11VHDL(绪论)硬件描述语言与数字逻辑电路设计

VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计第一章：数字系统硬件设计概述一：数字系统和集成电路的发展二：数字系统设计方法三：数字系统设计与EDA技术四：数字系统EDA设计语言一：数字系统和集成电路的发展第一阶段：利用晶体管，电阻，二极管等电子元件设计成各式各样的逻辑门，如NOT，AND，OR，NAND，NOR…等小规模集成电路（SmallScaleIntegratedCircuit,SSI）；第二阶段：以上述基本逻辑门配合卡诺图化简，设计出译码器（Decoder），复用器(Multiplexer）,加法器（Adder）,触发器（FlipFlop）,移位寄存器（ShiftRegister）,计数器（Counter）等中规模集成电路（MediumScaleIntegratedCircuit,MSI）；一：数字系统和集成电路的发展第三阶段：再由这些MSI慢慢地扩大，成为大规模和超大规模集成电路LSI，VLSI…等。目前：目前在数字控制电路上所要求的功能，大都通过可编程逻辑设备(ProgrammableLogicDevice,PLD)，现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)，微控制器(MicroController)，微处理器(MicroProcessor)，以及专用IC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC)等芯片来规划完成。二：数字系统设计方法1．自下而上(BottomUp)的设计方法自下而上的设计方法即结构设计方法是集成电路系统的基本设计方法。其基本思想是将复杂的系统逐层进行功能块划分和描述功能块的拓扑连接，直到用底层模块或部件来描述。当完成底层模块或部件的描述后，自下而上进行层次扩展和层次功能的仿真验证，从而完成整个系统的功能设计和验证。最后，根据底层模块或部件的几何图形和拓扑连接关系完成布图设计和验证。二：数字系统设计方法结构设计方法的主要特点：是按层次模块化、结构化。每个层次的各个模块表示一个子系统或子功能，模块对外表现为一个“黑盒”，黑盒用行为功能来描述并提供与外部的连接端口；系统结构清晰明了。结构设计方法至今仍有广泛应用，在某些场合和设计阶段应用还可以得到很好的效果。二：数字系统设计方法但是，结构设计方法作为传统的系统硬件设计方法，在系统设计的早期就将系统人为地分为硬件和软件两个部分，并先分别独立进行硬件和软件设计，软件的开发受到硬件的严格限制。系统硬件的设计则是从选择具体元器件开始的，用选中的元器件进行逻辑电路设计，完成系统各独立功能模块设计，然后再将各功能模块连接起来，完成整个系统的硬件设计；软件设计和调试常常要在硬件设计完成之后。这种设计方法的缺点是显然的，如要求设计者具有丰富的设计经验，设计过程反复较多，开发效率低，可移植性差，可继承性差，开发时间长，不易修改设计等等。总之，由于自下而上设计方法的设计策略是从基本部件出发，逐步组合形成复杂的系统，因而有可能存在错误理解系统功能的风险。二：数字系统设计方法2．自上而下(TopDown)的设计方法就是从系统总体要求出发，自上至下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在利用HDL的硬件设计方法中，设计者将自上至下分成3个层次对系统硬件进行设计。第一层次是对整个系统的数学模型的描述，称为行为描述。第二层次是采用RTL（数据流或寄存器传输）方式导出系统的逻辑表达式，供逻辑综合使用，称为RTL方式描述。第三层次则是逻辑综合，即利用逻辑综合工具，将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件，这相当于在人工设计硬件电路时，根据系统要求画出系统的逻辑原理图。二：数字系统设计方法自上而下的设计方法便于从系统级划分和管理整个项目，简化了设计队伍的管理，减少了不必要的重复并提高了设计的一次成功率。