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  1. 电子设计自动化技术(EDA) 王 巍

  2. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 教材或参考书 1.李国丽等 编著《EDA与数字系统设计》机械工业出版社,2004 2.徐志军、徐光辉 编著 《CPLD/FPGA的开发与应用》电子工业出版社,2002.1 3.刘宝琴、张芳兰等编著 《ALTERA可编程逻辑器件及其应用》清华大学出版社,1995 4.侯伯亨、顾新编 《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计》电子科技大学出版社,1995

  3. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 教材或参考书 5.宋万杰、罗丰等编著 《CPLD技术及其应用》西安电子科技大学出版社,1999 6.潘松编 《VHDL实用教程》成都电子科技大学出版社,2000 7.Kevin Skahill 编著 朱明程、孙普译 《可编程逻辑系统的VHDL设计技术》东南大学出版社,1999

  4. 电子设计自动化技术(EDA) 第一章 绪论 第二章 可编程逻辑器件基础 第三章 MAX+Plus II软件使用介绍 第四章 VHDL硬件描述语言介绍 第五章 数字系统设计方法 第六章 专题介绍

  5. 电子设计自动化技术(EDA) 一 、教学安排 绪论 1 . 教学目的 EDA(电子设计自动化)技术的两大技术基础是大规模可编程逻辑器件和EDA设计工具。 更新数字电路的设计观念,建立用PLD器件取代传统数字器件设计数字电路的思想。 了解大规模可编程逻辑器件的结构原理。 更新数字系统设计手段,掌握一种硬件描述语言(HDL),熟悉一种EDA软件的使用方法。 为专用集成电路(ASIC)的设计打下一定的基础。

  6. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 2 . 教学安排 理论教学:30学时 实验教学:10学时,4学时/次 实验一 : EDA软件的使用练习 实验二 : 交通灯控制电路 实验三 :计数,译码,显示电路 实验四 :篮球30秒定时控制电路的设计 实验五 : 简易数字电子钟

  7. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 传统数字系统设计方法 • 传统数字系统设计方法设计步骤: • 制定设计任务书,提出设计目标; • 画出系统控制流程图; • 将功能合理划分给硬件和软件; • 划分硬件模块、软件模块分别设计、调试; • 将硬件和软件连接起来进行系统调试,直到达到设计目标。

  8. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 传统数字系统设计方法 传统的数字系统设计往往采用积木式的方法进行设计——由器件搭成电路板,由电路板搭成电子系统。这是基于电路板的设计方法。数字系统最初的“积木”就是固定功能的标准集成电路,如74/54系列(TTL)、4000和4500系列(CMOS)芯片和一些固定功能的大规模集成电路芯片。用户只能根据需要选择合适的器件,并按照器件推荐的电路搭成系统。

  9. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 传统数字系统设计方法 传统的数字系统设计方法是在硬件模块电路搭成之后才能进行硬件、软件调试。设计过程中的问题到后期才会被发现,这就可能造成推翻设计,重新开始的危险,使设计周期大大加长,延误了电子产品的按时推出。

  10. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 传统数字系统设计方法 传统的数字系统设计文件以电路原理图为核心。一个复杂的电子系统的电路原理可能需要几十张乃至上千上万张图纸。阅读、归档、修改,使用相当不便。

  11. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 传统数字系统设计方法 传统数字系统设计方法的缺点: 1. 设计者在进行设计时缺乏灵活性; 2. 设计周期长,工作效率较低; 3. 产品设计复杂,性能指标和可靠性不 高;

  12. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 数字系统设计方法发展 • 随着半导体工艺水平的不断提高,芯片中已经能够集成几百万门电路,一个完整的数字电子系统集成于一块芯片上(System On Chip)已成为可能; • 电子技术、计算机硬件、软件的不断发展,计算机应用水平的不断提高,人们已能利用计算机进行电子系统辅助设计,大大提高了设计效率,减轻了设计人员的劳动,缩短了设计周期,提高了设计成功率,减少了设计缺陷。 • 上述优点吸引了大批计算机软件专家、计算机硬件专家、半导体工艺专家从事EDA工程的研究工作,使EDA工程迅速发展,成为一门崭新的学科。

