第1章cpld学习教程

第一章：EDA技术概述一、本章主要内容:简述了EDA技术的发展及其主要构成，使我们对EDA技术的全貌、构成要素及其工程设计过程有一个全面的了解。二、什么叫EDAEDA:电子设计自动化（ElectronicsDesignAutomation）是电子设计技术和电子制造技术的核心，EDA技术的发展和推广应用极大的推动了电子信息行业的发展。我们认识的EDA技术1.电路原理图设计（TANGO、PROTEL99、ORCAD）2.电路板（PCB）设计3.电路仿真软件（ORCAD、PROTEL99、EWB、PSPICE、Multisim、Proteus、AltiumDesigner）4.可编程器件的设计（MAX+plusII、Foundation、PAC）5.IC设计6.SOC设计第一节EDA技术的发展及其未来EDA技术是现代电子信息工程领域的一门新技术;今天的EDA技术更多的是指芯片内的电子系统设计自动化，即片上系统（SOC，SystemOnChip）设计。在SOC设计过程中，除系统级设计、行为级描述及对功能的描述以外均可由计算机自动完成，同时设计人员借助开发软件的帮助，可以将设计过程中的许多细节问题抛开，而将注意力集中在电子系统的总体开发上。这样大大减轻了工作人员的工作量，提高了设计效率，减少了以往复杂的工序，缩短了开发周期，实现了真正意义上的电子设计自动化。一、EDA技术的发展进程从20世纪70年代人们就不断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，集成电路技术的发展不断对EDA技术提出新的要求，并促进了EDA技术的发展。近30年来，EDA技术大致经历了三个发展阶段。1．CAD阶段在20世纪70年代～80年代中期,电子系统硬件设计采用的是分立元件，随着集成电路的出现和应用，硬件设计进入到发展的初级阶段。初级阶段的硬件设计大量选用中小规模标准集成电路，人们将这些器件焊接在电路板上，做成初级电子系统，对电子系统的调试是在组装好的PCB（PrintedCircuitBoard）板上进行的。这个时期的软件主要还是针对产品开发，分为设计、分析、生产、测试等多个独立的软件包。存在的问题1.由于各个软件的生产厂家不同,需要人工处理，工作很繁琐，影响了设计速度；2.对于复杂电子系统的设计，当时的EDA工具不能提供系统级的仿真与综合。由于缺乏系统级的设计考虑，常常在产品开发后期才发现设计有错误，此时再要进行修改十分困难。2．CAE阶段在20世纪80年代中期～90年代初期,为CAE阶段（ComputerAidedEngineering）,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、测试码生成、版图自动布局和布线以及各种单元库均已齐全。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系统。比较1.20世纪70年代的自动布局布线的CAD工具代替了设计工作中绘图的重复劳动，2.20世纪80年代出现的具有自动综合能力的CAE工具则代替了设计者的部分工作，对保证电子系统的设计，制造出最佳的电子产品起着关键的作用。3.20世纪80年代后期，EDA工具已经可以进行设计描述、综合与优化和设计结果验证，CAE阶段的EDA工具不仅为成功开发电子产品创造了有利条件，而且为高级设计人员的创造性劳动提供了方便。3．EDA阶段从20世纪90年代以来,微电子技术以惊人的速度发展，其工艺水平已达到深亚微米级，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Gb/s，这为制造出规模更大、速度和信息容量更高的芯片系统提供了基础条件。同时也对EDA系统提出了更高的要求，并大大促进了EDA技术的发展。20世纪90年代以后，主要出现了高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术，它不仅极大地提高了系统的设计效率，而且使设计者摆脱了大量的辅助性工作，将精力集中于创造性的方案与概念的构思上。可编程器件1（Altera公司）可编程器件2（Lattice公司）可编程器件3（Xilinx公司）EDA技术主要有以下特征1.电子厂家可以为用户提供系列化、各种规模的可编程逻辑器件，使设计者通过设计芯片实现电子系统功能。2.高层综合（HLS，HighLevelSynthesis）的理论与方法取得进展，从而将EDA设计层次由RT级提高到了系统级（又称行为级）。设计者逐步从使用硬件转向设计硬件，3.提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高级抽象的设计构思手段。例如：提供方框图、状态图和流程图的编辑能力，具有适合层次描述和混合信号描述的硬件描述语言（VHDL、AHDL或Verilog－HDL），同时含有各种工艺的标准元件库。EDA技术主要有以下特征4.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。5.可测性综合设计。6.为带有嵌入IP核的ASIC设计提供软、硬件协同设计工具。二、未来EDA技术1.数字逻辑向模拟电路和数模混合电路的方向发展2.工艺方面3.等效逻辑门数4.工作电压5.时钟频率二、未来EDA技术到2005年，密度将达到1×104万门。可编程模拟器件已开始应用于实际工程。随着芯片集成度的增大，单个芯片内集成了通用微控制器/微处理器核心（MCU/MPUCore）、专用数字信号处理器核心（DSPCore）、存储器核心（MemoryCore）、嵌入式软件/硬件、数字和模拟混合器件、RF处理器等，并且EDA与上述器件间的物理与功能界限已日益模糊。二、未来EDA技术EDA技术将向广度和深度两个方向发展，EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域，随着基于EDA的SOC设计技术的发展，软硬核功能库的建立，IP核复用（IPReuse），以及基于VHDL所谓自顶向下设计理念的确立，未来的电子系统的设计与规划将不再是电子工程师们的专利。