EDA简介与可编程逻辑器件LD

电子设计自动化——EDA魏永涛什么是EDAEDA应用电子计算机信息处理人工智能拓扑学计算数学ElectronicDesignAutomation电子设计自动化是在计算机的辅助下完成电子产品设计的一种先进的硬件设计技术！是立足于计算机工作平台开发出来的一整套先进的设计电子系统的软件工具。EDA的发展CAD——包含电气性能和几何图形描述之间一致性的验证（PCB）CAE——增加电路功能和结构的设计（PCB的自动布局布线及分析）

EDA——芯片设计及系统设计（从PCB扩展到IC）EDA技术的范畴IC版图设计PLD设计电路设计PCB设计模拟电路数字电路混合电路设计输入逻辑综合仿真编程下载基于EDA工具的设计步骤电子系统的设计、仿真、综合与实现设计（Design）：根据功能要求，完成对电子系统的初步设计仿真（Simulation）：又称为模拟，指利用计算机模拟所设计电子系统的实际工作情况合成（Synthesis）：从所设计电子系统的行为描述及目标电路的约束条件出发，找出一个满足要求的结构，如原理图—>PCB。实现（Realization）：使用EDA工具对综合结果在实际器件或电路中予以实现。EDA常用软件

电子电路设计与仿真软件

PCB设计软件

IC设计软件

PLD设计软件

MultiSim7，Proteus，SystemView，ProtelDXP，MAX+Plus/QuartusII计算机并口器件编程接口PCBBoardPLD编程目标文件ElectronicsDesignAutomation硬件软化，软件硬化EDA技术的特点软、硬件协同设计一般的系统由硬件电路和运行其上的软件构成，有些功能既可搭建硬件电路实现，也可软件编程实现。软件：编程工作量大，占用CPU时间多，运行速度较慢，但成本较低且调试相对容易。硬件：运行速度快，但成本高且调试难度较大

