本章首先介绍EDA技术和硬件描述语言及其发展过程

第1章概述本章首先介绍EDA技术和硬件描述语言及其发展过程，然后介绍基于EDA技术和VHDL的设计流程，以及EDA设计工具QuartusII。1.1电子设计自动化技术及其发展微电子技术的进步主要表现在大规模集成电路加工技术即半导体工艺技术的发展上，使得表征半导体工艺水平的线宽已经达到了60nm，并还在不断地缩小，而在硅片单位面积上，集成了更多的晶体管。集成电路设计正在不断地向超大规模、极低功耗和超高速的方向发展，专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）的设计成本不断降低，在功能上，现代的集成电路已能够实现单片电子系统SOC（SystemOnaChip）。现代电子设计技术的核心已日趋转向基于计算机的电子设计自动化技术，即EDA（ElectronicDesignAutomation）技术。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现，这是电子设计技术的一个巨大进步。EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、IC版图设计、ASIC测试和封装、FPGA（FieldProgrammableGateArray）/CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）编程下载和自动测试等技术；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助工程（CAE）技术以及多种计算机语言的设计概念；而在现代电子学方面则容纳了更多的内容，如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等。因此，EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。正因为EDA技术丰富的内容以及与电子技术各学科领域的相关性，其发展的历程同大规模集成电路设计技术、计算机辅助工程、可编程逻辑器件，以及电子设计技术和工艺的发展是同步的。就过去近30年的电子技术的发展历程，可大致将EDA技术的发展分为3个阶段。20世纪70年代，在集成电路制作方面，MOS工艺得到广泛的应用；可编程逻辑技术及其器件问世，计算机作为一种运算工具在科研领域得到广泛应用。而在后期，CAD的概念已见雏形，这一阶段人们开始利用计算机取代手工劳动，辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布线等工作。·2·EDA技术与VHDL20世纪80年代，集成电路设计进入了CMOS（互补场效应管）时代，复杂可编程逻辑器件进入商业应用，相应的辅助设计软件投入使用；而在80年代末，出现了FPGA；CAE和CAD技术的应用更为广泛，它们在PCB设计方面的原理图输入、自动布局布线及PCB分析，以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和化简等方面担任了重要的角色。特别是各种硬件描述语言的出现、应用和标准化方面的重大进步，为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。进入20世纪90年代，随着硬件描述语言的标准化进一步确立，计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得更加广泛的应用。与此同时，电子技术在通信、计算机及家电产品生产中的市场需求和技术需求，极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展，特别是集成电路设计工艺步入了超深亚微米阶段，百万门以上的大规模可编程逻辑器件的陆续面世，以及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模ASIC设计技术的应用，促进了EDA技术的形成。更为重要的是各EDA公司致力于推出兼容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的EDA工具软件的研究，更有效地将EDA技术推向成熟和实用。EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，突出表现在以下几个方面：在FPGA上实现DSP（数字信号处理）应用成为可能，用纯数字逻辑进行DSP模块的设计，使得高速DSP实现成为现实，并有力地推动了软件无线电技术的实用化和发展。基于FPGA的DSP技术，为高速数字信号处理算法提供了实现途径。嵌入式处理器软核的成熟，使得SOPC（SystemOnaProgrammableChip）步入大规模应用阶段，在一片FPGA上实现一个完备的数字处理系统成为可能。在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出。电子技术领域全方位融入EDA技术，除了日益成熟的数字技术外，传统的电路系统设计建模理念发生了重大的变化，如软件无线电技术的崛起、模拟电路系统硬件描述语言的表达和设计的标准化、系统可编程模拟器件的出现、数字信号处理和图像处理的全硬件实现方案的普遍接受以及软硬件技术的进一步融合等。EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容，如模拟与数字、软件与硬件、系统与器件、ASIC与FPGA、行为与结构等。基于EDA的用于ASIC设计的标准单元已涵盖大规模电子系统及复杂IP核模块。软硬IP（IntellectualProperty）核在电子行业的产业领域广泛应用。SOC高效低成本设计技术的成熟。系统级、行为验证级硬件描述语言的出现（如SystemC），使复杂电子系统的设计和验证趋于简单。1.2电子设计自动化应用对象一般地说，利用EDA技术进行电子系统设计，最后实现的目标是以下3种：·3·概述第1章全定制或半定制ASIC。FPGA/CPLD（或称可编程ASIC）开发应用。PCB（印制电路板）。