EDA技术课程第1章.pptx
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1、第1章 绪 论第第1章章 绪论绪论 第第2章章 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件 第第3章章 VHDL编程基础编程基础 第第4章章 常用常用EDA工具软件操作指南工具软件操作指南 第第5章章 EDA实验开发系统实验开发系统 第第6章章 VHDL设计应用实例设计应用实例 第第7章章 EDA技术实验技术实验目 录 第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 EDA技术的涵义技术的涵义1.2 EDA技术的发展历程技术的发展历程1.3 EDA技术的主要内容技术的主要内容1.4 EDA软件系统的构成软件系统的构成1.5 EDA工具的发展趋势工具的发展趋势1.6 EDA的工程设计流程的工程设计流程1.7
2、数字系统的设计数字系统的设计1.8 EDA技术的应用展望技术的应用展望 第1章 绪 论1.1 EDA技术的涵义技术的涵义 什么叫EDA技术?由于它是一门迅速发展的新技术,涉及面广,内容丰富,因而理解各异,目前尚无统一的看法。作者认为:EDA技术有狭义的EDA技术和广义的EDA技术之分。狭义的EDA技术,就是指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、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具,通过有关的开发软件,自动完成用软件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,直至对于特定
3、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。第1章 绪 论 本书讨论的对象专指狭义的EDA技术。广义的EDA技术,除了狭义的EDA技术外,还包括计算机辅助分析CAA技术(如PSPICE、EWB、MATLAB等)和印刷电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(如PROTEL、ORCAD等)。在广义的EDA技术中,CAA技术和PCB-CAD技术不具备逻辑综合和逻辑适配的功能,因此它并不能称为真正意义上的EDA技术。故作者认为将广义的EDA技术称为现代电子设计技术更为合适。第1章 绪 论利用EDA技术(特指IES/A
4、SIC自动设计技术)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;从以前的“组合设计”转向真正的“自由设计”;设计的移植性好,效率高;非常适合分工设计,团体协作。因此,EDA技术是现代电子设计的发展趋势。第1章 绪 论1.2 EDA技术的发展历程技术的发展历程 EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展,经历了计算机辅助设计(Computer Assist Design,简称CAD)、计算机
5、辅助工程设计(Computer Assist Engineering Design,简称CAE)和电子设计自动化(Electronic Design Automation,简称EDA)三个发展阶段。第1章 绪 论 1.20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。第1章 绪 论 由于设计师
6、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。第1章 绪 论 2.20世纪世纪80年代的计算机辅助工程设计年代的计算机辅助工程设计CAE阶段阶段 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
7、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。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。第1章 绪 论 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,
8、在设计阶段对产品性能的分析前进了一大步。第1章 绪 论 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。第1章 绪 论 3.20世纪
9、世纪90年代电子系统设计自动化年代电子系统设计自动化EDA阶段阶段 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。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
10、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。第1章 绪 论 20世纪90年代,设计师逐步从使用硬件转向设计硬件,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。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
11、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。第1章 绪 论 只有具备上述功能的EDA工具,才可能使电子系统工程师在不熟悉各种半导体工艺的情况下,完成电子系统的设计。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
12、EDA技术将是对21世纪产生重大影响的十大技术之一。第1章 绪 论1.3 EDA技术的主要内容技术的主要内容 EDA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?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;硬件描述语言;软件开发工具;实验开发系统。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
13、对EDA技术的主要内容进行概要的介绍。第1章 绪 论1.3.1 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件可编程逻辑器件(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。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。典型CPLD产品有:Lattice公司的ispMACH4A5、ispMACH4000、ispXPLD5000等系列;Alte
14、ra公司的MAX3000A、MAX7000等系列;Xilinx公司的CoolRunner-、CoolRunner XPLA3、XC9500/XL/XV等系列。第1章 绪 论 典型FPGA产品有:Lattice公司的MachXO、ispXPGA、EC/ECP、ECP2/M(含S系列)、ECP3、SC/SCM、XP/XP2、FPSC等系列;Altera公司的MAX、Cyclone、Cyclone、Cyclone、Arria GX、ArriaGX、STRATIX、STRATIX、STRATIX、STRATIX、FLEX10K、FLEX8000、APEX20K、APEX、ACEX1K等系列;Xilin
