数字逻辑电路的设计

数字逻辑电路的设计第一页，共二十八页，2022年，8月28日

使用对象：专用集成电路ASIC的芯片设计研发人员广大的电子线路设计人员

电子设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomation）技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，通过硬件描述语言设计，EDA软件编译、仿真，最终下载到设计载体中，从而完成系统电路设计任务的新一代设计技术。第二页，共二十八页，2022年，8月28日、EDA技术的发展及技术特色EDA技术与计算机、集成电路、电子系统设计的发展密切相关，汇集了计算机科学领域的大多数最新研究成果，以高性能的计算机作为工作平台，开发出来的一整套电子设计系统软件。EDA技术经历了三个发展阶段。20世纪70年代的计算机辅助设计（CAD）阶段。20世纪80年代的计算机辅助工程设计（CAED）阶段。20世纪90年代电子系统设计自动化（EDA）阶段。第三页，共二十八页，2022年，8月28日在这个阶段分别开发了一个个独立的软件工具，主要有电路原理图绘制、PCB（印刷电路板）图绘制、电路模拟、逻辑模拟等。它们利用计算机的图形编辑、分析和计算等能力，协助工程师设计电子线路，使设计人员从大量繁琐、重复计算和绘图工作中解脱出来。但总体来看自动化程度低，需要人工干预整个设计过程。美国Accel公司开发的Tango布线软件就是最具代表性的产品。20世纪70年代的计算机辅助设计（CAD）阶段第四页，共二十八页，2022年，8月28日这一阶段的EDA工具以逻辑模拟、定时分析、故障仿真、自动布局和布线为核心，重点解决电路设计完成之前的功能测试问题，代替了设计师的部分工作，利用这些工具，设计师能在产品制造之前预知产品的功能与性能。我们所熟悉的orCAD和Protel早期的版本是这一阶段中两种典型的设计工具。但是大部分从原理图出发的EDA工具仍然不能适应复杂电子系统的设计要求，而具体化的元件图形制约着优化设计。20世纪80年代的计算机辅助工程设计(CAED)阶段第五页，共二十八页，2022年，8月28日20世纪90年代，设计师逐步从使用硬件转向设计硬件，从单个电子产品的开发转向系统级的电子产品开发SOC（SystemonaChip,即片上系统集成）。EDA工具是以系统级设计为核心，包括系统行为级描述与结构综合、系统仿真与测试验证、系统划分与指标分配、系统决策与文件生成等一整套的电子系统设计自动化工具。这时的EDA工具不仅具有电子系统设计的能力，而且还能提供独立于工艺和厂家的系统级设计，具有高级抽象的设计构思手段。具备上述功能的EDA软件，可以使得电子工程师在不熟悉半导体工艺的情况下，完成电子系统的设计。20世纪90年代电子系统设计自动化(EDA)阶段第六页，共二十八页，2022年，8月28日6.1.2EDA技术的内容三部分大规模可编程逻辑器件硬件描述语言EDA开发软件第七页，共二十八页，2022年，8月28日一、可编程逻辑器件集成电路专用集成电路

(ASIC)通用集成电路：TTL系列、CMOS系列、存储器、MCU掩膜ASIC可编程ASIC简单可编程器件（PAL、GAL）复杂可编程器件（CPLD）现场可编程门阵列（FPGA）第八页，共二十八页，2022年，8月28日ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)直译为“专用集成电路”，ASIC在构成电子系统时具有以下几个方面的优越性：

提高了产品的可靠性。用ASIC芯片进行系统集成后，外部连线减少，为调试和维修带来极大的方便，系统可靠性明显提高。

易于获得高性能。ASIC针对专门的用途而特别设计，它是系统设计、电路设计和工艺设计的紧密结合，这种一体化的设计有利于得到前所未有的高性能系统。

可增强产品的保密性和竞争力。电子产品中的ASIC芯片对用户来说相当于一个“黑盒子”。

在大批量应用时，可显著降低产品的综合成本。用ASIC来设计和生产产品大幅度减少了印刷电路板面积及其他元器件数量，降低了装配调试费用。

提高了产品的工作速度。

缩小了体积，减轻了重量，降低了功耗。第九页，共二十八页，2022年，8月28日可编程ASIC的优点（与掩膜ASIC相比）：1．缩短了研制周期可编程ASIC可以按一定的规格型号像通用器件一样在市场上买到。由于采用先进的EDA，可编程ASIC的设计与编程均十分方便和有效，整个设计通常只需几天便可完成，缩短了产品研制周期，有利于产品的快速上市。2．降低了设计成本制作掩膜ASIC的前期投资费用较高，只有在生产批量很大的情况下才有价值。这种设计方法还需承担很大的风险，因为一旦设计中有错误或设计不完善，则全套掩膜便不能再用。采用可编程ASIC为降低投资风险提供了合理的选择途径，它不需掩膜制作费用，比直接设计掩膜ASIC费用小、成功率高。3．提高了设计灵活性可编程ASIC是一种由用户编程实现芯片功能的器件，与由工厂编程的掩膜ASIC相比，它具有更好的设计灵活性。第十页，共二十八页，2022年，8月28日

ABEL语言

VHDL语言

VerilogHDL语言6.4硬件描述语言（HDL）VHDL和Verilog-HDL语言先后成为IEEE标准IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)

美国电气及电子工程师学会第十一页，共二十八页，2022年，8月28日ABEL硬件描述语言

ABEL-HDL是美国DATAI/O公司开发的硬件描述语言。支持布尔方程、真值表、状态图等逻辑表达方式，能准确地表达计数器、译码器等的逻辑功能。由于ABEL是在早期的简单可编程逻辑器件(如GAL)的基础上发展而来的，因此进行较复杂的逻辑设计时，ABEL-HDL与VHDL、Verilog-HDL这些从集成电路发展起来的HDL相比稍显逊色。