  13. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 新的数字系统设计方法 应用可编程逻辑器件及EDA软件进行数字系统设计的方法:采用EDA软件和硬件描述语言(HDL)对可编程逻辑器件芯片进行设计,通过设计芯片来实现系统功能,是基于芯片的的设计方法。通过设计者对可编程逻辑器件内部逻辑和外部管脚的编程,实现原来由电路板设计完成的大部分工作。

  14. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 EDA的发展史 EDA是电子设计自动化(Electrion Design Automation)的缩写,是90年代初,从CAD,CAM,CAT和CAE的概念发展起来的。 EDA技术就是以计算机为工具,在EDA软件平台上,利用硬件描述语言描述设计系统,以可编程逻辑器件为实验载体,以ASIC、SOC芯片为目标器件,利用EDA工具完成逻辑编译,逻辑分割,逻辑综合及优化,逻辑布线,逻辑仿真,适配编译,逻辑映射和下载工作,以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。

  15. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 EDA的发展史 • 70年代,出现CAD工具。解决LSI版图设计或PCB布线设计问题。如TANGO。 • 80年代,出现CAM、CAT、CAE工具,是第二代EDA工具。主要以数字电路分析为主,能够完成电路图编辑和进行逻辑功能仿真。 • 90年代,第三代EDA工具,以硬件描述语言、系统级仿真和综合为特征。以逻辑综合、硬件行为仿真、参数分析和测试为主。

  16. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 EDA工程的特征 • 硬件工具采用工作站或高档微机,软件采用EDA工具,功能包括原理图输入、硬件描述语言、波形输入、仿真设计、可测试设计、逻辑综合、形式验证、时序分析等; • IP(Intellectual Property)模块的设计和可重复利用和交流; • 高级语言描述,具有系统级仿真和综合能力; • 可编程逻辑器件(PLD)和在系统可编程(ISP)技术

  17. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 EDA工程的应用范围

  18. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 EDA工程的设计流程

  19. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 EDA工程的设计步骤 • 按照“TOP-DOWN”的设计方法进行系统划分; • 输入硬件描述语言代码(如VHDL),这是高层次设计中最为普遍的输入方式,此外还可以采用图形输入方式(框图、状态图等); • 将以上的设计输入进行编译,对于大型设计还要进行代码级的功能仿真,主要检验系统功能设计的正确性; • 利用综合器对源代码进行综合优化处理,生成门级描述的网表文件,这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤;

  20. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 EDA工程的设计流程 5.利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作,包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。适配完成后产生 a:适配报告,包括芯片内部资源利用情况,设计的布尔方 程描述情况等, b:适配后的仿真模型, c:器件编程文件; 6.将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片,FPGA或CPLD中。

  21. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 二、集成电路的分类 双级型 CMOS(PMOS、NMOS、CMOS) BiMOS双极金属氧化半导体(BiMOS、BiCMOS) 按结构分 SSI、MSI、LSI(Small、Medium、Large) VLSI(Very Large Scale IC:超大105) ULSI(Ultra Large Scale IC:特大106) GSI(Gigantic Scale IC:巨大) 集成电路 按规模分 数字IC(组合、时序) 模拟IC(线性、非线性) 数、模混合IC 按功能分 通用IC 专用IC(ASIC) 按应用领域分

  22. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 二、数字集成电路的分类 标准电路 RAM、ROM、SSI、MSI、LSI --如74系列、4000系列 数字集成电路 软件组态的微处理器 --如CPU、DSP、PLC 全定制电路 用户定制电路 PROM、PLA、PAL、GAL、CPLD 可编程器件 (ASIC) FPGA

  23. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 可编程逻辑器件的分类 1.按集成度分: PROM 可编程逻辑器件 PLA 低密度可编程逻辑器件 PAL GAL EPLD 高密度可编程逻辑器件 CPLD FPGA

  24. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 可编程逻辑器件的分类 2.按结构分为: ☆基于与/或阵列结构的器件: SPLD(PROM、 PLA、 PAL、GAL)、CPLD(EPLD),并称之为PLD。 ☆ 基于门阵列结构的器件: FPGA

