电子系统的设计方法

第1章概述第1章概述1.1电子系统的设计方法1.2EDA技术1.3PLD概况1.4可编程逻辑器件的设计第1章概述1.1电子系统的设计方法1.1.1数字系统从概念上讲，凡是利用数字技术处理和传输信息的电子系统都可以称为数字系统。第1章概述1.1.2传统的设计方法与基于芯片的设计方法第1章概述1.2EDA技术1.2.1EDA技术发展概况电子设计自动化(EDA，ElectronicDesignAutomation)是指利用计算机完成电子系统的设计。EDA技术是以计算机和微电子技术为先导，汇集了计算机图形学、拓扑、逻辑学、微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技术。1．CAD阶段(20世纪60年代中期～20世纪80年代初期)第一阶段的特点是一些单独的工具软件，主要有PCB(PrintedCircuitBoard)布线设计、电路模拟、逻辑模拟及版图的绘制等，通过计算机的使用，从而将设计人员从大量繁琐重复的计算和绘图工作中解脱出来。第1章概述2．CAE阶段(20世纪80年代初期～20世纪90年代初期)这个阶段在集成电路与电子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、测试码生成、版图自动布局以及各种单元库已齐全。由于采用了统一数据管理技术，因而能够将各个工具集成为一个CAE(ComputerAidedEngineering)系统。按照设计方法学制定的设计流程，可以实现从设计输入到版图输出的全程设计自动化。第1章概述3．EDA阶段(20世纪90年代以来)20世纪90年代以来，微电子技术以惊人的速度发展，其工艺水平达到深亚微米级，在一个芯片上可集成数百万乃至上千万只晶体管，工作速度可达到GHz此阶段主要出现了以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术，不仅极大地提高了系统的设计效率，而且使设计人员摆脱了大量的辅助性及基础性工作，将精力集中于创造性的方案与概念的构思上。第1章概述1.2.2EDA技术的主要特征(1)高层综合(HLS，HighLevelSynthesis)的理论与方法取得较大进展，将EDA设计层次由RT级提高到了系统级(又称行为级)，并划分为逻辑综合和测试综合。(2)采用硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionLanguage)来描述10万门以上的设计，并形成了VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHDL)和VerilogHDL两种标准硬件描述语言。第1章概述(3)采用平面规划(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。(4)可测性综合设计。(5)为带有嵌入IP模块的ASIC设计提供软硬件协同系统设计工具。第1章概述(6)建立并行设计工程CE(ConcurrentEngineering)框架结构的集成化设计环境，以适应当今ASIC的一些特点第1章概述1.3PLD发展概况1.3.1ASIC及其分类ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)直译为“专用集成电路”，它是面向专门用途的电路,以此区别于标准逻辑(StandardLogic)、通用存储器、通用微处理器等电路。目前在集成电路界,ASIC被认为是用户专用集成电路(CustomerSpecificIC),即它是专门为一个用户设计和制造的。换言之,它是根据某一用户的特定要求，能以低研制成本、短交货周期供货的全定制、半定制集成电路。第1章概述ASIC的分类第1章概述可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice)是ASIC的一个重要分支，是厂家作为一种通用性器件生产的半定制电路，用户可通过对器件编程实现所需要的逻辑功能。PLD是用户可配置的逻辑器件，它的成本比较低，使用灵活，设计周期短，而且可靠性高，风险小，因而很快得到普遍应用，发展非常迅速。第1章概述1.3.2发展趋势(1)向高密度、大规模的方向发展(2)向系统内可重构的方向发展(3)向低电压、低功耗的方向发展(4)向高速可预测延时器件的方向发展(5)向混合可编程技术方向发展第1章概述1.4可编程逻辑器件的设计1.4.1基本设计方法1．传统的系统硬件电路设计方法在EDA出现以前，人们采用传统的硬件电路设计方法来设计系统。传统的硬件电路采用自下而上(Bon。mUp)的设计方法。其主要步骤是：根据系统对硬件的要求，详细编制技术规格书，并画出系统控制流图；然后根据技术规格书和系统控制流图，对系统的功能进行分化，合理地划分功能模块，并画出系统功能框图；第1章概述接着就是进行各功能模块的细化和电路设计；各功能模块电路设计调试完毕以后，将各功能模块的硬件电路连接起来，再进行系统的调试；最后完成整个系统的硬件电路设计。传统自下而上的硬件电路设计方法主要特征如下：（1）采用通用的逻辑元器件。（2)在系统硬件设计的后期进行仿真和调试。(3)主要设计文件是电原理图。第1章概述2．新兴的EDA硬件电路设计方法20世纪80年代初，在硬件电路设计中开始采用计算机辅助设计技术(CAD)，开始仅仅是利用计算机软件来实现印刷板的布线，以后慢慢地才实现了插件板级规模的电子电路设计和仿真。新兴的EDA设计方法采用了自上而下(TopDown)的设计方法。所谓自上而下的设计方法，就是从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。第1章概述利用HDL语言对系统硬件电路的自上而下设计一般分为三个层次，如图3所示。第1章概述第一层为行为描述，它是对整个系统的数学模型的描述。第二层是寄存器传输描述RTL(又称数据流描述)。将行为方式描述的HDL程序，针对某一特定的逻辑综合工具，采用RTL方式描述，然后导出系统的逻辑表达式，再用仿真工具对RTL方式描述的程序进行仿真。第三层是逻辑综合。利用逻辑综合工具，可将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件(门级网络表)，也可将综合结果以逻辑原理图方式输出第1章概述EDA自上而下的设计方法具有以下主要特点。(1)电路设计更趋合理(2)采用系统早期仿真(3)降低了硬件电路设计难度(4)主要设计文件是用HDL语言编写的源程序第1章概述1.4.2设计流程第1章概述1.设计准备在系统设计之前，首先要进行方案论证、系统设计和器件选择等准备工作。2.设计输入设计人员将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来，并送入计算机的过程称为设计输入。设计输入通常的形式如下：(1)原理图输入方式(2)硬件描述语言输入方式(3)波形输入方式3.功能仿真功能仿真也叫前仿真。用户所设计的电路必须在编译之前进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延时信息，对于初步的功能检测非常方便。第1章概述4.设计处理设计处理是器件设计中的核心环节。在设计处理过程中，编译软件将对设计输入文件进行逻辑化简、综合优化和适配，最后产生编程用的编程文件。(1)语法检查和设计规则检查(2)逻辑优化和综合(3)适配和分割(4)布局和布线第1章概述5.时序仿真时序仿真又称后仿真或延时仿真。由于不同器件的内部延时不一样，不同的布局布线方案也给延时造成不同的影响，因此在设计处理以后，对系统和各模块进行时序仿真，分析其时序关系，估计设计的性能，以及检查和消除竞争冒险等是非常有必要的。6.器件编程测试时序仿真完成后，软件就可产生供器件编程使用的数据文件。对EPLD／CPLD来说，是产生熔丝图文件，即JED文件，对于FPGA来说，是产生位流数据文件(BitstreamGen—eration)，然后将编程数据放到对应的具体可编程器件中去。