软件和硬件的合理分配——采用CPLD/FPGA器件EDA技术的特点电子设计自动化的主要应用

（1）专用集成电路(ASIC)或大规模集成电路（LSI）设计（使用PLD器件及开发系统）（2）电子线路的设计分析仿真（模拟、数字、模/数混合）（3）多层印制电路板元件布局、自动布线、仿真测试（4）电子系统设计与整体优化（5）电子产品可靠性分析电磁兼容性（EMC）分析热分析等课程安排课堂24学时，实验16学时，第三次课后找任良超老师联系实验。课时少，课堂上只讲最实用的部分(仿真软件和VHDL/CPLD)数电和C语言是基础。预习很重要，课堂上略化语法，以讲解方法和技巧为主，注意做笔记。电子子电电路路仿真真简简介介电路路仿仿真真RLC二阶电路：人脑：利用节点法、回路法或支路法等列电路方程并求解电脑：如何实现？将电电路路图图转转成成计计算算机机能能识识别别的的形形式式：：数数学学模模型型模拟拟电电路路的的仿仿真真计算算和和求求解解生成成波波形形数学学模模型型数学学方方程程物理理现现象象拓扑扑结结构构计算算机机技技术术数字字电电路路的的逻逻辑辑仿仿真真输入入输输出出波波形形拓扑扑关关系系输入入输输出出逻逻辑辑数字字器器件件器件件的的功功能能和和特特性性计算算机机技技术术仿真真流流程程模拟拟电电路路仿仿真真设设计计工工具具BerkeleyUniversity：SPICE3F5SPICE（Simulationprogramwithintegratedcircuitemphasis），用于于模模拟拟集集成成电电路路EWB:由Multisim、Ultiboard、Ultiroute和Commsim四个个软软件件模模块块组组成成核心心：：SPICEHspicePspiceVspice可编编程程逻逻辑辑器器件件回顾顾：：数数字字系系统统的的设设计计一、、数数字字系系统统的的概概念念二、、传传统统的的数数字字系系统统设设三、现代的数字系统设计方法1—传统统数数字字系系统统设设计计方方法法1.根据据2.确定输入和输出的关系，画出真值表；3.由真值表写出逻辑表达式；4.利用公式或卡诺图进行人工化简；5.根据化简后的逻辑表达式画出电路原理图；6.在面包板上进行实验，验证电路的正确性；7.若无错误，画PCB图；8.检查后送制板厂制板；9.对PCB板进行安装、调试，若有大的错误，修改设计，重复以上过程，重新制板。基于于电路路板板的设设计计方方法法——采用固固定功功能的的器件件（通通用型型器件件），，通过过设计计电路板板来实现现系统统功能能传统的数字字系统统设计计方法法基于电路板板——采用固固定功功能器器件（（通用用型器器件）），通通过设设计电路板板来实现现系统统功能能写出真真值表表或状状态表表→推推出逻逻辑表表达式式→化化简→→逻辑辑电路路图→→用小小规模模逻辑辑器件件来实实现特点采用自下而而上（BottomUp）的设设计方方法采用通用型型逻辑器器件搭积木木式的的方式式在系统统硬件件设计计的后后期进进行仿仿真和和调试试传统的的数字字系统统设计计方法法效率低低下——几乎都都是手手工完完成！！设计周周期很很长；；容易出出错（（如PCB绘制与与焊接接—器件引引脚））；芯片种种类多多，数数量大大，受受市场场的设计灵活性差（如器件下市）；产品体积大。采用自下而而上（BottomUp）的设设计方方法采用通用型型逻辑器器件搭积木木式的的方式式在系统统硬件件设计计的后后期进进行仿仿真和和调试试主要设设计文文件是是电路原原理图图2——现代的的数字字系统统设计计方法法首先在在计算算机上上安装装EDA软件，基于芯片的设计计方法法——采用PLD（可编编程逻逻辑器器件）），利利用EDA开发工工具，，通过过芯片设计来来实现现系统统功能能。EDA软件空白PLD+数字系系统编程现代的数字字系统统设计计方法法计算机机+EDA软件空白PLD+→数字系系统通常采采用自上而而下（TopDown）的设设计方方法采用可编程程逻辑器器件在系统统硬件件设计计的早早期进进行仿仿真主要设设计文文件是是用硬硬件描描述语语言编编写的的源程程序降低了了硬件件电路路设计计难度度特点1.自上而而下的的设计计（TopDown）占据主主导地地位辅助的的设计计手段段功能模模块划划分子模块块设计计系统级设计功能级描述功能仿真门级描述时序仿真若仿真真未通通过，，则需需修改改设计计！2.自下而而上的的设计计（BottomUp）设计基基本单单元→→构成成子模模块→→子系系统→→系统统现代的数字字系统设计计方法1.根据设计2.PLD开发（利用EDA工具）（1）设计输入：采用硬件描述语言（HDL），用条件语句或赋值语句表示输入和输出的逻辑关系，将整个程序输入到计算机中；（2）设计的编译：EDA工具可自动进行逻辑综合，将功能描述转换为门级描述，或转换成具体PLD的网表文件，将网表文件自动适配到具体芯片中进行布局布线；（3）功能仿真和时序仿真；（4）编程下载到实际芯片中，在实验台上进行实际验证；（5）在每一阶段若有问题，可在计算机上直接修改设计，重复以上过程。现代的数字字系统设计计方法3.设计包含PLD芯片的电路路板（1）在计算机机上利用EDA软件画电路原理图图；（2）进行电电气规则检检查无误后后，自动生生成网表文文件；（3）利用EDA软件画PCB图，自动布线线；（4）自动进进行设计规规则检查，，无误后输输出文件，，制板。优点：效率高——所有这一切切，几乎都都是借助计计算机利用用EDA软件自动完成！容易检查错错误，便于于修改；设计周期短短、成功率率很高；；产品体积小小。特点传统方法现代方法采用器件通用型器件可编程逻辑器件设计对象电路板芯片设计方法自下而上自上而下仿真时期系统硬件设计后期系统硬件设计早期主要设计文件电路原理图HDL语言程序数字系统的的两种设计计方法比较较（二）由半半导体器件件公司推出出的几种可可编程程逻辑器件件开发软件件可编程逻辑辑器件PLD(ProgrammableLogicDevice)是用于专用用集成电路路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的设计的通通用器件，，它的逻辑辑功能是由由用户对器器件编程来来设定的。。目前生产和和使用的PLD产品主要有有：1现场可编程程逻辑阵列列FPLA(FieldProgrammableLogicArray)2.可编程阵列列逻辑PAL(ProgrammableArrayLogic)3.通用逻辑阵阵列GAL(GenericArraylogic)4.可擦除的可可编程逻辑辑器件EPLD(ErasableProgrammableLogicDevice)CMOS工艺1万门/片5.现场可编程程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)集成度>3万门/片EPLD和FPGA集成密度高高，称为高高密度PLD以上五种PLD编程开发系系统由硬件件（计算机机和编程器器）和软件件（专用编编程软件））构成。6.在系统可编编程器件ISP(In-SystemProgrammable)-PLD是新一代器器件，不需需编程器，，只要将计计算机编程程产生的数数据直接写写入PLD就可以了。。其中高密密度ISP-PLD又称为CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)PLD的主要开发发软件及开开发商有：：CPLD开发软件MaxPlus2(Quatues)—Altera公司FPGA开发软件Fundation—XiLinX公司ISPLSI开发软件Expert(Synario)—Lattice公司集成化开发发系统软件件包——优秀PLD开发程序的的集成XACT5.0—XinLinX公司ISPSynarioSystem—Lattice公司PLD的发展PAL（ProgrammableArrayLogic）GAL（GenericArrayLogic）CPLD(触发器有限限而乘积项项丰富的算算法和组合合逻辑结构构.系统断电编编程信息不不丢失)FPGA(触发器丰富富的时序逻逻辑结构,编程信息在在系统断电电时丢失,故可动态配配置)CPLD的设计原理理数字电路可可以用逻辑辑表达式来来表示。如一位全加加器可以根根据真值表表写出它的的逻辑表达达式：Sum＝xyCin＋x’yCin’＋x’y’Cin＋xy’Cin’Cout＝xy＋x’yCin＋xy’Cin特点：每个个输出都是是由输入变变量的与和和或操作组组合而成。。CPLD的结构示意意Y1＝X1X2X3’＋X2’X3＋X1’X3

