EDA技术在现代电子设计中的应用

EDA技术在现代电子设计中的应用

摘要:EDA技术是现代电子设计的重要手段,文章阐述了EDA技术的基本特征,系统级设计方

法,并通过一个实例来介绍EDA技术的应用。

关键词:EDA;自顶向下;VHDL;ASIC;系统级设计

1 引言

进入21世纪,随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,人类进入了一个全新的信息时代。以数字化为特征的电子信息产品,诸如PC,PDA,DC,DV,DTV,Web浏览器、手机等等,成为现代社会不可或缺的一部分。电子信息产品功能不断扩展、性能不断提高,更新换代的步伐越来越快,而同时其价格却一直呈下降趋势。实现这种进步的主要因素是集成电路制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表,目前已进展到深亚微米和超深亚微米阶段,主流生产工艺技术为0.13~0.25μm,可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管。后者的核心就是EDA(电子设计自动化)技术,EDA是指以计算机为工作平台,融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术,并汇集了计算机图形学、拓扑学和计算数学等众多学科而发展起来的一项电子设计的自动化技术,EDA技术已经成为现代电子系统设计的重要手段。

2 EDA技术的基本特征

EDA技术已有30年的发展历程,大致可分3个阶段:20世纪70年代为计算机辅助设计(CAD)阶段,20世纪80年代为计算机辅助工程(CAE)阶段,20世

纪90年代为电子系统设计自动化(ESDA)阶段。EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向,其基本特征是:设计人员按照“自顶向下”(Top-down)的设计方法,对整个系统进行方案设计和功能划分,系统的关键电路用一片或几片专用集成电路(ASIC)实现,然后采用硬件描述语言(HDL)完成系统行为级设计,最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。

2.1 “自顶向下”的设汁方法和并行工程

电子产品的传统设计方法是采用“自底向上”的,即首先确定可用的标准通用集成电路芯片,然后根据这些芯片和其他元器件进行模块设计,最后形成系统。这种设计方法效率低、易出错,设计出的电子系统所用元器件多,成本高,且功耗大,可靠性差。

EDA技术采用一种“自顶向下”的全新设计方法,这种设计方法首先从系统设计入手,在顶层进行功能方框图的划分和结构设计,在方框图一级进行仿真、纠错,并用硬件描述语言(HDL)对高层次的系统行为进行描述,在系统一级进行验证,然后用综合优化工具生成具体门电路的网表,其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的,这一方面有利于早期发现结构设计上的错误,避免设计工作的浪费,同时也减少了逻辑功能仿真的工作量,提高了设计的一次成功率。

所谓并行工程是指“一种系统化的、集成化的、并行的产品及相关过程的开发模式。这一模式使开发者从一开始就要考虑到产品生存周期的诸多方面,包括质量、成本、开发时间及用户的需求,等等。”[1]由于EDA技术采用的是结构化开发手段,可实现多人多任务的并行工作方式来提高设计规模和效率。

2.2 硬件描述语言

硬件描述语言(HDL)是一种用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式的计算机语言。早期各EDA厂商推出自己的硬件描述语言,如ABEL-HDL,AHDL等,互不兼容,1985年美国国防部正式推出了VHDL语言,1987年IEEE确认VHDL为硬件描述语言标准(IEEE STD-1076),成为通用硬件描述语言。1993年,IEEE STD-1076标准被升级、更新为IEEE STD-1164。1996年,IEEE STD-1076.3成为VHDL综合标准[2]。

VHDL是一种全方位的硬件描述语言,包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计

层次,支持结构、数据流、行为3种描述形式的混合描述,因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能,整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。VHDL在电子设计中具有以下优点:

(1)VHDL具有功能强大的语言结构,可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计,而且覆盖面广,方法灵活。

(2)VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力。能进行系统级的硬件描述,是他最突出的优点。

(3)VHDL的设计不依赖于特定的器件,方便了工艺的转换。

(4)VHDL是一个标准语言,他的设计描述可以被不同的工具所支持,可移植性强,易于共享和复用。

2.3 ASIC设计

现代电子产品的复杂度日益提高,一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成,这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题,解决这一问题的有效方法就是采用ASIC芯片进行设计。

ASIC按照设计方法的不同可分为全定制ASIC、半定制ASIC和可编程ASIC(包括PAL,GAL,CPLD,FPGA)[3]。其中CPLD,FPGA属高密度可编程逻辑器件,特别适合于样品研制或小批量产品开发,使产品能以最快的速度上市,而当市场扩大时,可以很容易地转由掩模ASIC实现大批量生产。

因此,ASIC芯片,尤其是CPLD/FPGA器件,已成为现代高层次电子设计方法(EDA)的实现载体。

3 EDA技术设计方法系统级设计

EDA是一种高层次的电子设计方法,也即系统级设计方法。高层次设计是一种“概念驱动式”设计,设计人员无须通过门级原理图描述电路,而是针对设计目标进行功能描述,由于摆脱了电路细节的束缚,设计人员可以把精力集中于创造性的方案与概念构思上,一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后,EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。这样,新的概念得以迅速有效的成为产品,大大缩短了产品的研制周期。不仅如此,高层次设计只是定义系统的行为特性,可以不涉及实现工艺,在厂家综合库的支持下,利用综合优化工具可以将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网表,工艺转化变得轻松容易。具体的设计流程如图1所示。

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4 EDA技术应用实例

以基于Xilinx Foundation开发系统的四位可逆计数器的设计为例,讨论EDA技术的应用。(1)启动Foundation项目管理器可以看到工作流程包括有:设计输入、逻辑综合、功能

仿真、设计实现、时序验证、编程下载。

(2)设计输入设计输入工具包括:HDL编辑器、原理图编辑器、状态机编辑器。其中HDL 编辑器支持Verilog,VHDL,ABEL。高层次设计中最为普遍的输入方式是HDL代码输入。

本例采用VHDL输入,以下是VHDL源代码。

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(3)设计综合与实现VHDL代码输入完成后,首先要进行配置环境,这里选择FPGA器件XC3000系列3195ACB164,然后使用编译器编译设计项目,通过编译器自动进行错误检查、网表提取、逻辑综合、器件适配,最终产生器件编程文件。

(4)设计仿真验证综合后,可利用产生的网表文件进行功能和时序仿真,对设计的电路进行校验。图2是该设计的功能仿真波形图,可以看出他与4位可逆计数器的功能相符合。

(5)编程下载通过仿真确定设计正确无误后,即可通过MultiLINX电缆或JTAG编程器将设计项目下载到目标器件FPGA中,完成设计工作。

5 结语

EDA技术是电子设计领域的一场革命,没有EDA技术的支持,想要完成现代超大规模集成电路的设计制造是不可想象的,反过来,集成电路技术的发展又不断对EDA技术提出新的要求,促进了EDA技术的发展。“摩尔定律”指出,每18个月,集成电路的集成度将翻一番,随着半导体技术的高速发展,大规模可编程逻辑器件与MPU,DSP,A/D,D/A,RAM和ROM等独立器件之间的物理与功能界限正日趋模糊,嵌入式系统和片上系统(SOC)得以实现。

EDA技术在现代电子设计中的应用

以大规模可编程集成电路为物质基础的EDA技术打破了软硬件之间的设计界限,使硬件系统软件化。这成为现代电子设计技术的发展趋势。

参考文献

[1]朱明程.XILINX数字系统现场集成技术[M].南京:东南大学出版社,2001.

[2]徐志军,徐光辉.CPLD/FPGA的开发与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.[3]刘丽华.专用集成电路设计方法[M].北京:北京邮电大学出版社,2000.

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