第1章 EDA技术概述
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第一章 EDA技术概述
EDA技术的发展历史 2 EDA技术的发展历史
三个发展阶段 1.计算机辅助设计CAD阶段 计算机辅助设计CAD 1.计算机辅助设计CAD阶段 2.计算机辅助工程CAE阶段 计算机辅助工程CAE 2.计算机辅助工程CAE阶段 3.电子设计自动化EDA阶段 电子设计自动化EDA 3.电子设计自动化EDA阶段
除了以上3家公司的FPGA/CPLD产品外， 除了以上3家公司的FPGA/CPLD产品外， FPGA/CPLD产品外 还有ACTEL公司、ATMEL公司 AMD公司 ACTEL公司 公司、 公司、 还有ACTEL公司、ATMEL公司、AMD公司、 AT&T公司 TI公司 INTEL公司 公司、 公司、 公司、 AT&T公司、TI公司、INTEL公司、 Motorola公司 Cypress公司 公司、 公司、 Motorola公司、Cypress公司、 Quicklogic公司等都提供有各自带有不 Quicklogic公司等都提供有各自带有不 同特点的产品供选用。 同特点的产品供选用。
1.4 EDA技术的设计流程 EDA技术的设计流程 技术的
这里介绍基于FPGA/CPLD的EDA 这里介绍基于FPGA/CPLD的 FPGA/CPLD 技术的设计流程
FPGA／CPLD设计流程 FPGA／CPLD设计流程
设计输入 综合 适配 编程下载 硬件测试 仿真
1.设计输入 1.设计输入
原理图输入 图形输入 设计输入 文本输入 波形图输入 状态图输入
c.从结构特点来区分 c.从结构特点来区分 乘积项结构PLD 包括PROM PLA、 PLD， PROM、 （1）乘积项结构PLD，包括PROM、PLA、 PAL、GAL、EPLD、CPLD等器件 等器件。 PAL、GAL、EPLD、CPLD等器件。 查找表结构PLD FPGA属此类器件 PLD， 属此类器件。 （2）查找表结构PLD，FPGA属此类器件。
第1章 EDA技术概述 《EDA技术》PPT
第1章 EDA技术概述
【要求】
理解可编程逻辑器件和EDA技术的初步知识。
【知识点】
理解EDA技术的概念 理解EDA技术的发展 理解EDA技术的主要内容 理解可编程逻辑器件的发展 理解可编程逻辑器件的分类与结构及原理 理解面向CPLD/FPGA的设计流程
【重点和难点】
EDA技术的概念和发展 可编程逻辑器件的分类与结构
电子系统设计的自动化过程主要包括有:逻辑编译、逻辑化简、 逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真、逻辑适配等过程。
本书讨论的对象专指狭义的EDA技术。
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§ 1.1 EDA历史与发展
二、EDA技术的历史与发展
EDA技术随着计算机技术、微电子技术、电子系统设计技术 的发展，主要经历了3个发展阶段: • 计算机辅助设计(Computer-Aided Design CAD)阶段 • 计算机辅助工程设计(Computer-Aided Engineering Design CAED)阶段； • 电子系统设计自动化(Electronic System Design Automation, ESDA)阶段。
20世纪80年代，随着个人工作站计算机平台的出现和集成电 路设计CMOS时代的到来、FPGA的出现等，极大地推动EDA工 具发展，使得计算机工作平台技术得到迅速发展。出现了以计算上一页 下一页源自§1.1 EDA历史与发展
机仿真技术和自动布线技术为核心的第一代EDA技术。设计工程 师可以通过软件工具来完成产品开发的设计、分析、生产、测试 等各项工作。但是，基于原理图进行设计开发的CAE工具，仍然 不能满足高集成度的复杂电了系统设计的要求，设计工程中的系 统优化设计也被固定的具体化的电路元件所制约。 3.电子系统设计自动化ESDA阶段
【要求】
理解可编程逻辑器件和EDA技术的初步知识。
【知识点】
理解EDA技术的概念 理解EDA技术的发展 理解EDA技术的主要内容 理解可编程逻辑器件的发展 理解可编程逻辑器件的分类与结构及原理 理解面向CPLD/FPGA的设计流程
【重点和难点】
EDA技术的概念和发展 可编程逻辑器件的分类与结构
电子系统设计的自动化过程主要包括有:逻辑编译、逻辑化简、 逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真、逻辑适配等过程。
本书讨论的对象专指狭义的EDA技术。
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§ 1.1 EDA历史与发展
二、EDA技术的历史与发展
