EDA与硬件描述语言

1、VHDL硬件描述语言本课程的安排学时数：56学时（课堂教学40学时，实验教学24学时）课堂教学内容： 第一部分、EDA与硬件描述语言概述 EDA技术硬件知识、软件知识、开发系统简介 第二部分、VHDL编程基础VHDL语言的基本结构、语言元素、基本语句 第三部分、基本逻辑电路的设计组合逻辑、时序逻辑、状态机设计 第四部分、MAX+PLUSII开发工具 第五部分、EDA实验开发系统恒科电子 HK EDA实验开发系统 第六部分、VHDL设计应用实例教学目的：掌握一门设计语言，熟悉一类设计工具教材及参考资料教材：VHDL硬件描述语言 辛春艳编著 国防工业出版社参考书：VHDL与数字电路设计卢毅、赖杰

2、编著 科学出版社EDA技术及应用谭会生，张昌凡 编著 西安电子科技大学出版社CPLD/FPGA的开发与应用徐光辉 徐志军 编著电子工业出版社相关的网站：第1章 EDA与硬件描述语言1.1 电子设计自动化（EDA）技术1.1.1 EDA技术的含义 Electronic Design Automation 电子设计自动化1.1.2 EDA技术的发展历程1. 早期电子CAD阶段 20世纪70年代，属EDA技术发展初期。利用计算机、二维图形编辑与分析的CAD工具，完成布图布线等高度重复性的繁杂工作。 典型设计软件如Tango布线软件。2.计算机辅助工程设计(CAE)阶段 20世纪80年代初，出现了低密

3、度的可编程逻辑器件(PAL_Programmable Array Logic和GAL_Generic Array Logic)，相应的EDA开发工具主要解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。 80年代后期，EDA工具已经可以进行初级的设计描述、综合、优化和设计结果验证。3.电子设计自动化(EDA)阶段 20世纪90年代，可编程逻辑器件迅速发展，出现了功能强大的全线EDA工具。具有较强抽象描述能力的硬件描述语言（VHDL、Verilog HDL）及高性能综合工具的使用，使过去单功能电子产品开发转向系统级电子产品开发(即SOC_System On a Chip：单片系统或片上系统集成)。 开始

4、实现“概念驱动工程(Concept Driver Engineering，CDE)的梦想。EDA技术的广义定义范围包括： (1)半导体工艺设计自动化 (2)可编程器件设计自动化 (3)电子系统设计自动化 (4)印刷电路板设计自动化 (5)仿真与测试、故障诊断自动化 (6)形式验证自动化统称为EDA工程EDA技术的狭义定义： 以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，自动完成用软件方式描述的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作

5、，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。1.1.3 传统设计方法与EDA设计方法的区别1.设计思想的不同传统设计方法：自下而上的设计方法固定功能元件电路板设计完整系统构成系统测试与性能分析传统设计方法的缺点：1.设计依赖手工和经验2.设计依赖现有的通用元器件3.设计后期的仿真和调试4.自下而上设计思想的局限5.设计实现周期长，灵活性差，耗时耗力，效率低下。EDA设计方法：自上而下的设计方法系统规格设计功能级描述、仿真模块化分、仿真逻辑综合、优化、布局布线定时仿真、定时检查输出门级网表ASIC芯片投片、PLD器件编程、测试2.传统的设计方法是基于电路板的设计方法，EDA技术

6、是基于芯片的设计方法可编程逻辑器件芯片设计电路板构成电子系统3.描述方式不同 传统设计方法采用电路图为主； EDA设计方法以硬件描述语言（HDL_Hard Description Language）为主4.设计手段不同 传统设计方法以手工设计为主； EDA设计方法为自动实现，其方案验证与设计、系统逻辑综合、布局布线、性能仿真、器件编程均由EDA工具一体化完成传统设计方法与EDA设计方法比较传统方法1.自下而上2.通用的逻辑元器件3.系统硬件设计的后期进行仿真和调试4.主要设计文件是电路原理图5.手工实现EDA 方法1.自上而下2. PLD （可编程逻辑器）3.系统设计的早期进行仿真和修改4.多

7、种设计文件，发展趋势以HDL描述文件为主5.自动实现1.1.4 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) VHDL、 Verilog HDL设计工具：开发软件、开发系统硬件验证：实验开发系统1. 大规模可编程逻辑器件 可编程逻辑器件(简称PLD)是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。FPGA和CPLD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，FPGA和CPLD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领域的重要角色。 FPGA 在结构上主要分为

8、三个部分，即可编程逻辑单元，可编程输入/输出单元和可编程连线三个部分。CPLD在结构上主要包括三个部分，即可编程逻辑宏单元，可编程输入/输出单元和可编程内部连线。 高集成度、高速度和高可靠性是FPGA/CPLD最明显的特点，其时钟延时可小至ns级。结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有着非常广阔的应用前景。 2. 硬件描述语言(HDL) 常用的硬件描述语言有VHDL、Verilog、ABEL。 VHDL：作为IEEE的工业标准硬件描述语言，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。 Verilog：支持的EDA工具较多，适用于RTL级和门电路级的描述，其综合过程较VHDL稍

9、简单，但其在高级描述方面不如VHDL。ABEL：一种支持各种不同输入方式的HDL，被广泛用于各种可编程逻辑器件的逻辑功能设计，由于其语言描述的独立性，因而适用于各种不同规模的可编程器件的设计。 有专家认为，在新世纪中，VHDL与Verilog语言将承担几乎全部的数字系统设计任务。 3. 软件开发工具 目前比较流行的、主流厂家的EDA的软件工具有Altera的MAX+plus II、Lattice的ispEXPERT、Xilinx的Foundation Series。 MAX+plus II：支持原理图、VHDL和Verilog语言文本文件以及以波形与EDIF等格式的文件作为设计输入，并支持这些

10、文件的任意混合设计。它具有门级仿真器，可以进行功能仿真和时序仿真，能够产生精确的仿真结果。 在适配之后，MAX+plus II生成供时序仿真用的EDIF、VHDL和Verilog这三种不同格式的网表文件。它界面友好，使用便捷，被誉为业界最易学易用的EDA的软件，并支持主流的第三方EDA工具，支持除APEX20K系列之外的所有Altera公司的FPGA/CPLD大规模逻辑器件。 ispEXPERT：ispEXPERT System是ispEXPERT的主要集成环境。通过它可以进行VHDL、Verilog及ABEL语言的设计输入、综合、适配、仿真和在系统下载。ispEXPERT System是目前

11、流行的EDA软件中最容易掌握的设计工具之一，它界面友好，操作方便，功能强大，并与第三方EDA工具兼容良好。 Foundation Series：Xilinx公司最新集成开发的EDA工具。它采用自动化的、完整的集成设计环境。Foundation项目管理器集成了Xilinx实现工具，并包含了强大的Synopsys FPGA Express综合系统，是业界最强大的EDA设计工具之一。 这三个软件的基本功能相同，主要差别在于： 面向的目标器件不一样； 三者的性能各有优劣。1.2 VHDL硬件描述语言1.2.1 什么是VHDL?VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit )HardDescriptionLanguage1.2.2 VHDL的历史 20世纪80年代初由美国国防部在实现超高速集成电路（VHSIC）项目时开发的 1987年由IEEE协会批准为IEEE工业标准，称为IEEE-1076-1987 各EDA公司相继推出支持VHDL的设计环境 1993年被更新为93标准，即IEEE-1076-1993