eda技術(shù)及其應(yīng)用_secret

1、EDA技術(shù)及其應(yīng)用摘 要：在簡(jiǎn)要介紹了EDA技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)L，用EDA技術(shù)作為開發(fā)手段，實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)。系統(tǒng)采用了頂層圖形設(shè)計(jì)思想，基于硬件描述語言AI扔L，以可編程器件為核心，具有體積小、可靠性高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。并比較了EnA技術(shù)與傳統(tǒng)電子 設(shè)計(jì)方法的差異，總結(jié)出別rA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵字：EDA 數(shù)字系統(tǒng) CPLD VHDL 電子設(shè)計(jì)的必由之路是數(shù)字化，這已成為共識(shí)。在數(shù)字化的道路上，我國(guó)的電子技術(shù)經(jīng)歷了一系列重大的變革。從應(yīng)用小規(guī)模集成電路構(gòu)成電路系統(tǒng)，到廣泛地應(yīng)用 微控制器或單片機(jī)(MCU)，在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)上發(fā)生了具有里程碑意義的飛躍。電子產(chǎn)品正在以前所未有的速度進(jìn)行著革新，

2、主要表現(xiàn)在大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?廣泛應(yīng)用。特別在當(dāng)前，半導(dǎo)體工藝水平已經(jīng)達(dá)到深亞微米，芯片的集成高達(dá)到干兆位，時(shí)鐘頻率也在向干兆赫茲以上發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)達(dá)到每秒幾十億次，未來 集成電路技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將是SOC(System 0h aCh5p)片上系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)可編程片上系統(tǒng)芯片CPU(復(fù)雜可編程邏輯器件)和5PGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)必將成為今后電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方 向。所以電子設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展到今天，又將面臨另一次更大意義的突破，5PGA在EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)基礎(chǔ)上的廣泛應(yīng)用。 EDA技術(shù)的概念: EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(E1echonics Des5p AMtoM60n)的縮寫。由

3、于它是一門剛剛發(fā)展起來的新技術(shù)，涉及面廣，內(nèi)容豐富，理解各異，所以目前尚無一個(gè)確切的定義。但從EDA技術(shù)的幾個(gè)主要 方面的內(nèi)容來看，可以理解為：EDA技術(shù)是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計(jì)載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)?？删幊踢壿?器件的開發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具，通過有關(guān)的開發(fā)軟件，自動(dòng)完成用軟件的方式設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的一門新技術(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、 邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化，邏輯布局布線、邏輯仿真。完成對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒?EDA技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)、集成電路、電子系統(tǒng)的

4、設(shè)計(jì)發(fā)展起來的，至今已有30多年的歷程。大致可以分為三個(gè)發(fā)展階段。20世紀(jì)70年代的CAD(計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì))階段：這一階段的主要特征是利用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行電路原理圖編輯，PCB布同布線，使得設(shè)計(jì)師從傳統(tǒng)高度重復(fù)繁雜的繪圖勞動(dòng)中解脫出來。20世紀(jì) 80年代的QtE(計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì))階段：這一階段的主要特征是以邏輯摸擬、定時(shí)分析、故障仿真、自動(dòng)布局布線為核心，重點(diǎn)解決電路設(shè)計(jì)的功能檢測(cè)等 問題，使設(shè)計(jì)而能在產(chǎn)品制作之前預(yù)知產(chǎn)品的功能與性能。20吐紀(jì)如年代是EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)階段：這一階段的主要特征是以高級(jí)描述語言，系統(tǒng)級(jí)仿真 和綜合技術(shù)為特點(diǎn)，采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念，將設(shè)計(jì)前期的許多

5、高層次設(shè)計(jì)由EDA工具來完成。EDA是電子技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)化，也就是能夠幫助人們?cè)O(shè)計(jì)電 子電路或系統(tǒng)的軟件工具。該工具可以在電子產(chǎn)品的各個(gè)設(shè)計(jì)階段發(fā)揮作用，使設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路和系統(tǒng)成為可能。在原理圖設(shè)計(jì)階段，可以使用EDA中的仿真工 具論證設(shè)計(jì)的正確性；在芯片設(shè)計(jì)階段，可以使用EDA中的芯片設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)制作芯片的版圖：在電路板設(shè)計(jì)階段，可以使用EDA中電路板設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)多層電 路板。特別是支持硬件描述語言的EDA工具的出現(xiàn)，使復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化成為可能，只要用硬件描述語言將數(shù)字系統(tǒng)的行為描述正確，就可以進(jìn)行該數(shù)字系 統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)與制造。有專家認(rèn)為，21世紀(jì)將是四A技術(shù)的高速發(fā)展期，EDA技術(shù)將