EDA技术随着计算机技术、微电子技术、电子系统设计技术 的发展，主要经历了3个发展阶段: • 计算机辅助设计(Computer-Aided Design CAD)阶段 • 计算机辅助工程设计(Computer-Aided Engineering Design CAED)阶段； • 电子系统设计自动化(Electronic System Design Automation, ESDA)阶段。
20世纪80年代，随着个人工作站计算机平台的出现和集成电 路设计CMOS时代的到来、FPGA的出现等，极大地推动EDA工 具发展，使得计算机工作平台技术得到迅速发展。出现了以计算上一页 下一页源自§1.1 EDA历史与发展
机仿真技术和自动布线技术为核心的第一代EDA技术。设计工程 师可以通过软件工具来完成产品开发的设计、分析、生产、测试 等各项工作。但是，基于原理图进行设计开发的CAE工具，仍然 不能满足高集成度的复杂电了系统设计的要求，设计工程中的系 统优化设计也被固定的具体化的电路元件所制约。 3.电子系统设计自动化ESDA阶段
第一章 EDA技术概述
4． VHDL-RTL级 建 模
8． 功 能 仿 真
12． 设 计 完 成
1.6
EDA技术的优势
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)标准化、规范化及IP核的可利用性。 7)自顶向下设计方案。 8)自动设计、仿真和测试技术。 9)对设计者的硬件知识、经验要求低。 10)高速性能好（与以CPU为主的电路系统相比 ） 。 11)纯硬件系统的高可靠性。
超大规模集成电路的集成度和工艺水
9、系统级、行为验证级硬件描述语言
一、 EDA技术定义
（广义定义） 半导体工艺设计自动化 可编程器件设计自动化 电子系统设计自动化 印刷电路板设计自动化 仿真与测试、故障诊断自动化 形式验证自动化 通称为EDA工程
二、EDA技术定义
（狭义定义）
1、以大规模可编程逻辑器件为设计载体． 2、以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式． 3、以计算机、大规模可编程逻辑器件(PLD)的开发软件及实 验室开发系统为设计工具． 4、通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计的电子 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，直至完成对于特 定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作． 5、最终形成电子系统或专用集成芯片的一门新的技术。
EDA技术实用教程
第1章
概
述
1.1 EDA技术及其发展
现代电子设计技术的核心是EDA(Electronic Design Automation)技术。
EDA技术使得设计者的工作利用硬件描述语言和EDA软
EDA 技术实用教程 第1章 概述
1.1 EDA技术及其发展 技术及其发展
EDA (Electronic Design Automation) 利用EDA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。
图1-1 EDA技术实现目标 技术实现目标
ASIC:
Application-Specific Integrated Circuits
ASIC的含义：指应特定用户要求或特定 的含义： 的含义 应用需要而设计制造的集成电路。 应用需要而设计制造的集成电路。 ASIC的概念早在上个世纪 年代就有人 的概念早在上个世纪60年代就有人 的概念早在上个世纪 提出，但其真正发展是在进入20世纪 世纪80 提出，但其真正发展是在进入 世纪 年代以后 以后。 年代以后
1.2 EDA技术实现目标 技术实现目标
半定制或全定制ASIC 2. 半定制或全定制ASIC 基于EDA技术的半定制或全定制ASIC，根据它们的实 现工艺，可统称为掩模ASIC 。可编程ASIC 与掩模ASIC相 ASIC ASIC ASIC 比，不同之处就在于它具有面向用户的灵活多样的可编程性。
1.1 EDA技术及其发展 技术及其发展
EDA技术发展的三个阶段 技术发展的三个阶段
20世纪 年代 世纪70年代 世纪
MOS工艺 CAD概念 工艺 概念
20世纪70年代，MOS工艺在集成电路制作方面得到广 泛应用，可编程逻辑技术及器件已经出现。计算机在科研领 域的广泛应用，促使了CAD技术的出现。 CAD即计算机辅 助设计(Computer Assist Design)。在这一阶段，人们开始利 用计算机取代手工劳动，辅助进行集成电路版图设计，PCB 布局布线等工作。
EDA技术概述
第一章EDA技术概述
1.含义：是指对数字信息进行存储、传输、处理的电子系统。
它的输入和输出都是数字量。
通常把门电路、触发器等称为逻辑器件；将由逻辑器件构成，能执行某单一功能的电路，如计数器、译码器、加法器等，称为逻辑功能部件；把由逻辑功能部件组成的能实现复杂功能的数字电路称数字系统。
2.数字系统和功能部件之间的区别：功能是否单一、是否包含控制电路
1.1 EDA技术及其发展
1.生产制造技术
