EDA 原理及 VHDL 实现 （该课程为校级精品课程）

1. EDA原理及VHDL实现（该课程为校级精品课程） 何宾 2011.09

2. 课程内容 • 第1章 数字系统EDA设计概论 • 第2章 可编程逻辑器件设计方法 • 第3章 VHDL语言基础 • 第4章 数字逻辑单元设计 • 第5章 数字系统高级设计技术（*） • 第6章 基于HDL设计输入 • 第7章 基于原理图设计输入 • 第8章 设计综合和行为仿真 • 第9章 设计实现和时序仿真

3. 课程内容 • 第10章 设计下载和调试 • 第11章 数字时钟设计及实现（*) • 第12章 通用异步接收发送器设计及实现(*) • 第13章 数字电压表设计及实现(*) • 第14章 软核处理器PicoBlaze原理及应用(*) • 注：带*的内容可根据课时的安排选讲

4. 课程授课时间安排 • 该课程计划总学时：56 • 其中： • 理论教授课时：40 • 实验课时：16（大约安排实验6-7个）

5. 课程教学用书 • 理论教学参考用书： • 1.何宾编著,<<EDA原理及VHDL实现>>,清华大学出版社。2011.09。 • 实验教学参考用书： • 1. 何宾编著,<<EDA原理及应用实验教程>>，清华大学出版社。2009.07 • 2. 何宾编著,<<数字与片上系统设计教程>>,清华大学出版社 • 课程网络资源： • http://bucteda.eefocus.com

6. 课程所要解决的问题？ • 回忆大二所学《数字电路》课程，还留在你们心 • 中的回忆： • 烦琐的卡诺图的化简（令你们和我一样抓狂） 如果让你手工化简多变量呢？估计你要崩溃 • 想想在做电子课程设计中，你们要花大量的时间和精力把区区几个74LSXX的门电路，用大量的导线连接在一起。这个过程估计你们谁也头疼。 你们也一定也知道在你们教科书的末尾好象提到 了一个称为硬件描述语言HDL的东西。老师没 讲，忽略了…,为什么啊？（这门课将要揭密）

7. 课程所要解决的问题？ • 当你们经历了以上的痛苦后，不知道你们想过下 • 面的问题没有？ • 能不能让计算机帮助化简卡诺图？而且是多个 变量？ • 能不能用一种芯片实现多个分离小规模数字IC的功能，并且在芯片内部将这些功能连接？ • 设计数字系统能不能象C语言那样，只关心“如何描述”一个数字系统，而不是“如何具体实现”数字系统。

8. 课程的重要性 • 该课程的学习对后续多门课程的学习起着重要的 • 作用，比如《微机原理》、《单片机》、《数字信 • 号处理 》、《通信原理》等和“数字”‘0’和‘1’有关课 • 程。 • 该课程是从事电子系统设计相关专业学生必须掌 • 握的内容。 • 大学生电子设计竞赛也把该课程内容作为参赛学 • 生应该掌握的内容之一。 • 你们慢慢体会吧…

9. 数字系统EDA技术发展概述 • 电子设计自动化（Electronics Design Automation, • EDA）技术是一门迅速发展的新技术。 • EDA设计就是在计算机上通过特定功能的软件开 • 发工具，协助设计人员以全自动或半自动化方式完成 • 所要求电子系统的设计。

10. 数字系统EDA技术发展概述 • EDA技术所涉及的领域相当广泛，业界一般将 • EDA技术分成: • 狭义EDA技术 • 广义EDA技术

11. 数字系统EDA技术发展概述 • 狭义EDA技术，就是指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、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验 • 开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用 • 软件方式设计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、 • 逻辑布局布线、逻辑仿真，直至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新技 • 术，或称为IES/ASIC自动设计技术。

12. 数字系统EDA技术发展概述 • 广义EDA技术，是通过计算机及其电子系统的辅助 • 分析和设计软件，完成电子系统某一部分的设计过 • 程。因此，广义EDA技术除了包含狭义的EDA技术 • 外，还包括: • 计算机辅助分析CAA技术(如PSPICE，EWB，MATLAB等)， • 印刷电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(如PROTEL，ORCAD等) • 其它高频和射频设计和分析的工具等

