EDA 技术

1. EDA技术

2. 本课程安排： 学时数：44学时（课堂教学24学时，实验20学时） 课堂教学内容： 第一章、EDA技术概况 第二章、大规模可编程逻辑器件 第三章、VHDL硬件描述语言 第四章、MAX+PLUS Ⅱ开发系统 第五章、EDA实验开发系统 第六章、VHDL设计应用实例

3. 实验教学内容： 分5次共20学时。 掌握 EDA开发系统 MAX+PLUS II，从简单的 电路设计入手，到最后能够设计比较复杂的电 子系统。培养利用EDA技术设计电路系统的实 际动手能力。 教学目的： 了解一类可编程逻辑器件，掌握一门硬件描述 语言，熟悉使用一种EDA设计工具，设计自己 的芯片。

4. 教材及参考资料 • 教材： • 《EDA技术及应用》谭会生、张昌凡 编著 • 西安电子科技大学出版社 • 参考资料： • 《CPLD技术及其应用》宋万杰 等编著 • 西安电子科大出版社出版 《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计》 侯伯亨 顾新 等编著 西安电子科技大学出版社 • 《CPLD/FPGA的开发和应用》徐光辉 等编著　 电子工业出版社出版

5. EDA技术的相关网址： www.fpga.com.cn www.edaclub.net www.edachina.com

6. 第一章 EDA技术概况 1.1 EDA技术及其发展 1.什么是EDA？ Electronic Design Automation __电子设计自动化 EDA技术的发展过程：

7. EDA技术发展的三个阶段： 1）早期电子CAD阶段 20世纪70年代，属EDA技术发展初期。利用计算机、二维图形编辑与分析的CAD工具，完成布图布线等高度重复性的繁杂工作。 典型设计软件如Tango布线软件。

8. EDA技术发展的三个阶段： 2）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（PAL_Programmable Array Logic 和GAL_Generic Array Logic），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。

9. EDA技术发展的三个阶段： 3）电子设计自动化(EDA)阶段 20世纪90年代，可编程逻辑器件迅速发展，出现功能强大的全线EDA工具。具有较强抽象描述能力的硬件描述语言(VHDL、Verilog HDL)及高性能综合工具的使用，使过去单功能电子产品开发转向系统级电子产品开发（即SOC_ System On a Chip：单片系统、或片上系统集成）。 开始实现“概念驱动工程”（Concept Driver Engineering, CDE ）的梦想。

10. EDA的广义定义范围包括： 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 统称为EDA工程

11. EDA技术的狭义定义： 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、大规模可编程器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，自动完成用软件方式描述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、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，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门多学科融合的新技术。

12. 1.2 传统设计方法和 EDA方法的区别： 自下而上（Bottom - up)的 设计方法。 传统设计方法: 系统测试与性能分析 完整系统构成 电路板设计 固定功能元件

13. 传统设计方法的缺点： 1. 设计依赖于手工和经验。 2. 设计依赖于现有的通用元器件。 3. 设计后期的仿真和调试。 4. 自下而上设计思想的局限。 5. 设计实现周期长，灵活性差，耗时 耗力，效率低下。

14. EDA设计方法： 设计思想不同： 自上而下（Top - Down)的设计方法。 自上而下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，则还需将子系统进一步分解为更小的子系统和模快，层层分解，直至整个系统中各个子系统关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。 自上而下设计中可逐层描述，逐层仿真，保证满足系统指标。

15. ASIC:Application Specific Integrated Circuits, PLD:Programmable Logic Devices EDA方法：(Top-Down) 系统规格设计 功能级描述、仿真 模块化分、仿真 逻辑综合、优化、布局布线 定时仿真、定时检查 输出门级网表 ASIC芯片投片、PLD器件编程、测试

16. 与传统的基于电路板的设计方法不同，EDA技术是基于芯片的设计方法：与传统的基于电路板的设计方法不同，EDA技术是基于芯片的设计方法： 可编程逻辑器件 芯片设计 电路板构成 电子系统

17. 描述方式不同： 传统设计方法采用电路图为主； EDA设计方法以硬件描述语言（HDL__ Hard descripation Lauguage)为主 设计手段不同： 传统设计方法以手工设计为主； EDA设计方法为自动实现。其方案验证与设计、系统逻辑综合、布局布线、性能仿真、器件编程等均由 EDA工具一体化完成。

18. 传统方法 1. 自下至上（Bottom Up) 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. 主要设计文件是电原 理图 5. 手工实现 EDA方法 1. 自上至下（Top Down) 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. 自动实现 传统方法与EDA方法比较： EDA技术极大地降低硬件电路设计难度，提高设计效率，是电子系统设计方法的质的飞跃。

19. 1.3 EDA技术的主要内容 实现载体：大规模可编程逻辑器件 （PLD__Programmable Logic Device） 描述方式：硬件描述语言 （HDL__Hard descripation Lauguage) VHDL、Verlog HDL等 设计工具：开发软件、开发系统 硬件验证：实验开发系统

20. FPGA__ Field Programmable Gates Array CPLD__ Complex Programmable Logic Device 主流公司：Xilinx、Altera、Lattice FPGA/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