ABEL-HDL语言的开发工具很多，有DOS版的ABEL4.0(目前主要用于GAL的开发)、Lattice的ispLever、Xilinx的Foundation等软件第十二页，共二十八页，2022年，8月28日ABEL硬件描述语言MODULEA01A,B,C,D PIN;E PINISTYPE'COM';EQUATIONSE=!(A&B#C&D);END第十三页，共二十八页，2022年，8月28日Verilog-HDL硬件描述语言

Verilog-HDL是在1983年由GDA(GatewayDesignAutomation)公司的PhilMoorby首创的。

Verilog-HDL是专门为ASIC设计而开发的，本身即适合ASIC设计。在亚微米和深亚微米ASIC已成为电子设计主流的今天，Verilog-HDL的发展前景是非常远大的。Verilog-HDL较为适合算法级(Algorithm)、寄存器传输级(RTL)、逻辑级(Logic)和门级(Gate)设计，而对于特大型的系统级设计，则VHDL更为适合。第十四页，共二十八页，2022年，8月28日moduleAOI(A,B,C,D,E);//模块名为AOI

inputA,B,C,D; //定义模块的输入端口A，B，C，D outputE; //定义模块的输出端口E assignE=~((A&B)|(C&D)); //模块内的逻辑描述endmoduleVerilog-HDL硬件描述语言第十五页，共二十八页，2022年，8月28日VHDL硬件描述语言

VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitsHardwareDescriptionLanguage，超高速集成电路硬件描述语言)是美国国防部于20世纪80年代后期出于军事工业的需要开发的。

VHDL语言涵盖面广，抽象描述能力强，支持硬件的设计、验证、综合与测试。各种硬件描述语言中，VHDL的抽象描述能力最强，因此运用VHDL进行复杂电路设计时，往往采用自顶向下分层设计的方法。首先从系统级功能设计开始，对系统的高层模块进行行为与功能描述并进行高层次的功能仿真，然后从高层模块开始往下逐级细化描述。第十六页，共二十八页，2022年，8月28日ENTITYA01IS PORT(A,B,C,D :INBIT; E :OUTBIT);ENDA01;ARCHITECTUREaOFA01ISBEGIN E<=NOT((AANDB)OR(CANDD));ENDa;VHDL硬件描述语言第十七页，共二十八页，2022年，8月28日VHDL和Verilog-HDL的比较

VHDL语言是一种高级描述语言，适用于电路高级建模，综合的效率和效果都比较好。Verilog语言是一种较低级的描述语言，最适于描述门级电路，易于控制电路资源。第十八页，共二十八页，2022年，8月28日学习HDL的几点重要提示

1.了解HDL的可综合性问题：

HDL有两种用途：系统仿真和硬件实现。如果程序只用于仿真，那么几乎所有的语法和编程方法都可以使用。但如果我们的程序是用于硬件实现（例如：用于FPGA设计），那么我们就必须保证程序“可综合”（程序的功能可以用硬件电路实现）。不可综合的HDL语句在软件综合时将被忽略或者报错。我们应当牢记一点：“所有的HDL描述都可以用于仿真，但不是所有的HDL描述都能用硬件实现。”第十九页，共二十八页，2022年，8月28日2.用硬件电路设计思想来编写HDL:

学好HDL的关键是充分理解HDL语句和硬件电路的关系。编写HDL，就是在描述一个电路，我们写完一段程序以后，应当对生成的电路有一些大体上的了解，而不能用纯软件的设计思路来编写硬件描述语言。要做到这一点，需要我们多实践，多思考，多总结。

第二十页，共二十八页，2022年，8月28日3.语法掌握贵在精，不在多

30%的基本HDL语句就可以完成95%以上的电路设计，很多生僻的语句并不能被所有的综合软件所支持，在程序移植或者更换软件平台时，容易产生兼容性问题，也不利于其他人阅读和修改。建议多用心钻研常用语句，理解这些语句的硬件含义，这比多掌握几个新语法要有用的多。

第二十一页，共二十八页，2022年，8月28日HDL与原理图输入法的关系

HDL和传统的原理图输入方法的关系就好比是高级语言和汇编语言的关系。HDL的可移植性好，使用方便，但效率不如原理图；原理图输入的可控性好，效率高，比较直观，但设计大规模CPLD/FPGA时显得很烦琐，移植性差。在真正的PLD/FPGA设计中，通常建议采用原理图和HDL结合的方法来设计，适合用原理图的地方就用原理图，适合用HDL的地方就用HDL，并没有强制的规定。在最短的时间内，用自己最熟悉的工具设计出高效，稳定，符合设计要求的电路才是我们的最终目的。第二十二页，共二十八页，2022年，8月28日HDL开发流程

用VHDL/VerilogHD语言开发PLD/FPGA的完整流程为：

1.文本编辑：用任何文本编辑器都可以进行，也可以用专用的HDL编辑环境。通常VHDL文件保存为.vhd文件，Verilog文件保存为.v文件

第二十三页，共二十八页，2022年，8月28日2.功能仿真：将文件调入HDL仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能是否正确.3.逻辑综合：将源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把语言综合成最简的布尔表达式和信号的连接关系。逻辑综合软件会生成.edf（edif）的EDA工业标准文件。第二十四页，共二十八页，2022年，8月28日4.布局布线：将.edf文件调入PLD厂家提供的软件中进行布线，即把设计好的逻辑安放到PLD/FPGA内

5.时序仿真：需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电路的时序。（也叫后仿真）

6.编程下载：确认仿真无误后，将文件下载到芯片中第二十五页，共二十八页，2022年，8月28日

Lattice公司：ispLEVERXilinx公司:Foundation