2.电子设计技术——EDA 技术
（1）EDA技术的含义：指立足于计算机工作平台而开发出来的一整套先进的设计电子系统的软件工具。
（2）三个发展阶段：电子CAD 、电子CAE、EDA阶段（3）EDA技术的特点：（5个）
1.2 数字系统的两种设计思路
1.自顶向下法(Top_down设计)
2.自底向上法(Bottom-up设计)
3.IP复用技术与SoC
（1）IP的含义
（2）IP核分为软核、硬核和固核三部分。
（3）SoC:芯片系统
1.3 数字系统的设计流程
1.设计输入
2.综合
3.适配
4.仿真
5.编程下载和配置
流程图：
1.4 用于开发FPGA和CPLD的EDA工具
1.基于CPLD/FPGA的集成开发环境
2.基于CPLD/FPGA开发环境的专业软件:输入工具、综合工具、仿真工具
1.5 EDA技术的发展趋势
1.高性能的EDA工具将得到进一步发展
2.EDA技术将促进ASIC和FPGA逐步走向融合。
EDA技术
PLD
4）CPLD与FPGA的异同：
• 内部绕线不同：由于FPGA的绕线是属于分段式，这将造成内部延 迟时间不固定，致使新手不易学习。但CPLD的绕线是属于连续式， 内部延迟时间固定，较容易设计和使用。 • 门数不同：CPLD的接线单纯，芯片内的门数FPGA多。如Altera公 司生产的FLEX系列（RAM形式）、MAX系列（ROM形式）都属于 CPLD的类型，而Xilinx公司生产的Spartan系列（RAM形式）则属 于FPGA类型。
FPGA、CPLD和其他类型PLD的结构各有其特点和长处，但概括起来 由三部分组成：一个二维的逻辑块阵列、输入/输出块、连接逻辑块的 互连资源。 逻辑阵列块 对于每个LAB，输入 ， 对于每个 信号来自3部分 部分： 信号来自 部分： （1）来自作为通用逻辑输 ） 入的PIA的36个信号； 个信号； 入的 的 个信号 （2）来自全局控制信号， ）来自全局控制信号， 用于寄存器辅助功能； 用于寄存器辅助功能； （3）从I/O引脚到寄存器 ） 引脚到寄存器 的直接输入通道。 的直接输入通道。
第1章 EDA技术概述
EDA技术
EDA (Electronic Design Automation)
EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件 技术就是依赖功能强大的计算机， 技术就是依赖功能强大的计算机 工具软件 平台上，对以硬件描述语言 平台上，对以硬件描述语言HDL (Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完 为系统逻辑描述手段完成的设计文件， 为系统逻辑描述手段完成的设计文件 成逻辑编译、化简、分割、综合、 成逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和 仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。 仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。 EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。 技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。 技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性
第1章 EDA技术概述
10
1.2 传统设计方法与EDA方法的区别 传统设计方法与EDA方法的区别
传统的数字系统设计方法是自下而上的设计 方法，是以固定功能元件为基础，基于电路 方法，是以固定功能元件为基础， 板的设计方法，主要设计文件是电路原理图。 板的设计方法，主要设计文件是电路原理图。
11
问题的提出（实例） 问题的提出（实例）
24
所谓功能仿真，是直接对 所谓功能仿真，是直接对VHDL、原理图描述或其 、 他描述形式的逻辑功能进行测试模拟， 他描述形式的逻辑功能进行测试模拟，以了解其实 现的功能是否满足原设计要求的过程， 现的功能是否满足原设计要求的过程，仿真过程不 涉及任何具体器件的硬件特性。功能仿真不经历适 涉及任何具体器件的硬件特性。 配阶段，是将综合后的VHDL网表文件送到 配阶段，是将综合后的 网表文件送到VHDL 网表文件送到 仿真器中所进行的仿真。 仿真器中所进行的仿真。直接进行功能仿真的好处 是设计耗时短，对硬件库、综合器等没有任何要求。 是设计耗时短，对硬件库、综合器等没有任何要求。
16
EDA技术为电子系统设计带来了这样的变化： 技术为电子系统设计带来了这样的变化： 技术为电子系统设计带来了这样的变化
（1）设计效率提高，设计周期缩短； ）设计效率提高，设计周期缩短； （2）设计质量提高； ）设计质量提高； （3）设计成本降低； ）设计成本降低； （4）能更充分地发挥设计人员的创造性； ）能更充分地发挥设计人员的创造性； （5）设计成果的重用性大大提高，省去了不必要 ）设计成果的重用性大大提高， 的重复劳动。 的重复劳动。
