EDA技术教程最新版第1章概述

EDA技术及应用教学目的：了解一类器件，掌握一种语言，熟悉一种设计工具。课时安排：72课时（课堂教学54课时，实验18课时）教材：《EDA技术实用教程——VHDL版》（第五版）潘松黄继业编著黄旭[e-mail]第1章概述1.1EDA技术概述1.2硬件描述语言简介1.3基于HDL的自顶向下的设计方法1.4EDA设计流程1.5常用EDA工具1.6IP核本章小结第1章概述1.1EDA技术概述一、EDA技术及其发展二、EDA技术实现目标及主要内容三、EDA技术的优势四、EDA技术的发展趋势五、EDA技术的应用一、EDA技术及其发展第1章概述1、EDA技术的含义EDA是ElectronicDesignAutomation(电子设计自动化)的缩写。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、大规模可编程器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，自动完成用软件方式描述的电子系统到硬件的逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合及优化、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多学科融合的新技术。一、EDA技术及其发展第1章概述2、EDA技术的优点⑴、采用自顶向下的设计方法。⑵、采用系统仿真。⑶、多种设计描述方式。⑷、高度集成化EDA开发系统。⑸、PLD在系统（在线）编程（ISP）能力。⑹、可实现单片系统集成（SOC），减小产品体积、重量、降低综合成本。⑺、提高产品可靠性。⑻、降低电子产品功耗。⑼、提高电子产品的工作速度。一、EDA技术及其发展第1章概述3、EDA技术的发展EDA技术伴随着计算机、集成电路和电子系统设计的发展，经历了计算机辅助设计(ComputerAssistDesign，CAD)、计算机辅助工程设计(ComputerAssistEngineeringDesign，CAED)和电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation，EDA)三个发展阶段。●20世纪70年代的计算机辅助设计(CAD)阶段●20世纪80年代的计算机辅助工程设计(CAED)阶段●20世纪90年代电子系统设计自动化(EDA)阶段一、EDA技术及其发展第1章概述3、EDA技术的发展●21世纪以后电子设计成果以自主知识产权（IP）的方式得以明确表达和确认成为可能。在仿真验证和设计两方面都支持标准HDL的功能强大的EDA软件不断推出。电子技术全方位进入EDA时代。EDA使得电子技术领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容。更大规模的FPGA/CPLD器件不断推出。二、EDA技术实现目标及主要内容第1章概述1、实现目标完成专用集成电路ASIC或印制电路板PCB的设计和实现。二、EDA技术实现目标及主要内容第1章概述1、实现目标作为EDA技术最终实现目标的ASIC，通过三种途径来完成：⑴.超大规模可编程逻辑器件⑵.半定制或全定制ASIC⑶.混合ASIC二、EDA技术实现目标及主要内容第1章概述1、实现目标⑴.可编程逻辑器件FPGA/CPLDFPGA/CPLD的特点是高集成度、高速和高可靠；时钟延迟可达纳秒级；采用并行工作方式。它直接面向用户，具有极大的灵活性和通用型，使用方便，硬件测试和实现快捷。在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。FPGA/CPLD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。二、EDA技术实现目标及主要内容第1章概述1、实现目标⑵.半定制或全定制ASIC门阵列ASIC标准单元ASIC全定制芯片⑶.混合ASIC二、EDA技术实现目标及主要内容第1章概述2、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，主要应掌握如下四个方面的内容：①大规模可编程逻辑器件；②软件开发工具；③硬件描述语言；④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。二、EDA技术实现目标及主要内容第1章概述2、主要内容实现载体：大规模可编程逻辑器件（PLD——ProgrammableLogicDevice)描述方式：硬件描述语言HDL（VHDL，VerilogHDL)设计工具：开发软件，开发系统硬件验证：实验开发系统三、EDA技术的优势第1章概述可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证；大大降低设计成本，缩短设计周期。有各类库的支持，某些HDL语言也是文档型的语言(如VHDL)；日益强大的逻辑设计仿真测试技术；设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞；良好的可移植与可测试性，为系统开发提供了可靠的保证；能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中；在整个设计流程上充分利用计算机的自动设计能力，在各个设计层次上利用计算机完成不同内容的仿真模拟，在系统板设计结束后仍可利用计算机对硬件系统进行完整全面的测试。四、EDA技术的发展趋势第1章概述系统集成芯片成为IC设计的发展方向，这一发展趋势表现在如下几个方面:1.超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，深亚微米(Deep-Submicron)工艺，如0.18μm，0.13μm已经走向成熟，在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能。2.由于工艺线宽的不断减小，在半导体材料上的许多寄生效应已经不能简单地被忽略，这就对EDA工具提出更高要求，同时使得IC生产线的投资更为巨大，这一变化使得可编程逻辑器件PLD进入传统的ASIC市场。四、EDA技术的发展趋势第1章概述3.市场对电子产品提出了更高的要求，如必须降低电子系统的成本，减小系统的体积等，从而对系统的集成度不断提出更高的要求。