EDA技术概述

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1、1,EDA技术,任课教师：姚成乾 联系电话：15938326669 E-mail：,专业：电子信息工程,2,课程简况,应用范围,3,课程简况,课程背景 电子产品更新换代的步伐越来越快 电子系统设计的复杂程度不断增大、性能要求越来越高 ASIC的功能多样化、专业化 芯片规模越来越大，集成度越来越高,电子设计自动化（EDA）技术,1958年第一块集成电路,Intel酷睿双核E8400,4,本课程主要教学内容：,1. EDA的基本知识2. 数字系统设计的硬件描述语言VHDL。3. 可编程逻辑器件的结构、原理和使用方法。4. 学习数字系统设计的一般方法。*5. EDA工具软件的使用方法。,5,教学目的

2、,1.紧紧跟踪现代电子技术的发展步伐，改善知识结构。,3.提高数字系统设计能力，为今后工作和实践打下良好基础。,2.了解CPLD/FPGA器件的基本结构和使用方法，熟悉EDA工具软件的使用方法，掌握一门硬件描述语言。,6,项目一 EDA技术概述,7,1.1 EDA技术及其发展,KX康芯科技,EDA (Electronic Design Automation) ： 电子设计自动化,EDA技术发展的三个阶段,8,EDA技术的发展大致可分为三个阶段(器件、工具、语言）：,第一代：大约在20世纪70年代，MOS工艺得到广泛应用，出现可编程技术和器件，EDA工具的供应商只有几家，产品主要面向PCB布线设

3、计，如Tango软件等。该时期一般称为CAD（计算机辅助设计）。,第二代：大约在20世纪80年代，CMOS工艺广泛应用，复杂PLD开始应用，当时，Mentor公司、Daisy System公司及Logic System公司进入EDA市场，提供带有电路图编辑工具和逻辑模拟工具的EDA软件，主要用于电路设计没有完成之前的功能检验问题，一般是以数字电路的分析和测试工具为代表。在各种硬件描述语言的应用和标准化方面取得了重大进步。一般称为CAE（计算机辅助工程）。,第三代：20世纪90年代以后，工艺水平已经达到深亚微米级，硬件描述语言的标准化得到进一步确立，这时的EDA工具门类齐全，能够提供系统设计需要

4、的全部工具，兼容各种硬件实现方案，支持标准硬件描述语言，能完成逻辑综合、设计优化、行为仿真、参数分析和测试工具等。复杂电子系统设计进入了NOC、SOC和SOPC时代。EDA(电子设计自动化）,9,（1）EDA技术描述,EDA 技术：,EDA（Electronic Design Automation ）是电子设计自动化的英文缩写。它以功能强大的计算机为工具，在EDA工具软件平台上自动完成 编译、仿真、综合、优化、适配（或布局布线）下载， 实现既定的电子线路系统功能。,设计者的任务：完成系统硬件功能的描述。,二十世纪九十年代以来，电子设计自动化(EDA)技术得到了突飞猛进的发展，掌握电子设计自动化

5、技术是新一代电子设计工程师及从事电子技术开发和研究人员的必备技能,也是电子技术类专业学生学习的重要内容。本课程的主要目的就是介绍这门新技术的基本知识与应用，以改善同学们的知识结构，提高电子系统设计技术水平。,10,设计文件process（clk）beginif (clkevent and clk=1) thenif (reset) thenbeginout cont cont cont cont cont cont = “000”;end caseendendend,仿真,综合,适配,EDA软件,下载,11,典型的EDA工具应包括：编译器、仿真器、综合器、适配器和下载器。,综合器的功能就是将设

6、计者在EDA平台上完成的某系统的设计文件转换成该系统的门级电路描述（硬件电路）。综合器是软件描述和硬件实现的一座桥梁。适配器的功能是将综合器产生的网表文件安排在指定的器件中，产生最终的下载文件。,一般在可编程逻辑器件的应用中，综合器由软件厂商（第三方）提供，而适配器则需要由器件供应商自己提供。,12,（2）EDA技术的发展,EDA技术的发展与应用主要依赖三个方面：一是实现设计系统所用的器件；二是设计所使用的工具软件；三是硬件描述语言。,13,1.2 EDA技术的基本特征,1. “自顶向下”设计方法：根据系统功能将整个系统划分为若干功能模块，而后对功能模块进行逻辑设计。,2.用硬件描述语言来描述