6、是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生重大影響的十大技術(shù)之一。 EDA技術(shù)的基本特征:EDA代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，利用EDA工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作 可以通過計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過程在汁算機(jī)上自動(dòng)處理完成。設(shè)計(jì)者采用的設(shè)計(jì)方法是一種 高層次的”自頂向下”的全新設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)汁方法首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在方框圖一級(jí)進(jìn)行仿真、糾錯(cuò)并用硬件描 述語言對(duì)高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在系統(tǒng)一級(jí)進(jìn)行駛證。然后，用綜合優(yōu)化工具生成具體門電路的網(wǎng)絡(luò)表，其對(duì)應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)級(jí)可以是印

7、刷電路板或?qū)Ｓ眉呻?路(ASIC)。設(shè)計(jì)者的工作僅限于利用軟件的方式，即利用硬件描述語言和EDA軟件來完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)。由于設(shè)計(jì)的主要仿真和調(diào)試過程是在高層 次上完成的，這既有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，避免設(shè)計(jì)工作的浪費(fèi)，又減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)的一次性成功率。 由于現(xiàn)代電子產(chǎn)品的復(fù)雜度和集成度的日益提高，一般分離的中小規(guī)模集成電路組合已不能滿足要求，電路設(shè)計(jì)逐步地從中小規(guī)模芯片轉(zhuǎn)為大規(guī)模、超大規(guī)模芯片， 具有高速度、高集成度、低功耗的可編程朋IC器件已蓬勃發(fā)展起來。在EDA技術(shù)中所用的大規(guī)模、超大規(guī)模芯片被稱為可編程ASIC芯片，這些可編程邏輯器 件自70年代以

8、來，經(jīng)歷了CPm、IzPGA 、CPLD、FPGA幾個(gè)發(fā)展階段，其中CPm(復(fù)雜可編程邏輯器件)IzPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件)肩高密度可編程邏輯器件，目前集成度已高達(dá) 200萬門片以上，它將掩模ASIC集成度高的優(yōu)點(diǎn)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)生產(chǎn)方便的特點(diǎn)結(jié)合在一起，特別適合于樣品研制或小批量產(chǎn)品開發(fā)，使產(chǎn)品能以最 快的速度上市，而當(dāng)市場(chǎng)擴(kuò)大時(shí)，它可以很容易地轉(zhuǎn)由掩模ASIC實(shí)現(xiàn)，因此開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)也大為降低?？梢哉fCPLE)FPGA器件，已成為現(xiàn)代高層次電子設(shè) 計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)裁體。硬件描述語言(HDL)是EDA技術(shù)的重要組成部分，是EDA設(shè)計(jì)開發(fā)中的很重要的軟件工具，VHDL即：超高速集成電路硬件描述語

9、 言，仍量凡是作為電子設(shè)計(jì)主流硬件的描述語言。它具有很強(qiáng)的電路描述和建模能力，能從多個(gè)層次對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描述，從而大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，提 高了設(shè)計(jì)較串和可靠性，用V佃L進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)者可以專心致力于其功能的實(shí)現(xiàn)，而不需要對(duì)不影響功能的與工藝有關(guān)的因素花費(fèi)過多 的時(shí)間和精力。例如一個(gè)32位的加法器，利用圖形輸入軟件需要輸入500至1刪個(gè)門，而利用VHDL語言只需要書寫一行“AB十C”即可。使用硬件描述 語言(HDL)可以用模擬仿真的方式完成以前必須設(shè)計(jì)和制作好的樣機(jī)上才能進(jìn)行的電子電路特性的說明和調(diào)試。能在系統(tǒng)行為級(jí)就發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤、問題， 并加以多次反復(fù)修