  25. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 可编程逻辑器件的分类 3.按编程工艺分:OTP(One Time Programmable)和可多次编程 1. 熔丝和反熔丝编程器件。如:Actel的FPGA器件。 • SRAM 器件。如:Xilinx的FPGA器件。需外部EEPROM。 3. UEPROM器件,即紫外线擦除/电编程器件。 如大多数的EPLD器件。 4. EEPROM或FLASH器件。如:GAL、CPLD器件。

  26. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 关于可编程逻辑器件编程的两个概念 在系统可编程ISP(In System Programmable)技术:利用器件内部的EEPROM或FLASH用来存储编程信息,可在电路板上进行编程。断电信息不丢失,有保密位。 在线可重配置ICP(In Circuit Reconfigurability)技术:利用静态随机存储器SRAM存储编程信息,不需要在编程器上编程。通常编程信息存于外附的EPROM、EEPROM上,系统工作前或工作期间,存于器件外部的编程信息可快速输入到器件内的SRAM,允许同一器件在同一系统的不同时刻实现不同的功能。

  27. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 可编程逻辑器件的分类 • 数字可编程器件; • 模拟可编程器件(PAD):1999年,Lattice公司推出了在系统可编程模拟电路(In System Programmability Analog Circuits),在系统可编程模拟器件允许设计者使用开发软件在计算机中设计、修改模拟电路,进行电路特性模拟,最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中。实现三种功能: • 信号调理(放大、衰减、滤波); • 信号处理(求和、求差、积分); • 信号转换(数字信号转换成模拟信号); • 数、模混合可编程器件;

  28. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 三、可编程逻辑器件的发展史 • 70年代,出现熔丝编程结构PROM和PLA • 70年代末,AMD推出PAL • 80年代初,Lattice推出GAL • 80年代中期,Xilinx推出FPGA; • Altera推出EPLD • 80年代末,Lattice提出ISP技术 • 90年代,出现CPLD-EPLD改进型器件

  29. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 综观PLD的发展史,它在结构原理,集成规模,下载方式,逻辑设计手段等方面的每一次进步,都为现代电子设计技术的革命与发展提供了强大的动力。可以说如果失去了可编程逻辑器件,电子设计自动化将成为无源之水。

  30. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 随着可编程逻辑器件的自身功能的不断完善和现代电子EDA技术的迅速发展和普及。传统的数字电路设计模式,卡诺图的逻辑化简手段,冗杂难懂的布尔方程表达式,中小规模的芯片的组装技术在迅速崛起的EDA面前将成为一道历史的风景线。

  31. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 四、 硬件描述语言(HDL) 1.VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language, 即超高速集成电路硬件描述语言) 2. Verilog-HDL (Verilog Hardware Description Language) 3. AHDL(Altera Hardware Description Language) 4.SystemC

  32. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 五、EDA技术的发展方向 EDA技术会日益普及,成为每一个电子工程师的主要设计工具。 未来的EDA将会超越电子设计的范畴进入其它领域,随着基于EDA技术的SOC设计技术的发展,软硬功能核的建立,以及基于HDL语言的自上而下的设计思想的确立,未来的电子系统的设计与规划将不再是电子工程师们的专利。

  33. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 EDA的发展方向 未来EDA的发展趋势是高度自动化,设计者从事概念设计或者电子系统的“行为设计”,而大部分工程中的技术问题由EDA工具解决。 EDA工具的出现,极大地提高了系统设计的效率,使广大的电子设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想。设计师们摆脱了大量的具体设计工作,而把精力集中于创造性的方案与概念构思上,从而极大地提高了设计效率,缩短了产品的研制周期。 由传统的电子线路设计转向ASIC、SOC设计,利用EDA工程的设计方法进行电子产品设计。利用EDA工程的验证理论进行电子产品验证,是广大电子工程师与电子、计算机、通信、微电子等专业学生应掌握的方法和理论。