7、数字电路与系统 ：在系统级、算法级、RTL（又称数据流级）和门级各个层次上进行描述。,3.综合及优化 ：把较高层次的描述转换到较低层次描述的过程，从行为级到RTL级，从RTL级到门级。并且可根据综合结果对设计进行优化。,4.开放性与标准化的框架结构 ：建立与硬件平台无关的图形用户界面以及工具之间的通信、设计数据和设计流程的管理平台，为EDA工具提供操作环境。,5.库（Library）的引入：模拟库、综合库、版图库。,14,传统设计方法与EDA方法的区别,1、设计思路不同：传统：自下而上的方法（Down-Top)，EDA：自上而下的设计方法（Top-Down)。2、设计方法不同：传统：设计基于电

8、路板；EDA：基于芯片的设计方法。,15,3、描述方式不同： 传统 ： 采用电路图为主 EDA ： 以硬件描述语言为主4、设计手段不同： 传统 ：以手工设计为主， EDA ：设计为自动设计结论：EDA技术极大地降低硬件电路的设计难度， 提高设计效率，是电子系统设计方法的质的飞跃！,16,两种设计方法： 自下而上（传统设计）基于电路板 自上而下（EDA设计）基于芯片,17,传统设计方法- 自下而上的方法（Down-Top),18,A、设计依赖于手工和经验 B、现在有的通用元器件 C、设计在后期的仿真与调试 D、自下布上的设计思想的局限 E、设计实现周期长，灵活性差，耗时耗力，效率低下。,传统设计

9、方法的缺点：,19,EDA设计方法-（Top - Down),20,自上而下指将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统的规模较大，则还需将子系统进一步分解为小的子系统和模块，层层分解，直至整个系统中各个子系统的关系合理，并便于工作于逻辑电路的设计和实现为止。自上而下设计中可逐层描述，逐层仿真，保证满足系统指标。,21,EDA技术的优势,KX康芯科技,可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证,有各类库的支持,某些HDL语言也是文档型的语言(如VHDL),日益强大的逻辑设计仿真测试技术,设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞,良好的可移植与可测试性，为系统开发提供了可靠的

10、保证,能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中,自动设计能力、不同内容的仿真模拟、完整的测试,22,1.3 硬件描述语言VHDL,KX康芯科技,VHDL VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language,VHDL,Verilog HDL,SystemVerilog,SystemC,具有很强的电路描述和建模能力,具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性,具有良好的电路行为描述和系统描述的能力,23,硬件描述语言,语言描述方法（布尔方程） 原理图输入法 新的语言描述方法。当前常用的HDL主要有：A

11、BEL-HDL、VHDL和VERILOG-HDL。,ABEL-HDL主要用于数字系统寄存器传输级的描述，其特点是格式简洁、易学、易用，编译要求宽松，适合初学者使用。早期主要应用于PLD器件。,Verilog-HDL主要用于数字系统寄存器传输级的描述，其学习相对来说也比较容易。Verilog-HDL主要是在集成电路设计中应用。,VHDL主要也是用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，但其行为描述能力更强，是数字系统设计领域最佳的硬件描述语言之一。VHDL学习难度相对要大一些。,HDL（Hardware Description Language）是硬件描述语言的缩写，是用于设计硬件电子系统的计算

12、机语言，它描述系统的逻辑功能、电路结构和连接方式，是EDA技术应用中最主要的设计输入方法之一。,System Verilog、System C：行为级描述功能比较强。,24,1.4可编程逻辑器件及其发展趋势,可编程逻辑器件：PLD(Programable Logic Device)，它是EDA技术发展的一个重要支持点，PLD的发展推动了EDA工具的发展，也改变了电子系统的设计方法。发展优势： 集成度：由几十门几百门发展到现在已有百万门以上的PLD问世； 速度：由早期的10纳秒以上到今天的小于3纳秒；功能：如内部带有RAM、乘法器、DSP和CPU等。,25,1. 20世纪70年代中期：最早的可编

