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EDA 技术的相关网址：

www.fpga.com.cn

www.edaclub.net

www.edachina.com

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学习本课程的任务1. 可编程逻辑器件的软件开发 :

原理图和硬件描述语言

2. 可编程逻辑器件的硬件开发 :各引脚与外部电路的连接

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两位十进制频率计顶层设计原理图文件

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D 触发器的 VHDL 描述LIBRARY IEEE ;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; ENTITY DFF1 IS PORT (CLK : IN STD_LOGIC ; D : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC ); END ; ARCHITECTURE bhv OF DFF1 IS

SIGNAL Q1 : STD_LOGIC ; -- 类似于在芯片内部定义一个数据的暂存节点 BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN Q1 <= D ; END IF; Q <= Q1 ; -- 将内部的暂存数据向端口输出 END PROCESS ; END bhv;

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第一章 EDA 技术概述§1.1 EDA 技术及其发展

一、什么是 EDA ？ Electronic Design Automation 即电子设计自动化。

二、 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。

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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。

2 、计算机辅助工程设计 CAE 阶段

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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）。

3 、电子设计自动化 (EDA) 阶段

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三、 EDA 的广义定义范围包括：

1 、半导体工艺设计自动化；

2、可编程器件设计自动化；

3、电子系统设计自动化；

4、印刷电路板设计自动化；

5、仿真与测试、故障诊断自动化；

6、形式验证自动化。

以上各部分统称为 EDA 工程

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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。

四、 EDA 技术的狭义定义：

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一、传统设计方法：自下而上（ Bottom - up) 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。

固定功能元件

电路板设计

完整系统构成

系统调试、测试与性能分析

系统功能需求

§1.2 传统设计方法和 EDA 方法的区别：

输入 输出

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1. 设计依赖于设计师的经验。

2. 设计依赖于现有的通用元器件。

3. 设计后期的仿真不易实现和调试复杂。

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。

传统设计方法的缺点：

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二、 EDA 方法：自上而下（ Top - Down) 的设计方法。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。

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。

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系统规格设计

功能级描述

功能级仿真

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

ASIC:Application Specific Integrated Circuits,

PLD: Programmable Logic Devices

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三、传统方法与 EDA 方法比较：

传统方法

1.从下至上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

EDA 方法

1. 自上至下2. 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.降低硬件电路设计难度

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。

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§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

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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。

一、 大规模可编程逻辑器件

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三类器件的主要性能指标比较

ASIC ： Application Specific Integrated Circuits

指 标 PLD ASIC 分离式逻辑速 度 很好 很好 差集成度 很好 很好 差价 格 很好 很好 差开发时间 很好 差 较好

样品及仿真时间 很好 差 差制造时间 很好 差 较好

使用的难易成度 很好 差 较好库存风险 很好 差 较好

开发工具的支持 很好 很好 差

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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。

二、 硬件描述语言 （ HDL__Hardware Description Language ）

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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

三、软件开发工具

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C 、 ASM...程序

C 、 ASM...程序

CPU 指令 / 数据代码：010010 100010 1100

软件程序编译器 COMPILER

编译器和综合功能比较

VHDL/VERILOG.程序

VHDL/VERILOG.程序

硬件描述语言 综合器 SYNTHESIZER 为 ASIC 设计提供的

电路网表文件

（ a ）软件语言设计目标流程

（ b ）硬件语言设计目标流程

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Altera 公司： QuartusⅡ、 MaxplusⅡ系列

Xilinx 公司： ISE 、 Foundation 、 Aillance 系列

Lattice公司： ispDesignEXPERT 系列

集成化的开发系统

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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

特定功能的开发软件

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四、实验开发系统

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一、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。

二、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。

三、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

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四、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。

五、布局布线子模块 完成由逻辑设计到物理实现的映射。

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一、 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

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ESDA：

ESDA 软件集成系统的构成和设计、仿真过程

技术要求

系统目标定义

算法建立与仿真验证

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

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

电路结构与模块划分ASIC 方式综合优化ASIC

模拟库 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

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

行为功能设计验证

算法软件控制软件设计系统

专用开发系统微控制器

总体要求、算法建立专用控制系统PLD 的设计

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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。

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电子系统的发展趋势：SOC/

SOPC

存储器、μP 、PLD 等多合一

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二、 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

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3 、仿真工具 仿真分为： 功能仿真：又称前仿真、系统级仿真或行为仿 真，用于验证系统的功能。 时序仿真：又称后仿真、电路级仿真，用于验 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。

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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

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§1.6 EDA 的工程设计流程文本编辑器、图形编辑器

VHDL 综合器

（逻辑综合、优化）

FPGA/CPLD 布线 / 适配器

（自动优化、布局、布线、适配）

VHDL 仿真器

（行为仿真、

功能仿真、

时序仿真）

编程器 / 下载电缆

（编程、下载）

测试电路

（硬件测试）

网表文件

（ EDIF 、 XNL 、 VHDL…)

门级仿真器

（功能仿真、

时序仿真）

各种编程文件

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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。

EDA 技术的优点：

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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。