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EDA技术及应用,教材:EDA技术及应用 作者:谭会生,张昌凡编著 西安电子科技大学出版社,一、课程简介,1、数字电路为基础：学习了数字电路的基本设计方法。 2、EDA技术及应用：面向实际工程应用，掌握数字系统新的设计方法。,二、课程宗旨,1、更新数字电路的设计观念，建立用PLD器件取代传统TTL数字器件设计数字电路的思想。 2、更新数字系统设计手段，学会使用硬件描述语言（Hardware Description Language）代替传统的数字电路设计方法来设计数字系统。,三、可编程逻辑器件的定义,1、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（74LS00，74LS04等），在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。 2、可编程逻辑器件（PLDProgrammable Logic Device）：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器件的逻辑功能。,四、课程内容,1、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 2、怎样对器件编程 1) 熟悉一种EDA软件的使用方法（工具） 以Altera公司的QUARTUS II或MAX+PLUX II为例 2）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） 以VHDL语言为例,五、教学安排,1)理论教学（18学时） 2)上机实践（18学时） 3)考核方式 实验成绩（20%） 理论笔试（考试70%） 平时（10%）,六、参考书,【1】潘松，EDA技术实用教程，科学出版社 【2】卢毅等，VHDL与数字电路设计，科学出版社 【3】赵俊超等，集成电路设计VDHL教程，北京希望电子出版社 。,七、数字电路课程的回顾,1 数字电路设计的基本方法 1）组合电路设计 问题逻辑关系真值表化简逻辑图 2）时序电路设计 列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图,七、数字电路课程的回顾,2 使用中、小规模器件设计电路（74、54系列） 编码器（74LS148） 译码器（74LS154） 比较器（74LS85） 计数器（74LS193） 移位寄存器（74LS194） ,七、数字电路课程的回顾,3 设计方法的局限 1）、采用“搭积木”的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件。 2）、设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。,七、数字电路课程的回顾,4）采用中小规模器件的局限 电路板面积较大，芯片数量多，功耗大，可靠性低 提高芯片的集成度 设计比较困难 能方便地发现设计错误 电路修改很麻烦 提供方便的修改手段 5）PLD器件的出现改变了这一切,八、PLD出现的背景,1）电路集成度不断提高 SSIMSILSIVLSI 2）计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用 3）设计方法的发展 自下而上自上而下 4）用户需要设计自己需要的专用电路 专用集成电路（ASICApplication Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大，风险大 可编程器件PLD：开发周期短，投入小，风险小,九、PLD器件的优点,1)集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片 极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性 2)具有完善先进的开发工具 提供语言、图形等设计方法，十分灵活 通过仿真工具来验证设计的正确性 3)可以反复地擦除、编程，方便设计的修改和升级 4)灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间 5)保密性好,管脚数目： 208个 电源： 3.3V（I/O） 2.5V（内核） 速度 250MHz 内部资源 4992个逻辑单元 10万个逻辑门 49152 bit的RAM,举例：,十、PLD的发展趋势,1）向高集成度、高速度方向发展 最高集成度已达到400万门 2）向低电压和低功耗方向发展5V3.3V2.5V1.8V更低 3）内嵌多种功能模块 RAM，ROM，FIFO，DSP，CPU 4）向数、模混合可编程方向发展,十一、大的可编程逻辑器件生产厂家, 最大的PLD供应商之一 FPGA的发明者，最大的PLD供应商之一 ISP技术的发明者 提供军品及宇航级产品,第1章 绪 论,1.1 EDA技术的涵义,1 概念：EDA技术（Electronic Design Automation) 以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以HDL为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机和相应的开发软件为设计工具，自动完成用软件设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、综合、布局布线、仿真，直至对特定目标芯片的编程下载等工作，最终形成专用集成芯片的新技术。 