第1章 eda设计导论课件

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1、EDA 原理及应用1 1课程进度安排：56学时（课堂教学40学时，上机实验16学时）课堂教学内容：第1章-EDA设计导论第2章-可编程逻辑器件设计方法第3章-VHDL语言基础第4章-数字逻辑单元设计第5章-VHDL高级设计技术第6章-基于HDL和原理图的设计输入第7章-设计综合和行为仿真第8章-设计实现和时序仿真第9章-设计下载和调试第10章-设计示例（数字钟、UART、数字电压表）2 2课程教材EDA原理及应用何宾编著清华大学出版社,2009.05EDA原理及应用实验教程何宾编著清华大学出版社,2009.053 3第一章 EDA设计导论-主要内容EDA技术综述；EDA技术发展历史、EDA技术

2、涵义、EDA技术 主要内容；PLD设计方法学；在PLD设计方法学部分，介绍了PLD设计概论、 PLD设计流程、SOPC设计流程；HDL硬件描述语言介绍了HDL硬件描述语言概念、HDL语言特点 和比较、HDL语言最新发展。4 4第一章 EDA设计导论- EDA技术综述EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的 发展，经历了三个发展阶段：1、计算机辅助设计(CAD)2、计算机辅助工程设计(CAE)3、电子设计自动化(EDA)5 5第一章 EDA设计导论- EDA技术综述1、计算机辅助设计(CAD)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

3、 集成电路。在此阶段，人们开始将产品设计过程中高度重复性 的繁杂劳动，如布图布线工作，用二维图形编辑与分析 的CAD工具替代，最具代表性的产品就是美国ACCEL公 司开发的Tango布线软件。20世纪70年代，是EDA技术发展初期，由于PCB布 图布线工具受到计算机工作平台的制约，其支持的设计 工作有限且性能比较差。6 62、计算机辅助工程（CAE） 随着微电子工艺的发展，相继出现了集成上万只晶 体管的微处理器、集成几十万直到上百万储存单元的随机 存储器和只读存储器。此外，支持定制单元电路设计的硅编辑、掩膜编程 的门阵列，如标准单元的半定制设计方法以及可编程逻辑 器件(PAL和GAL)等一系列

4、微结构和微电子学的研究成果 都为电子系统的设计提供了新天地。因此，可以用少数几种通用的标准芯片实现电子系统 的设计。第一章 EDA设计导论- EDA技术综述7 7第一章 EDA设计导论- EDA技术综述 20世纪80年代初，推出的EDA工具则以逻辑模拟、 定时分析、故障仿真、自动布局和布线为核心，重点解 决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。 到了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。但是，大部分 从原理图出发的EDA工具仍然不能适应复杂电子系

5、统的 设计要求，而具体化的元件图形制约着优化设计。8 8第一章 EDA设计导论- EDA技术综述 3、电子系统设计自动化阶段微电子技术的发展，特别是可编程逻辑器件的发展， 使得微电子厂家可以为用户提供各种规模的可编程逻辑器 件，设计者通过设计芯片实现电子系统功能。EDA工具的 发展，又为设计师提供了全线EDA工具。这个阶段发展起来的EDA工具，目的是在设计前期 将设计师从事的许多高层次设计由工具来完成。由于电子 技术和EDA工具的发展，设计师可以在不太长的时间内使 用EDA工具，通过一些简单标准化的设计过程，利用微电 子厂家提供的设计库来完成数万门ASIC和集成系统的设 计与验证。9 9第一章

6、 EDA设计导论- EDA技术综述硬件描述语言HDL的出现是这个阶段最重要的成果， 由于HDL语言的出现使得EDA设计进入到抽象描述的设计 层次。 21世纪开始，随着微电子技术的进一步发展，EDA设 计进入了更高的阶段，即片上系统设计（SOPC，System On Programmable Chip）阶段，在这个阶段，可编程逻辑 器件内集成了数字信号处理器的内核、微处理器的内核 等，使得可编程逻辑器件不再只是完成复杂的逻辑功能， 而是具有了强大的信号处理和控制功能。SOPC技术的进 一步发展必将给电子系统的设计带来一场深刻的变革。 1010第一章 EDA设计导论- EDA技术涵义EDA技术包括

7、狭义EDA技术和广义EDA技术。狭义EDA技术，就是指以大规模可编程逻辑器件为设 计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方 式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验 开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用 软件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，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程 下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一 门新技术，或称为IES/ASIC自动设计技术。 1111第一章 EDA设计导论- EDA技术涵义广义EDA技术，是通过计算机及其电子系统的辅助分析和设计软件

8、，完成电子系统某一部分的设计过程。因 此，广义EDA技术除了包含狭义的EDA技术外，还包括计 算机辅助分析CAA技术(如PSPICE，EWB，MATLAB 等)，印刷电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(如 PROTEL，ORCAD等)和其它高频和射频设计和分析的工具等。1212第一章 EDA设计导论- EDA技术涵义EDA技术的共同特点：1、通过使用相应的电路分析和设计软件，完成电子系 统某部分的设计；2、在电子系统设计中所使用的EDA软件基本都符合自 顶向下的设计流程的理念；3、使用EDA软件设计电子系统，都需要分工设计，团 体协作；4、使用EDA软件设计电子系统，提高了设计的效率， 缩

9、短了设计周期；5、使用EDA软件设计电子系统，采用了模块化和层次 化的设计方法； 6、大多数EDA软件都具有仿真和模拟功能；1313第一章 EDA设计导论- EDA技术内容基于狭义EDA技术进行可编程逻辑器件的设计应掌 握以下几个方面的内容：、大规模可编程逻辑器件（PLD），PLD是利用EDA 技术进行电子系统设计的载体；、硬件描述语言（HDL），HDL语言是利用EDA技术 进行电子系统设计的主要表达手段；、EDA设计软件(EDAS,)，EDA设计软件是利用EDA 技术进行电子系统设计的自动化设计工具；、相关的硬件平台，硬件平台是利用EDA技术进行电 子系统设计的下载工具及硬件验证工具；141

