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1、EDA 技术基础,主讲：冷爱莲时间：2010年下学期,第 1 章 EDA技术概述,1.1 EDA技术的涵义1.2 EDA技术的发展概况1.3 EDA技术的主要内容1.4 EDA技术的设计流程1.5 EDA技术的应用展望1.6 数字系统设计,1.1 EDA技术的涵义,EDA（Electronic Design Automation电子设计自动化）技术的真正内涵是指： 以现代高性能计算机作为技术支撑，以大规模可编程逻辑器件的专用开发软件作为开发平台，以硬件描述语言作为系统逻辑描述的主要手段，以相应实验开发系统作为开发工具，以大规模可编程逻辑器件本身作为开发对象。通过逻辑描述、逻辑编译、逻辑仿真、逻
2、辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、适配编译、逻辑映射、编程下载等一系列步骤，最终使得用户可以快捷方便地设计出满足自己需要的特定专用集成电路芯片。,可编程逻辑器件/现场可编程门阵列（CPLD/FPGA） 可编程逻辑器件的英文表达形式是： CPLD Complex Programmable Logic DeviceCPLD 。 现场可编程门阵列的英文表达形式是： Field Programmable Gate ArrayFPGA 一般情况下，常把CPLD和FPGA都认为是可编程逻辑器件的范畴，两者有 一定区别，但又有很多的相似之处。,利用EDA技术开发CPLD/FPGA（将其由半定制
3、芯片变成专用集成电路芯片）所需具备的基本条件： （1）需要一台电脑（目前常规配置的电脑即可） （2）CPLD/FPGA芯片 （3）CPLD/FPGA芯片供应商提供的专用开发软件（一般免费，可从网上下载） （4）硬件开发平台或具体电路系统（CPLD/FPGA支持ISP在系统编程） （5）掌握至少一种硬件描述语言 将软件安装在电脑上后，即可用硬件描述语言对该芯片所应具备的功能进行详尽确切的描述，然后进行仿真、编译、适配，都没有问题之后，即可以锁定引脚，然后对芯片进行程序下载，程序下载成功之后，该芯片就从原来的不具备任何功能的状态变成具备特定功能的专用集成电路芯片。,EDA技术的这种特质使得电子工程
4、师可以在自己的实验室或工作室甚至家中进行设计，开发出具有自主知识产权的专用集成电路芯片，当设计存在问题时可以把原程序擦掉再写，这就大大提高了设计效率，缩短了产品上市周期，降低了开发成本，从而提高了产品竞争力。这正是EDA技术的强大生命力之所在。,1.2 EDA技术的发展概况,EDA (Electronic Design Automation),EDA技术发展的三个阶段 ：,EDA技术是这微电子技术和现代电子设计技术的结合 微电子技术代表了物理层在广度和深度上硬件电路实现的发展，现代电子设计技术则反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新的计算软件技术有机的融合和升华
5、。未来的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(单片系统)设计技术的发展，软、硬核功能库的建立，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，EDA技术将是21世纪产生重大影响的技术之一。,1.3 EDA技术的主要内容,在硬件实现方面： EDA技术融合了大规模集成电路制造技术，IC版图设计技术、ASIC测试和封装技术、FPGA/CPLD编程下载技术、自动测试技术等新技术。在计算机辅助工程方面： EDA技术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(C