同时，还可以提供整个设计过程中的各设计阶段的统一规范管理，包括系统的测试和各层次的模拟仿真验证。另外，自上而下的设计方法更符合人们的设计思维习惯，可以大大提高开发效率、可继承性以及缩短开发时间，所以得到广泛应用。很多EDA设计工具都支持自上而下的设计方法。自上而下的设计策略是逐步细化规格，把每个部件分解为更小的部件，最低层是基本部件，但这种设计方法还在不断地完善之中。实际应用中常常将自下而上的设计方法和自上而下的设计方法结合起来使用。二：数字系统设计方法3．并行设计方法20世纪90年代以来，随着工艺技术的发展，深亚微米(DSM)已经投入实用，系统级芯片的规模更大、更复杂，物理连线延迟、信号串扰和噪声等互连效应及功耗等都已成为影响VLSI产品性能的重要因素。在这种情况下，由于采用自上而下的设计方法进行与工艺无关的高层次行为功能设计时并不考虑物理上的互连效应和功耗等的影响，与实际情况差异较大，因而常常产生设计错误，造成设计反复，并有可能导致设计反复而不“收敛”。并行设计方法正是面对这一挑战而提出来的。二：数字系统设计方法并行设计方法要求设计者从设计一开始就考虑产品在整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求等。并行设计方法要求在进行层次功能设计的同时，进行层次物理设计规划或虚拟物理设计。设计中要并行、全面地规划影响产品质量、成本和开发周期等相关的因素，通过各层次设计中的信息反馈，产生合理的约束集，并利用约束驱动设计，重视高层次设计验证的充分性。在进行高层次设计时，各方面的开发团队同时介入，在协同设计的环境下，并行地开展工作，这样可以在产品设计开发的早期发现错误并及早解决问题，避免设计过程的不收敛，确保设计成功。二：数字系统设计方法并行设计方法的最大特点是，概念设计、功能设计及物理设计(物理布局规划等)统一考虑，并行地进行工作。充分利用各层次设计中的信息反馈，形成合理的约束集，并依此优化设计。通常，并行设计必须借助EDA设计工具才能进行。并行设计方法在逻辑综合、逻辑模拟、测试生成、电路模拟、故障模拟、布局布线和版图验证等方面得到了广泛应用。二：数字系统设计方法4.传统的系统硬件设计方法的主要特征：采用自下至上的设计方法；采用通用的逻辑元、器件；在系统硬件设计的后期进行仿真和调试；主要设计文件是电原理图。二：数字系统设计方法5.利用HDL语言设计系统硬件方法的特点：采用自上至下的设计方法；系统中可大量采用ASIC芯片；采用系统早期仿真；降低了硬件电路设计难度；主要设计文件是用HDL语言编写的源程序。三：数字系统设计与EDA技术EDA概述EDA就是以计算机为工作平台、以EDA软件工具为开发环境、以硬件描述语言为设计语言、以ASIC为实现载体的电子产品自动化设计过程，它包括半导体工艺设计自动化、可编程逻辑器件设计自动化、电子系统设计自动化、印刷电路板PCB（PrintedCircuitBoard）设计自动化、仿真测试、故障诊断以及形式验证自动化。需要说明的是，这里所讲的是狭义的EDA，没有包括模拟电路的设计自动化。三：数字系统设计与EDA技术EDA作为一门崭新的学科，它的知识体系结构为：①②可编程逻辑器件原理、③④EDA⑤EDA⑥EDA的应用及实践。三：数字系统设计与EDA技术EDA的发展概况集成电路技术的发展不断地给EDA技术提出新的要求，对EDA技术的发展起了巨大的推动作用。从20世纪60年代中期开始，人们就不断地开发出各种计算机辅助设计工具来帮助设计人员进行集成电路和电子系统的设计。近40年来，EDA技术大致经历了计算机辅助设计CAD（ComputerAidedDesign）计算机辅助工程CAE（ComputerAidedEngineering）和电子系统设计自动化ESDA（ElectronicSystemDesignAutomation）三个发展阶段。三：数字系统设计与EDA技术1．