EDA技术实用教程.ppt

EDA技术南京林业大学信息学院吴海青2006.8课程简介以《数字电路》为基础：学习了数字电路的基本设计方法。《可编程逻辑器件》：面向实际工程应用，紧跟技术发展，掌握数字系统新的设计方法。《数字信号处理》：后续课程，应用的一个方面，由FPGA代替DSP来实现算法，提高系统的速度。课程宗旨更新数字电路的设计观念，建立用PLD器件取代传统TTL器件设计数字电路的思想更新数字系统设计手段，学会使用硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage）代替传统的数字电路设计方法来设计数字系统。课程内容器件为什么能够编程了解大规模可编程逻辑器件的结构及工作原理（了解一类器件）怎样对器件编程熟悉一种EDA软件的使用方法（工具）以Altera公司的QuartusII为例（熟悉一种设计工具）掌握一种硬件描述语言（方法），以设计软件的方式来设计硬件（重点）以VHDL语言为例（掌握一门语言）教学安排理论教学（40学时）上机实践（8学时+2周实习）考核方式平时[上课、作业等情况+实验成绩（实验报告）]理论笔试（考试）教材及参考书宋万杰，CPLD技术及其应用，西安电子科大出版社。侯伯亨，顾新，VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计，西安电子科大出版社。CPLD／FPGA开发及应用，西安电子科技大学出版社。课本：潘松，EDA实用教程本节主要内容1.1EDA技术及其发展1.2EDA技术的主要内容1.3EDA设计方法1.4EDA技术及EDA工具的发展趋势第一章EDA技术概况1.1EDA技术及其发展1.什么是EDA？ElectronicDesignAutomation电子设计自动化２.EDA技术定义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印刷电路板设计自动化仿真与测试、故障诊断自动化形式验证自动化通称为EDA工程（广义定义）EDA技术定义1、以大规模可编程逻辑器件为设计载体．2、以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式．3、以计算机、大规模可编程逻辑器件(PLD)的开发软件及实验室开发系统为设计工具．4、通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作．5、最终形成电子系统或专用集成芯片的一门新的技术。（狭义定义）３.电子系统设计技术的发展过程：1）手工设计阶段2）早期电子CAD技术3）计算机辅助工程设计CAE阶段4）电子设计自动化(EDA)技术5）SOC、ESDA设计技术SOC：SystemOnaChipESDA：ElectronicSystemDesignAuotmation1）手工设计阶段:全人工手段、实际电路搭试。查找、修改错误十分不便,复杂电路设计、调试十分困难，缺点突出。早期的电路板设计2）早期电子CAD技术:20世纪70年代，利用计算机、二维图形编辑与分析的CAD工具，可完成布图布线等高度重复复杂性工作，如：完成图形（逻辑图、版图）输入与编辑工作，可进行几何规则检查（DRC：DesignRuleCheck)、电学规则检查（ERC：ElectricalRuleCheck)等。软件有：OrCAD、Tango、Protel软件。3）计算机辅助工程设计CAE阶段20世纪80年代初，出现了低密度的可编程逻辑器件（PLAprogrammablearraylogic和GALgenericarraylogic），相应的EDA开发工具主要解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。80年代后期，EDA工具已经可以进行初级的设计描述、综合、优化和设计结果验证。4）电子设计自动化(EDA)技术：整个（或绝大部分）设计过程可由计算机完成。提供各种自动综合工具：自动布线，逻辑综合、版图综合、测试综合，物理验证等。主要体现在两方面：a.HDL的使用。HDL可实现从抽象的行为与功能描述到具体的内部线路结构描述，从而可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行模拟验证，保证设计过程的正确性。降低设计成本，缩短周期。b.库（Library）的引入（IP核）。EDA完成各种自动设计，源于各类库的支持。如逻辑模拟时的模拟库、类似的综合库、版图库、测试库等。必然趋势、高级阶段。比较成熟阶段。5)SOC与ESDA设计技术：随着芯片集成度的提高（上亿个晶体管，数百万门），可将一个完整的电子系统集成到一个芯片上，构成单片系统、片上系统或系统芯片（SOC：SystemOnaChip)。相应的设计技术由EDA提升到ESDA：ElectronicSystemDesignAutomation。处于起步阶段。实现载体：大规模可编程逻辑器件描述方式：硬件描述语言设计工具：开发软件、开发系统硬件验证：实验开发系统１.２EDA技术的主要内容FPGA__FieldProgrammableGatesArrayCPLD__ComplexProgrammableLogicDevice主流公司：Xilinx、Altera、Lattice、ActelFPGA/CPLD显著优点：开发周期短、投资风险小、产品上市速度快、市场适应能力强、硬件修改升级方便。1.大规模可编程逻辑器件三类器件的主要性能指标比较ASIC：ApplicationSpecificIntegratedCircuits指标PLDASIC分离式逻辑速度很好很好差集成度很好很好差价格很好很好差开发时间很好差较好样品及仿真时间很好差差制造时间很好差较好使用的难易成度很好差较好库存风险很好差较好开发工具的支持很好很好差VHDL：IEEE标准，系统级抽象描述能力较强。Verilog:IEEE标准，门级开关电路描述能力较强。ABEL:系统级抽象描述能力差。2.硬件描述语言（HDL__HardwareDescriptionLanguage）EDA开发工具分为：1.芯片厂商提供2.