数字电路与系统设计课件8.ppt
( 4.5 )《数字电路与系统设计课件8.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电路与系统设计课件8.ppt（120页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第8章 电子设计自动化第第8 8章章 电子设计自动化电子设计自动化8.1 EDA概述概述8.2 硬件描述语言硬件描述语言Verilog HDL 初步初步8.4 MAX+plus开发系统开发系统第8章 电子设计自动化8.1 EDA概述概述 EDA就是以计算机为工作平台、以EDA软件工具为开发环境、以硬件描述语言为设计语言、以ASIC为实现载体的电子产品自动化设计过程，它包括半导体工艺设计自动化、可编程逻辑器件设计自动化、电子系统设计自动化、印刷电路板PCB（Printed Circuit Board）设计自动化、仿真测试、故障诊断以及形式验证自动化。需要说明的是，这里所讲的是狭义的EDA，没有包
2、括模拟电路的设计自动化。第8章 电子设计自动化EDA作为一门崭新的学科，它的知识体系结构为：现代电子设计理论；可编程逻辑器件原理、结构及应用；硬件描述语言；EDA工具的开发和应用；EDA设计方法论；EDA的应用及实践。第8章 电子设计自动化8.1.1 EDA的发展概况的发展概况 集成电路技术的发展不断地给EDA技术提出新的要求，对EDA技术的发展起了巨大的推动作用。从20世纪60年代中期开始，人们就不断地开发出各种计算机辅助设计工具来帮助设计人员进行集成电路和电子系统的设计。近40年来，EDA技术大致经历了计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）、计算机辅助工程CAE
3、（Computer Aided Engineering）和电子系统设计自动化ESDA（Electronic System Design Automation）三个发展阶段。第8章 电子设计自动化 1CAD阶段（阶段（20世纪世纪60年代中期年代中期20世纪世纪80年代初期）年代初期）20世纪70年代，随着中、小规模集成电路的开发和应用，传统的手工制图设计印刷电路板和集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求，于是工程师们开始进行二维平面图形的计算机辅助设计，这样就产生了第一代EDA工具，设计者也从繁杂、机械的计算、布局和布线工作中解放了出来。但在EDA发展的初始阶段，EDA工具的供应商只有几
4、家，产品几乎全部面向PCB设计、电路模拟或IC版图设计。例如，目前常用的PCB布线软件Protel的早期版本Tango、用于电路模拟的SPICE软件以及后来产品化的IC版图编辑与设计规则检查系统等软件，都是这个时期的产品。第8章 电子设计自动化 20世纪80年代初，随着集成电路规模的增大，EDA技术有了较快的发展。更多的软件公司，如当时的Mentor公司、Daisy Systems及Logic System公司等进入EDA领域，开始提供带电路图编辑工具和逻辑模拟工具的EDA软件，主要解决了设计实现之前的功能检验问题。总的来讲，这一阶段的EDA水平还很低，对设计工作的支持十分有限，主要存在两个方
5、面的问题需要解决：第8章 电子设计自动化 EDA软件的功能单一、相互独立。这个时期的EDA工具软件都是分别针对设计流程中的某个阶段开发的，一个软件只能完成其中的一部分工作，所以设计者不得不在设计流程的不同阶段分别使用不同的EDA软件包。然而，由于不同的公司开发的EDA工具之间的兼容性较差，为了使设计流程前一级软件的输出结果能够被后一级软件接受，就需要人工处理或再运行另外的转换软件，这往往很繁琐，势必影响设计的速度。对于复杂电子系统的设计，不能提供系统级的仿真和综合，所以设计中的错误往往只能在产品开发的后期才能被发现，这时再进行修改十分困难。第8章 电子设计自动化 2 CAE阶段（阶段（20世纪
6、世纪80年代初期年代初期20世纪世纪90年代初期）年代初期）这个阶段在集成电路与电子系统设计方法学以及设计工具集成化方面取得了许多成果。各种设计工具，如原理图输入、编译与连接、逻辑模拟、逻辑综合、测试码生成、版图自动布局以及各种单元库均已齐全。不同功能的设计工具之间的兼容性得到了很大改善，那些不走兼容道路、想独树一帜的CAD工具受到了用户的抵制，逐渐被淘汰。EDA软件设计者采用统一数据管理技术，把多个不同功能的设计软件结合成一个集成设计环境。按照设计方法学制定的设计流程，在一个集成设计环境中就能实现由寄存器传输级RTL（Register Transfers Level）开始，从设计输入到版图输
