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1、第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 第第1章章 EDA技术概述技术概述 1.1 EDA技术的发展史技术的发展史 1.2 EDA技术的主要内容技术的主要内容 1.3 EDA技术的发展趋势技术的发展趋势 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 1.1 EDA技术的发展史技术的发展史 EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了计算机辅助设计(Computer Assist Design，简称CAD)、计算机辅助工程设计(Computer Assist Engineering Design，简称CAED)和电子设计自动化(Electronic Design Autom
2、ation，简称EDA)三个发展阶段。第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 1. 20世纪世纪70年代的计算机辅助设计年代的计算机辅助设计(CAD)阶段阶段 早期的电子系统硬件设计采用的是分立元件。随着集成电路的出现和应用，硬件设计进入到大量选用中小规模标准集成电路阶段。人们将这些器件焊接在电路板上，做成初级电子系统。对电子系统的调试是在组装好的PCB(Printed Circuit Board)板上进行的。第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 2. 20世纪世纪80年代的计算机辅助工程设计年代的计算机辅助工程设计(CAED)阶段阶段 初期阶段的硬件设计是用大量不同型号的标准芯
3、片实现电子系统设计的。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程、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)等一系列微结构和微电子学的研究成果都为电子系统的设计开辟了新天地。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 伴随着计算机和集成电路的发展，EDA技术进入到计算机辅助工程设计阶段。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，重点解决电路设计完成之前的功能检测等问题。利用这些工具，设计师能在产品制作
4、之前预知产品的功能与性能，能生成产品制造文件，在设计阶段对产品性能的分析前进了一大步。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 3. 20世纪世纪90年代电子系统设计自动化年代电子系统设计自动化(EDA)阶段阶段 为了满足千差万别的系统用户提出的设计要求，最好的办法是由用户自己设计芯片，让他们把想设计的电路直接设计在自己的专用芯片上。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，使设计者通过设计芯片来实现电子系统功能。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 1.2 EDA技术的主要内容技术的主要内容 作为一名初学者，面对涉及面
5、广、内容交叉纵横的EDA技术往往感到无从入手。下面我们以绘画为例，从实用的角度来阐明基于可编程逻辑器件的数字系统EDA技术的主要内容。在开始绘画之前，我们必须准备好纸和笔墨。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 1.2.1 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件 可编程逻辑器件(简称PLD)是一种由用户编程来实现某种逻辑功能的新型逻辑器件，主要包括FPGA和CPLD两大类。FPGA和CPLD分别是现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件的简称。国际上生产FPGA/CPLD的主流公司，并且在国内占有市场份额较大的主要是Xilinx、A1tera、Lattice等三家公司。 第第1 1章章
6、 EDAEDA技术概述技术概述 Xi1inx公司的FPGA器件有XC2000、XC3000、XC9500/4000、Coolrunner (XPLA3)、Spartan、Virtex系列等，可用门数为120018000；A1tera公司的主要产品有MAX3000/7000、FLEX10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix、Cyclone系列等，提供门数为5000250000；Lattice公司的主要产品有ispLSI2000/5000/8000、MACH4/5、ispMACH4000等，集成度可多达25000个PLD等效门。第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 FPGA在结
7、构上主要分为三个部分：可编程逻辑单元，可编程输入/输出单元和可编程连线。CPLD在结构上主要包括三个部分：可编程逻辑宏单元，可编程输入/输出单元和可编程内部连线。 FPGA/CPLD最明显的特点是高集成度、高速度和高可靠性，其时钟延时可小至纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有着非常广阔的应用前景。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 1.2.2 软件开发工具软件开发工具 目前比较流行的、主流厂家的EDA软件工具有Altera的MAX+plus Lattice的ispLEVER、Xilinx的Foundation Series等。 MAX+plus支持原理图、V
