1、2EDA简介与可编程逻辑器件PLD

电子设计自动化——EDA魏永涛什么是EDAEDA应用电子计算机信息处理人工智能拓扑学计算数学•ElectronicDesignAutomation电子设计自动化–是在计算机的辅助下完成电子产品设计的一种先进的硬件设计技术！–是立足于计算机工作平台开发出来的一整套先进的设计电子系统的软件工具。EDA的发展CAD——包含电气性能和几何图形描述之间一致性的验证（PCB）CAE——增加电路功能和结构的设计（PCB的自动布局布线及分析）EDA——芯片设计及系统设计（从PCB扩展到IC）EDA技术的范畴IC版图设计PLD设计电路设计PCB设计模拟电路数字电路混合电路设计输入逻辑综合仿真编程下载基于EDA工具的设计步骤•电子系统的设计、仿真、综合与实现•设计（Design）：根据功能要求，完成对电子系统的初步设计•仿真（Simulation）：又称为模拟，指利用计算机模拟所设计电子系统的实际工作情况•合成（Synthesis）：从所设计电子系统的行为描述及目标电路的约束条件出发，找出一个满足要求的结构，如原理图—PCB。•实现（Realization）：使用EDA工具对综合结果在实际器件或电路中予以实现。EDA常用软件•电子电路设计与仿真软件•PCB设计软件•IC设计软件•PLD设计软件•MultiSim7，Proteus，SystemView，ProtelDXP，MAX+Plus/QuartusII计算机并口器件编程接口PCBBoardPLD编程目标文件•ElectronicsDesignAutomation•硬件软化，软件硬化EDA技术的特点软、硬件协同设计•一般的系统由硬件电路和运行其上的软件构成，有些功能既可搭建硬件电路实现，也可软件编程实现。•软件：编程工作量大，占用CPU时间多，运行速度较慢，但成本较低且调试相对容易。•硬件：运行速度快，但成本高且调试难度较大软件和硬件的合理分配——采用CPLD/FPGA器件EDA技术的特点电子设计自动化的主要应用（1）专用集成电路(ASIC)或大规模集成电路（LSI）设计（使用PLD器件及开发系统）（2）电子线路的设计分析仿真（模拟、数字、模/数混合）（3）多层印制电路板元件布局、自动布线、仿真测试（4）电子系统设计与整体优化（5）电子产品可靠性分析电磁兼容性（EMC）分析热分析等课程安排•课堂24学时，实验16学时，第三次课后找任良超老师联系实验。•课时少，课堂上只讲最实用的部分(仿真软件和VHDL/CPLD)•数电和C语言是基础。•预习很重要，课堂上略化语法，以讲解方法和技巧为主，注意做笔记。电子电路仿真简介电路仿真RLC二阶电路：人脑：利用节点法、回路法或支路法等列电路方程并求解电脑：如何实现？将电路图转成计算机能识别的形式：数学模型模拟电路的仿真计算和求解生成波形数学模型数学方程物理现象拓扑结构计算机技术数字电路的逻辑仿真输入输出波形拓扑关系输入输出逻辑数字器件器件的功能和特性计算机技术仿真流程模拟电路仿真设计工具•BerkeleyUniversity：SPICE3F5•SPICE（Simulationprogramwithintegratedcircuitemphasis），用于模拟集成电路•EWB:由Multisim、Ultiboard、Ultiroute和Commsim四个软件模块组成核心：SPICEHspicePspiceVspice可编程逻辑器件回顾：数字系统的设计一、数字系统的概念二、传统的数字系统设计方法三、现代的数字系统设计方法1—传统数字系统设计方法1.根据设计要求划分功能模块；2.确定输入和输出的关系，画出真值表；3.由真值表写出逻辑表达式；4.利用公式或卡诺图进行人工化简；5.根据化简后的逻辑表达式画出电路原理图；6.在面包板上进行实验，验证电路的正确性；7.若无错误，画PCB图；8.检查后送制板厂制板；9.对PCB板进行安装、调试，若有大的错误，修改设计，重复以上过程，重新制板。