6、AT)、计算机辅助工程(CAE)技术以及多种计算机语言的设计概念。在现代电子学方面： EDA技术则容纳了更多的内容，如电子线路设计理论、数字信号处理设计、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等等。 对本专科学生而言，需要掌握的主要是FPGA/CPLD编程及下载技术、自动测试技术、电子线路设计理论、数字系统建模等基础理论和技能。,1.4 EDA技术的设计流程,传统数字系统设计流程： 采用自底向上的方法，利用标准模块，千方百计构思所需功能，搭积木式层层堆建，这种方法对最终设计成果的可预见性、可修改性差，如果一级出现问题，常常不得不把整个设计思路推倒重来。EDA技术的设计流程： 采用自顶向下的方法，
7、利用硬件描述语言对设计任务进行详尽完备的抽象描述，而不去考虑其具体实现形式，这个任务由功能极其强大的开发软件去完成。其开发软件就像一个全自动的加工厂一样，只要设计者把电路行为描述清楚，它就能按照要求将CPLD/FPGA芯片内的资源通过电子开关进行灵活连接，搭建出用户所需要的电路。,比如：可把软件比喻成一个全自动木工家具厂，只要用户把木材准备好，然后再说明桌子多高多宽多长，几个抽屉等等，它就能把一切工作做完，最后给用户提供一张符合要求的桌子。其设计流程图一般如下图所示。,图1.1 EDA设计流程图,1.5 EDA技术展望,1、EDA技术将广泛应用于专用集成电路的开发 专用集成电路芯片及标准模块功
8、能特定且开发周期相对较长，而设计者在瞬息万变的市场竞争中，往往迫切需要把设计构思尽快予以实现，没有足够时间向集成电路厂商提供设计要求并等待很长的时间，且要支付高额的开发、生产费用。 这种情况下，CPLD/FPGA就为设计者提供了很好的选择，拿到芯片后，只需要进行二次开发，设计不完善可以一直修改，一块芯片可以进行多次擦写，从而很快可以制作出符合自己要求的芯片，待设计成熟完善并占领市场后，再把网表文件提供给芯片制造商，让其制作专用集成电路。这给设计者带来了极大的便利。Altera公司的Hardcopyx系列器件，正为此目的而设计，能够很快把基于CPLD/FPGA的设计构思转变为转变为专用集成电路。
9、,2、EDA技术将广泛应用于具有自主知识产权的新产品的开发中 现代电路抄版技术已经相当发达，采用传统标准模块及元器件进行设计，即使生产者将芯片型号用砂纸打掉，盗版者也很容易用逻辑分析仪等仪器搞清这些芯片的功能，其它的基本元器件型号及参数也可以用相应测试仪器进行测定。这就给电路设计提出了一个难题。 采用EDA技术进行系统设计，可以把CPLD/FPGA芯片硬件加密，任何人无法读出其中的程序，再加上其内部功能相对复杂，引脚较多，即使用逻辑分析仪器，除非采用通道数非常高的价格非常昂贵的高端型号，有可能完成测试，确定芯片的输入输出关系，否则一般的只有少量通道数的逻辑分析仪根本无能为力。这就给盗版带来了一
10、定的难度，最起码缩短了被盗版的时间。,虽然国家在逐渐健全知识产权的保护力度，但是因为技术行业的盗版较为隐蔽且较难界定，所以在设计中采用多种方法对自己的硬件、软件系统进行防盗版设计，已经越来越重要。 EDA技术正好可以适应时代发展的需要，能够有效防止盗版。3、EDA技术将广泛应用于高校电类专业的实践教学工作中 随着EDA技术的发展，CPLD/FPGA芯片的集成度越做越高，可以把上千万个逻辑门，上亿个三极管集成在一个芯片中，且开发工具已经非常完善，这就使得近几年来CPLD/FPGA的应用领域越来越广泛，因为其强大的逻辑处理能力、极高的运行高速、并行执行的工作机制、以及抗干扰能力强、运行稳定可靠的特
11、点，能够在很多场合解决单片机系统所固有的低俗及抗干扰能力差能问题，尤其在视频处理及传输方面，与DSP芯片的良好数据处理能力相结合，更是得心应手。,我国高校目前已经非常重视EDA课程的教学，可以说，全国高校，不论是211重点院校，还是普通本科，还是高职高专，甚至一些职业技能培训学校也纷纷开设了这门课，以使学生掌握这样一门新技术，适应时代发展需要。上世纪80年代，不会Protel绘图就不是一个合格的电子工程师，而到了21世纪，我们可以这样说，不懂得EDA技术，那么这个电子工程师就在知识和能力方面存在了重大缺陷。,1.6 数字系统的设计,数字系统的设计模型 数字系统指的是交互式的、以离散形式表示的，