CAD阶段（20世纪60年代中期～20世纪80年代初）20世纪70年代，随着中、小规模集成电路的开发和应用，传统的手工制图设计印刷电路板和集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求，于是工程师们开始进行二维平面图形的计算机辅助设计，这样就产生了第一代EDA工具，设计者也从繁杂、机械的计算、布局和布线工作中解放了出来。但在EDA发展的初始阶段，EDA工具的供应商只有几家，产品几乎全部面向PCB设计、电路模拟或IC版图设计。例如，目前常用的PCB布线软件Protel的早期版本Tango、用于电路模拟的SPICE软件以及后来产品化的IC版图编辑与设计规则检查系统等软件，都是这个时期的产品。三：数字系统设计与EDA技术20世纪80年代初，随着集成电路规模的增大，EDA技术有了较快的发展。更多的软件公司，如当时的Mentor公司、DaisySystems及LogicSystem公司等进入EDA领域，开始提供带电路图编辑工具和逻辑模拟工具的EDA软件，主要解决了设计实现之前的功能检验问题。总的来讲，这一阶段的EDA水平还很低，对设计工作的支持十分有限，主要存在两个方面的问题需要解决：三：数字系统设计与EDA技术①EDA软件的功能单一、相互独立。这个时期的EDA工具软件都是分别针对设计流程中的某个阶段开发的，一个软件只能完成其中的一部分工作，所以设计者不得不在设计流程的不同阶段分别使用不同的EDA软件包。然而，由于不同的公司开发的EDA工具之间的兼容性较差，为了使设计流程前一级软件的输出结果能够被后一级软件接受，就需要人工处理或再运行另外的转换软件，这往往很繁琐，势必影响设计的速度。②对于复杂电子系统的设计，不能提供系统级的仿真和综合，所以设计中的错误往往只能在产品开发的后期才能被发现，这时再进行修改十分困难。三：数字系统设计与EDA技术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系统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、逻辑综合、测试码生成、版图自动布局以及各种单元库均已齐全。不同功能的设计工具之间的兼容性得到了很大改善，那些不走兼容道路、想独树一帜的CAD工具受到了用户的抵制，逐渐被淘汰。EDA软件设计者采用统一数据管理技术，把多个不同功能的设计软件结合成一个集成设计环境。按照设计方法学制定的设计流程，在一个集成设计环境中就能实现由寄存器传输级RTL（RegisterTransfersLevel）开始，从设计输入到版图输出的全程设计自动化。在这个阶段，基于门阵列和标准单元库设计的半定制ASIC得到了极大的发展，将电子系统设计推入了ASIC时代。但是，大部分从原理图出发的CAE工具仍然不能适应复杂电子系统的要求，而且具体化的元件图形制约着优化设计。三：数字系统设计与EDA技术3．ESDA阶段（20世纪90年代以来）20世纪90年代以来，集成电路技术以惊人的速度发展，其工艺水平已经达到深亚微米级，一个芯片上可以集成数百万甚至上千万只晶体管，工作频率可达GHz。这不仅为片上系统SOC（SystemOnChip）的实现提供了可能，同时也给EDA技术提出了更高的要求，促进了EDA技术的发展。在这一阶段，出现了以硬件描述语言、系统级仿真和综合技术为基本特征的第三代EDA技术，它使设计师们摆脱了大量的具体设计工作，而把精力集中于创造性的方案与概念构思上，从而极大地提高了系统设计的效率，缩短了产品的研制周期。EDA技术在这一阶段的发展主要有以下几个方面。三：数字系统设计与EDA技术1）用硬件描述语言这是现代EDA技术的基本特征之一，并且已经形成了VHDL和VerilogHDL两种IEEE（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers，电气和电子工程师协会）标准硬件描述语言。它们均能支持系统级、算法级、RTL级（又称数据流级）和门级各个层次的描述或多个不同层次的混合描述，涉及的领域有行为描述和结构描述两种形式。硬件描述与实现工艺无关，而且还支持不同层次上的综合与