13、程逻辑器件PROM和PLA 2. 20世纪70年代末期: AMD公司的PAL器件上市 3. 20世纪80年代初期: 世界上第一片电可擦写的GAL器件问世 4. 20世纪80年代中期: 推出世界上第一片FPGA器件，同时推出EPLD器件 5. 20世纪90年代初期: 具有在系统可编程能力的CPLD器件问世 6. 20世纪90年代以后: PLD进入高速发展时期,PLD的发展历程：,26,1.5 EDA的发展趋势,KX康芯科技,在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能,可编程逻辑器件开始进入传统的ASIC市场,EDA工具和IP核应用更为广泛,高性能的EDA工具得到长足的发展,计算机硬件平台性能大幅度

14、提高，为复杂的SoC设计提供了物理基础。,27,1.6 基于EDA技术进行数字系统设计的优越性,一数字系统的概念,现代的电子设备，单纯用模拟电路实现的已经很少见了。通常情况是在系统的前端（如信号放大）和后端（如驱动负载）等局部采用模拟电路，而其余部分均采用数字电路。也就是说，对大多数电子设备而言，其主体部分是数字系统。,信号 放大,模 数 转 换,数 字 系 统,模 数 转 换,驱 动 负 载,28,系统这个名词的定义是比较含混的，大到计算机系统，小到一个简单的数字密码锁控制电路，皆可称为系统。 通常将门、触发器称为逻辑器件； 将由逻辑器件构成，能执行某个单一功能的电路，如计数器、译码器、加法

15、器等称为逻辑功能部件；,通常说来，系统与部件之间的区别在于功能是否单一：一个存储器尽管规模很大，可达数兆字节，但因其功能单一，只能称为部件；而只需几片MSI器件即可实现的数字锁控制电路却应称之为系统。,而由若干逻辑部件组成，能实现复杂功能的电路称为数字系统；有些规模较大的系统还可分成若干子系统。,29,近年来，数字系统的设计大多仿效计算机组成方式，将整个系统分为控制器和受控器二部分（或分成控制器、处理器和存储器三个部分）。在这种结构下，系统与部件的区别就在于其中有无控制器：一个数字电路，无论其规模大小，必须具有控制器才可称之为系统。,30,1.早期（20世纪60年代中期-70年代中期）的数字系

16、统设计一般采用具有固定功能的标准集成电路如74/54系列的TTL和4000/5000系列的CMOS电路。用户只能根据需要选择合适的器件，设计的灵活性极差，搭成的系统体积大、可靠性低且开发周期长。,2. 70年代中期兴起的以微处理器（包括单片机）为核心的软件编程设计的热潮至今仍有相当广阔的市场， 微处理器是一种通用型器件，只要配以一定的程序和一些附属电路，原则上可以实现任意复杂的逻辑功能。其优点是设计方便灵活，系统所用器件数较少，程序修改方便，开发周期短，成本低，试制时承担的风险小。但它也有不可克服的缺点：,（1）速度低。 （2）程序“跑飞”; （3）保密性差。,二数字系统的硬件实现,3. 基于

17、芯片(又称ASIC)的设计方法：大约始于20世纪80年代中期。基于芯片的设计方法开创了电子系统设计新的一页，已逐渐成为电子系统设计的主流方法。,31,基于芯片的设计分全定制（Full Custom）和半定制(Semi-Custom)两种。全定制设计是由设计人员使用版图编辑工具，从系统级、电路级直到晶体管级的版图尺寸、位置及连线，完成整个芯片的全部设计。 优点是：可以优化芯片性能、提高芯片的元件密度、降低功耗等。只要设计得当全定制集成电路的性能应该是最好的。 集成电路生产工艺流程中需经数次光刻或蚀刻等处理，每次处理都需做一块掩膜，设计制作掩膜的成本相当高，因此全定制设计方法的风险大，设计周期长，通常只有生产批量达数万片以上，全定制设计才有价值。,