21. 三类器件的主要性能指标比较 ASIC：Application Specific Integrated Circuits

22. 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，适合于门级 电路描述。 2. 硬件描述语言 （HDL__Hardware Description Language）

23. EDA开发工具分为： 集成化的开发系统: 特定功能的开发软件：综合软件 仿真软件 3. 软件开发工具

24. 集成化的开发系统 Altera 公司：QuartusⅡ、MaxplusⅡ系列 Xilinx 公司：ISE、Foundation、 Aillance系列 Lattice 公司：ispDesignEXPERT 系列

25. 特定功能的开发软件 综合类： Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro Synopsys公司的FPGAexpress、FPGA compilerⅡ Mentor公司的LeonardoSpectrum 仿真类： Model Tech公司的Modelsim Aldec 公司的Active HDL Cadence公司的NC-Verilog、NC-VHDL、 NC-SIM

26. 4. 实验开发系统

27. 1、设计输入子模块 用图形编辑器、文本编辑器作设计描述， 完成语义正确性、语法规则的检查。 2、设计数据库子模块 系统的库单元、用户的设计描述、中间设 计结果。 3、分析验证子模块 各个层次的模拟验证、设计规则的检查、 故障诊断。 1.4 EDA软件系统的构成

28. 4、综合仿真子模块 实现从高层抽象描述向低层次描述的自 动转换，及各个层次的仿真验证。 5、布局布线子模块 完成由逻辑设计到物理实现的映射。 1.4 EDA软件系统的构成

29. 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（Electronic System Design Automation ） CE（Concurrent Engineering 并行设计 工程） 单芯片集成（SOC/SOPC：System On a Programmable Chip） 1.5 EDA技术及EDA工具的发展趋势

30. ESDA软件集成系统的构成和设计、仿真过程 ESDA： 技术要求 总体要求、算法建立 专用控制系统 PLD的设计 系统目标定义 算法建立与仿真验证 行为功能 设计验证 任务分解、定义设计规范 系统级仿真 硬件系统设计 VHDL、AHDL设计 算法软件 控制软件 设计系统 数字电路设计 模拟电路设计 综合与优化 优化设计 硬件仿真库 电路级仿真 器件模拟库 ASIC 模拟库 ASIC方式综合优化 电路结构与模块划分 PLD、FPGA器件库 PCB、MCM实现方式 数模混合电路优化 PLD、FPGA方式综合优化 电路级验证、布局布线器 专用开发系 统微控制器 设计参数提取和仿真验证 系统调试、系统测试 测试仪器仪表

31. 并行工程（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。

32. 电子系统的发展趋势： SOC/ SOPC 存储器、 μP、 PLD等 多合一

33. 2. EDA工具的发展趋势 1）输入工具 发展趋势是以硬件描述语言（HDL）为主。 2）混合信号处理能力 数/模混合信号的处理 数字信号的描述：VHDL、Verilog HDL 模拟信号的描述：AHDL 微波信号的描述：MHDL

34. 3）仿真工具 仿真分为： 功能仿真（前仿真、系统级仿真、行为仿真） 验证系统的功能。 时序仿真（后仿真、电路级仿真） 验证系统的时序特性、系统性能。 仿真是系统验证的主要手段，是整个电子设 计过程中花费时间最多的环节。 4）综合工具 综合：由高层次描述自动转换为低层次描述的过 程。是EDA技术的核心。

35. EDA设计的描述层次： 行为级描述 寄存器传输级描述（RTL） 门级描述 版图级描述 设计前端 设计后端 综合分为：行为综合、逻辑综合、前端综合、 版图综合、测试综合

36. 1.6 EDA的工程设计流程 文本编辑器、图形编辑器 网表文件 （EDIF、XNL、VHDL…) VHDL综合器 （逻辑综合、优化） VHDL仿真器 （行为仿真、 功能仿真、 时序仿真） 门级仿真器 （功能仿真、 时序仿真） FPGA/CPLD布线/适配器 （自动优化、布局、布线、适配） 测试电路 （硬件测试） 编程器/下载电缆 （编程、下载） 各种编程文件

37. 1.7 数字系统的设计方法 自顶向下（Top-down） 自底向上（Bottom-up） 进行整个系统的测试与性能分析 顶层规范描述、系统级行为设计与仿真 由各个功能模块连成一个完整系统 功能模块化分、模块级行为描述与仿真 由逻辑单元组成各个独立的功能模块 由EDA工具完成综合、优化及工艺的映射、实现 由基本门组成各个组合与时序逻辑单元

38. EDA技术的优点： 1. 采用自顶向下（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_System On a Chip)， 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。

39. 第一章思考题： 1、 EDA技术的基础是什么？ 2、构成现代数字系统的基本模块是什么？ 3、EDA技术的含义和内容是什么？ 4、比较电子系统传统设计方法和采用EDA技术设计 方法的区别。 5、EDA技术有哪些突出的优点？ 6、你认为EDA技术的核心是什么？请详细说明理由。 7、一个电子系统可由单片机技术实现，也可由EDA 技术实现，请比较两种方案各自的特点。