EDA 技术实用教程

1. EDA 技术实用教程 第 1 章 概 述

2. 1.1 EDA技术及其发展 什么叫EDA( Electronic Design Automation)技术？ 它是一门迅速发展的新技术，利用EDA技术(特指IES/ASIC自动设计技术)进行电子系统的设计，具有以下几个特点： ①用软件的方式设计硬件； ②用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的EDA开发软件自动完成的； ③设计过程中可用有关软件进行各种仿真； ④系统可现场编程，在线升级； ⑤整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。

3. 1.1 EDA技术及其发展 EDA技术发展的三个阶段 20世纪70年代 MOS工艺 CAD概念 20世纪80年代 CMOS时代 出现 FPGA 20世纪90年代 ASIC设计技术 EDA技术

4. EDA技术的发展历程 1. 20世纪70年代的计算机辅助设计CAD阶段 早期的电子系统硬件设计采用的是分立元件，随着集成电路的出现和应用，硬件设计进入到发展的初级阶段。初级阶段的硬件设计大量选用中、小规模标准集成电路。 由于设计师对图形符号使用数量有限，因此传统的手工布图方法无法满足产品复杂性的要求，更不能满足工作效率的要求。

5. 2. 20世纪80年代的计算机辅助工程设计CAE阶段 伴随着计算机和集成电路的发展，EDA技术进入到计算机辅助工程设计阶段。20世纪80年代初推出的EDA工具则以逻辑模拟、定时分析、故障仿真、自动布局和布线为核心，重点解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。利用这些工具，设计师能在产品制作之前预知产品的功能与性能，能生成产品制造文件，使设计阶段对产品性能的分析前进了一大步。

6. 3. 20世纪90年代电子系统设计自动化EDA阶段 为了满足千差万别的系统用户提出的设计要求，最好的办法是由用户自己设计芯片，让他们把想设计的电路直接设计在自己的专用芯片上。微电子技术的发展，特别是可编程逻辑器件的发展，使得微电子厂家可以为用户提供各种规模的可编程逻辑器件，使设计者通过设计芯片实现电子系统功能。 20世纪90年代，设计师逐步从使用硬件转向设计硬件，从单个电子产品开发转向系统级电子产品开发(即片上系统集成，System on a chip)。

7. 1.1 EDA技术及其发展 EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展 ： • 电子设计成果 自主知识产权 • 仿真和设计 EDA软件不断推出 • 电子技术全方位纳入EDA领域 传统设计建模理念发生重大变化 • EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊 更加互为包容 • 更大规模的FPGA和CPLD器件的不断推出 • EDA工具 ASIC设计 涵盖大规模电子系统及复杂IP核模块 • 软硬件IP核在电子行业广泛应用 IP－Intellectual Property • SoC高效低成本设计技术的成熟 • 硬件描述语言出现（如System C） 设计和验证趋于简单

8. SOC：SYSTEM ON A CHIP SOPC：SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIP SOPC即可编程的片上系统，或者说是基于大规模FPGA的单片系统。SOPC的设计技术是现代计算机辅助设计技术、EDA技术和大规模集成电路技术高度发展的产物。SOPC技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、DSP系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一FPGA中实现。

9. 1.1 EDA技术及其发展 观察和总结集成电路的发展特征，遵循着专用和通用交替波动发展的许氏循环规律。

10. Nios II CPU UART Cache GPIO Debug On-Chip ROM Timer Avalon Switch Fabric SPI On-Chip RAM SDRAM Controller FPGA Altera 公司的NIOSII解决方案

11. Flash CPU CPU I/O I/O I/O I/O I/O I/O SDRAM DSP DSP FPGA FPGA 一个典型的复杂应用系统

12. Flash SDRAM FPGA 采用了嵌入式解决方案的系统

13. SOPC PCI NIOS UART ARM Ethernet Interface USB Multiply Unit RAM/ROM FIFO PLLs JPEG CPL SDRAM CONTROL FIR，IIR，FFT VGA PS2 DSP Blocks

