仿真、系统级仿真或行为仿真，用于验证系统的功能。于验证系统的功能。 时序仿真时序仿真：又称：又称后后仿真、电路级仿

24、真，用于验证系统仿真、电路级仿真，用于验证系统的时序特性、系统性能。仿真是系统验证的主要手段。的时序特性、系统性能。仿真是系统验证的主要手段。4、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过程。综合：由高层次描述自动转换为低层次描述的过程。是是EDA技术的核心。技术的核心。了解了解EDAEDA设计的描述层次：设计的描述层次：行为级行为级描述描述寄存器传输级寄存器传输级描述（描述（RTL）门级门级描述描述版图级版图级描述描述设计前端设计前端设计后端设计后端综合分为：综合分为：行为综合、逻辑综合、前端综合、行为综合、逻辑综合、前端综合、 版图综合、测试综合版图综合、测试综合理解理

25、解 综合类：综合类： SynplicitySynplicity公司的公司的 Synplify /Synplify ProSynplify /Synplify Pro Synopsys Synopsys公司的公司的 FPGA expressFPGA express、FPGA compilerFPGA compiler Mentor Mentor公司的公司的 Leonardo SpectrumLeonardo Spectrum 仿真类：仿真类： Model TechModel Tech公司的公司的 Model simModel sim Aldec Aldec 公司的公司的 Active HDLAc

26、tive HDL Cadence Cadence公司的公司的 NC-VerilogNC-Verilog、NC-VHDLNC-VHDL、NC-SIM NC-SIM 特定功能的开发软件特定功能的开发软件了解了解1.6 EDA的工程设计流程的工程设计流程文本编辑器文本编辑器 图形编辑器图形编辑器生成生成VHDL源程序源程序逻辑综合、优化逻辑综合、优化VHDL综合器综合器自动优化、布局、布线自动优化、布局、布线FPGA/CPLD布线布线/适配器适配器编程、下载编程、下载编程器编程器/下载电缆下载电缆VHDL源程序源程序网表文件网表文件熔丝图、熔丝图、SRAM文件文件功能仿真功能仿真时序仿真时序仿真门级

27、门级仿真器仿真器行为仿真行为仿真功能仿真功能仿真VHDL仿真器仿真器时序仿真时序仿真测试电路测试电路硬件测试硬件测试理解理解 逻辑综合：将电路的高级语言描述转换为低级的，逻辑综合：将电路的高级语言描述转换为低级的，可与可与FPGA/CPLD的门阵列基本结构相映射的网表文件。的门阵列基本结构相映射的网表文件。 逻辑适配：将由综合器产生的网表文件针对某一具逻辑适配：将由综合器产生的网表文件针对某一具体的目标器进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻体的目标器进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布线与操作等，配置于指定的目标辑分割、逻辑优化、布线与操作等，配置于指定的目标器件中，产

28、生最终的下载文件。器件中，产生最终的下载文件。识记识记专业术语解释专业术语解释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 COMPILERCOMPILERVHDL/Verilog程序程序 硬件描述语言硬件描述语言 综合器综合器 SYNTHESIZERSYNTHESIZER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）软件语言设计目标流程（b）硬件语言设计目标流程）硬件语言设计目标流程编译器和综合功能比较编译器和综合功能比较掌

29、握掌握 行为仿真：将行为仿真：将VHDL设计源程序直接送到设计源程序直接送到VHDL仿真器仿真器中所进行仿真。中所进行仿真。 功能仿真：将综合后的功能仿真：将综合后的VHDL网表文件再送到网表文件再送到VHDL仿仿真器中所进行的仿真。真器中所进行的仿真。 时序仿真：将布线器时序仿真：将布线器/适配器所产生的适配器所产生的VHDL网表文件网表文件送到送到VHDL仿真器中所进行的仿真。仿真器中所进行的仿真。识记识记确定设计方案确定设计方案元器件选型，设计电路原理图元器件选型，设计电路原理图原理图仿真（逻辑模拟、故障分析、瞬态分析）原理图仿真（逻辑模拟、故障分析、瞬态分析）PCB板的自动布局布线板的

30、自动布局布线后仿真（热分析、噪声及串扰分析、后仿真（热分析、噪声及串扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析）电磁兼容分析、可靠性分析）制作电路板、焊接、调试制作电路板、焊接、调试1.7 数数字字系系统统的的设设计计数字系统的传统设计方法数字系统的传统设计方法思考思考1.7.1 数字系统的设计模型数字系统的设计模型 数据处理子系统主要完成数据的采集、存储、运数据处理子系统主要完成数据的采集、存储、运算和传输。控制子系统是执行数字系统算法的核心，算和传输。控制子系统是执行数字系统算法的核心，具有记忆功能，主要是时序系统。具有记忆功能，主要是时序系统。 数字系统的功能模块化，使逻辑分工清晰，各自数字系统的

31、功能模块化，使逻辑分工清晰，各自的任务明确，方便电路的设计、调测和故障处理。的任务明确，方便电路的设计、调测和故障处理。了解了解1.7.2 数字系统的设计方法数字系统的设计方法模块拼凑法模块拼凑法自顶向下设计法自顶向下设计法自底向上设计法自底向上设计法EDA技术技术 自顶向下是指将数字系统的整体逐步分解为各个自顶向下是指将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统较大，将进一步分解为更小子系统和模块，若子系统较大，将进一步分解为更小的子系统和模块，层层分解，直至整个系统终各子系的子系统和模块，层层分解，直至整个系统终各子系统关系合理，便于逻辑电路级的设计和实现为至。统关系合理，便于逻辑电路级的设计和实现为至。识记识记 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