第1章技术概述精选文档.ppt
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1、第1章 技术概述1本讲稿第一页,共三十七页p 以大规模以大规模可编程逻辑器件可编程逻辑器件为设计载体为设计载体p 以以硬件描述语言硬件描述语言为主要表达方式为主要表达方式p 以计算机、大规模可编程逻辑器件的以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件开发软件及及实验开发系统实验开发系统为设计工具为设计工具p自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、仿真化、仿真Electronic Design Automation1.1 EDA1.1 EDA技术涵义技术涵义2本讲稿第二页,共三十七页EDAEDA的广义定义范围包括:的广义定义范围包括:1 1、半导体工艺设计自动
2、化;、半导体工艺设计自动化;2 2、可编程器件设计自动化;、可编程器件设计自动化;3 3、电子系统设计自动化;、电子系统设计自动化;4 4、印刷电路板设计自动化;、印刷电路板设计自动化;5 5、仿真与测试、故障诊断自动化;、仿真与测试、故障诊断自动化;6 6、形式验证自动化。、形式验证自动化。以上各部分统称为以上各部分统称为EDAEDA工程工程3本讲稿第三页,共三十七页 EDA技术的主要内容实现载体:大规模可编程逻辑器件 (PLD:Programmable Logic Device)描述方式:硬件描述语言 (HDL:Hard descripation Lauguage)VHDL、Verlog
3、HDL等设计工具:开发软件、开发系统硬件验证:实验开发系统4本讲稿第四页,共三十七页EDAEDA技术涉及的领域技术涉及的领域q包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA的应用。目前的应用。目前EDA技术已在各大公司、企技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中,从设计、性能测试及特性分析机制造过程中,从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟,都可能涉及到直到飞行模拟,都可能涉及到EDA技术。技术。5本讲稿第五
4、页,共三十七页EDA技术的应用6本讲稿第六页,共三十七页1.2 EDA1.2 EDA技术的发展历程技术的发展历程手工设计,人工布线手工设计,人工布线计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD,20世纪世纪70年代)年代)电子设计自动化电子设计自动化(EDA,20世纪世纪90年代至今年代至今)计算机辅助工程计算机辅助工程(CAE,20世纪世纪80年代年代)7本讲稿第七页,共三十七页CAD阶段阶段CAD软件功能十分简单,还涉及不到自动化和智软件功能十分简单,还涉及不到自动化和智能化。能化。电子设计工程师利用图形界面和相应的电路模型,电子设计工程师利用图形界面和相应的电路模型,用用CAD软件设计印刷电路板
5、和集成电路版图,设软件设计印刷电路板和集成电路版图,设计可达到几百个门的程度。计可达到几百个门的程度。本阶段的本阶段的EDA工具供应商只有几家,产品几乎全部工具供应商只有几家,产品几乎全部面向面向LSI和和PCB布线设计。典型的产品如布线设计。典型的产品如TangoPCB布线软件。布线软件。8本讲稿第八页,共三十七页CAE阶段阶段80年代,当时的年代,当时的Mentor、DaisySystems及及LogicSystem公司开始提供带电路图编辑工具和逻辑模拟工具的公司开始提供带电路图编辑工具和逻辑模拟工具的CAE软件软件。除了除了CAD纯粹的图形绘制功能外,又增加了电路功能纯粹的图形绘制功能外
6、,又增加了电路功能设计和结构设计,并且通过电气连接网络表将两者结设计和结构设计,并且通过电气连接网络表将两者结合在一起,以实现工程设计,这就是计算机辅助工程合在一起,以实现工程设计,这就是计算机辅助工程(CAE)的概念。)的概念。CAE的主要功能是:原理图输入、逻辑仿真、电路的主要功能是:原理图输入、逻辑仿真、电路分析、自动布局布线和分析、自动布局布线和PCB后分析等。其中,自动后分析等。其中,自动布局布线仍是今后算法研究领域的热门课题。布局布线仍是今后算法研究领域的热门课题。9本讲稿第九页,共三十七页CAD/CAECAD/CAE的局限性的局限性尽管尽管CAD/CAE技术取得了巨大的成功,但并
7、没技术取得了巨大的成功,但并没有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中,自动化和智能化程度还不高,在整个设计过程中,自动化和智能化程度还不高,各种各种CAD/CAE软件界面千差万别,学习使用困软件界面千差万别,学习使用困难,并且互不兼容,直接影响到设计环节间的衔难,并且互不兼容,直接影响到设计环节间的衔接。接。基于以上不足,人们开始追求贯彻整个设计过程基于以上不足,人们开始追求贯彻整个设计过程的自动化,这就是的自动化,这就是EDA,即电子设计自动化。,即电子设计自动化。EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向。代表了当今电子设计技术的最新发
8、展方向。10本讲稿第十页,共三十七页EDA阶段阶段设计人员按照设计人员按照“自顶向下自顶向下”的设计方法,对整个的设计方法,对整个系统进行方案设计和功能划分,然后采用硬件描系统进行方案设计和功能划分,然后采用硬件描述语言(述语言(HDL)完成系统行为级设计,最后通)完成系统行为级设计,最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。过综合器和适配器生成最终的目标器件。EDA的设计方法被称为高层次的电子设计方法。的设计方法被称为高层次的电子设计方法。EDA软件以逻辑综合、硬件行为仿真、参数分软件以逻辑综合、硬件行为仿真、参数分析和测试为重点。设计工具门类齐全,能够提供析和测试为重点。设计工具门类齐全,