14. 应用系统 SOPC 固体硬盘 大规模FPGA UART FIFO USB控制器 Flash ROM 嵌入式ROM 嵌入式Bios 嵌入式RAM 内存 通用I/O口 SRAM RS232 Nios嵌入式系统IP软核 嵌入式FIFO CAN控制器 内存 立体声输出接口 SDRAM控制模块 SDRAM DMA 浮点算术协处理器 图象或语音采样接口 VGA控制器 PIC接口 内部时钟 硬件DSP模块 VGA接口 PS2键盘接口 Ethernet接口 PS2鼠标接口 RS232接口电路 PS/2键盘/ 鼠标接口 A/D接口 D/A接口 并行接口 LED接口 LCD接口

15. SOPC系统设计 + 基于EDA技术的FPGA基本设计 DSP技术及DSP系统设计 + + 单片机系统设计 嵌入式系统设计

16. 2003年7月 Forbes 福布斯 报道 • FPGA芯片叫板微处理器 --- 如果没有微处理器,电脑会怎样?答案令人惊讶--- 它的处理速度比常规电脑更快,而且快出很多倍! 尽管FPGA芯片的主频要低于奔腾处理器,但是由于FPGA芯片可并行处理多项任务,因此处理速度要比奔腾处理器或数字信号处理器快得多! • FPGA芯片武装超级电脑

17. FPGA芯片叫板微处理器 美国赢通系统公司（Wincom Systems）推出一款令人惊叹的服务器。这款专为网站运行而设计的服务器尺寸仅有DVD播放机大小，工作能力却相当于,甚至超过50台戴尔、IBM或SUN公司售价5000美元的服务器。 赢通公司的这款服务器并未采用目前电脑中不可或缺的微处理器。 传统的个人电脑及服务器通常采用英特尔的奔腾处理器或SUN计算机系统公司的SPARC芯片作为中央处理单元。而赢通的这一产品却没有采用微处理器，而是由FPGA芯片驱动。 FPGA芯片的运行速度比奔腾处理器慢，但可并行处理多项任务，而微处理器一次仅能处理一项任务。因此，赢通公司的服务器只需配置几个价格仅为2000多美元的FPGA芯片，便可击败SUN计算机系统公司的服务器或采用英特尔处理器的电脑，“我们的服务器处理速度要比普通服务器快50到300倍”。 FPGA芯片在一定程度上正在蚕食微处理器的市场。FPGA芯片也开始用于消费类的电子设备中，包括手机和数码相机。飞利浦、诺基亚、Palm及索尼均在其消费类的电子产品中采用了FPGA芯片。 XILINX的首席执行官W.Roelandts亲眼目睹了FPGA如何改变电脑构架。50多年前，匈牙利数学家纽曼（John von Neumann）提出了电脑的设计构想----通过中央处理器从存储器中存取数据，并逐一处理各项任务。现在，通过采用可编程芯片FPGA取代微处理器，电脑可并行处理多项任务。 W.Roelandts说，“由纽曼提出的电脑架构已经走到尽头”，“可编程芯片将掀起下一轮应用高潮。 尽管FPGA芯片的时钟频率要低于奔腾处理器，但是由于FPGA芯片可并行处理各种不同的运算，所以可完成许多复杂的任务。例如网页显示，全球天气建摸及基因组合核对等，而且处理速度比奔腾处理器或数字信号处理器快得多。在通用计算方面，FPGA仍然不敌Intel的处理器。对于那些只需要进行重复单任务操作的机器而言，使用FPGA芯片显然是大材小用。 位于内华达州的TimeLogic公司也间接受益于FPGA。戴尔和SUN公司生产的某些标准服务器采用了ALTERA公司的FPGA芯片。 TimeLogic公司对这些标准服务器加以改进之后，生产了一种用于基因研究的高速处理设备。“我们的设备比原来的产品至少快1000倍”， TimeLogic公司总监Christopher Hoover说。该公司的这一设备售价25万美元。 马里兰州的Annapolis Micro Systems公司在其电脑芯片电路板中也集成了XILINX的FPGA芯片，以提高产品性能。又如加州的BlueArc公司用ALTERA的FPGA开发出一种存储器产品，其速度比Network Appliance和EMC公司的竞争产品更快。华盛顿州Bellevue市的MidStream Technologies公司采用XILINX的FPGA，为有限电视运营商开发视频流服务器。这款服务器高仅3.5英尺，采用了2片FPGA芯片，可同时提供425路视频流信号，比基于通用微处理器的服务器速度更快。 如果您正在《福布斯》的网站上阅读这篇文章，那么你已经接触到了FPGA。因为Forbes.com正是采用赢通公司的FPGA服务器进行网页显示的。