13. 数字系统设计技术发展历史 • 在过去的60年中，数字逻辑改变了整个世界， • 整个世界朝着数字化方向发展。今天我们所熟悉的 • 计算机在第二次世界大战后才出现在人类世界中。 • 表1.1给出了在计算机和数字逻辑发展历史上的 • 重大事件。 • 从该表可以看出数字逻辑设计技术经过了近400 • 年的逐步进化的过程。

14. 数字系统设计技术发展历史

15. 数字系统设计技术发展历史

16. 数字系统设计技术发展历史

17. 数字系统设计技术发展历史

18. 摩尔定律-“统治半导体世界的法则” • 在1965年戈登.摩尔给出了世界上著名的“摩尔定 • 律”，并且于1975年进行了修正，在过去的35年以 • 来，被证明是非常正确的。 • 该定律的内容是：集成电路上可容纳的晶体管数 • 目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一 • 倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电 • 脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律成为半 • 导体工艺不断发展的指南。

19. 图1.1 摩尔定律与集成电路的发展趋势 摩尔定律-“统治半导体世界的法则”

20. 数字系统设计技术发展历史 • 今天你们每个人都离不开一样东西-“电脑”，也就 • 是“微处理器”，但是以后在坐的各位，你们会发现 • 你们也离不开另一样东西-“可编程逻辑器件”，我这 • 门课程所介绍的东西。 • 你们也一定很好奇，别着急，听我后面慢慢介 • 绍。

21. 现代数字系统设计发展阶段 • 现在数字系统设计的发展是随着计算机的出 • 现、集成电路制造水平和电子系统设计方法的发展 • 而不断发展的，主要经历了： • 计算机辅助设计(CAD,Computer Assist Design) • 计算机辅助工程设计(CAE,Computer Assist Engineering) • 电子设计自动化(EDA,Electronic Design Automation) 这几个阶段的特点和标志是什么？

22. 集成电路芯片的发展历史 • 集成电路的发展分为了四个主要的阶段： • 1）在上世纪六十年代早期出现了第一片集成电路， • 其集成的晶体管数量少于100个，该集成电路称为小规 • 模集成电路（Small-Scale Integrated Circuit, SSI）。 • 2）在上世纪六十年代后期出现了中规模集成电路 • （Medium-Scale Integrated Circuit, MSI）,其集成的 • 晶体管数量达到几百个。 • 3）在上世纪70年代中期，出现了大规模集成电路 • （Large-Scale Integrated Circuit, LSI），其集成的晶 • 体管数量达到几千个。

23. 集成电路芯片的发展历史 • 4）在上世纪80年代早期，出现了超大规模集成电路 • （Very-large-scale-integrated, VLSI），其集成的晶体管 • 的数量超过了100,000个。 • 到上世纪80年代后期，集成的晶体管数量超过了 • 1,000,000个。 • 到上世纪90年代，集成的晶体管数量超过了 • 10,000,000， • 而到了2004年，这一数量已经超过了100,000,000个。 • 现在这一数量突破1,000,000,000个。

24. 可编程逻辑器件的发展历史 • 1．第1阶段 • 上世纪70年代，可编程器件只有简单的可编程只读 • 存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器 • （EPROM）和电可擦只读存储器（EEPROM）3种， • 由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功 • 能。

25. 可编程逻辑器件的发展历史 • 2．第2阶段 • 上世纪80年代，出现了结构上稍微复杂的可编程 • 阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL）器件， • 正式被称为PLD，能够完成各种逻辑运算功能。

26. 可编程逻辑器件的发展历史 • 3．第3阶段 • 上世纪90年代，Xilinx和Altera分别推出了与标准门 • 阵列类似的FPGA和类似于PAL结构的扩展性CPLD。 • 4.第4阶段 • 本世纪初，在该阶段出现了SOPC技术，是PLD和 • ASIC技术融合的结果。可编程逻辑器件厂商也提供了 • SOPC解决方案。 • 典型的，Xilinx和Altera也推出了相应SOPC FPGA • 产品，制造工艺达到65nm/40nm/28nm工艺水平，系 • 统门数也超过百万门。