Y2=X1X2X3＋X1’X2’一、图形设设计方式二、基于HDL的设计数字系统的的设计描述述方法数字系统的的设计描述述方法一、图形设设计方式常用于设计计规模较小的电路和系系统适合描述电气连接关系和接口关系EDA工具必须提提供元件库库或宏单元元库优点：直观、形象象对表现层次次结构、模模块化结构构更为方便便缺点：不适于描述述逻辑功能能通用性、可可移植性较较弱数字系统的的设计描述述方法例电子秒表电电路的顶层层图形文件件数字系统的的设计描述述方法二、基于HDL的设计硬件描述语语言（HDL，HardwareDescriptionLanguage）—是一种用形式化方法（即文文本形式））来描述和和设计数字字电路和数数字系统的的语言。一种专门用用于PLD设计的高级级模块化语语言。是电子系统统硬件行为描述、结构描述、逻辑描述的语言言。HDL常用来设计计规模较大、、复杂的电子系统统用HDL描述设计编程下载EDA工具综合、仿真目标文件所谓的高层层设计(HighLevelDesign)方法数字系统的的设计描述述方法优点：能形象化、、抽象地表表示电路的的结构和行行为适于描述逻辑功能借用高级语语言简化电电路的描述述具有电路仿仿真与验证证机制便于文档管管理易于理解和和移植重用用缺点：不如图形设设计方式直直观较广泛使用用的有3种：VHDL、VerilogHDL和AHDL数字系统的的设计描述述方法VerilogHDLVHDL成为IEEE标准1995年1987年语法结构√比VHDL简单语法结构比较严格，模块风格比较清晰学习难易程度√容易掌握较难掌握建模能力门级开关电路描述方面很强√系统级抽象能力较强测试激励模块容易编写√适合由多人合作完成的特大型项目（一百万门以上）。√较多的第三方工具的支持√仿真工具比较好用VerilogHDL与VHDL的比较数字系统的的设计描述述方法VHDLVHSICHardwareDescriptionLanguage（VHSIC——VeryHighSpeedIntegratedCircuits），甚高速集成成电路硬件描述语语言。来源于美国国军方。1987年成为IEEE标准。全方位HDL，包括从系系统到电路路的所有设设计层次。。支持结构、