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1、电子EDA技术与应用第一章：EDA概述l什么叫什么叫EDA技术？技术？由于它是一门迅速发展的新技术，涉及由于它是一门迅速发展的新技术，涉及面广，内容丰富，理解各异，目前尚无统面广，内容丰富，理解各异，目前尚无统一的看法。作者认为：一的看法。作者认为：EDA技术有狭义和技术有狭义和广义之分，狭义广义之分，狭义EDA技术就是以大规模可技术就是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语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、大规模可编程逻辑器件的开发软件算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具。及实验开
2、发系统为设计工具。1.1 EDA技术的涵义技术的涵义什么叫EDA技术？通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计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、逻辑布局布线、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新技术，或称为IES/ASIC自动设计技术。什么叫EDA技术？本课程讨论的对象为狭义的EDA技术。广义的EDA技术除狭义的EDA技术之外，还包括计算机辅助分析CAA技术（如PSPICE，EWB,MATLAB等），印刷电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术（如PROTEL,ORCAD等）。利用
3、EDA技术进行电子系统的设计具有以下几个特点：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。因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。1.2 EDA技术发展历程 EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了1.计算机辅助设计(Computer Assist Design，简称CAD)、2.计算机辅助工程设计(Computer Assist Engineering Design，简称CAE)3.电子设计自动化(Electr
4、onic Design Automation，简称EDA)三个发展阶段。120世纪世纪70年代的计算机辅助设计年代的计算机辅助设计CAD阶段阶段早期的电子系统硬件设计采用的是分立元件，随着集成电路的出现和应用，硬件设计进入到发展的初级阶段。初级阶段的硬件设计大量选用中小规模标准集成电路，人们将这些器件焊接在电路板上，做成初级电子系统，对电子系统的调试是在组装好的PCB(Printed Circuit Board)板上进行的由于设计师对图形符号使用数量有限，传统的手工布图方法无法满足产品复杂性的要求，更不能满足工作效率的要求。这时，人们开始将产品设计过程中高度重复性的繁杂劳动，如布图布线工作，用
5、二维图形编辑与分析的CAD工具替代，最具代表性的产品就是美国ACCEL公司开发的Tango布线软件。20世纪70年代，是EDA技术发展初期，由于PCB布图布线工具受到计算机工作平台的制约，其支持的设计工作有限且性能比较差。220世纪世纪80年代的计算机辅助年代的计算机辅助工程设计工程设计CAE阶段阶段l初级阶段的硬件设计是用大量不同型号的标准芯片实现电子系统设计的。随着微电子工艺的发展，相继出现了集成上万只晶体管的微处理器、集成几十万直到上百万储存单元的随机存储器和只读存储器。此外，支持定制单元电路设计的硅编辑、掩膜编程的门阵列，如标准单元的半定制设计方法以及可编程逻辑器件(PAL和GAL)等
6、一系列微结构和微电子学的研究成果都为电子系统的设计提供了新天地。l 因此，可以用少数几种通用的标准芯片实现电子系统的设计。l 伴随计算机和集成电路的发展，EDA技术进入到计算机辅助工程设计阶段。20世纪80年代初，推出的EDA工具则以逻辑模拟、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，能生成产品制造文件，在设计阶段对产品性能的分析前进了一大步。l 如果说20世纪70年代的自动布局布线的CAD工具代替了设计工作中绘图的重复劳动，那么，到了20世纪80年代出现的具有自动综合能力的CAE工具则代替
7、了设计师的部分工作，对保证电子系统的设计，制造出最佳的电子产品起着关键的作用。到了20世纪80年代后期，EDA工具已经可以进行设计描述、综合与优化和设计结果验证，CAE阶段的EDA工具不仅为成功开发电子产品创造了有利条件，而且为高级设计人员的创造性劳动提供了方便。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。3.20世纪世纪90年代电子系统设计年代电子系统设计自动化自动化EDA阶段阶段l为了满足千差万别的系统用户提出的设计要求，最好的办法是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。微电子技术的发展，特别是可编
8、程逻辑器件的发展，使得微电子厂家可以为用户提供各种规模的可编程逻辑器件，使设计者通过设计芯片实现电子系统功能。EDA工具的发展，又为设计师提供了全线EDA工具。l这个阶段发展起来的EDA工具，目的是在设计前期将设计师从事的许多高层次设计由工具来完成，如可以将用户要求转换为设计技术规范，有效的处理可用的设计资源与理想的设计目标之间的矛盾，按具体的的硬件、软件和算法分解设计等。由于电子技术和EDA工具的发展，设计师可以在不太长的时间内使用EDA工具，通过一些简单标准化的设计过程，利用微电子厂家提供的设计库来完成数万门ASIC和集成系统的设计与验证。l 20世纪90年代，设计师逐步从使用硬件转向设计
9、硬件，从单个电子产品开发转向系统级电子产品开发(即片上系统集成，System on a chip)。因此，EDA工具是以系统机设计为核心，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。l 这时的EDA工具不仅具有电子系统设计的能力，而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高级抽象的设计构思手段。例如，提供方框图、状态图和流程图的编辑能力，具有适合层次描述和混合信号描述的硬件描述语言(如VHDL、AHDL或Verilog-HDL)，同时含有各种工艺的标准元件库。只有具备上述功能的EDA工具，才可能是电子设计工程师