9、能够提供系统设计需要的全部工具,包括设计输入、逻辑系统设计需要的全部工具,包括设计输入、逻辑综合、设计优化、设计验证和性能评估等。综合、设计优化、设计验证和性能评估等。11本讲稿第十一页,共三十七页1.3 EDA技术的崭新特点电子技术各个领域全方位融入电子技术各个领域全方位融入EDA技术技术IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计领域得核在电子行业的产业领域、技术领域和设计领域得到了广泛的应用。到了广泛的应用。在在FPGA上实现上实现DSP应用成为可能应用成为可能嵌入式软核处理器的出现,使嵌入式软核处理器的出现,使SOPC进入大规模应用阶进入大规模应用阶段。段。EDA软件支持的各种硬件描述语
10、言使设计和趋于简软件支持的各种硬件描述语言使设计和趋于简单单EDA技术使电子领域各学科相互包容和渗透。技术使电子领域各学科相互包容和渗透。12本讲稿第十二页,共三十七页EDA技术基本特征基于芯片的设计方法基于芯片的设计方法 自顶向下的设计方法自顶向下的设计方法 逻辑综合与优化逻辑综合与优化 硬件仿真硬件仿真 自动布局布线自动布局布线 硬件描述语言硬件描述语言 13本讲稿第十三页,共三十七页基于芯片的设计方法基于芯片的设计方法传统的数字系统设计方法是选择分立器件,通过传统的数字系统设计方法是选择分立器件,通过设计电路板来实现系统功能。设计电路板来实现系统功能。利用利用EDA工具,采用可编程逻辑器
11、件,通过设计工具,采用可编程逻辑器件,通过设计芯片来实现系统功能,就称为基于芯片的设计方芯片来实现系统功能,就称为基于芯片的设计方法。法。随着可编程逻辑器件的规模和速度不断提高,使随着可编程逻辑器件的规模和速度不断提高,使在芯片上设计一个系统成为可能,这就是在芯片上设计一个系统成为可能,这就是SOC(SystemOnChip)的概念。)的概念。14本讲稿第十四页,共三十七页自顶向下的设计方法自顶向下的设计方法传统传统的设计方法是的设计方法是自底向上(自底向上(Bottom-Up)地构造地构造出一个新的系统,如同一砖一瓦地建造金字塔,出一个新的系统,如同一砖一瓦地建造金字塔,效率低且成本高。效率
12、低且成本高。自顶向下(自顶向下(Up-Bottom)设计方法)设计方法则首先从系统设则首先从系统设计入手,在顶层进行功能方框图的划分和结构设计入手,在顶层进行功能方框图的划分和结构设计,并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行计,并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述,在系统级进行验证。然后用综合优化工具描述,在系统级进行验证。然后用综合优化工具生成具体门电路的网表,其对应的物理实现级可生成具体门电路的网表,其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的,这不仅有利于早期
13、发现结构设计上的错误,成的,这不仅有利于早期发现结构设计上的错误,避免设计工作的浪费,而且也减少了逻辑功能仿避免设计工作的浪费,而且也减少了逻辑功能仿真的工作量,提高了设计的一次成功率。真的工作量,提高了设计的一次成功率。15本讲稿第十五页,共三十七页传统设计方法:传统设计方法:Bottom-up,基于电路板的设计方法,基于电路板的设计方法固定功能元件固定功能元件电路板设计电路板设计完整系统构成完整系统构成系统调试、测试与性能分析系统调试、测试与性能分析系统功能需求系统功能需求输入输出16本讲稿第十六页,共三十七页1.1.设计依赖于设计师的经验。设计依赖于设计师的经验。2.2.设计依赖于现有的
14、通用元器件。设计依赖于现有的通用元器件。3.3.设计后期的仿真不易实现和调试复杂。设计后期的仿真不易实现和调试复杂。4.4.自下而上设计思想的局限。自下而上设计思想的局限。5.5.设计实现周期长,灵活性差,耗时设计实现周期长,灵活性差,耗时 耗力,效率低下。耗力,效率低下。传统设计方法的缺点:传统设计方法的缺点:17本讲稿第十七页,共三十七页系统规格设计系统规格设计功能级描述功能级描述功能级仿真功能级仿真逻辑综合、优化、布局布线逻辑综合、优化、布局布线定时仿真、定时检查定时仿真、定时检查输出门级网表输出门级网表ASICASIC芯片投片、芯片投片、PLDPLD器件编程、测试器件编程、测试ASIC
15、:ApplicationSpecificIntegratedCircuitsPLD:ProgrammableLogicDevices自顶向自顶向下设计下设计方法方法18本讲稿第十八页,共三十七页传统方法传统方法1.1.从下至上从下至上2.2.通用的逻辑元、器件通用的逻辑元、器件3.3.系统硬件设计的后期系统硬件设计的后期 进行仿真和调试进行仿真和调试4.4.主要设计文件是电原主要设计文件是电原 理图理图 EDAEDA方法方法1.1.自上至下自上至下2.2.可编程逻辑器件可编程逻辑器件3.3.系统设计的早期进行仿系统设计的早期进行仿 真和修改真和修改4.4.多种设计文件,发展趋多种设计文件,发展
16、趋 势以势以 HDLHDL描述文件为主描述文件为主5.5.降低硬件电路设计难度降低硬件电路设计难度19本讲稿第十九页,共三十七页特点特点 用软件的方式设计硬件;用软件的方式设计硬件;自动化;自动化;可仿真;可仿真;系统可现场编程,在线升级(系统可现场编程,在线升级(ISP);集成度高(集成度高(SoC)、体积小、功耗低、可靠性)、体积小、功耗低、可靠性高、保密性强。高、保密性强。20本讲稿第二十页,共三十七页逻辑综合与优化逻辑综合与优化 q综合的任务是将所设计的数字系统从高级硬件综合的任务是将所设计的数字系统从高级硬件描述语言的描述最终变为可直接用于芯片设计描述语言的描述最终变为可直接用于芯片
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