硬件设计软件化,2.利用EDA设计电子系统，具有的特点：, 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；, 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、可靠性高。 EDA技术是现代电子设计的发展趋势。,1.2 EDA技术的发展历程,现代电子设计技术的核心已日趋转向基于计算机的电子设计自动化技术，即EDA(Electronic Design Automation)技术。,EDA技术的发展分为三个阶段,20世纪70年代,20世纪80年代,20世纪90年代,1. 20世纪70年代的计算机辅助设计CAD阶段 电子系统硬件设计采用的是分立元件，初级阶段的硬件设计大量选用中、小规模标准集成电路。 由于设计师对图形符号使用数量有限，因此传统的手工布图方法无法满足产品复杂性的要求，也不能满足工作效率的要求。,2. 20世纪80年代的计算机辅助工程设计CAE阶段 20世纪80年代初推出的EDA工具则以逻辑模拟、故障仿真、自动布局和布线为核心，重点解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。利用这些工具，设计师能在产品制作之前预知产品的功能与性能。,3. 20世纪90年代电子系统设计自动化EDA阶段 由用户自己设计芯片，让他们把想设计的电路直接设计在自己的专用芯片上。设计师可以在较短的时间内使用EDA工具，利用微电子厂家提供的设计库来完成数万门ASIC和集成系统的设计。,从教学和实用的角度看，应掌握以下内容： 1、大规模可编程逻辑器件； 2、硬件描述语言； 3、软件开发工具； 4、实验开发系统。,1.3 EDA技术的主要内容,1. 大规模可编程逻辑器件 1）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。 2）国际上生产FPGA/CPLD的主流公司，并且在国内占有市场份额较大的主要是Xilinx，Altera，Lattice三家公司。 3）Xilinx公司的FPGA器件有XC2000，XC3000，XC4000，XC4000E，XC4000XLA，XC5200系列等，可用门数为120018000。,4）Altera公司的CPLD器件有FLEX6000，FLEX8000，FLEX10K，FLEX10KE系列等，提供门数为500025000； 5）Lattice公司的ISP-PLD器件有ispLSI1000，ispLSI2000，ispLSI3000，ispLSI6000系列等，集成度可多达25000个PLD等效门。,6）FPGA 在结构上主要分为三个部分，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。 7）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。,2. 硬件描述语言(HDL),1）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。 2）VerilogHDL：支持的EDA工具较多，其综合过程较VHDL稍简单，但其在高级描述方面不如VHDL。 3）ABEL：可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。,IEEE (The institute of Electrical and Electronics Engineers),3. 软件开发工具,1）MAX+plus II：支持原理图、VHDL和Verilog语言文本文件，以及以波形等格式的文件作为设计输入，并支持这些文件的任意混合设计。 界面友好，使用方便，被誉为业界最易学易用的EDA的软件 。,2） 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。 3）Foundation Series：Xilinx公司最新集成开发的EDA工具。是业界最强大的EDA设计工具之一。,4）Quartus II：是Altera公司的新近推出的EDA软件工具，其设计工具完全支持VHDL、Verilog的设计流程，其内部嵌有VHDL、Verilog逻辑综合器。第三方的综合工具，如Leonardo Spectrum、Synplify Pro、FPGA Compiler II有着更好的综合效果，因此通常建议使用这些工具来完成VHDL/Verilog源程序的综合。,Quartus II可以直接调用这些第三方工具。