10、在不熟悉各种半导体工艺的情况下，完成电子系统的设计。l未来的EDA技术将向广度和深度两个方向发展，EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域，随着基于EDA的SOC(单片系统)设计技术的发展，软硬核功能库的建立，以及基于VHDL所谓自顶向下设计理念的确立，未来的电子系统的设计与规划将不再是电子工程师们的专利。有专家认为，21世纪将是EDA技术快速发展的时期，并且EDA技术将是对21世纪产生重大影响的十大技术之一。1.3 EDA技术的主要内容技术的主要内容lEDA技术涉及面广，内容丰富，从教学和实用的角度看，究竟应掌握些什么内容呢?l作者认为，主要应掌握如下四个方面的内容：大规模可编程逻辑器件；l
11、 硬件描述语言；l 软件开发工具；l 实验开发系统。l其中，大规模可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体，硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段，软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具，实验开发系统则是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。为了使读者对EDA技术有一个总体印象，下面对EDA技术的主要内容进行概要的介绍。1.3.1.大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件l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。FPGA和CPLD分别是现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件的简称
12、，现在，FPGA和CPLD器件的应用已十分广泛，它们将随着EDA技术的发展而成为电子设计领域的重要角色。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。l Xilinx公司的FPGA器件有XC2000，XC3000，XC4000，XC4000E，XC4000XLA，XC5200系列等，可用门数为120018 000；Altera公司的CPLD器件有FLEX6000，FLEX8000，FLEX10K，FLEX10KE系列等，提供门数为500025 000；Lattice公司的ISP-PLD器件有ispLSI1000，i
13、spLSI2000，ispLSI3000，ispLSI6000系列等，集成度可多达25 000个PLD等效门。l 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。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。高集成度、高速度和高可靠性是FPGA/CPLD最明显的特点，其时钟延时可小至ns级，结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有着非常广阔的应用前景。在高可靠应用领域，如果设计得当，将不会存在类似于MCU的复位不可靠和PC可能跑飞等问题。FPGA/CPLD的高可靠性还表现在几乎可将整个系统
14、下载于同一芯片中，实现所谓片上系统，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。由于FPGA/CPLD的集成规模非常大，可利用先进的EDA工具进行电子系统设计和产品开发。l由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用器件的硬件结构没有关系，因而设计开发成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性。l它几乎可用于任何型号和规模的FPGA/CPLD中，从而使得产品设计效率大幅度提高。l 可以在很短时间内完成十分复杂的系统设计，这正是产品快速进入市场最宝贵的特征。美国IT公司认为，一个ASIC 80%的功能可用于IP核等现成逻辑合成。而未来大系统的FPGA/CPLD设计仅仅是各类再应用逻
15、辑与IP核(Core)的拼装，其设计周期将更短。l 与ASIC设计相比，FPGA/CPLD显著的优势是开发周期短、投资风险小、产品上市速度快、市场适应能力强和硬件升级回旋余地大，而且当产品定型和产量扩大后，可将在生产中达到充分检验的VHDL设计迅速实现ASIC投产。l对于一个开发项目，究竟是选择FPGA还是选择CPLD 呢?主要看开发项目本身的需要。对于普通规模，且产量不是很大的产品项目，通常使用CPLD比较好。对于大规模的逻辑设计ASIC设计，或单片系统设计，则多采用FPGA。另外，FPGA掉电后将丢失原有的逻辑信息，所以在实用中需要为FPGA芯片配置一个专用ROM。1.3.2.硬件描述语言
16、硬件描述语言(HDL)l常用的硬件描述语言有VHDL、Verilog、ABEL。lVHDL：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。l Verilog：支持的EDA工具较多，适用于RTL级和门电路级的描述，其综合过程较VHDL稍简单，但其在高级描述方面不如VHDL。l ABEL：一种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，由于其语言描述的独立性，因而适用于各种不同规模的可编程器件的设计。l 有专家认为，在新世纪中，VHDL与Verilog语言将承担几乎全部的数字系统设计任务。1.3.5关于关于EDA技术的学技术的学习重点及学习方法习重点及学习方法 lEDA技术作为一门发展迅速、有着广阔应用前景的新技术，涉及面广，内容丰富。作者结合自己的学习及教学体会，就EDA技术学习的有关问题提出一些指导意见，供读者参考。1)EDA技术的学习重点 l从实用和教学的角度讲，作者认为，EDA技术的学习主要应掌握四个方面的内容：大规模可编程逻辑器件；硬件描述语言；软件开发工具；实验开发系统。其中，硬件描述语言是重点。l 对于大规模
