EDA技术与Verilog设计王金明版第1章

EDA技术与Verilog设计微电子技术系王俊博[e-mail]技术与Verilog设计参考书：Verilog数字系统设计教程夏宇闻编著北京航空航天大学出版社EDA技术相关网址://第1章EDA技术概述1.1EDA技术及其发展1.2Top-down设计与IP核设计1.3EDA设计的流程1.4常用的EDA软件工具1.5EDA技术的发展趋势广义：是指以计算机和微电子技术为先导，汇集了计算机图形学、数据库管理、图论和拓扑逻辑、编译原理、微电子工艺和计算数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技术。EDA技术及其发展EDA（ElectronicDesignAutomation）就是以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境，以PLD器件或者ASIC专用集成电路为目标器件设计实现电路系统的一种技术。1）计算机辅助设计CAD70年代，EDA工具供应商只有几家，产品几乎全面向LSI和PCB布线设计，这一阶段，人们开始利用计算机取代手工劳动，辅助进行集成电路板图编辑、PCB布局布线等工作，这个时期的EDA一般称为电路CAD(计算机辅助设计）。1.1EDA技术及其发展EDA（ElectronicDesignAutomation）技术的发展阶段：2）计算机辅助工程设计CAE80年代，带有电路图编辑工具和逻辑工具的EDA软件，以数字电路分析工具为代表，主要解决电路设计没有完成之前的功能检验问题。3)电子设计自动化EDA90年代至今使用第三代EDA软件，能够在系统级、电路级及寄存器传输描述RTL及门级进行设计描述、综合和仿真。EDA技术的应用范畴在FPGA上实现DSP应用EDA技术的新发展嵌入式处理器软核的成熟自主知识产权电子技术领域全方位融入EDA技术电子领域各学科的界限更加模糊、互为包容更大规模的FPGA和CPLD器件不断推出IP核的广泛应用SoC高效低成本设计技术的成熟现代EDA技术的特征1．硬件描述语言设计输入2．“自顶向下”设计方法（Top-down）3．开放性和标准化4．高层综合与优化现代EDA技术的特征1．硬件描述语言设计输入HDL语言设计优点：（1）语言标准化，便于设计的复制、交流、保存和修改。（2）设计与工艺无关性。（3）便于组织大规模、模块化设计现代EDA技术的特征3．开放性和标准化可以接纳其他厂商的EDA工具一起进行设计工作，可以实现各种EDA工具间的优化组合，并集成在一个容易管理的统一环境下，实现资源共享，有效提高设计者工作效率，有利于大规模、有组织的设计开发工作。现代EDA技术的特征4．高层综合与优化目前EDA工具最高值能接受行为级或寄存器传输级描述的HDL文件进行逻辑综合，并进行逻辑优化。为了能更好地支持自顶向下的设计方法，EDA工具需要再更高的层级进行综合和优化，这样可进一步缩短设计周期，提高设计效率。1.2Top-down设计与IP核设计传统的设计方法：自下而上（Bottom-up）的设计方法。固定功能元件电路板设计完整系统构成系统测试与性能分析1.2Top-down设计与IP核设计Bottom-up设计，即自底向上的设计，由设计者调用设计库中的元件(如各种门电路、加法器、计数器等)，设计组合出满足自己需要的系统缺点：1、设计依赖于手工和经验2、设计依赖于现有的元器件3、设计后期的仿真和调试4、自下而上设计思想的局限性5、设计实现周期长，灵活性差，耗时耗力，效率低下。自上而下的（Top-down）的设计思想：自上而下是指将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统规模较大，则还需将子系统进一步分解为更小的子系统和模块，层层分解，直至整个系统中各个子系统中关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。1.2Top-down设计与IP核设计Top-down设计Top-down的设计须经过“设计—验证—修改设计—再验证”的过程，不断反复，直到结果能够实现所要求的功能，并在速度、功耗、价格和可靠性方面实现较为合理的平衡。1.2Top-down设计与IP核设计IP（IntellectualProperty）：原来的含义是指知识产权、著作权，在IC设计领域指实现某种功能的设计。IP核（IP模块）：指功能完整，性能指标可靠，已验证的、可重用的电路功能模块。IP复用（IPreuse）:允许在芯片设计过程中复用已经经过验证的高性能的IP核，从而提高了设计效率、缩短设计周期。IP(IntellectualProperty)核软IP--用VHDL等硬件描述语言描述的功能块，但是并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能。固IP--完成了综合的功能块，通常以网表的形式提交给用户。硬IP--供设计的最终阶段产品：掩膜。IP核与SOC设计SOC：SYSTEMONaCHIP基于IP复用优点：节省时间、缩短开发周期、避免重复劳动。基于IP复用缺点：IP版权保护、IP保密、IP件的集成。1.可编程逻辑器件——半定制，己具有各种逻辑资源，编程连接，可反复修改、反复编程。1.3EDA设计的流程2.专用集成电路——全定制，在物理版图级实现，最高速度、最低功耗、最省面积。成本高，周期长。