现代数字系统设计方法和流程

现代数字系统的设计方法专业：电力电子与电力传动学号：212012080804004姓名：刘滔摘要随着微电子技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、工业自动化、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，EDA技术的含量正以惊人的速度上升，它已成为当今电子技术发展的前沿之一。现代社会电子产品更新换代的速度越来越快，传统的自下而上(Bottom-Up)的设计方法越来越适应不了这种挑战。随着可编程逻辑器件集成规模的迅速扩大，自身功能的不断完善，以及计算机辅助设计技术的不断发展，在现代电子系统设计领域，EDA(ElectronicDesignAutomation)技术便引起了人们的极大关注。设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述。相应的FPGA/CPLD器件，在EDA工具的帮助下，就可以得到最后的设计结果。本文首先阐述了EDA技术的基本概念、发展过程和基本特征，最后着重分析EDA技术在两个不同层次上的工作流程，即电路级设计和系统级设计，引入了一种自顶向下的高层次电子设计方法。关键词：设计方法电子系统设计EDA一、现代数字系统设计的概述EDA（ElectronicDesignAutomation）工程是现代电子信息工程领域中一门发展迅速的新技术。EDA的定义有广义和狭义之分，广义定义EDA包括半导体工艺设计自动化、可编程器件设计自动化、电子系统设计自动化、印制电路板设计自动化、仿真与测试故障诊断自动化等。狭义定义的EDA就是电子设计自动化。EDA技术主要有四个方面：1、可编程逻辑器件，即应用EDA技术完成电子系统设计的载体；2、硬件描述语言（VHDL或者Verilog）。它用来描述系统的结构和功能，是EDA的主要表达手段；3、配套的软件工具。它用来完成电子系统的智能化设计；4、实验开发系统。在整个EDA设计电子系统的过程中，实验开发系统是实现可编程器件下载和验证的工具，现代EDA技术是20世纪90年代初从计算机辅助设计、辅助制造和辅助测试等工程概念发展而来的。它的成熟主要经历了三个阶段，即：计算机辅助设计（CAD，ComputerAidedDesign）计算机辅助工程设计（CAED，ComputerAidedEngineeringDesign）电子设计自动化（EDA，ElectronicSystemDesignAutomation）。EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。下面介绍与EDA基本特征有关的几个概念。1．“自顶向下”的设计方法10年前，电子设计的基本思路还是选用标准集成电路“自底向上”地构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔，不仅效率低、成本高而且容易出错。高层次设计是一种“自顶向下”的全新设计方法，这种设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。然后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。2．ASIC设计现代电子产品的复杂度日益提高，一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题。解决这一问题的有效方法就是采用ASIC芯片进行设计。ASIC按照设计方法的不同可分为全定制ASIC、半定制ASIC和可编程ASIC（也称为可编程逻辑器件）。设计全定制ASIC芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则，最后将设计结果交由IC厂家去进行掩模制造，做出产品。这种设计方法的优点是芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低，而缺点是开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。半定制ASIC芯片的版图设计方法分为门阵列设计法和标准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。可编程逻辑芯片与上述掩模ASIC的不同之处在于：设计人员完成版图设计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片,无须IC厂家的参与，大大缩短了开发周期。可编程逻辑器件自70年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段，其中CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200万门/片，它将掩模ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易地转由掩模ASIC实现，因此开发风险也大为降低。上述ASIC芯片，尤其是CPLD/FPGA器件，已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。3.硬件描述语言硬件描述语言（HDL）是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。例如一个32位的加法器，利用图形输入软件需要输入500至1000个门，而利用VHDL语言只需要书写一行“A=B＋C”即可。而且VHDL语言可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，如ABEL、HDL、AHDL，由不同的EDA厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以上不足，1985年美国国防部正式推出了高速集成电路硬件描述语言VHDL，1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准（IEEESTD－1076）。VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次,支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。VHDL还具有以下优点：(1)VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，而花较少的精力于物理实现。(2)VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。(3)VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。(4)VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。4．EDA系统框架结构EDA系统框架结构(Framework)是一套配置和使用EDA软件包的规范。目前主要的EDA系统都建立了框架结构，如Cadence公司的DesignFramework，Mentor公司的FalconFramework，而且这些框架结构都遵守国际CFI组织制定的统一技术标准。框架结构能将来自不同EDA厂商的工具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的环境之下，而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中的信息传输与共享，是并行工程和自顶向下设计方法的实现基础。二、现代数字系统设计的方法优秀EDA软件平台集成了多种设计入口（如图形、HDL、波形、状态机），而且还提供了不同设计平台之间的信息交流接口和一定数量的功能模块库供设计人员直接选用。设计者可以根据功能模块具体情况灵活选用。下面是几种常用的较为成熟的设计方法。1.原理图设计2.HDL程序设计3.状态机设计4.波形输入设计5.基于IP的设计6.基于平台的设计三、现代数字系统设计的步骤逻辑功能的确定、系统的描述、算法的设计、结构的选择、电路的实现。1．系统逻辑功能的确定逻辑功能的确定是设计的首要任务，即根据用户要求，经反复磋商和分析，明确“设计什么?”“达到什么指标?”．具体化为三个方面：(1)待设计系统有哪些输人、输出信息，它们的特征、格式及传送方式。(2)所有控制信号的作用、格式以及控制信号之间、控制信号与输入、输出数据之间的关系。（3）数据处理或控制过程的技术指标。2．系统的描述即用某种形式，如文字、图形、符号、表达式以及类似于程序设计的形式语言来正确地描述用户要求及系统应具有的逻辑功能。例如在本节引例中，题目是文字形式表示的用户要求，式(1-5)是描述系统的表达式。3．算法的设计即寻求一个可以实现系统功能的方法。前已指出，算法是通过对系统的功能分析、分解而得到的。算法设计的本质实际上就是把系统要实现的复杂运算分解成一组有序进行的子运算。为确切表示设计师所构思的算法，也需要适当的描述工具，以便把算法用适当的形式表示出来，供分析和下一步设计之用。到目前为止，本书都是采用算法流程图描述算法。此法有较为直观的优点，但也有许多不足之处，本书第3章将详细讨论另一种重要的描述工具——硬件描述语言。4．电路结构的选择即寻求一个可以实现上述算法的电路结构。在引例中，根据算法的需要，数据处理单元采用了寄存器、加法器、计数器、数据选择器等功能块组成的电路结构。这一结构是用顺序方式来完成乘法运算的，它是一个时序系统。如果时钟CP的周期为T，则完成n位的乘法所需的时间为nT。算法设计与电路结构选择密切相关。不同的算法可以实现同一系统功能，但将有不同的电路结构。同一算法在不同情况下也可以对应不同的电路结构。5．电路的实现本步骤即根据设计、生产的条件，选择适当的器件来实现电路。并导出详细的逻辑电路图。这里尚只采用传统的通用集成电路来实现，故逻辑电路的求导过程通常归纳为两步：(1)选择适当的集成电路芯片实现各子运算，井连接成数据处理单元。(2)根据数据处理单元中各集成电路及其实现的运算，提出控制信号的变化规律。从而规定控制单元的逻辑功能，进而设计这个控制电路。参考文献[1]付家才.EDA原理与应用[M]北京:化学工业出版社，2001.[2]王锁萍.电子设计自动化[M].成都:电子科技大学出版社，2000.[3]高书莉.可编程逻辑设计技术及应用[M].北京:人民邮电出版社，2001[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，1998.[5]刘艳萍.EDA技术及应用教程（十二五）[M].北京:北京航空航天大学出版社，2012.