实现目标的前两项可以归结为专用集成电路ASIC的设计和实现，ASIC是最终的物理平台，集中容纳了用户通过EDA技术将电子应用系统的既定功能和技术指标具体实现的硬件实体。一般而言，专用集成电路就是具有专门用途和特定功能的独立集成电路器件。根据这个定义，作为EDA技术最终实现目标的ASIC，可以通过下面3种途径来完成。1.超大规模可编程逻辑器件FPGA和CPLD是实现这一途径的主流器件，它们的特点是直接面向用户、具有极大的灵活性和通用性、使用方便、硬件测试和实现快捷、开发效率高、成本低、上市时间短、技术维护简单、工作可靠性好等。FPGA和CPLD的应用是EDA技术有机融合软硬件电子设计技术以及对自动化设计与自动化实现最典型的诠释。由于FPGA和CPLD的开发工具、开发流程和使用方法与ASIC有相通之处，因此这类器件通常也被称为可编程专用IC，或可编程ASIC。2.半定制或全定制ASIC根据实现的工艺，基于EDA设计技术的半定制或全定制ASIC可统称为掩模（MASK）ASIC，或直接称ASIC。ASIC大致分为门阵列ASIC、标准单元ASIC和全定制ASIC。门阵列ASIC：门阵列芯片包括预定制相连的PMOS和NMOS晶体管行。设计中，用户可以借助EDA工具将原理图或硬件描述语言模型映射为相应门阵列晶体管配置，创建一个指定金属互连路径文件，从而完成门阵列ASIC开发。由于有掩模的创建过程，门阵列有时也称掩模可编程门阵列（MPGA）。但是MPGA与FPGA完全不同，它不是用户可编程的，也不属于可编程逻辑范畴，而是实际的ASIC。MPGA出现在FPGA之前，FPGA技术则源自MPGA。现在，Altera的HardCopy、HardCopyII技术，可以提供一种把FPGA的设计转化为结构化ASIC的途径。标准单元ASIC：目前大部分ASIC是使用库中的不同大小的标准单元设计的，这类芯片一般称作基于单元的集成电路（Cell-basedIntegratedCircuits，CBIC）。在设计者一级，库包括不同复杂程度的逻辑元件，如SSI逻辑块、MSI逻辑块、数据通道模块、存储器、IP以及系统级模块。库还包含每个逻辑单元在硅片级的完整布局，使用者只需利用EDA软件工具与逻辑块描述打交道即可，完全不必关心电路布局的细节。在标准单元布局中，所有扩散、接触点、过孔、多晶通道及金属通道都已完全确定，当该单元用于设计时，通过EDA软件产生的网表文件将单元布局块“粘贴”到芯片布局之上的单元行上。标准单元ASIC设计与FPGA设计开发的流程相似。全定制芯片：全定制芯片中，在针对特定工艺建立的设计规则下，设计者对于电路的设计有完全的控制权，如线的间隔和晶体管大小的确定。该领域的一个例外是混合信号设计，使用通信电路的ASIC可以定制设计其模拟部分。·4·EDA技术与VHDL3.混合ASIC混合ASIC（不是指数模混合ASIC）主要指既具有面向用户的FPGA可编程功能和逻辑资源，同时也含有可方便调用和配置的硬件标准单元模块，如CPU、RAM、ROM、硬件加法器、乘法器、锁相环等。Xilinx、Atmel和Altera公司已经推出了这方面的器件，如Virtex-4系列、Excalibur（含ARM核）和StratixII系列等。混合ASIC为SOC和SOPC的设计实现提供了便捷的途径。1.3VHDL硬件描述语言HDL是EDA技术的重要组成部分，常见的HDL主要有VHDL、VerilogHDL、ABEL、AHDL、SystemVerilog和SystemC。其中VHDL、Verilog在现在的EDA设计中使用最多，也拥有几乎所有主流EDA工具的支持，而SystemVerilog和SystemC还处于完善过程中。本书将重点介绍VHDL的编程方法和使用技术。VHDL的英文全名是VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）HardwareDescriptionLanguage，于1983年由美国国防部（DOD）发起创建，由IEEE（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers）进一步发展，并在1987年作为“IEEE标准1076”发布。从此，VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。自IEEE公布了VHDL的标准版本（IEEEStd1076）之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具支持VHDL。此后，VHDL在电子设计领域得到了广泛应用，并逐步取代了原有的非标准硬件描述语言。VHDL作为一个规范语言和建模语言，随着它的标准化，出现了一些支持该语言的行为仿真器。由于创建VHDL的最初目标是用于标准文档的建立和电路功能模拟，其基本想法是在高层次上描述系统和元件的行为。但到了20世纪90年代初，人们发现，VHDL不仅可以作为系统模拟的建模工具，而且可以作为电路系统的设计工具，可以利用软件工具将VHDL源码自动地转化为文本方式表达的基本逻辑元件连接图，即网表文件。这种方法显然对于电路自动设计是一个极大地推进。很快，电子设计领域出现了第一个软件设计工具，即VHDL逻辑综合器，它可以标准地将VHDL的部分语句描述转化为具体电路实现的网表文件。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了VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。现在公布的最新VHDL标准版本是IEEE1076-2002。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。·5·概述第1章VHDL具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化、结构化设计方面，表现了强大的生命力和应用潜力。因此，VHDL在支持各种模式的设计方法，如自顶向下与自底向上或混合方法方面，以及在面对当今许多电子产品生命周期的缩短，需要多次重新设计以融入最新技术、改变工艺等方面都表现出了良好的适应性。用VHDL进行电子系统设计的