同时，设计速度成为产品能否成功的关键，这促使EDA工具和IP核的应用更为广泛。4.高性能的EDA工具得到长足的发展，其自动化和智能化程度不断提高，为嵌入式系统设计提供了功能强大的开发环境。5.计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的SoC设计提供了物理基础。五、EDA技术的应用第1章概述1.将广泛应用于高校电类专业的实践教学工作中各种数字集成电路芯片，用VHDL语言可以进行方便的描述，经过生成元件后可作为一个标准元件进行调用。同时，借助于VHDL开发设计平台，可以进行系统的功能仿真和时序仿真，借助于实验开发系统可以进行硬件功能验证等，因而可大大地简化数字电子技术的实验，并可根据学生的设计不受限制地开展各种实验。五、EDA技术的应用第1章概述1.将广泛应用于高校电类专业的实践教学工作中对于电子技术课程设计，特别是关于数字系统的课题，在EDA实验室不需添加任何新的东西，即可设计出各种比较复杂的数字系统，并且借助于实验开发系统可以方便地进行硬件验证，如设计频率计、交通控制灯、秒表等。自1997年全国第三届电子设计竞赛采用FPGA/CPLD器件以来，FPGA/CPLD已得到了越来越多选手的利用，并且有些给定的课题如果不借助于FPGA/CPLD器件可能根本无法实现。因此EDA技术将成为各种电子技术设计竞赛选手必须掌握的基本技能与制胜的法宝。五、EDA技术的应用第1章概述2.将广泛应用于科研和新产品的开发中由于可编程逻辑器件性能价格比的不断提高，开发软件功能的不断完善，EDA技术设计电子系统具有用软件的方式设计硬件；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等特点的利用，使其将广泛应用于科研工作和新产品的开发工作中。五、EDA技术的应用第1章概述3.将广泛应用于专用集成电路的开发可编程器件制造厂家可按照一定的规格以通用器件大量生产，用户可按通用器件从市场上选购，然后按自己的要求通过编程实现专用集成电路的功能。因此，对于集成电路制造技术与世界先进的集成电路制造技术尚有一定差距的我国，开发具有自主知识产权的专用集成电路，已成为相关专业人员的重要任务。五、EDA技术的应用第1章概述4.将广泛应用于传统机电设备的升级换代和技术改造传统机电设备的电气控制系统，如果利用EDA技术进行重新设计或进行技术改造，不但设计周期短、设计成本低，而且将提高产品或设备的性能，缩小产品体积，提高产品的技术含量，提高产品的附加值。第1章概述1.2硬件描述语言简介硬件描述语言HDL是EDA技术的重要组成部分，目前常用的HDL主要有：VHDLVerilogHDLSystemCSystemVerilog其中，VHDL、VerilogHDL使用最多，几乎所有主流EDA工具都支持。SystemC和SystemVerilog还处于完善中，主要加强了系统验证方面的功能。一、VHDL简介第1章概述硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分，VHDL是作为电子设计主流硬件的描述语言。VHDL——Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage，诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言，IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076(简称87版)。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，（简称93版）。一、VHDL简介第1章概述VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL语言具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性；VHDL语言具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性；VHDL语言具有良好的电路行为描述和系统描述的能力。用VHDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现，而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。一、VHDL简介第1章概述VHDL特点（1）与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。（2）VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。（3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。一、VHDL简介第1章概述VHDL特点（4）对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。（5）VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。（6）VHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能，对已完成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变端口类属参量或函数，就能改变设计的规模和结构。二、VHDL与Verilog语言的比较第1章概述常用硬件描述语言有VHDL、Verilog语言。VHDL起源于美国国防部的VHSIC，Verilog起源于集成电路的设计。下面从使用方面将2者进行对比。(1)逻辑描述层次：一般的硬件描述语言可以在三个层次上进行电路描述，其层次由高到低依次可分为行为级、RTL级和门电路级。VHDL语言是一种高级描述语言，适用于行为级和RTL级的描述，最适于描述电路的行为；Verilog语言是一种较低级的描述语言，适用于RTL级和门电路级的描述，最适于描述门级电路。二、VHDL与Verilog语言的比较第1章概述(2)设计要求：VHDL进行电子系统设计时可以不了解电路的结构细节，设计者所