7、出的全程设计自动化。在这个阶段，基于门阵列和标准单元库设计的半定制ASIC得到了极大的发展，将电子系统设计推入了ASIC时代。但是，大部分从原理图出发的CAE工具仍然不能适应复杂电子系统的要求，而且具体化的元件图形制约着优化设计。第8章 电子设计自动化 3 ESDA阶段（阶段（20世纪世纪90年代以来）年代以来）20世纪90年代以来，集成电路技术以惊人的速度发展，其工艺水平已经达到深亚微米级，一个芯片上可以集成数百万甚至上千万只晶体管，工作频率可达GHz。这不仅为片上系统SOC（System On Chip）的实现提供了可能，同时也给EDA技术提出了更高的要求，促进了EDA技术的发展。在这一阶
8、段，出现了以硬件描述语言、系统级仿真和综合技术为基本特征的第三代EDA技术，它使设计师们摆脱了大量的具体设计工作，而把精力集中于创造性的方案与概念构思上，从而极大地提高了系统设计的效率，缩短了产品的研制周期。EDA技术在这一阶段的发展主要有以下几个方面。第8章 电子设计自动化 1）用硬件描述语言来描述数字电路与系统 这是现代EDA技术的基本特征之一，并且已经形成了VHDL和Verilog HDL两种IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师协会）标准硬件描述语言。它们均能支持系统级、算法级、RTL级（又
9、称数据流级）和门级各个层次的描述或多个不同层次的混合描述，涉及的领域有行为描述和结构描述两种形式。硬件描述与实现工艺无关，而且还支持不同层次上的综合与仿真。硬件描述语言的使用规范了设计文档，便于设计的传递、交流、保存、修改及重复使用。第8章 电子设计自动化 2）高层次的仿真与综合 所谓综合，就是由较高层次描述到低层次描述、由行为描述到结构描述的转换过程；仿真是在电子系统设计过程中对设计者的硬件描述或设计结果进行查错、验证的一种方法。对应于不同层次的硬件描述，有不同级别的综合与仿真工具。高层次的综合与仿真将自动化设计的层次提高到了算法行为级，使设计者无需面对低层电路，而把精力集中到系统行为建模和
10、算法设计上，而且可以帮助设计者在最早的时间发现设计中的错误，从而大大缩短了设计周期。第8章 电子设计自动化 3）平面规划技术 平面规划（Floorplaning）技术对逻辑综合和物理版图设计进行联合管理，做到在逻辑综合早期设计阶段就考虑到物理设计信息的影响。通过这些信息，可以再进一步地对设计进行综合和优化，并保证不会对版图设计带来负面的影响。这在深亚微米级布线时延已经成为主要时延的情况下，对加速设计过程的收敛与成功是有所帮助的。在Synopsys和Cadence等著名公司的EDA系统中都采用了这项技术。第8章 电子设计自动化 4）可测试性综合设计 随着ASIC规模和复杂性的增加，测试的难度和费
11、用急剧上升，由此而产生了将可测试性电路结构做在ASIC芯片上的思想，于是开发出了扫描插入、内建自测试（BIST）和边界扫描等可测试性设计（DFT）工具，并已集成到EDA系统中。如Compass公司的Test Assistant和Mentor Graphics公司的LBLST Achitect、BSD Achitect和DFT Advisor等。第8章 电子设计自动化 5）开放性、标准化框架结构的集成设计环境和并行设计工程 近年来，随着硬件描述语言等设计数据格式的逐渐标准化，不同设计风格和应用的要求使得有必要建立开放性、标准化的EDA框架。所谓框架，就是一种软件平台结构，为EDA工具提供操作环境
12、。框架的关键在于建立与硬件平台无关的图形用户界面以及工具之间的通信、设计数据和设计流程的管理等，此外还包括各种与数据库相关的服务项目。任何一个EDA系统只要建立一个符合标准的开放式框架结构，就可以接纳其它厂商的EDA工具一起进行设计工作。这样，框架作为一套使用和配置EDA软件包的规范，就可以实现各种EDA工具间的优化组合，并集成在一个易于管理的统一环境下，实现资源共享。第8章 电子设计自动化 针对当今电子设计中数字电路与模拟电路并存、硬件设计与软件设计并存以及产品更新换代快的特点，并行设计工程CE（Concurrent Engineering）要求一开始就从管理层次上把工艺、工具、任务、智力和
13、时间安排协调好；在统一的集成设计环境下，由若干相关的设计小组共享数据库和知识库，同步进行设计。CE改变了传统的设计过程中，过分依赖专业分工和设计人员过分强调所学专业知识的状况。第8章 电子设计自动化8.1.2 EDA设计语言设计语言 1 VHDL和和Verilog HDL语言语言 VHDL是由美国国防部在70年代末和80年代初提出的超高速集成电路VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）计划的产物，其目的是为了在承担国防部定货的各集成电路厂商之间建立一个统一的设计数据和文档交换格式。1987年12月，IEEE接受HDL为标准HDL，也就是IEEEStd1