10、改論證，避免了物理級(jí)器件的損傷和多次制作，節(jié)約了時(shí)間和開發(fā)成本，縮短了電子系統(tǒng)開發(fā)的周期。將EDA技術(shù)與傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較 可以看出，傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)只能在電路板上進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一種搭積木式的方式，使復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試十分困難；如果某一過程存在錯(cuò)誤查找和修改十分不 便；對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程與具體生產(chǎn)工藝直接相關(guān)，因此可移植性差；只有在設(shè)計(jì)出樣機(jī)或生產(chǎn)出芯片后才能進(jìn)行實(shí)泅，因而開發(fā)產(chǎn)品的周期長(zhǎng)。 而電子EDA技術(shù)則有很大不同，采用可編程器件，通過設(shè)計(jì)芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。采用硬件描述語言作為設(shè)計(jì)輸入和庫(LibraIy)的引入，由設(shè)計(jì)者定義 器件的內(nèi)部邏輯和管腳，將原來由電路

11、板設(shè)計(jì)完成的大部分工作故在芯片的設(shè)計(jì)中進(jìn)行。由于管腳定義的靈活性，大大減輕了電路圖設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)的工作量和難 度，有效增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，提高了工作效率。并且可減少芯片的數(shù)量，縮小系統(tǒng)體積，降低能源消耗，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。能全方位地利用計(jì)算機(jī)自動(dòng) 設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試。 硬件描述語言 : 硬件描述語言(HDL)是一種用于進(jìn)行電子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)高級(jí)語言，它采用軟件的設(shè)計(jì)方法來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式。 硬件描述語言可以在三個(gè)層次上進(jìn)行電路描述，其層次由高到低分為行為級(jí)、R，幾級(jí)和門電路級(jí)。常用硬件描述語言有WDL、Velllq和AHDL語言。 WDL語言是一種高級(jí)描

12、述語言，適用于行為級(jí)和R，幾級(jí)的描述；Vedlq語言和ABEL語言屬于一種較低級(jí)的描述語言，適用于R，幾級(jí)和門電路級(jí)的描 述?，F(xiàn)在WDL和Velllq作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，已得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，它們已成為事實(shí)上的通用硬件描述語言，承擔(dān)幾乎全 部的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。應(yīng)用Vf進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)與其他硬件描述語言相比，WDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，強(qiáng)大的行為描述能力是避開 具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。(2)VHDL具有豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能檢查設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的功能可行性，并可以隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿

13、真。(3)Vf語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)，決定了它具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和對(duì)已有設(shè)計(jì)的再利用功能。 (4)用Vf完成的設(shè)計(jì)，可以利用EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并可根據(jù)不同的目標(biāo)芯片自動(dòng)把Vf描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門級(jí)網(wǎng)表，這種設(shè)計(jì)方式極大地減少了電 路設(shè)計(jì)的時(shí)間及可能發(fā)生的錯(cuò)誤，從而降低了開發(fā)成本。(5)Vf0L對(duì)設(shè)計(jì)的描述具有相對(duì)獨(dú)立性，可以在設(shè)計(jì)者不僵硬件結(jié)構(gòu)的情況下，也不必管最終設(shè)計(jì)的 目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。(6)由于VI具有類屬描述語句和子程序調(diào)用等功能，所以對(duì)于已完成的設(shè)計(jì)，可以在不改變?cè)闯绦虻那闆r廠，只需改變類 屬參量或函數(shù)，就能很容易地改變及計(jì)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)。EDA技術(shù)

14、的應(yīng)用:電子EDA技術(shù)發(fā)展迅猛，逐漸在教 學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用。在教學(xué)方面：幾乎所有理工科(特別是電子信息)類的高校都開設(shè)了EDA課程。主要是讓學(xué)生了解 EDA的基本原理和基本概念、鱗握用佃L描述系統(tǒng)邏輯的方法、使用扔A工具進(jìn)行電子電路課程的模擬仿真實(shí)驗(yàn)并在作畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)從事簡(jiǎn)單電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為今 后工作打下基礎(chǔ)。具有代表性的是全國(guó)每?jī)赡昱e辦一次大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)。在科研方面：主要利用電路仿真工具(EwB或PSPICE、VLOL等)進(jìn)行 電路設(shè)計(jì)與仿真；利用虛擬儀器進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)試；將O)LI)FPGA器件的開發(fā)應(yīng)用到儀器設(shè)備中。例如在CDMA無線通信系統(tǒng)中，所有