27. 数字系统设计方法概论 • 传统的数字系统的设计方法是画出逻辑图，这个图 • 包含SSI的门和MSI的逻辑功能，然后人工通过真值表和 • 通过卡诺图进行化简，得到最小的表达式，然后在基于 • TTL的LSI芯片上实现数字逻辑的功能。

28. 数字系统设计方法概论 • 然而从图1.1可以看出，到了上世纪80年代后期和90 • 年代早期，这种设计方法遭遇了阻力。为什么呢？ • 问题就是如何能画一个原理图，这个原理图包含成千 • 上万个门。正如在新的设计中可编程逻辑设备取代TTL芯 • 片那样，需要一种新的设计方法来设计数字电路。 • 今天，计算机辅助设计工具（Computer-aided Tools, • CAD），也称为EDA工具在当今的数字电路设计中是必须 • 的。

29. 数字系统设计方法概论 • 在过去数十年越来越清楚的表明，今天的数字系统 • 的设计人员是通过写软件来设计数字电路的。这是最 • 重要的例子，说明了从传统数字系统设计方法向现代 • 的基于EDA工具的设计方法的转变。

30. 数字系统设计方法概论 • 今天的数字系统设计工程师使用硬件描述语言 • （Hardware Description Language, HDL）来设计数字系 • 统。 • 最广泛使用的HDL语言是VHDL和Verilog HDL。这 • 些语言允许设计人员通过写程序描述逻辑电路的行为来 • 设计数字系统。 • 程序能用来仿真电路的操作和在CPLD、FPGA或者专 • 用集成电路ASIC上综合出一个真正的实现。

31. SOP和POS表达式 • 术语“乘积”和“和”来自数学，用来描述与（AND） • 和或（OR）逻辑操作。 • “乘积”定义为多个变量之间的AND关系。 • “和”定义为任意数量逻辑变量的OR关系。 • 任何逻辑系统能用两种逻辑等效的方法表示，即积 • 之和（Sum of Product, SOP）形式和和之积(Product of • Sum, POS)形式。

32. SOP表达式 • 对于真值表的每一列，能生成一个乘积项，称为最 • 小项。 • 最小项通过对输入变量相关的值“相与”AND得到。 • 如果真值表特定的一行的变量值为1，则包含变量的名 • 字，比如x。如果真值表特定的一行的变量值为0，则 • 包含变量名字的取反，比如~x

33. SOP表达式

34. SOP表达式 如果关心输出为‘1’的行， 可以发现当m1或者m2为真时， 输出z为真。因此，可以写z， 通过简单的OR上最小项（这些 最小项输出为1）。 输出z可以表示为： z=m1|m2=(~x&y) | (x&~y)

35. SOP表达式

36. POS表达式 • 现在关注的不是真值表输出为1的行，而是关注的 • 是真值表输出为0的行。如图1.4所示。

37. POS表达式 • 注意在这种情况下z是非NOT最小项 m0和非最小 • 项m3，从前面的最小项的定义，使用德摩根De • Morgan定理，得到： • NOT m0=~m0=~(~x & ~y)=~~(x|y)=x|y • 称NOT m0为最大项M0。

38. POS表达式 得到z的POS表达式为： z=M0 & M3=(x | y) & ( ~x | ~y)

39. POS表达式

40. 传统数字系统设计流程 • 传统的数字系统设计基于 • 传统的“人工”方式完成，当 • 设计目标给定后，给出设计 • 目标的真值表描述，然后使 • 用卡诺图对真值表进行化 • 简，得到最小的表达式，然 • 后使用TTL的LSI电路实现最 • 小的表达式，最后使用调试 • 工具和仪器，对系统进行调 • 试。

41. 传统数字系统设计流程 • 下面将通过一个例子来说明这个 • 传统的设计过程。 • 1）设计目标：在一个共阳极的7段 • 数码管上显示相对应的0-F的值。 • 2）设计目标的真值表描述：图1.2 • 首先给出了七段数码管的符号表示，当 • 其是共阳极时，只有相应的段给低电平 • ‘0’时，该段亮，否则灭。