18. FPGA芯片武装的超级电脑 超级电脑是科技世界中的极品：售价奇高，速度飞快，集成了数以千计的微处理器。但这种超级电脑也浪费了非常多的芯片资源，每个处理器只能进行单任务操作，大部分功能难以充分发挥。现在有了另一种更为简洁的设计：设计工程师开始采用FPGA芯片来武装超级电脑，取代了原先大量的英特尔奔腾处理器。经过编程，FPGA芯片可并行处理多项任务，从而使所有电路都能随时发挥作用。FPGA芯片还可以反复编程，而且几乎可瞬时完成。在某一时刻它可以为美国国防部预报全球天气状况，下一时刻又可根据高盛公司（Goldman Sachs）做的主要利率对冲情况来评估债券市场的风险。 下一代超级电脑将基于可编程逻辑器件，这种机器的功能将比目前最大的超级电脑还要强大许多。其中的秘诀在于，设计者可以把自己的想法编成程序代码，然后让FPGA芯片去实现。 犹他州的Star Bridge Systems公司声称已经解决了这一问题。该公司使用FPGA和自己的Viva编程语言开发出了“超级电脑（hypercomputer）：“运行速度无与伦比”。 对该超级电脑进行测试的美国国家航空航天局（NASA）科学家表示，这一产品的性能令人过目难忘。美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）和杨百翰大学（Brigham Young University）的研究员也正在设计基于FPGA的电脑，这些电脑可在运行中实现动态重配置。这对定位危险目标等军事应用和面容识别一类的计算密集型安全应用十分有用。

19. 1.2 EDA技术实现目标 1.2 EDA技术实现目标 目标：是完成专用集成电路ASIC的设计和实现，通过三种途径来完成： EDA技术 ASIC设计 SOPC/SOC 门阵列 （MPGA）； 标准单元 （CBIC）； 全定制； （FCIC）； ASIC设计 FPGA/CPLD 可编程ASIC 设计 混合 ASIC 设计 图1-1 EDA技术实现目标

20. 门阵列ASIC 掩模ASIC 标准单元ASIC 全定制芯片 1.2 EDA技术实现目标 1. 超大规模可编程逻辑器件 FPGA(Field Programmable Gate Array) CPLD(Complex Programmable Logic Device) 2. 半定制或全定制ASIC 3. 混合ASIC CPU、RAM、ROM、硬件加法器、乘法器、锁相环

21. 具有很强的电路描述和建模能力 具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性 具有良好的电路行为描述和系统描述的能力 1.3 硬件描述语言VHDL VHDL Verilog HDL SystemVerilog SystemC VHDL－ VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language “告诉我你想要电路做什么，我给你提供能实现这个功能的硬件电路”

22. 1.3 硬件描述语言VHDL VHDL历史 • 1982年， 诞生于美国国防部赞助的VHSIC项目 • 1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 ，即IEEE-1076（简称87版) • 1993年，IEEE对VHDL进行了修订，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993（1164）版本 • 1996年，IEEE-1076.3成为VHDL综合标准