2
手工设计： 手工设计：设计者 + 纸 + 笔 自动设计： 自动设计：设计者 + EDA技术 技术
3
1.2 传统设计方法与EDA方法的区别 传统设计方法与EDA方法的区别
传统的数字系统设计方法是自下而上的设计 方法，是以固定功能元件为基础，基于电路 方法，是以固定功能元件为基础， 板的设计方法，主要设计文件是电路原理图。 板的设计方法，主要设计文件是电路原理图。
11
问题的提出（实例） 问题的提出（实例）
24
所谓功能仿真，是直接对 所谓功能仿真，是直接对VHDL、原理图描述或其 、 他描述形式的逻辑功能进行测试模拟， 他描述形式的逻辑功能进行测试模拟，以了解其实 现的功能是否满足原设计要求的过程， 现的功能是否满足原设计要求的过程，仿真过程不 涉及任何具体器件的硬件特性。功能仿真不经历适 涉及任何具体器件的硬件特性。 配阶段，是将综合后的VHDL网表文件送到 配阶段，是将综合后的 网表文件送到VHDL 网表文件送到 仿真器中所进行的仿真。 仿真器中所进行的仿真。直接进行功能仿真的好处 是设计耗时短，对硬件库、综合器等没有任何要求。 是设计耗时短，对硬件库、综合器等没有任何要求。
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EDA技术为电子系统设计带来了这样的变化： 技术为电子系统设计带来了这样的变化： 技术为电子系统设计带来了这样的变化
（1）设计效率提高，设计周期缩短； ）设计效率提高，设计周期缩短； （2）设计质量提高； ）设计质量提高； （3）设计成本降低； ）设计成本降低； （4）能更充分地发挥设计人员的创造性； ）能更充分地发挥设计人员的创造性； （5）设计成果的重用性大大提高，省去了不必要 ）设计成果的重用性大大提高， 的重复劳动。 的重复劳动。
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手工设计： 手工设计：设计者 + 纸 + 笔 自动设计： 自动设计：设计者 + EDA技术 技术
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第1章 EDA技术概述
• 3、 EDA（Electronic Design Automation）阶段 • EDA技术提供了一种“自顶向下”(Top–Down)的 全新设计方法，首先从系统设计入手，在顶层 进行功能框图的划分和结构设计，在框图一级 进行仿真、调试。用硬件描述语言对高层次的 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。
1.7 EDA集成开发工具简介
• 1、EDA开发工具分类 • EDA开发工具大体分为两类：一类是专业的EDA软件公司开发的工具， 也称为第三方EDA软件工具，比较著名的有Synopsys、Cadence Design System、Mentor Graphics等公司；另一类是半导体器件厂商为了销售 其产品而开发的EDA工具，比较著名的公司有Altera公司的MAX+PLUS II 和Quartus II、Xilinx公司的Foundation和ISE，以及Lattice公司的 ispDesignEXPERT和ispLEVER等。 • 2、EDA集成开发工具软件完成的功能 • EDA集成开发工具软件一般应包含设计输入编辑器、设计仿真工具、 HDL综合器、布局布线适配器和编程下载工具等模块。 • 3、QuartusII EDA集成开发工具简介 • QuartusII是Altera公司继Max plus II后推出的新一代EDA开发工具，支 持APEX20K、APEXII、Excalibur、Mercury、Cyclone以及Stratix等新器件 和大规模FPGA的开发。Altera公司是世界上最大的CPLD/FPGA器件供应 厂商之一。Quartus II在21世纪初推出，其界面友好，使用便捷，提供 了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、编 译处理和器件编程。
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Bottom-up设计
Bottom-up设计，即自底向上的设计，由设 计者调用设计库中的元件(如各种门电路、加法 器、计数器等) ，设计组合出满足自己需要的 系统
缺点：效率低、易出错
IP(Intellectual Property)核
IP（Intellectual Property）：原来的含义是指 知识产权、著作权，在IC设计领域指实现某 种功能的设计。 IP核（IP模块）：指功能完整，性能指标可 靠，已验证的、可重用的电路功能模块。 IP复用（IP reuse）
IP核与SOC设计
软IP--用VHDL等硬件描述语言描述的功能块，但 是并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能。 固IP--完成了综合的功能块。