10、4第一章 EDA设计导论- EDA技术内容、大规模可编程逻辑器件（PLD）现在所说的PLD器件一般包含现场可编程门阵列 （FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。由于PLD的集成规模非常大，因此可利用先进的EDA 工具进行电子系统设计和产品开发。由于开发工具的通用 性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用器件的硬 件结构无关，因而设计开发成功的各类逻辑功能块软件有 很好的兼容性和可移植性。与ASIC设计相比，PLD显著的优势是开发周期短、投资 风险小、产品上市速度快、市场适应能力强和硬件升级回 旋余地大，而且当产品定型和产量扩大后，可将在生产中 达到充分检验的VHDL设计迅速实现ASIC

11、投产。1515第一章 EDA设计导论- EDA技术内容2、硬件描述语言常用硬件描述语言有VHDL、Verilog和ABEL语言。 VHDL起源于美国国防部的VHSIC，Verilog起源于集成电 路的设计，ABEL则来源于可编程逻辑器件的设计。下面从使用方面对这三种语言进行简要的对比：(1)逻辑描述层次：一般的硬件描述语言可以在三个层 次上进行电路描述，其层次由高到低依次可分为行为级、 RTL级和门电路级。VHDL语言是一种高级描述语言，适 用于行为级和RTL级的描述，最适于描述电路的行为； Verilog语言和ABEL语言是一种较低级的描述语言，适用 于RTL级和门电路级的描述，最适于描述门

12、级电路。1616第一章 EDA设计导论- EDA技术内容(2)设计要求：VHDL进行电子系统设计时可以不了解 电路的结构细节，设计者所做的工作较少；Verilog和 ABEL语言进行电子系统设计时需了解电路的结构细节， 设计者需做大量的工作。(3)综合过程：任何一种语言源程序，最终都要转换 成门电路级才能被布线器或适配器所接受。因此，VHDL 语言源程序的综合通常要经过行为级RTL级门电路级 的转化，VHDL几乎不能直接控制门电路的生成。而 Verilog语言和ABEL语言源程序的综合过程要稍简单，即 经过RTL级门电路级的转化，易于控制电路资源。1717第一章 EDA设计导论- EDA技术内

13、容(4)对综合器的要求：VHDL描述语言层次较高，不易 控制底层电路，因而对综合器的性能要求较高，Verilog和 ABEL对综合器的性能要求较低。1818第一章 EDA设计导论- EDA技术内容(5)支持的EDA工具：支持VHDL和Verilog的EDA工具 很多，但支持ABEL的综合器仅仅Dataio一家。(6)国际化程度：VHDL和Verilog已成为IEEE标准，而 ABEL正朝国际化标准努力。在新世纪中，VHDL与 Verilog语言将承担几乎全部的数字系统设计任务。1919第一章 EDA设计导论- EDA技术内容 3、软件开发工具基于高复杂度PLD器件的开发，在很大程度上要依靠 E

14、DA软件完成。PLD的EDA工具以计算机软件为主，将典型的单元电路封装起来形成固定模块并形成标准的硬件开 发语言（如HDL语言）供设计人员使用。PLD开发软件需要自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局 布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载 等工作。典型的EDA工具中必须包含两个特殊的软件包，即综合器和适配器。2020第一章 EDA设计导论- EDA技术内容综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成的针对 某个系统项目的HDL、原理图或状态图形描述，针对给定的硬件系统组件，进行编译、优化、转换和综合。 本书中主要是基于Xilinx的ISE.2EDA软件工具2121第一章

15、EDA设计导论- EDA技术内容、硬件开发平台硬件开发平台提供芯片下载电路及EDA实验/开发的 外围资源，以供硬件验证用。硬件开发平台一般包括：）实验或开发所需的各类基本信号发生模块，包括 时钟、脉冲、高低电平等；）PLD输出信息显示模块，包括数码显示、发光管 显示、声响指示等；）监控程序模块，提供“电路重构软配置”；）目标芯片适配座以及上面的FPGA/CPLD目标芯 片和编程下载电路。2222第一章 EDA设计导论- PLD设计方法设计已经从传统的自下而上 的方法，转变成自上而下的设 计方法。传统上的设计方法是自下而 上的设计方法，是以固定功能 元件为基础，基于电路板的设 计方法。系统调试、

16、测试与性能分析完整系统构成电路板设计固定功能元件系统功能需求图1.1 传统设计方法2323第一章 EDA设计导论- PLD设计方法这种设计方法有下面的缺点： 设计依赖于设计人员的经验。 设计依赖于现有的通用元器件。 设计后期的仿真不易实现，并且调试复杂。 设计实现周期长，灵活性差，耗时耗力，效率低下。 2424第一章 EDA设计导论- PLD设计流程设计目标设计输入设计综合翻译、映射和布局布线时序仿真系统验证系统产品原理图输入,文本输 入(包括器件选择、 元件库的建立、原理 图或状态机设计、 VHDL语言设计）1、网表转换 2、映射 3、布局布线 4、产生时序数据 5、产生配置文件配置文件加载后，用 示波器、逻辑分析仪、 软件程序观察行为仿真2525第一章 EDA设计导论- PLD设计流程 1、设计目标在系统设计之前，首先要进行的是方案论证、系统设 计和FPGA芯片选择等准备工作。系统工程师根据任务要求，如系统的指标和复杂度，对工作速度和芯片本身的各 种资源、成本等方面进行权衡