23. 1.4 VHDL综合 设计过程中的每一步都可称为一个综合环节。 (1) 从自然语言转换到VHDL语言算法表示，即自然语言综合； (2)从算法表示转换到寄存器传输级(Register Transport Level，RTL)， 即从行为域到结构域的综合，即行为综合； (3) RTL级表示转换到逻辑门(包括触发器)的表示，即逻辑综合； (4) 从逻辑门表示转换到版图表示(ASIC设计)，或转换到FPGA的配置网表文件，可称为版图综合或结构综合。有了版图信息就可以把芯片生产出来了。有了对应的配置文件，就可以使对应的FPGA变成具有专门功能的电路器件。

24. 软件程序编译器 COMPILER CPU指令/数据代码： 010010 100010 1100 硬件描述语言 综合器 SYNTHESIZER 1.4 VHDL综合 把抽象的实体结合成单个或统一的实体。 C、ASM... 程序 （a）软件语言设计目标流程 VHDL/VERILOG. 程序 为ASIC设计提供的 电路网表文件 （b）硬件语言设计目标流程 图1-2 编译器和综合功能比较

25. 1.4 VHDL综合 图1-3 VHDL综合器运行流程

26. 1.5 基于VHDL的自顶向下设计方法 图1-4 自顶向下的设计流程

27. EDA设计流程与传统技术设计流程比较 现代电子系统设计流程 传统电子系统设计流程 方案论证与系统级构建 独立于硬件的系统行为评估和设计。系统仿真：包括系统级的硬件设计与仿真，软件设计与仿真 系统设计完成，或系统中的某一模块实际完成 自顶向下的设计流程 将硬件系统设计文件转换成可综合（RTL）硬件描述语言（HDL）。 进行功能仿真 硬件系统测试与调试 自底向上的设计流程 将硬件描述语言转换成标准网表文件，如EDIF、VHDL、Verilog等 软件设计与调试。 SOFTWEAR DEBUGERRING 通过结构综合或适配（芯片内的布线布局），将标准网表文件转换成芯片下载文件。进行时序仿真 根据方案和系统指标选购硬件，并设计电路板，即硬件系统实际 硬件系统实现。硬件系统测试与调试 HARDWEAR DEBUGERRING 软件设计与调试。 SOFTWEAR DEBUGERRING 方案论证，与算法确定 系统设计完成

28. 1.5 基于VHDL的自顶向下设计方法 EDA技术有很大不同： 1)采用硬件描述语言作为设计输入。 2)库(Library)的引入。 3)设计文档的管理。 4)强大的系统建模、电路仿真功能。 5)具有自主知识产权。 6)开发技术的标准化、规范化以及IP核的可利用性。 7)适用于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案。 8)全方位地利用计算机自动设计、仿真和测试技术。 9)对设计者的硬件知识和硬件经验要求低。 10)高速性能好。 11)纯硬件系统的高可靠性。 手工设计方法的缺点是： 1)复杂电路的设计、调试十分困难。 2)如果某一过程存在错误，查找和修改十分不便。 3)设计过程中产生大量文档，不易管理。 4)对于集成电路设计而言，设计实现过程与具体生产工艺直接相关，因此可移植性差。 5)只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实测。

29. 可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证 有各类库的支持 某些HDL语言也是文档型的语言(如VHDL) 日益强大的逻辑设计仿真测试技术 设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞 良好的可移植与可测试性，为系统开发提供了可靠的保证 能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中 自动设计能力、不同内容的仿真模拟、完整的测试 1.6 EDA技术的优势

30. 在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能 可编程逻辑器件开始进入传统的ASIC市场 EDA工具和IP核应用更为广泛 高性能的EDA工具得到长足的发展 计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的SoC设计提供了物理基础。 1.7 EDA的发展趋势

31. 习 题 1-1 EDA技术与ASIC设计和FPGA开发有什么关系？ 1-2与软件描述语言相比，VHDL有什么特点？ 1-3什么是综合？有那些类型？综合在电子设计自动化中的地位是什么？ 1-4在EDA技术中，自顶向下的设计方法的重要意义是什么？ 1-5 IP在EDA技术的应用和发展中的意义是什么？