15、移動(dòng)手機(jī)和無線基站 都工作在相同的頻譜，為區(qū)別不同的呼叫，每個(gè)手機(jī)有一個(gè)唯一的碼序列，CDMA基站必須能判別這些不同觀點(diǎn)的碼序列才能分辨出不同的傳呼進(jìn)程；這一判別是 通過匹配濾波器的輸出顯示在輸人數(shù)據(jù)流中探調(diào)到特定的碼序列；FPGA能提供良好的濾波器設(shè)計(jì)，而且能完成DSP高級(jí)數(shù)據(jù)處理功能，因而FPGA在現(xiàn)代通 信領(lǐng)域方面獲得廣泛應(yīng)用。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造方面：從高性能的微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器一直到彩電、音響和電子玩具電路等，EDA技術(shù)不單是應(yīng)用于前期的計(jì) 算機(jī)模擬仿真、產(chǎn)品調(diào)試，而且也在P哪的制作、電子設(shè)備的研制與生產(chǎn)、電路板的焊接、朋比的制作過程等有重要作用?？梢哉f電子EDA技術(shù)已經(jīng)成為電子工

16、業(yè) 領(lǐng)域不可缺少的技術(shù)支持。EDA技術(shù)發(fā)展趨勢(shì): EDA技術(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)后，由于更大規(guī)模的FPGA和凹m器件的不斷推出，在仿真和設(shè)計(jì)兩方面支持標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言的功能強(qiáng)大的EDA軟件不斷更新、增 加，使電子EDA技術(shù)得到了更大的發(fā)展。電子技術(shù)全方位納入EDA領(lǐng)域，EDA使得電子領(lǐng)域各學(xué)科的界限更加模糊，更加互為包容，突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方 面：使電子設(shè)計(jì)成果以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的方式得以明確表達(dá)和確認(rèn)成為可能；基于EDA工具的ASIC設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單元已涵蓋大規(guī)模電子系統(tǒng)及IP核模塊；軟硬件 IP核在電子行業(yè)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域、技術(shù)領(lǐng)域和設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步確認(rèn)；SoC高效低成本設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集

17、成技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā) 展，電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段都發(fā)生了很大的變化?？梢哉f電子EDA技術(shù)是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。傳統(tǒng)的“固定功能集成塊十連線”的設(shè)計(jì)方法正逐步 地退出歷史舞臺(tái)，而基于芯片的設(shè)計(jì)方法正成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。作為高等院校有關(guān)專業(yè)的學(xué)生和廣大的電子工程師了解和攀握這一先進(jìn)技術(shù)是勢(shì)在必行， 這不僅是提高設(shè)計(jì)效率的需要，更是時(shí)代發(fā)展的需求，只有攀握了EDA技術(shù)才有能力參與世界電子工業(yè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，才能生存與發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步，電子產(chǎn)品 的更新日新月異，EDA技術(shù)作為電子產(chǎn)品開發(fā)研制的源動(dòng)力，已成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的核心。所以發(fā)展EDA技術(shù)將是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域和電子產(chǎn)業(yè)界的一場(chǎng)

18、重大的技術(shù) 革命，同時(shí)也對(duì)電類課程的教學(xué)和科研提出了更深更高的要求。特別是EDA技術(shù)在我國(guó)尚未普及，掌握和普及這一全新的技術(shù)，將對(duì)我國(guó)電子技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn) 的意義。作為一名電子硬件工程師、大專院校電子類專業(yè)的在校學(xué)生或者電子愛好者，必須掌握EIlA技術(shù)用于 0U)5PGA的開發(fā)，只有這樣才能乘上現(xiàn)代科技的快車去適應(yīng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境。在現(xiàn)在和未來，EDA技術(shù)主要應(yīng)用于下面幾個(gè)方面：1高校電子類專業(yè)的 實(shí)踐教學(xué)中，如實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)競(jìng)賽等均可借助凹ID5PGA器件，既使實(shí)驗(yàn)設(shè)備或設(shè)計(jì)出的電子系統(tǒng)具有高可靠性，又經(jīng)濟(jì)、快速、容 易實(shí)現(xiàn)、修改便利，同時(shí)可大大提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。2科研和新產(chǎn)品開發(fā)中，0)U)5PGA可直接應(yīng)用于小批量產(chǎn)品的 芯片或作為大批量產(chǎn)品的芯片前期開發(fā)