同样，Quartus II具备仿真功能，但也支持第三方的仿真工具，如Modelsim。 此外，Quartus II为Altera DSP开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境，它与MATLAB和DSP Builder结合可以进行基于FPGA的DSP系统开发，是DSP硬件系统实现的关键EDA工具。Quartus II还可与SOPC Builder结合，实现SOPC系统开发。,EDA软件系统应当包含以下子模块： 设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块、布局布线子模块等。,1.4 EDA软件系统的构成,1. 设计输入工具的发展趋势 1)早期EDA工具设计输入普遍采用原理图输入方式，以文字和图形作为设计载体和文件，将设计信息加载到EDA工具，完成设计分析工作。 2)20世纪80年代末，电子设计开始采用新的综合工具，设计描述开始由原理图设计描述转向以各种硬件描述语言为主的编程方式。,1.5 EDA工具的发展趋势,3) EDA公司在90年代推出一批图形化免编程的设计输入工具，设计师用最方便的设计方式，如框图、状态图、真值表和逻辑方程建立设计文件，然后由EDA工具自动生成综合所需的硬件描述语言文件。,2. 具有混合信号处理能力的EDA工具,20世纪90年代以来EDA工具厂商都比较重视数/模混合信号设计工具的开发。对数字信号的语言描述，IEEE已经制定了VHDL标准，对模拟信号的语言正在制定AHDL标准。,3. 更为有效的仿真工具的发展,在整个电子设计过程中仿真是花费时间最多的工作也是占用EDA工具资源最多的一个环节。 系统级仿真验证系统的功能，电路级仿真验证系统的性能，决定怎样实现设计所需的精度。,1.6 EDA的工程设计流程,对于目标器件为FPGA和CPLD的VHDL 设计，其工程设计步骤如何？EDA的工程设计流程为： 第一, “源程序的编辑和编译”用一定的逻辑表达手段将设计表达出来。 第二, “逻辑综合”将用一定的逻辑表达手段表达出来的设计，经过一系列的操作，分解成一系列的基本逻辑电路及对应关系(电路分解)。,第三，“目标器件的布线/适配”在选定的目标器件中建立这些基本逻辑电路及对应关系(逻辑实现)； 第四，目标器件的编程/下载将前面的软件设计经过编程变成具体的设计系统(物理实现)； 最后，硬件仿真/硬件测试验证所设计的系统是否符合设计要求。同时，在设计过程中要进行有关“仿真”模拟有关设计结果与设计构想是否相符。 EDA的工程设计的基本流程如图1.1所示。,图1.1 EDA工程设计流程图,EDA的工程 设计流程,设计过程中的仿真有三种，它们是行为仿真、功能仿真和时序仿真。 所谓行为仿真，就是将VHDL设计源程序直接送到VHDL仿真器中所进行的仿真。该仿真只是根据VHDL的语义进行的，与具体电路没有关系。,所谓功能仿真，就是将综合后的VHDL网表文件再送到VHDL仿真器中所进行的仿真。对VHDL描述的逻辑功能进行测试模拟。 所谓时序仿真，就是将布线器/适配器所产生的VHDL网表文件送到VHDL仿真器中所进行的仿真。将器件特性考虑进去了，仿真更精确。,1.7.1 数字系统的设计模型,1.7 数字系统的设计,数字系统指的是交互式的、以离散形式表示的具有存储、传输、信息处理能力的逻辑子系统的集合。 普遍采用的模型就是根据数字系统的定义，将整个系统划分为两个模块或两个子系统：数据处理子系统和控制子系统，如图1.2所示。,图1.2 数字系统的设计模型,设计一个数字系统时，采用该模型的优点是：(1) 使设计者面对的电路规模减小，二者可以分别设计。(2) 由于数字系统中控制子系统的逻辑关系比较复杂，将其独立划分出来后，可突出设计重点。(3) 逻辑分工清楚，任务明确，这可以使电路的设计，调试和故障处理都比较方便。,1.7.2 数字系统的设计方法,数字系统设计有多种方法，如模块设计法、自顶向下设计法和自底向上设计法等。,采用自顶向下的设计方法有如下优点: (1) 自顶向下设计方法是一种模块化设计方法。对设计的描述从上到下逐步由粗略到详细，符合常规的逻辑思维习惯。由于高层设计同器件无关，设计易于在各种可编程器件之间移植。 (2) 适合多个设计者同时进行设计。,1.7.3 数字系统的设计步骤,1系统任务分析 2确定逻辑算法 3建立系统及子系统模型 4系统(或模块)逻辑描述 5逻辑电路级设计及系统仿真 6系统的物理实现,根据利用EDA技术所开发的产品的最终主要硬件构成来分，EDA技术的应用发展常表现为如下几种形式： 1、CPLD/FPGA系统：使用EDA技术开发CPLD/FPGA，使自行开发的CPLD/FPGA作为电子系统、控制系统、信息处理系统的主体。,1.8 EDA技术的应用形式,2、“CPLD/FPGA+MCU”系统：使用EDA技术与单片机相接结合，使自行开发的CPLD / FPGA+MCU 作为电子系统、控制系统、信息处理系统的主体。 3、“CPLD/FPGA+专用DSP处理器”系统：将EDA技术与DSP专用处理器配合使用，使自行开发的“CPLD/FPGA+专用DSP处理器”，构成一个数字信号处理系统的整体。,