42. 传统数字系统设计流程

43. 传统数字系统设计流程 • 3）使用卡诺图对真值表进行化简，图 • 1.3给出对于7段数码管e段的卡诺图化 • 简过程。 得到e段的最简单的逻辑表达式： • e=~x3& x0 | ~x3&x2&~x1 | ~x2&~x1&x0。 • 按照步骤3的过程分别得到a,b,c,d,f,g的最简逻辑表达 • 式，这些最简表达式使用积之和（Sum of Product, • SOP）和和之积(Product of Sum, POS)表示。

44. 传统数字系统设计流程 • 4）使用相应的TTL门电路来实现各段的最小表 • 达式。 • 5）将这些门电路连接到7段数码管的各段，并 • 进行调试。

45. 传统数字系统设计流程 • 从上面的流程可以看出，所有的过程都需要人工完 • 成，试想对于一个包含上百个逻辑门的多输入变量的结 • 构，根本无法使用人工化简卡诺图实现。同时后续的电 • 路调试和设计也需要很高的电路布局和布线的技巧，总 • 而言之，这样的设计对于复杂数字系统来讲效率太低 • 了。 • 我们需要进一步考虑的问题是，如何使用计算机帮 • 助设计者简化设计过程，自动地化简卡诺图，并且在芯 • 片内部自动实现布局布线。要实现这些要求，就必须使 • 用基于可编程逻辑器件的现代数字系统设计流程。

46. 计算机最小化技术 • 从前面的数字系统设计流程中，可以看出使用卡诺 • 图很容易在不超过4个逻辑变量的布尔函数中找到最少数 • 目的乘积项。 • 然而许多的实际问题是，多于4个逻辑变量，并且卡 • 诺图并不能帮助进行逻辑表达式的化简。 • 计算机软件程序能够帮助对多于4个逻辑变量的布尔 • 函数进行简化。这些计算机方法使用基于表格的技术。 • 这些方法能自动的用机器进行计算。了解这些方法的工 • 作原理，将提供额外的智慧来简化布尔函数。 • 在本节所介绍的方法叫做“奎因-麦克斯基（Quine- • McCluskey）”方法。还有其它算法比这个算法的化简速 • 度更快，但是不能保证生成最优化的化简。

47. 计算机最小化技术 --表格表示 • 以乘积和形式出现的乘积项，这个乘积项用于表示 • 布尔函数，称之为蕴含项。这是由于它暗示，如果任何 • 乘积项为1时，函数将为1。比如，对于这个函数： • f=x & ~y & z | ~x & ~z | ~x & y • 其中：x & ~y & z，~x & ~z和~x & y三个乘积项称为 • 蕴含项。在这种情况下，第一个乘积项是最小项m5。如 • 果最小项5用二进制数表示为101，这三个二进制数字分 • 别对应三个变量xyz(其中1对应的是变量的真值，0(~)对 • 应的是变量的假值)。这样101是x & ~y & z的另一种描述 • 方式。

48. 计算机最小化技术 --表格表示 • 如果在一个乘积项中不包含一些变量时，插入一个 • 破折号“-”表示该变量，比如对于~x & ~z表示为0-0，~x • & y表示为01-。 • 因此称这这些为表格表示或者表格形式的乘积项。

49. 计算机最小化技术 --表格表示 • 下面例子对图1.4的卡罗图用表格表示。该例子中在4 • 个圈起来输出为‘1’的每个乘积项使用了表格进行表示。 • 这样很容易对每个圈起来的集合的卡罗图符号得到表格 • 的表示。表格中最开始的两位是行标号，后两位是列标 • 号。如果圈起来的集合覆盖一个特殊位位置的‘0’和‘1’， • 该位位置变成‘-’。

50. 计算机最小化技术 --表格表示 • 通过扩展卡诺图中所圈1的集合来产生乘积项是可 • 能的。比如，任意扩展它将覆盖图中的0，然后产生 • 乘积项或者蕴含项，叫做本源蕴含项。这样的本源蕴 • 含项中不能从乘积项中去除变量，并且暗含着逻辑功 • 能。下面将研究如何通过计算机找到这些本源蕴含项 • 的方法。