第三方专业EDA公司提供3.软件开发工具注：目前业内几家专业的EDA公司：Synopsys,Cadence,Mentor,Magma,etc这些公司专注于不同的领域，能提供包括板级设计，芯片设计等几乎所有的EDA工具。Altera公司：QuartusⅡ、MaxplusⅡ系列Xilinx公司：ISEFoundation、ISEAillance系列Lattice公司：ispEXPERT,ispLEVER系列Actel公司：Libero,Designer系列芯片厂商一般都提供集成化的开发系统注：但是由于芯片厂商不是专业的EDA公司，这些公司的主要业务是芯片，所以这些公司提供的设计输入，仿真和综合软件功能比较差，这些公司为了提供更好的集成化开发环境，常常采用第三方EDA公司的专业工具综合类：Mentor公司LeonardoSpectrum,PrecisionRTLSynplicity公司的Synplify/SynplifyProSynopsys公司的FPGAexpress、FPGAcompilerⅡ仿真类：Mentor公司的ModelsimAldec公司的ActiveHDLCadence公司的NC-SIMSynopsys公司的VCS等设计输入：HDLDesignerSeries、Summit、ActiveHDL等第三方EDA公司所提供的开发软件4.实验开发系统１.３传统方法与EDA方法比较：传统方法1.自下至上（BottomUp)2.通用的逻辑元、器件3.系统硬件设计的后期进行仿真和调试4.主要设计文件是电路原理图5、手工完成EDA方法1.自上至下（TopDown)2.PLD（可编程逻辑器件）3.系统设计的早期进行仿真和修改4.多种设计文件，发展趋势以HDL描述文件为主5.降低硬件电路设计难度6、自动完成EDA技术极大的降低了硬件电路的设计难度，提高了设计效率，是电子系统设计方法的质的飞跃传统设计方法自下而上(Bottom-up)的设计方法优点设计人员对于用这种方法进行设计比较熟悉实现各个子块电路所需的时间短缺点一般来讲对系统的整体功能把握不足实现整个系统的功能所需的时间长因为必须先将各个小模块完成；使用这种方法对设计人员之间相互进行协作有比较高的要求。EDA设计方法自顶而下(Top-Down)的设计方法优点在设计周期伊始就做好了系统分析。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次完成的，所以能够早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，同时也减少了逻辑仿真的工作量。自顶向下的设计方法方便了从系统划分和管理整个项目，使得几十万门甚至几百万门规模的复杂数字电路的设计成为可能，并可减少设计人员，避免不必要的重复，设计提高了设计的一次成功率。缺点得到的最小单元不标准。制造成本高。EDA技术的优点：1).采用自上至下（Top-Down)的设计方法；2).采用系统早期仿真；3).多种设计描述方式；4).高度集成化的EDA开发系统；5).PLD在系统(在线)编程（ISP）能力；6).可实现单片系统集成（SOC—SystemOnaChip），减少产品体积、重量，降低综合成本；7).提高产品的可靠性；8).提高产品的保密程度和竞争能力；9).降低电子产品的功耗；10).提高电子产品的工作速度。1.4EDA技术及EDA工具的发展趋势1.EDA技术的发展趋势（1）广度上：大型机——工作站——微机（2）深度上：ESDA（ElectronicSystemDesignAutomation）CE（ConcurrentEngineering并行设计工程）SOC/SOPC（systemonaprogrammablechip单芯片集成）ESDA强调建立从系统到电路的统一描述语言，在设计综合中考虑各种约束条件，统一进行设计描述和优化，提高设计的一次成功率。ESDA技术中，系统设计的核心仍是可编程逻辑器件的设计。ConcurrentEngineering(CE)：CE是将电子产品及相关制造直至销售、维护全过程统一进行设计的一种方法，其核心是产品设计对象的全面可预见性。CE要求从管理层次上把工艺、工具、任务、智力和时间的安排协调一致，使用统一的集成化设计环境，由若干个相关的设计小组共享数据库，同步地进行设计。并行工程（CE）和自上而下（Top-Down）设计方法被誉为构成现代电子产品开发方式的两大特征。体现了设计策略的变革。单芯片集成（SOC/SOPC：SystemOnaChip/SystemOnaProgrammableChip）随着PLD器件集成度的提高（一亿以上个晶体管，数千万门）和开发系统的完善，可实现整个电子系统→单芯片设计（SOPC：SystemOnaProgrammableChip，可编程单片系统、可编程片上系统），相应的EDA技术提升为ESDA。在此领域，将更加强调用HDL对复杂系统完成系统级的抽象描述。目前研究有一定进展，尚不能实用化。2.EDA工具的发展趋势1）输入工具（多种——语言描述方式为主）2）混合信号处理能力（模拟与数字信号）3）仿真工具（功能仿真、时序仿真）4）综合工具综合：高层次描述转换为低层次描述，是EDA技术的核心。第二章PLD2.1数字电路课程的回顾布尔函数－－数字系统数学基础（卡诺图）数字电路设计的基本方法组合电路设计问题逻辑关系真值表化简逻辑图时序电路设计列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图数字电路课程的回顾使用中、小规模器件设计电路（74、54系列）编码器（74LS148）译码器（74LS138、74LS154）比较器（74LS85）计数器（74LS193、74LS161、74LS90）移位寄存器（74LS194）………数字电路课程的回顾设计方法的局限卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。采用“搭积木”的方法的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。设计系统所需要的芯片种