12、具有存储、传输、信息处理能力的逻辑子系统的集合。用于描述数字系统的模型有多种，各种模型描述数字系统的侧重点不同。数字系统的划分应当遵循自然、易于理解的原则。设计一个数字系统时，在选择模型的时候，应该考虑该模型所具有一些设计上的优点。比如：使设计者面对的电路规模减小，可以分别设计；逻辑分工清楚，各自的任务明确，这可以使电路的设计、调测和故障处理都比较方便。,1.6 数字系统设计,数字系统的设计方法 数字系统的设计一般采用自顶向下、由粗到细、逐步求精的方法。 自顶向下的设计方法，就是在整个设计流程中各设计环节逐步求精的过程。即是指将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统规模较大，则还需
13、将子系统进一步分解为更小的子系统和模块，层层分解，直至整个系统中各子系统关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。一个项目的设计过程包括从自然语言说明到VHDL的系统行为描述、系统的分解、RTL模型的建立、门级模型产生，到最终的可以物理布线实现的底层电路，就是从高抽象级别到低抽象级别的整个设计周期。后端设计还必须包括涉及硬件的物理结构实现方法和测试（仍然利用计算机完成）。,数字系统的设计步骤 1. 系统任务的提出和分析 第一步是系统任务的提出和分析。在设计任务书中，可用各种方式提出对整个数字系统的逻辑要求，即用自然语言表达系统项目的功能特点和技术参数等。常用的方式有自然语言、逻辑流程图、时序
14、图或几种方法的结合。分析系统的任务要求必须细致、全面，不能有理解上的偏差和疏漏。 2. 根据任务的分析，确定逻辑算法 实现系统逻辑运算的方法称为逻辑算法，也简称为算法。一个数字系统的逻辑运算往往有多种算法，设计者的任务不但是要找出各种算法，还必须比较优劣，取长补短，从中确定最合理的一种。数字系统的算法是逻辑设计的基础，算法不同，同系统的结构也不同，算法的合理与直接影响系统结构的合理性。,3. 任务细化后，建立系统及子系统模型 当算法明确后，应根据算法构造系统的系统框图，将系统划分为若干个部分，各部分分别承担算法中不同的逻辑操作功能。划分后的各个部分应逻辑功能清楚，规模大小合适，便于进行电路级的
15、设计。4. 系统（或模块）逻辑描述 当系统中各个子系统（指最低层子系统）和模块的逻辑功能和结构确定后，则需采用比较规范的形式来描述系统的逻辑功能。设计方案的描述方法可以有多种，常用的有方框图、流程图和描述语言等。 对系统的逻辑描述可先采用较粗略的逻辑流程图，再将逻辑流程图逐步细化为详细逻辑流程图，最后将详细逻辑流程图表示成与硬件有对应关系的形式，为下一步的电路级设计提供依据。,5. 逻辑电路级设计及系统仿真 电路级设计是指选择合理的器件和连接关系以实现系统逻辑要求。电路级设计的结果常采用两种方式来表达：电路图方式和硬件描述语言方式。EDA软件允许以这两种方式输入，以便作后续的处理。 当电路设计完成后必须验证设计是否正确。在早期，只能通过搭建硬件电路才能验证设计结果。目前，数字电路设计的EDA软件都具有仿真功能，先通过系统仿真，当系统仿真结果正确后再进行实际电路的测试。由EDA软件验证的结果十分接近实际结果，可极大提高设计成功率。6. 硬件测试 硬件测试是指用实际器件实现数字系统设计，用仪表测量电路是否符合设计要求。现在的数字系统往往采用大规模和超大规模集成电路（如ASIC、CPLD或FPGA等），由于器件集成度高、导线密集，故一般在电路设计完成后即设计印刷电路板，在印刷电路板上组装电路进行测试。,