14、076-1987LRM87。此后又做了一些修改，新的版本为IEEEStd1076-1993LRM93。第8章 电子设计自动化 Verilog HDL是在1983年，由GDA（Gate Way Design Automation）公司的Phil Moorby首创的。1986年，Moorby提出了用于快速门级仿真的Verilog XL算法，使Verilog HDL得到了迅速发展。1989年，Cadence公司收购了GDA公司，Verilog HDL成了Cadence公司的私有财产。1990年，Cadence公司决定公开发表Verilog HDL，并成立了OVI（Open Verilog Inter
15、national）组织来负责Verilog HDL的推广。基于Verilog HDL的优越性，Verilog HDL于1995年成为了IEEE的另一个HDL标准。第8章 电子设计自动化 几年以来，EDA界对VHDL和Verilog HDL这两种语言一直争论不休。实际上这两种语言各有所长，市场占有率也相差不多。一般认为，Verilog HDL是从集成电路的设计中发展而来的，在门级电路、晶体管开关级电路的描述方面比VHDL强，在系统级的抽象描述方面，VHDL则更合适。目前，大多数的EDA软件都同时支持这两种硬件描述语言。第8章 电子设计自动化 2ABEL和和AHDL语言语言 与VHDL和Veril
16、og HDL相比，ABEL和AHDL的功能相对比较简单，它们适合于RTL级和门级电路的描述，主要用于可编程逻辑器件的开发。ABEL语言是由美国Data I/O公司推出的，该公司也是ABEL语言综合器的惟一供应商，有不少EDA软件支持ABEL语言，如ispEXPERT、Synario、Foundation等。AHDL语言则只集成在Altera公司的可编程逻辑器件开发工具中，只能在Altera的开发软件中进行编译和调试。第8章 电子设计自动化 3 C语言语言 在电子系统设计中，硬件设计采用VHDL和Verilog HDL之类硬件描述语言，软件设计则采用C和C+等编程语言。这种硬件设计和软件设计使用
17、不同语言的现象，给设计带来了不便，延长了产品开发的周期。从EDA的发展趋势来看，直接用C语言来描述硬件是未来的一个发展方向，这样软件设计人员和硬件设计人员之间就有了“共同语言”，从而能够实现软、硬件协同设计，提高设计效率。目前，用C语言描述硬件主要有两个分支：System C和Spec C。System C适用于从系统设计到逻辑设计这一阶段；Spec C则适用于从对技术要求的把握到系统设计这一阶段。第8章 电子设计自动化 8.1.3 EDA开发工具开发工具图 8-1 EDA工具的范畴第8章 电子设计自动化 EDA工具主要能够进行三个方面的辅助设计工作：印刷电路板PCB设计；ASIC设计；电子系
18、统设计。没有EDA工具的支持，想要完成超大规模集成电路或复杂电子系统的设计制造是不可想象的。第8章 电子设计自动化 全球的EDA软件供应商有近百家之多，大体上可以分成两类：一类是专业的EDA软件公司，如Mentor Graphics、Cadence Design Systems、Synopsys、Viewlogic Systems和Protel等；另一类是半导体器件厂商，为销售他们的产品而开发EDA工具，Altera、Xilinx、Lattice和Actel等。专业的EDA软件公司独立于半导体器件厂商，推出的EDA工具有较好的标准化和兼容性，也比较注意追求技术上的先进性，一般将这类工具称为第三
19、方工具；而半导体器件厂商开发的EDA工具则能够作出针对自己器件特点的优化设计。在表8-1中列出了部分EDA软件，其中也包括了一些模拟/数字混合电路的EDA软件。第8章 电子设计自动化表表8-1 部分部分EDA软件简介软件简介第8章 电子设计自动化表表8-1 部分部分EDA软件简介软件简介第8章 电子设计自动化8.1.4 EDA设计方法设计方法 EDA设计方法属于现代电子设计的范畴，它与经典的电子设计方法不同。主要涵盖行为描述法、IP复用法、ASIC设计方法、数字系统的高层次设计方法、e-DA网上设计方法、软硬件协同设计方法、基于集成平台的设计方法。数字系统的设计包括行为、结构和物理三个领域。行
20、为是指系统的功能，或者说系统应该做什么；结构是指系统的组成，或者说系统的抽象实现，典型的是抽象模块的相互连接；物理是指系统具体实现的几何特征与物理特性，也就是把结构领域中的抽象元件代之以真实的物理元件。根据抽象级别的不同，数字系统又划分为若干层次，一般从顶向下包括系统级、算法级、寄存器传输级（RTL）、逻辑级、电路级等。通常将寄存器传输级以上的层次称为高层次。利用硬件描述语言在寄存器传输级以上的层次进行描述、设计的方法称为数字系统的高层次设计方法，描述的层次越高，设计的层次就越高。第8章 电子设计自动化 数字系统的高层次设计方法代表了现代数字系统设计的发展方向，它的基本特征是：用一片或几片AS