有专家认为，21世纪将是EDA技术快速发展的时期，并且EDA技术将是对21世纪产生重大影响的十大技术之一。当前，EDA的主要应用方向为微控制器（Microcontroller）、ASIC和DSP等方面。第二节EDA技术的构成要素基于可编程器件EDA技术主要包括如下四大要素：①大规模可编程器件，它是利用EDA技术进行电子系统设计的载体；②硬件描述语言，它是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段；③软件开发工具，它是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具；④实验开发系统，它是利用EDA技术进行电子系统设计的下载与硬件验证工具。1．大规模可编程器件可编程器件是一种由用户编程以实现某种电子电路功能的新型器件，它可分为可编程逻辑器件（PLD，ProgrammableLogicDevice）和可编程模拟器件(PAC，ProgrammableAnalogCircuit)。前者之技术发展已经相当成熟，在大量的电子产品中早已得到了实际应用；后者相对来说发展要晚一些，其现有的芯片功能也比较单一。PLD的分类PLD可分为低密度PLD和高密度PLD两种。低密度PLD器件如早期的PAL、GAL等，它们的编程都需要专用的编程器，属半定制ASIC（专用集成电路）器件；高密度PLD就是当人们提到EDA技术时，首先想到的复杂可编程逻辑器件（CPLD，ComplexPLD）、现场可编程门阵列（FPGA，FieldProgrammableGateArray）以及在系统可编程逻辑器件（ISP-PLD，InSystemProgrammabilityPLD）等，它们编程时仅需以JTAG方式与计算机并口相连即可。PLD的分类CPLD/FPGA不仅受到系统设计者的青睐，而且在半导体领域中呈现出一支独秀的增长态势，成为系统级平台设计的首选。随着PLD向更高速、更高集成度、更强功能和更灵活的方向发展，使CPLD/FPGA器件既适用于短研制周期、小批量产品开发，也可用于大批量产品的样品研制，且项目开发前期费用低，开发时间短，有利于新产品占领市场，是目前ASIC设计所使用的最主要的器件。PACPAC是Lattice公司推出了在系统可编程模拟电路（ispPAC），翻开了模拟电路设计方法的新篇章。ispPAC器件它首先属于模拟集成电路，即电路的输入、输出甚至内部状态均为随时间连续变化的模拟信号；同时，该类器件又是现场可编程的，利用ispPAC器件配合相应的开发软件，便可以像设计数字电路一样方便、快捷地完成模拟电路的设计，进行电路特性模拟，最后通过编程电缆将模拟电路设计方案下载至ispPAC芯片中。目前ispPAC器件已在信号调理、模拟计算、工业控制、通信、仪器仪表、人工神经网络等方面得到了初步的应用。2．硬件描述语言（HDL）硬件描述语言（HDL，HardwareDescriptionLanguage），就是可以描述硬件电路的功能、信号连接关系及定时关系的语言。它可以使电子系统设计者利用这种语言来描述自己的设计思想和电子系统的行为，并建立模型，然后利用EDA工具进行仿真，自动综合到门级电路，再用ASIC或CPLD/FPGA实现其功能。利用硬件描述语言，可以方便地设计大型的电子系统。目前，其中最有代表性的是美国国防部开发的VHDL（Very-High-SpeedIntegratedCircuitHDL）、Verilog公司开发的VerilogHDL和早期的ABEL语言。HDL描述设计的优点它们更接近用自然语言描述系统的行为，在设计过程中文字载体更适于传递和修改设计信息，并可以建立独立于工艺的设计，此外还便于保存和重用设计。HDL在语法和风格上类似于现代高级编程语言（如C语言）。但要注意，HDL毕竟描述的是硬件，它包含许多硬件特有的结构。3．软件开发工具目前比较流行的数字系统EDA软件工具有Altera公司的MAX＋plusⅡ（和QuartusII）。Lattice公司的ispEXPERT。Xilinx公司的Foundation（和ISE）。MAX＋plusⅡ支持原理图、VHDL和VerilogHDL文本文件，以及以波形与EDIF等格式的文件作为设计输入，并支持这些文件的任意混合设计。它具有门级仿真器，可以进行功能仿真和时序仿真，能够产生精确的仿真结果。在适配之后，MAX＋plusⅡ生成供时序仿真用的EDIF、VHDL和Verilog这三种不同格式的网表文件，它界面友好，使用便捷，被誉为业界最易学易用的EDA的软件，并支持主流的第三方EDA工具，支持除APEX20K系列之外的所有Altera公司的FPGA/CPLD大规模逻辑器件。普遍认为MAX＋plusⅡ是最成功的PLD开发平台之一，配合使用Altera公司提供的免费OEMHDL综合工具可以达到较高的效率。ispEXPERTispEXPERTSystem是ispEXPERT的主要集成环境。通过它可以进行VHDL、Verilog及ABEL语言的设计输入、综合、适配、仿真和在系统下载。ispEXPERT界面友好，操作方便，功能强大，并与第三方EDA工具兼容。Lattice公司针对在系统可编程模拟电路ispPAC，推出的ispPACDesignerEDA软件，其设计方法和数字系统EDA有所不同，但过程相似，它允许设计者在集成环境中设计、修改模拟电路，进行电路特性仿真，最后通过编程电缆将设计方案下载到芯片中。FoundationXilinx公司最新集成开发的EDA工具。它采用自动化的、完整的集成设计环境。Foundation项目管理器集成了Xillnx实现工具，并包含了强大的SynopsysFPGAExpress综合系统，是业界最强大的EDA设计工具之一。PAC—Designer美国Lattice公司针对其在系统可编程模拟器件推出的开发软件。所谓“在系统可编程”，是指可编程器件在不脱离所在应用系统的情况下，能够通过计算机对其编程，而不需要专