15、x公司的XC3000、XC4000、XC5200、Spartan、SpartanE、Spartan-3、Spartan-3A、Spartan-3E、Spartan-3L、Spartan-6、Virtex、Virtex-E、Virtex-、Virtex-4、Virtex-5、Virtex-6等系列。近年来,随着集成电路制造技术的飞速发展,这些公司不断地推出集成度更高、性能更好的产品系列和品种,现在一块CPLD/FPGA芯片上其等效逻辑门数可从几千到几百万。第1章 绪 论 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
16、,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,FPGA/CPLD有着非常广阔的应用前景。在高可靠性应用领域,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。第1章 绪 论由于FPGA/CPLD的集成规模非常大,因此可利用先进的EDA工具进行电子系统设计和产品开发。由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以
17、及设计过程几乎与所用器件的硬件结构无关,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。它们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,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辑与IP核(Core)的拼装,其设计周期将更短。第1章 绪 论与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
18、,可将在生产中充分检验过的VHDL设计迅速投产。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。第1章 绪 论1.3.2.硬件描述语言硬件描述语言(HDL)常用的硬件描述语言有VHDL、Verilog、ABEL。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。Verilog:支持的EDA工具
19、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。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。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。第1章 绪 论1.3.3 EDA软件开发工具软件开发工具1主流厂家的主流厂家的EDA软件工具软件工具目前比较流行的、主流厂家的EDA软件工具有Altera公司的Quartus、Xilinx的ISE/ISE-WebPACK Series和Lattice公司的isp
20、LEVER。这些软件的基本功能相同,主要差别在于:面向的目标器件不一样;性能各有优劣。第1章 绪 论 (1)Quartus:是Altera公司新近推出的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可以直接调用这些第三方工具。同样,Quartus 具备仿真功能,但也支持第三方的仿真工具,如Modelsim。此外,Qua
21、rtus 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 还可与SOPC Builder结合,实现SOPC系统开发。第1章 绪 论(2)ISE/ISE-WebPACK Series:是Xilinx公司新近推出的EDA集成软件开发环境(Integrated Software Environment,简称为ISE)。Xilinx ISE操作简易方便,其提供的各种最新改良功能能解决以往各种设计上的瓶颈,加快了设计与检验的流程,如Project Nav
22、igator(先进的设计流程导向专业管理程式)让顾客能在同一设计工程中使用Synplicity与 Xilinx的合成工具,混合使用VHDL及Verilog HDL源程序,让设计人员能使用固有的IP与HDL设计资源,达至最佳的结果。使用者亦可链接与启动Xilinx Embedded Design Kit(EDK)XPS专用管理器,以及使用新增的Automatic Web Update功能来监视软件的更新状况,也可让使用者下载更新档案,以令其ISE的设定维持最佳状态。各版本的 ISE 软件皆支持 Windows 2000、Windows XP 操作系统。第1章 绪 论 (3)ispLEVER:是L
23、attice 公司最新推出的一套EDA软件。提供设计输入、HDL综合、验证、器件适配、布局布线、编程和在系统设计调试。设计输入可采用原理图、硬件描述语言、混合输入三种方式。能对所设计的数字电子系统进行功能仿真和时序仿真。软件中含有不同的工具,适用于各个设计阶段。软件包含Synplicity公司的“Synplify”、Exemplar Logic公司的“Leonardo”综合工具和Lattice公司的ispVM器件编程工具。ispLEVER软件提供给开发者一个有力的工具,用于设计所有Lattice公司可编程逻辑产品。软件不仅支持所有Lattice公司的ispLSI、MACH、ispGDX、isp
24、GAL、GAL器件,还支持Lattice公司新的FPGA、FPSC、ispXPGATM和ispXPLDTM产品系列。这使得ispLEVER的用户能够设计所有Lattice公司的业界领先的FPGA、FPSC、CPLD产品而不必学习新的设计工具。第1章 绪 论2第三方第三方EDA工具工具在基于EDA技术的实际开发设计中,由于所选用的EDA工具软件的某些性能受局限或不够好,为了使自己的设计整体性能最佳,往往需要使用第三方工具。业界最流行的第三方EDA工具有:逻辑综合性能最好的Synplify和仿真功能最强大的ModelSim。第1章 绪 论(1)Synplify:是Synplicity公司(该公司现
25、在是Cadence的子公司)的著名产品,是一个逻辑综合性能最好的FPGA和CPLD的逻辑综合工具。它支持工业标准的Verilog和VHDL硬件描述语言,能以很高的效率将它们的文本文件转换为高性能的面向流行器件的设计网表;它在综合后还可以生成VHDL和Verilog仿真网表,以便对原设计进行功能仿真;它具有符号化的FSM编译器,以实现高级的状态机转化,并有一个内置的语言敏感的编辑器;它的编辑窗口可以在HDL源文件高亮显示综合后的错误,以便能够迅速定位和纠正所出现的问题;它具有图形调试功能,在编译和综合后可以以图形方式(RTL图、Technology图)观察结果;它具有将VHDL文件转换成RTL图
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