基于电路板的设计方法——采用固定功能的器件（通用型器件），通过设计电路板来实现系统功能传统的数字系统设计方法基于电路板——采用固定功能器件（通用型器件），通过设计电路板来实现系统功能写出真值表或状态表→推出逻辑表达式→化简→逻辑电路图→用小规模逻辑器件来实现•采用自下而上（BottomUp）的设计方法•采用通用型逻辑器件•搭积木式的方式•在系统硬件设计的后期进行仿真和调试•主要设计文件是电路原理图传统的数字系统设计方法效率低下——几乎都是手工完成！设计周期很长；容易出错（如PCB绘制与焊接—器件引脚）；芯片种类多，数量大，受市场的限制；设计灵活性差（如器件下市）；产品体积大。•采用自下而上（BottomUp）的设计方法•采用通用型逻辑器件•搭积木式的方式•在系统硬件设计的后期进行仿真和调试•主要设计文件是电路原理图2——现代的数字系统设计方法•首先在计算机上安装EDA软件，它们能帮助设计者自动完成几乎所有的设计过程；再选择合适的PLD芯片，可以在一片芯片中实现整个数字系统。基于芯片的设计方法——采用PLD（可编程逻辑器件），利用EDA开发工具，通过芯片设计来实现系统功能。EDA软件空白PLD+数字系统编程现代的数字系统设计方法计算机+EDA软件空白PLD+→数字系统•通常采用自上而下（TopDown）的设计方法•采用可编程逻辑器件•在系统硬件设计的早期进行仿真•主要设计文件是用硬件描述语言编写的源程序•降低了硬件电路设计难度1.自上而下的设计（TopDown）占据主导地位辅助的设计手段功能模块划分子模块设计系统级设计功能级描述功能仿真门级描述时序仿真若仿真未通过，则需修改设计！2.自下而上的设计（BottomUp）设计基本单元→构成子模块→子系统→系统现代的数字系统设计方法1.根据设计要求划分功能模块2.PLD开发（利用EDA工具）（1）设计输入：采用硬件描述语言（HDL），用条件语句或赋值语句表示输入和输出的逻辑关系，将整个程序输入到计算机中；（2）设计的编译：EDA工具可自动进行逻辑综合，将功能描述转换为门级描述，或转换成具体PLD的网表文件，将网表文件自动适配到具体芯片中进行布局布线；（3）功能仿真和时序仿真；（4）编程下载到实际芯片中，在实验台上进行实际验证；（5）在每一阶段若有问题，可在计算机上直接修改设计，重复以上过程。现代的数字系统设计方法3.设计包含PLD芯片的电路板（1）在计算机上利用EDA软件画电路原理图；（2）进行电气规则检查无误后，自动生成网表文件；（3）利用EDA软件画PCB图，自动布线；（4）自动进行设计规则检查，无误后输出文件，制板。优点：效率高——所有这一切，几乎都是借助计算机利用EDA软件自动完成！容易检查错误，便于修改；设计周期短、成功率很高；产品体积小。特点传统方法现代方法采用器件通用型器件可编程逻辑器件设计对象电路板芯片设计方法自下而上自上而下仿真时期系统硬件设计后期系统硬件设计早期主要设计文件电路原理图HDL语言程序数字系统的两种设计方法比较（二）由半导体器件公司推出的几种可编程逻辑器件开发软件可编程逻辑器件PLD(ProgrammableLogicDevice)是用于专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的设计的通用器件，它的逻辑功能是由用户对器件编程来设定的。目前生产和使用的PLD产品主要有：1现场可编程逻辑阵列FPLA(FieldProgrammableLogicArray)2.可编程阵列逻辑PAL(ProgrammableArrayLogic)3.通用逻辑阵列GAL(GenericArraylogic)4.可擦除的可编程逻辑器件EPLD(ErasableProgrammableLogicDevice)CMOS工艺1万门/片5.现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)集成度3万门/片EPLD和FPGA集成密度高，称为高密度PLD以上五种PLD编程开发系统由硬件（计算机和编程器）和软件（专用编程软件）构成。