数字系统实现两类器件1.原理图输入(Schematicdiagrams)图形化表示形式，使用元件符号和连线描述设计，适合描述连接关系和接口关系，而描述逻辑功能则比较繁琐。特点：直观、但可重复性、可移植性较差。设计输入（DesignEntry）1.3EDA设计的流程2、硬件描述语言(HDL文本输入)设计输入（DesignEntry）（1）ABEL-HDL：支持各种不同输入方式的HDL，使用面宽，使用灵活、适合初学者，提供ABEL-HDL综合器的EDA公司只有一家DataI/O。（2）AHDL：Altera公司开发设计的，配合AlteraMaxPlusII设计软件使用的。（3）VHDL（4）VerilogHDLIEEE标准VHDLorVerilogVHDL(VeryHighSpeedIntegeratedHardwareDescriptionLanguage)：1987年成为标准，美国国防部开发。较难，不是很直观，需要有Ada编程基础VerilogHDL（VerilogHardwareDescriptionLanguage）：1995年成为标准，是一个公司的私有财产转化而来，有更强的生命力。非常容易掌握，只要有C语言的编程基础，通过比较短的时间，经过一些实际的操作，可以在2～3个月内掌握这种设计技术。目前在美国，高层次数字系统设计领域中，应用Verilog和VHDL的比率是80％和20％；日本和台湾和美国差不多；而在欧洲VHDL发展的比较好。在中国很多集成电路设计公司都采用Verilog，但VHDL也有一定的市场。综合（Synthesis）将较高层次的设计描述自动转化为较低层次描述的过程◆行为综合：从算法表示、行为描述转换到寄存器传输级（RTL）◆逻辑综合：RTL级描述转换到逻辑门级（包括触发器）◆版图综合或结构综合：从逻辑门表示转换到版图表示，或转换到PLD器件的配置网表表示综合器是能够自动实现上述转换的软件工具，是能将原理图或HDL语言描述的电路功能转化为具体电路结构网表的工具C、ASM...程序CPU指令/数据代码：0100101000101100软件程序编译器COMPILER软件编译器和硬件综合器区别VHDL/VERILOG.程序硬件描述语言综合器SYNTHESIZER为ASIC设计提供的电路网表文件（a）软件语言设计目标流程（b）硬件语言设计目标流程硬件描述语言与软件编程语言（C、PASCAL等）有本质的区别适配适配器也称为结构综合器，它的功能是将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中，并产生最终的可下载文件对CPLD器件而言，产生熔丝图文件，即JEDEC文件；对FPGA器件则产生Bitstream位流数据文件仿真（Simulation）功能仿真（FunctionSimulation）：不考虑信号时延等因素。时序仿真（TimingSimulation）仿真是对所设计电路的功能的验证编程（Program）把适配后生成的编程文件装入到PLD器件中的过程，或称为下载。通常将对基于EEPROM工艺的非易失结构PLD器件的下载称为编程（Program），将基于SRAM工艺结构的PLD器件的下载称为配置（Configure）。两种常用的编程方式：在系统编程（In-SystemProgrammable，ISP）专用的编程器编程Lattice是ISP（在线可编程）技术的发明者(据说Lattice公司最早是由华人创办的），ISP技术极大的促进了PLD产品的发展。ISP（In-SystemProgramming）在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。ISP技术是未来发展方向。1.4常用的EDA软件工具按公司类别进行分类：专业EDA软件公司开发的工具/CadenceDesignSystem/MentorGraphics/Synopsys和Synplicity四家PLD器件厂商开发的EDA工具/Altera、Xilinx、Lattice等。1.4常用的EDA软件工具按功能分EDA软件可分为以下几类：集成的CPLD/FPGA开发工具逻辑综合工具仿真工具其他设计工具集成的CPLD/FPGA开发工具由CPLD/FPGA芯片生产厂家提供的逻辑综合工具（SynthesisTools）将设计者在EDA平台上编辑输入的HDL文本、原理图或状态图描述，进行编译、优化和转换，最终获得门级电路甚至更底层电路描述网表文件的过程。仿真工具（simulationtools）1.5EDA技术的发展趋势超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高。市场对系统的集成度不断提出更高的要求。高性能的EDA工具，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。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。1-1现代EDA技术的特点有哪些？1-2什么是Top-down设计方式？1-3数字系统的实现方式有哪些？各有什么优缺点？1-4什么是IP复用技术？IP核对EDA技术的应用和发展有什么意义？1-5用硬件描述语言设计数字电路有什么优势？1-6基于FPGA/CPLD的数字系统设计流程包括哪些步骤？1-7什么是综合？常用的综合工具有哪些？1-8功能仿真与时序仿真有什么区别？习题