硬IP--供设计的最终阶段产品：掩膜。
SOC： SYSTEM ON a CHIP
1.3 EDA设计的流程
设计输入（Design Entry）
1. 原理图输入(Schematic diagrams ) 2、硬件描述语言 (HDL文本输入)
综合器是能够自动实现上述转换的软件工具，是能将原理图或 HDL语言描述的电路功能转化为具体电路结构网表的工具
软件编译器和硬件综合器区别
C、ASM... 程序
软件程序编译器
COMPILER
（a）软件语言设计目标流程
VHDL/VERILOG. 程序
硬件描述语言 综合器
SYNTHESIZER
（b）硬件语言设计目标流程
1.4 常用的EDA软件工具
集成的CPLD/FPGA开发工具 逻辑综合工具 仿真工具 其他设计工具
集成的CPLD/FPGA开发工具
逻辑综合工具（Synthesis Tools）
仿真工具（simulation tools）
1.5 EDA技术的发展趋势
➢ 超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断 提高。
现代EDA技术的特征
1．硬件描述语言设计输入 2．“自顶向下”设计方法（Top-down） 3．开放性和标准化 4．高层综合与优化
1.2 Top-down设计与IP核设计
Top-down设计
Top-down的设计 须经过“设计—验 证—修改设计—再 验证”的过程，不 断反复，直到结果 能够实现所要求的 功能，并在速度、 功耗、价格和可靠 性方面实现较为合 理的平衡。
仿真（SimulБайду номын сангаасtion）
仿真是对所设计电路的功能的验证
功能仿真（Function Simulation） 时序仿真（Timing Simulation）
编程（Program）
把适配后生成的编程文件装入到PLD器件中的过程， 或称为下载。 通常将对基于EEPROM工艺的非易失结构PLD器件的 下载称为编程（Program），将基于SRAM工艺结构 的PLD器件的下载称为配置（Configure）。
CPU指令/数据代码： 010010 100010 1100
为ASIC设计提供的 电路网表文件
适配
适配器也称为结构综合器，它的功能是将由综合 器产生的网表文件配置于指定的目标器件中，并产 生最终的可下载文件
对CPLD器件而言，产生熔丝图文件，即JEDEC 文件；对FPGA器件则产生Bitstream位流数据文件
（1）ABEL-HDL （2）AHDL （3）VHDL （4）Verilog HDL
IEEE标准
硬件描述语言与软件编程语言（C、 PASCAL等）有本质的区别
综合（Synthesis）
将较高层次的设计描述自动转化为较低层次描述的过程 ◆行为综合：从算法表示、行为描述转换到寄存器传输级（RTL） ◆逻辑综合：RTL级描述转换到逻辑门级（包括触发器） ◆版图综合或结构综合：从逻辑门表示转换到版图表示，或转换 到PLD器件的配置网表表示
EDA技术与Verilog设计
EDA技术与 Verilog设计
第1章 EDA技术概述
1.1 EDA技术及其发展 1.2 Top-down设计与IP核设计 1.3 EDA设计的流程 1.4 常用的EDA软件工具 1.5 EDA技术的发展趋势
EDA技术及其发展
EDA（Electronic Design Automation） 就是以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发 环境，以PLD器件或者ASIC专用集成电路为目标 器件设计实现电路系统的一种技术。
1．电子CAD（Computer Aided Design）
2．电子CAE（Computer Aided Engineering）
3．EDA（Electronic Design Automation）
EDA技术的应用范畴
EDA技术的新发展
在FPGA上实现DSP应用 嵌入式处理器软核的成熟 自主知识产权 电子技术领域全方位融入EDA技术 电子领域各学科的界限更加模糊、互为包容 更大规模的FPGA和CPLD器件不断推出 IP核的广泛应用 SoC高效低成本设计技术的成熟
➢ 市场对系统的集成度不断提出更高的要求。 ➢ 高性能的EDA工具，其自动化和智能化程度不
断提高，为嵌入式系统设计提供了功能强大的开 发环境。
➢ 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。
习题
1-1 现代EDA技术的特点有哪些？ 1-2 什么是Top-down设计方式？ 1-3 数字系统的实现方式有哪些？各有什么优缺点？ 1-4 什么是IP复用技术？IP核对EDA技术的应用和发展有 什么意义？ 1-5 用硬件描述语言设计数字电路有什么优势？ 1-6 基于FPGA/CPLD的数字系统设计流程包括哪些步骤？ 1-7 什么是综合？常用的综合工具有哪些？ 1-8 功能仿真与时序仿真有什么区别？