21、IC实现整个数字系统；设计人员遵循“自顶向下”的设计思想，首先对整个系统进行方案设计、功能划分和算法设计，并采用硬件描述语言完成算法级行为描述，最后由EDA工具完成目标器件的设计。ASIC、EDA工具和硬件描述语言是高层次设计方法的三大基石。第8章 电子设计自动化图 8-2 数字系统高层次设计的设计流程第8章 电子设计自动化 在明确系统功能的前提下，首先设计系统的实现方案，然后进行功能划分和算法设计。这些富有创造性的工作与上一章所介绍的基本相同，仍然需要由人工完成，只不过在高层次设计方法中，这些工作不再受市场上通用逻辑器件的局限。设计输入。一般是采用VHDL/Verilog HDL在算法级对系
22、统进行行为描述，此外还可以采用比较直观的图形输入方式（方框图、状态图等）。第8章 电子设计自动化 编译。编译器对以上设计中的HDL描述的语法和语意进行检查和解释，并将以上的输入转换成适当的中间数据格式，为下一步的综合作好准备。功能仿真。功能仿真又称为前仿真，主要是检验系统的逻辑功能设计的正确性，除了系统规定的定时关系以外，对实际电路中的惯性时延、传输时延均不予考虑。对于大型的设计，综合、适配要花费数小时，在综合之前进行功能仿真就可以及早发现设计错误，节约设计时间。一般情况下，对于比较简单的设计，可以略去这一仿真步骤。第8章 电子设计自动化 综合。利用综合器对HDL源代码进行综合优化处理，生成门
23、级描述的网表文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。适配。利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。适配完成后，产生多项设计结果：适配报告（包括芯片内部资源利用情况）、引脚分配和设计的布尔方程描述情况；适配后的仿真模型；器件编程文件。第8章 电子设计自动化 时序仿真。根据适配后的仿真模型，可以进行时序仿真（又称为后仿真），因为已经得到器件的实际硬件特性（如时延特性），所以仿真结果能比较精确地预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果达不到设计要求，就需要修改HDL源代码或选择不同速度品质的器件，直至满足设计要求为止。第
24、8章 电子设计自动化 PLD编程。将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片可编程逻辑器件中。器件测试。在器件编程后，需要利用实验手段测试器件最终的功能和性能指标。如果是大批量产品的开发，通过更换相应厂家的综合库，可以很容易转由掩膜ASIC形式实现。第8章 电子设计自动化8.2 硬件描述语言硬件描述语言Verilog HDL初步初步8.2.1 Verilog HDL 语法基本知识语法基本知识module muxtwo(out,a,b,s1);input a,b,s1;output out;reg out;always (s1 or a or b)if(!s1)out=a;el
25、se out=b;endmodule 第8章 电子设计自动化数据常量-Verilog HDL中共有19种数据类型。1 数字整数整数 二进制数（b或B）十进制数（d或D）十六进制数（h或H）八进制数（o或O）第8章 电子设计自动化数字的三种表达方式：数字的三种表达方式：-全面的描述方式-默认位宽，至少32位-默认位宽与进制（十进制）examples:8b101011008ha2第8章 电子设计自动化x 与与 z-x代表不定值；z（?）代表高阻值examples:4b10 x04b101z12dz12d?8h4x第8章 电子设计自动化负数负数-在位宽表达式前加一个减号（-），减号必须放在数字定义表
- 配套讲稿：
如PPT文件的首页显示word图标，表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制：
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片，仅作为作品整体效果示例展示，禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词：
- 数字电路 系统 设计 课件
淘文阁 - 分享文档赚钱的网站所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
限制150内