現代數字系統(tǒng)設計方法和流程

1、現代數字系統(tǒng)的設計方法專業(yè)：電力電子與電力傳動學號：4004姓名：劉 滔摘 要隨著微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，在涉及通信、國防、航天、工業(yè)自動化、儀器儀表等領域的電子系統(tǒng)設計工作中，EDA技術的含量正以驚人的速度上升，它已成為當今電子技術發(fā)展的前沿之一。現代社會電子產品更新?lián)Q代的速度越來越快，傳統(tǒng)的自下而上(Bottom-Up)的設計方法越來越適應不了這種挑戰(zhàn)。隨著可編程邏輯器件集成規(guī)模的迅速擴大，自身功能的不斷完善，以及計算機輔助設計技術的不斷發(fā)展，在現代電子系統(tǒng)設計領域，EDA(Electronic Design Automation)技術便引起了人們的極大關注。設計者的工作僅限于利

2、用軟件的方式來完成對系統(tǒng)硬件功能的描述。相應的FPGA/CPLD器件，在EDA工具的幫助下，就可以得到最后的設計結果。本文首先闡述了EDA技術的基本概念、發(fā)展過程和基本特征，最后著重分析EDA技術在兩個不同層次上的工作流程，即電路級設計和系統(tǒng)級設計，引入了一種自頂向下的高層次電子設計方法。關鍵詞：設計方法 電子系統(tǒng)設計 EDA1、 現代數字系統(tǒng)設計的概述 EDA（Electronic Design Automation）工程是現代電子信息工程領域中一門發(fā)展迅速的新技術。EDA的定義有廣義和狹義之分，廣義定義EDA包括半導體工藝設計自動化、可編程器件設計自動化、電子系統(tǒng)設計自動化、印制電路板設計

3、自動化、仿真與測試故障診斷自動化等。狹義定義的EDA就是電子設計自動化。EDA技術主要有四個方面：1、可編程邏輯器件，即應用EDA技術完成電子系統(tǒng)設計的載體；2、硬件描述語言（VHDL 或者 Verilog）。它用來描述系統(tǒng)的結構和功能，是EDA的主要表達手段；3、配套的軟件工具。它用來完成電子系統(tǒng)的智能化設計；4、實驗開發(fā)系統(tǒng)。在整個EDA設計電子系統(tǒng)的過程中，實驗開發(fā)系統(tǒng)是實現可編程器件下載和驗證的工具， 現代EDA技術是20世紀90年代初從計算機輔助設計、輔助制造和輔助測試等工程概念發(fā)展而來的。它的成熟主要經歷了三個階段，即： 計算機輔助設計（CAD，Computer Aided Des

4、ign）計算機輔助工程設計（CAED，Computer Aided Engineering Design）電子設計自動化（EDA，Electronic System DesignAutomation）。 EDA代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向，它的基本特征是：設計人員按照“自頂向下”的設計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分，系統(tǒng)的關鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實現，然后采用硬件描述語言（HDL）完成系統(tǒng)行為級設計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件，這樣的設計方法被稱為高層次的電子設計方法。下面介紹與EDA基本特征有關的幾個概念。1“自頂向下”的設計方法10年前，電

5、子設計的基本思路還是選用標準集成電路“自底向上”地構造出一個新的系統(tǒng)，這樣的設計方法就如同一磚一瓦建造金字塔，不僅效率低、成本高而且容易出錯。高層次設計是一種“自頂向下”的全新設計方法，這種設計方法首先從系統(tǒng)設計入手，在頂層進行功能方框圖的劃分和結構設計。在方框圖一級進行仿真、糾錯，并用硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進行描述，在系統(tǒng)一級進行驗證。然后，用綜合優(yōu)化工具生成具體門電路的網絡表，其對應的物理實現級可以是印刷電路板或專用集成電路。由于設計的主要仿真和調試過程是在高層次上完成的，這既有利于早期發(fā)現結構設計上的錯誤，避免設計工作的浪費，又減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設計的一次成功率。

6、2ASIC設計現代電子產品的復雜度日益提高，一個電子系統(tǒng)可能由數萬個中小規(guī)模集成電路構成，這就帶來了體積大、功耗大、可靠性差的問題。解決這一問題的有效方法就是采用ASIC芯片進行設計。ASIC按照設計方法的不同可分為全定制ASIC、半定制ASIC和可編程ASIC（也稱為可編程邏輯器件）。設計全定制ASIC芯片時，設計師要定義芯片上所有晶體管的幾何圖形和工藝規(guī)則，最后將設計結果交由IC廠家去進行掩模制造，做出產品。這種設計方法的優(yōu)點是芯片可以獲得最優(yōu)的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低，而缺點是開發(fā)周期長，費用高，只適合大批量產品開發(fā)。半定制ASIC芯片的版圖設計方法分為門陣列設計法和標準單元

7、設計法，這兩種方法都是約束性的設計方法，其主要目的就是簡化設計，以犧牲芯片性能為代價來縮短開發(fā)時間?？删幊踢壿嬓酒c上述掩模ASIC的不同之處在于：設計人員完成版圖設計后，在實驗室內就可以燒制出自己的芯片,無須IC廠家的參與，大大縮短了開發(fā)周期?？删幊踢壿嬈骷?0年代以來，經歷了PAL、GAL、CPLD、FPGA幾個發(fā)展階段，其中CPLD/FPGA屬高密度可編程邏輯器件，目前集成度已高達200萬門/片，它將掩模ASIC集成度高的優(yōu)點和可編程邏輯器件設計生產方便的特點結合在一起，特別適合于樣品研制或小批量產品開發(fā)，使產品能以最快的速度上市，而當市場擴大時，它可以很容易地轉由掩模ASIC實現，因