8、HDL和Verilog语言文本文件以及以波形与EDIF等格式的文件作为设计输入，并支持这些文件的任意混合设计。它具有门级仿真器，可以进行功能仿真和时序仿真，能够产生精确的仿真结果。在适配之后，MAX+plus生成供时序仿真用的EDIF、VHDL和Verilog三种不同格式的网表文件。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 ispLEVER System是ispLEVER的主要集成环境。通过它可以进行VHDL、Verilog及ABEL语言的设计输入、综合、适配、仿真和在系统下载。ispLEVER System是目前流行的EDA软件中最容易掌握的设计工具之一，它界面友好、操作方便、功能强大
9、，并与第三方EDA工具兼容良好。 Foundation Series是Xilinx公司较成熟的集成开发的EDA工具。它采用自动化的、完整的集成设计环境。Foundation项目管理器集成了Xilinx实现工具，并包含了强大的Synopsys FPGA Express综合系统，是业界最强大的EDA设计工具之一。第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 1.2.3 输入方式输入方式 常用的硬件描述语言有VHDL语言、Verilog语言和ABEL语言。 VHDL语言作为IEEE的工业标准硬件描述语言，在电子工程领域已成为事实上的通用硬件描述语言。 Verilog语言支持的EDA工具较多，适用于R
10、TL级和门电路级的描述，其综合过程较VHDL稍简单，但在高级描述方面不如VHDL。第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 ABEL语言是一种支持各种不同输入方式的HDL，被广泛用于各种可编程逻辑器件的逻辑功能设计。由于其语言描述的独立性，因而适用于各种不同规模的可编程器件的设计。 有专家认为，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。第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 1.2.4 相关厂商概述相关厂商概述 我们知道，要成为一名优秀的画家，就必须对各种纸张、笔墨的特性都非常熟悉；同样，作为一名优秀的电子器件设计工程师，也必须对相关厂商有一定的了解。
11、 (1) Altera：Altera公司在20世纪90年代以后发展很快，是最大的可编程逻辑器件供应商之一。其主要产品有MAX3000/7000、FLEX10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix、Cyclone等，开发软件为MAX+plus和Quartus。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 (2) Xilinx：FPGA的发明者，老牌PLD公司，是最大的可编程逻辑器件供应商之一。其产品种类较全，主要有XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Virtex等，开发软件为Foundation、Alliance和ISE。 (3) Lattic
12、e：Lattice是ISP技术的发明者。ISP技术极大地促进了PLD产品的发展。与Altera和Xilinx相比，Lattice的开发工具略逊一筹，大规模PLD、FPGA的竞争力还不够强，但其中小规模PLD比较有特色。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 (4) Actel：反熔丝(一次性烧写)PLD的领导者。由于反熔丝PLD抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快，因此在军品和宇航级上有较大优势。 (5) Cypress：PLD/FPGA不是Cypress的主要业务，但其有一定的用户群。Cypress在中国地区的代理商有富昌电子、德创电子等。 (6) Quicklogic：专业PLD/FP
13、GA公司，以一次性反熔丝工艺为主，有一些集成硬核的FPGA比较有特色，但总体上在中国地区销售量不大。Quicklogic在中国地区的代理商是科汇三部。第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 (7) Lucent：主要特点是有不少用于通讯领域的专用IP核，但PLD/FPGA不是Lucent的主要业务，在中国地区使用的人很少。2000年Lucent的半导体部独立出来并更名为Agere。2001年12月Agere公司的FPGA部门被Lattice收购。 (8) Atmel：PLD/FPGA不是Atmel的主要业务，但其中小规模PLD做的不错。Atmel也做了一些与Altera和Xilinx兼容
14、的芯片，但在品质上与原厂产品还有一些差距，在高可靠性产品中使用较少，多用在低端产品上。Atmel的代理商较多，有五六家。 表1.1列出了主要厂商开发的EDA软件特性。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 表1.1 可编程逻辑器件EDA开发软件的特性第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 1.3 EDA技术的发展趋势技术的发展趋势 1.3.1 可编程器件的发展趋势可编程器件的发展趋势 1. 向高密度、大规模的方向发展向高密度、大规模的方向发展 电子系统的发展必须以电子器件为基础。随着集成电路制造技术的发展，可编程ASIC器件的规模不断地扩大，从最初的几百门到现在的上百万门。目前，