  34. 电子设计自动化技术(EDA) 绪论 EDA的发展方向 EDA技术发展的下一ESDA(电子系统设计自动化)和CE(并行设计工程)。ESDA强调建立从系统到电路的统一描述语言,同时考虑仿真、综合与测试,将定时、驱动能力、电磁兼容性、机械和散热等约束条件都加到设计综合中,统一进行设计描述和优化,提高设计的一次成功率。 返回

  35. 习题 习题1-1简述EDA技术的发展历程?EDA技术的核心内容是什么? 习题1-2 EDA技术与ASIC设计和FPGA开发有什么关系? 习题1-3与软件描述语言相比,VHDL有什么特点? 习题1-4什么是综合?有那些类型?综合在电子设计自动化中的地位是什么? 习题1-5在EDA技术中,自顶向下的设计方法的重要意义是什么? 习题1-6 IP在EDA技术的应用和发展中的意义是什么? 习题1-7与DSP处理器相比,用FPGA来实现数字信号处理的功能有那些优缺点? 返回

  36. 电子设计自动化技术(EDA) 第二章 可编程逻辑器件基础

  37. 电路符号表示 常用逻辑门符号与现有国标符号的对照

  38. 2.1 PLD的电路表示法 与门 乘积项 Product Term

  39. AB PLD的电路表示法(续) 例: 0 或项 或门 1

  40. PLD的电路表示法(续) 基本的PLD结构 或阵列固定 与阵列可编程

  41. 2.2 PROM,PLA,PAL,GAL器件结构 2.4.1PROM内部结构 与阵列固定,或阵列可编程,输入信号的各种可能组合是由连线连接好的,不管组合是否会使用。从某种意义上说PROM十分类似于一个查找表,即根具用户需求在表中查找所需要的可能组合。

  42. 2.2 PROM,PLA,PAL,GAL器件结构 2.4.2PLA内部结构 与阵列和或阵列均可编程,不需要包含输入信号的各种可能组合,所需包含的组合只是逻辑功能中实际要求的组合。增加了可编程器件的灵活性,也不会出现PROM器件中由于输入信号的增加而使器件规模增大的问题。

  43. 2.2 PROM,PLA,PAL,GAL器件结构 2.4.3 PAL结构 与阵列可编程使输入项增多,或阵列固定使器件简化。 与项有被浪费的情况且寄存器和I/O数量有限。 或阵列固定明显影响了器件编程的灵活性

  44. PAL实现逻辑函数的原理 2.4 PAL、GAL结构 • 例:用与或阵列实现全加器。 An 、Bn -加数,被加数 Cn -低位进位 Cn+1 -本位进位 Sn-和数 • 全加器的最简与或表达式:

  45. 2.4 PAL、GAL结构 在与/或阵列的基础上再增加触发器,便可以构成既可以实现组合逻辑功能,又可以实现实现时序逻辑功能的PLD器件了。 AnBnCn AnBnCn AnBnCn AnBnCn AnBn AnCn BnCn

  46. 2.4 PAL、GAL结构 • PAL器件的命名 (1) 生产厂家对PAL器件的命名,前面一般还有厂家的标志; (2) 代表制造工艺:空白代表TTL,C代表CMOS; (3) 代表PAL器件的最大阵列输入数; (4) 代表输出电路类型。 (5) 代表最大的组合输出端数目或最大的寄存器数目。 (6) 表示器件功耗级别、速度等级,封装形式等信息。

  47. 2.4 PAL、GAL结构

  48. 2.2 PAL、GAL结构 8个三态输出缓冲器 1个时钟输入CLK 缓冲器 8个输出/反馈缓冲器 8个输入缓冲器 1个可编程的与阵列 8个输出逻辑宏单元 1个输出使能缓冲器

  49. 2.2 PAL、GAL结构 4个多路开关 • 输出逻辑宏单元(OLMC)结构 结构控制字SYN 1个D触发器 1个或门 1个异或门

  50. 2.2 PAL、GAL结构 • 输出逻辑宏单元(OLMC)的作用 1. 提供时序电路需要的寄存器或触发器; 2. 提供多种形式的输入/输出形式; 3. 提供内部信号的反馈; 4. 分配控制信号,如寄存器的时钟和复位信号,三态门的输出使能信号; 5. 共享乘积项和硬件异或门、控制输出逻辑极性。