8、此開發(fā)風險也大為降低。上述ASIC芯片，尤其是CPLD/FPGA器件，已成為現代高層次電子設計方法的實現載體。3.硬件描述語言硬件描述語言（HDL）是一種用于設計硬件電子系統(tǒng)的計算機語言，它用軟件編程的方式來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結構和連接形式，與傳統(tǒng)的門級描述方式相比，它更適合大規(guī)模系統(tǒng)的設計。例如一個32位的加法器，利用圖形輸入軟件需要輸入500至1000個門，而利用VHDL語言只需要書寫一行“A=BC”即可。而且VHDL語言可讀性強，易于修改和發(fā)現錯誤。早期的硬件描述語言，如ABEL、HDL、AHDL，由不同的EDA廠商開發(fā)，互不兼容，而且不支持多層次設計，層次間翻譯工作要由人工完

9、成。為了克服以上不足，1985年美國國防部正式推出了高速集成電路硬件描述語言VHDL，1987年IEEE采納VHDL為硬件描述語言標準（IEEESTD1076）。VHDL是一種全方位的硬件描述語言，包括系統(tǒng)行為級、寄存器傳輸級和邏輯門級多個設計層次,支持結構、數據流和行為三種描述形式的混合描述，因此VHDL幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能，整個自頂向下或自底向上的電路設計過程都可以用VHDL來完成。VHDL還具有以下優(yōu)點：(1)VHDL的寬范圍描述能力使它成為高層次設計的核心，將設計人員的工作重心提高到了系統(tǒng)功能的實現與調試，而花較少的精力于物理實現。(2)VHDL可以用簡潔明確的代碼描述

10、來進行復雜控制邏輯的設計，靈活且方便，而且也便于設計結果的交流、保存和重用。(3)VHDL的設計不依賴于特定的器件，方便了工藝的轉換。(4)VHDL是一個標準語言，為眾多的EDA廠商支持，因此移植性好。4EDA系統(tǒng)框架結構EDA系統(tǒng)框架結構(Framework)是一套配置和使用EDA軟件包的規(guī)范。目前主要的EDA系統(tǒng)都建立了框架結構，如Cadence公司的DesignFramework，Mentor公司的FalconFramework，而且這些框架結構都遵守國際CFI組織制定的統(tǒng)一技術標準。框架結構能將來自不同EDA廠商的工具軟件進行優(yōu)化組合，集成在一個易于管理的統(tǒng)一的環(huán)境之下，而且還支持任務

11、之間、設計師之間以及整個產品開發(fā)過程中的信息傳輸與共享，是并行工程和自頂向下設計方法的實現基礎。二、現代數字系統(tǒng)設計的方法 優(yōu)秀EDA軟件平臺集成了多種設計入口（如圖形、HDL、波形、狀態(tài)機），而且還提供了不同設計平臺之間的信息交流接口和一定數量的功能模塊庫供設計人員直接選用。設計者可以根據功能模塊具體情況靈活選用。下面是幾種常用的較為成熟的設計方法。 1. 原理圖設計 2. HDL程序設計 3. 狀態(tài)機設計 4. 波形輸入設計 5. 基于IP的設計 6. 基于平臺的設計三、現代數字系統(tǒng)設計的步驟邏輯功能的確定、系統(tǒng)的描述、算法的設計、結構的選擇、電路的實現。1系統(tǒng)邏輯功能的確定 邏輯功能的確

12、定是設計的首要任務，即根據用戶要求，經反復磋商和分析，明確“設計什么?”“達到什么指標?”具體化為三個方面： (1)待設計系統(tǒng)有哪些輸人、輸出信息，它們的特征、格式及傳送方式。 (2)所有控制信號的作用、格式以及控制信號之間、控制信號與輸入、輸出數據之間的關系。 （3）數據處理或控制過程的技術指標。2系統(tǒng)的描述 即用某種形式，如文字、圖形、符號、表達式以及類似于程序設計的形式語言來正確地描述用戶要求及系統(tǒng)應具有的邏輯功能。例如在本節(jié)引例中，題目是文字形式表示的用戶要求，式(1-5)是描述系統(tǒng)的表達式。3算法的設計 即尋求一個可以實現系統(tǒng)功能的方法。前已指出，算法是通過對系統(tǒng)的功能分析、分解而得

13、到的。算法設計的本質實際上就是把系統(tǒng)要實現的復雜運算分解成一組有序進行的子運算。為確切表示設計師所構思的算法，也需要適當的描述工具，以便把算法用適當的形式表示出來，供分析和下一步設計之用。到目前為止，本書都是采用算法流程圖描述算法。此法有較為直觀的優(yōu)點，但也有許多不足之處，本書第 3 章將詳細討論另一種重要的描述工具硬件描述語言。4電路結構的選擇 即尋求一個可以實現上述算法的電路結構。在引例中，根據算法的需要，數據處理單元采用了寄存器、加法器、計數器、數據選擇器等功能塊組成的電路結構。這一結構是用順序方式來完成乘法運算的，它是一個時序系統(tǒng)。如果時鐘 CP 的周期為T，則完成 n 位的乘法所需的時間為 nT。算法設計與電路結構選擇密切相關。不同的算法可以實現同一系統(tǒng)功能，但將有不同的電路結構。同一算法在不同情況下也可以對應不同的電路結構。5 電路的實現 本步驟即根據設計、生產的條件，選擇適當的器件來實現電路。并導出詳細的邏輯電路圖。這里尚只采用傳統(tǒng)的通用集成電路來實現，故邏輯電路的求導過程通常 歸納為兩步： (1)選擇適當的集成電路芯片實現各子運算，井連接成數據處理單元。 (2)根據數據處理單元中各集成電路及其