15、高密度的可编程ASIC产品已经成为主流器件。可编程ASIC已具备了片上系统(SOC)集成的能力，产生了巨大的飞跃，制造工艺也不断进步。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 2. 向系统内可重构的方向发展向系统内可重构的方向发展 系统内可重构是指可编程ASIC在置入用户系统后仍具有改变其内部功能的能力。采用系统内可重构技术，使得系统内硬件的功能可以像软件那样通过编程来配置，从而在电子系统中引入“软硬件”的全新概念。它不仅使电子系统的设计以及产品性能的改进和扩充变得十分简便，还使新一代电子系统具有极强的灵活性和适应性，为许多复杂信号的处理和信息加工的实现提供了新的思路和方法。第第1 1章
16、章 EDAEDA技术概述技术概述 3. 向低电压、低功耗的方向发展向低电压、低功耗的方向发展 集成技术的飞速发展，工艺水平的不断提高，节能潮流在全世界的兴起，也为半导体工业提出了降低工作电压的发展方向。可编程ASIC产品作为电子系统的重要组成部分，也不可避免地向3.3 V2.5 V1.8 V的标准靠拢，以便适应其它数字器件，扩大应用范围，满足节能的要求。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 4. 向混合可编程技术方向发展向混合可编程技术方向发展 可编程ASIC的广泛应用使得电子系统的构成和设计方法均发生了很大的变化。但是迄今为止，有关可编程ASIC的研究和开发的大部分工作基本都集中在
17、数字逻辑电路上。在未来几年里，这一局面将会有所改变，模拟电路及数模混合电路的可编程技术将得到发展。第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 1.3.2 软件开发工具的发展趋势 1. 具有混合信号处理能力的具有混合信号处理能力的EDA工具工具 目前，数字电路设计的EDA工具远比模拟电路的EDA工具多，模拟集成电路EDA工具开发的难度较大。但是，由于物理量本身多以模拟形式存在，因此实现高性能的复杂电子系统的设计离不开模拟信号。20世纪90年代以来，EDA工具厂商都比较重视数模混合信号设计工具的开发。对数字信号的语言描述，IEEE已经制定了VHDL标准，而对模拟信号的语言正在制定AHDL标准，此
18、外还提出了对微波信号的MHDL描述语言。第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 具有混合信号设计能力的EDA工具能完成含有数字信号处理、专用集成电路宏单元、数模变换和模数变换模块以及各种压控振荡器在内的混合系统设计。美国Cadence、Synopsys等公司开发的EDA工具已经具有了混合设计能力。第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 2. 有效的仿真工具的发展有效的仿真工具的发展 通常，可以将电子系统设计的仿真过程分为两个阶段：设计前期的系统级仿真和设计过程中的电路级仿真。系统级仿真主要验证系统的功能；电路级仿真主要验证系统的性能，决定怎样实现设计所需的精度。在整个电子设计过程中
19、，仿真是花费时间最多的工作，也是占用EDA工具资源最多的一个环节。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 3. 理想的设计综合工具的开发 今天，电子系统和电路的集成规模越来越大，几乎不可能直接面向版图做设计，若要找出版图中的错误，更是难上加难。将设计者的精力从繁琐的版图设计和分析中转移到设计前期的算法开发和功能验证上，是设计综合工具要达到的目的。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 1.3.3 输入方式的发展趋势输入方式的发展趋势 1. 输入方式简便化输入方式简便化 早期的EDA工具设计输入时普遍采用原理图输入方式，以文字和图形作为设计载体和文件，将设计信息加载到后续的EDA
20、工具，完成设计分析工作。原理图输入方式的优点是直观，能满足以设计分析为主的一般要求，但原理图输入方式不适合用EDA综合工具。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 2. 输入方式高效化和统一化输入方式高效化和统一化 今天，在电子设计领域形成了这样一种分工：软件设计和硬件设计。相应地，工程师也被分成软件工程师和硬件工程师。对于复杂算法的实现，人们通常先建立系统模型，根据经验分析任务，然后将一部分工作交给软件工程师，将另一部分工作交给硬件工程师。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 硬件工程师为了实现复杂的系统功能，使用硬件描述语言设计高速执行的芯片，而这种设计是富有挑战性的和费时的，需要一定的硬件工程技巧。人们希望能够找到一种方法，在更高的层次下设计更复杂、更高速的系统，并希望将软件设计和硬件设计统一到一个平台下。C/C+语言是软件工程师在开发商业软件时的标准语言，也是使用最为广泛的高级语言。 第第1 1章章 EDAEDA技术概述技术概述 C语言输入方式的广泛使用还有待于更多EDA软件厂家和FPGA公司的支持。随着EDA技术的不断成熟，软件和硬件的概念将日益模糊，使用单一的高级语言直接设计我们的整个系统将是一个统一化的发展趋势。