6.在系统可编程器件ISP(In-SystemProgrammable)-PLD是新一代器件，不需编程器，只要将计算机编程产生的数据直接写入PLD就可以了。其中高密度ISP-PLD又称为CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)PLD的主要开发软件及开发商有：CPLD开发软件MaxPlus2(Quatues)—Altera公司FPGA开发软件Fundation—XiLinX公司ISPLSI开发软件Expert(Synario)—Lattice公司集成化开发系统软件包——优秀PLD开发程序的集成XACT5.0—XinLinX公司ISPSynarioSystem—Lattice公司PLD的发展•PAL（ProgrammableArrayLogic）•GAL（GenericArrayLogic）•CPLD(触发器有限而乘积项丰富的算法和组合逻辑结构.系统断电编程信息不丢失)•FPGA(触发器丰富的时序逻辑结构,编程信息在系统断电时丢失,故可动态配置)CPLD的设计原理•数字电路可以用逻辑表达式来表示。•如一位全加器可以根据真值表写出它的逻辑表达式：•Sum＝xyCin＋x’yCin’＋x’y’Cin＋xy’Cin’Cout＝xy＋x’yCin＋xy’Cin•特点：每个输出都是由输入变量的与和或操作组合而成。CPLD的结构示意Y1＝X1X2X3’＋X2’X3＋X1’X3Y2=X1X2X3＋X1’X2’一、图形设计方式二、基于HDL的设计数字系统的设计描述方法数字系统的设计描述方法一、图形设计方式•常用于设计规模较小的电路和系统•适合描述电气连接关系和接口关系•EDA工具必须提供元件库或宏单元库•优点：–直观、形象–对表现层次结构、模块化结构更为方便•缺点：–不适于描述逻辑功能–通用性、可移植性较弱数字系统的设计描述方法例电子秒表电路的顶层图形文件数字系统的设计描述方法二、基于HDL的设计•硬件描述语言（HDL，HardwareDescriptionLanguage）—–是一种用形式化方法（即文本形式）来描述和设计数字电路和数字系统的语言。–一种专门用于PLD设计的高级模块化语言。–是电子系统硬件行为描述、结构描述、逻辑描述的语言。•HDL常用来设计规模较大、复杂的电子系统用HDL描述设计编程下载EDA工具综合、仿真目标文件所谓的高层设计(HighLevelDesign)方法数字系统的设计描述方法•优点：–能形象化、抽象地表示电路的结构和行为–适于描述逻辑功能–借用高级语言简化电路的描述–具有电路仿真与验证机制–便于文档管理–易于理解和移植重用•缺点：–不如图形设计方式直观•较广泛使用的有3种：•VHDL、VerilogHDL和AHDL数字系统的设计描述方法VerilogHDLVHDL成为IEEE标准1995年1987年语法结构√比VHDL简单语法结构比较严格，模块风格比较清晰学习难易程度√容易掌握较难掌握建模能力门级开关电路描述方面很强√系统级抽象能力较强测试激励模块容易编写√适合由多人合作完成的特大型项目（一百万门以上）。√较多的第三方工具的支持√仿真工具比较好用数字系统的设计描述方法VHDL–VHSICHardwareDescriptionLanguage（VHSIC——VeryHighSpeedIntegratedCircuits），甚高速集成电路硬件描述语言。–来源于美国军方。–1987年成为IEEE标准。–全方位HDL，包括从系统到电路的所有设计层次。–支持结构、数据流（逻辑）和行为3种描述形式的混合描述。数字系统的设计描述方法特点（1）数据类型丰富•标准数据类型：不仅有整数、布尔、字符、字符串等数据类型，还有位型（Bit）、位矢量型（Bit-Vector）、时间型（Time）等数据类型；•允许自定义数据类型，如枚举、数组或记录等。（2）层次结构性•将一个数字系统