数字系统EDA技术-1

数字系统EDA技术

任课教师：窦衡

联系地点：清水河科研楼B425

电话：83207082E-mail:douheng@课件下载：网络学堂->电子工程学院

1本课程安排：学时数：48学时（课堂教学24学时，实验24学时）课堂教学内容：第一章、EDA技术概述（2）第二章、大规模可编程逻辑器件（2）第三章、VHDL硬件描述语言（10）第四章、实验开发平台及工具软件介绍（4）第五章、Niosii设计介绍（2）第六章、VHDL设计应用实例（4）2实验教学内容及要求：

分6次共24学时。实验一：十进制计数器设计与仿真（1次）;实验二：DE2-115开发板接口应用（1次）

实验三：简单处理器的设计及验证（2次）；实验四：NIosⅱ的创建和应用（2次）；

掌握EDA开发工具QuartusII、Modelsim。从简单的电路设计入手，到最后能够设计比较复杂的电子系统。培养利用EDA技术设计电路系统的实际动手能力。

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教学目的：

了解一类可编程逻辑器件，掌握一门硬件描述语言，熟悉使用一类EDA设计工具，设计自己的芯片。注重实践锻炼，培养综合设计能力。考核方式：

平时（10%）+实验（30%）+期末（60%）4教材及参考资料教材：

《EDA技术及应用》--VHDL版(第三版)谭会生、张昌凡编著西安电子科技大学出版社参考资料：

《AlteraFPGA/CPLD设计》(基础篇、高级篇)

王诚等编著人民邮电出版社

《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计》

侯伯亨顾新等编著西安电子科技大学出版社

《CPLD/FPGA的开发和应用》徐光辉等编著

电子工业出版社5EDA技术的相关网址：

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第一章EDA技术概况1.1EDA技术及其发展

1.什么是EDA？

ElectronicDesignAutomation__电子设计自动化EDA技术的发展过程：7EDA技术发展的三个阶段：

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。8EDA技术发展的三个阶段：

2）计算机辅助工程设计CAE阶段

20世纪80年代初，出现了低密度的可编程逻辑器件（PAL_ProgrammableArrayLogic和GAL_GenericArrayLogic），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。

9EDA技术发展的三个阶段：

3）电子系统设计自动化阶段

20世纪90年代，可编程逻辑器件迅速发展，出现功能强大的全线EDA工具。具有较强抽象描述能力的硬件描述语言(VHDL、VerilogHDL)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_SystemOnaChip：单片系统、或片上系统）。

开始实现“概念驱动工程”（ConceptDriverEngineering,CDE）的梦想。10集成电路设计方法的发展过程11EDA的广义定义范围包括：

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、

……统称为EDA工程12EDA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、逻辑分割、逻辑综合及优化、布局布线、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，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。

13应用介绍：数字电视传输复用系统中的数字电视复用器14应用介绍：雷达系统中的信号处理与时序控制器151.2传统设计方法和EDA方法的区别：传统设计方法:

自下而上（Bottom-up)的设计方法。

上上设计分解构造系统下下16设计分解：

1.确定设计目标

2.功能模块分解

3.进一步细分，直至可用市面上买到的元器件构建此模块为止构造系统：

1.用市面上可买到的元器件构建最底层模块

2.用较低一层模块构造较高一层模块

3.构造顶层模块

4.测试验证与分析17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流程：1819传统设计方法：自下而上（Bottom-up)的设计方法，是以固定功能元件为基础，基于电路板的设计方法。固定功能元件电路板设计完整系统构成系统调试、测试与性能分析系统功能需求输入输出传统设计方法的缺点：

1.设计依赖于手工和经验。

2.设计依赖于现有的通用元器件。

3.设计后期的验证（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。

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EDA设计方法：

1、设计思想不同：自上而下（Top-Down)的设计方法。

自上而下是指将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统规模较大，则还需将子系统进一步分解为更小的子系统和模快，层层分解，直至整个系统中各个子系统关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。自上而下设计中可逐层描述，逐层仿真，保证设计实现并满足系统指标。

21ASIC:ApplicationSpecificIntegratedCircuits,PLD:ProgrammableLogicDevices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、布局布线时序仿真、时序检查输出门级网表ASIC芯片投片、PLD器件编程、测试EDA方法：(Top-Down)22

与传统的基于电路板的设计方法不同，

EDA技术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232、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__HarddescriptionLanguage)为主3、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、器件编程等均由EDA工具一体化完成。24传统方法与EDA方法比较：

传统方法1.自下至上（BottomUp)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.主要设计文件是电原理图5.手工实现

EDA方法1.自上至下（TopDown)2.PLD（可编程逻辑器件）3.系统设计的早期进行仿真和修改4.多种设计文件，发展趋势以HDL描述文件为主5.自动实现

EDA技术极大地降低硬件电路设计难度，提高设计效率，是电子系统设计方法的质的飞跃。251.3EDA技术的主要内容实现载体：大规模可编程逻辑器件（PLD__ProgrammableLogicDevice）描述方式：硬件描述语言（HDL__HarddescriptionLanguage)VHDL、VerilogHDL等设计工具：开发软件、开发系统硬件验证：实验开发系统26

FPGA__FieldProgrammableGatesArrayCPLD__ComplexProgrammableLogicDevice

主流公司：Xilinx、Altera、LatticeFPGA/CPLD显著优点：开发周期短、产品上市速度快、投资风险小、市场适应能力强、硬件修改升级方便。1.大规模可编程逻辑器件27

三类器件的主要性能指标比较28ASIC:ApplicationSpecificIntegratedCircuits

VHDL：IEEE标准，系统级抽象描述能力较强。

Verilog:IEEE标准，门级开关电路描述能力较强。

ABEL:系统级抽象描述能力差，适合于门级电路描述。2.硬件描述语言（HDL__HardwareDescriptionLanguage）29

系统级（SystemLevel）

算法级（AlgorithmicLevel）

寄存器传输级（RegisterTransferLevel）

门级（GateLevel）

电路级（CircuitLevel）VHDLVerilogHDL30

硬件描述语言(HDL__HardDescriptionLanguage)具有抽象的系统描述能力，是现代EDA技术的切入点，是设计者与设计自动化工具之间的桥梁。可实现系统级的仿真和逻辑综合。据此实现大规模集成电路的设计，可极大缩短Time-to-Market时间。硬件描述语言的