1、EDA技术与应用,山东科技大学信息学院,绪 论,EDA是Electronic Design utomation电子设计自动化的缩写。EDA技术是20世90年代初以来迅速发展起来的现代电子工程领域的一门新技术。它以计算机为工作平台，以EDA工具软件为开发环境，以硬件描述语言(HDL)作为电子系统功能描述方式，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。,绪 论,在当今以数字化和网络化为特征的信息技术革命大潮中，电子技术获得了飞速发展，现代电子产品渗透到了社会的各个领域。现代电子产品的性能进一步提高，功能越来越复杂，集成化智能化程度越来越高，更新换代的节奏越来越快，开发风险也越来越大，而且正
2、向着功能多样化、体积小型化、功耗最低化的趋势发展。,绪 论,所有这些，都给电子系统设计师们带来了前所未有的压力，面对这种压力，唯一的出路是熟练掌握EDA技术，并获得其有力支持。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可靠性，减轻了设计者的劳动强度，EDA是电子产品开发研制的动力源和加速器，是现代电子设计的核心。随着基于PLD的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，它在电子信息、通信工程、自动控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。,绪 论,有专家预言，21世纪将是EDA技术快速发展的时期，它将成为对本世纪产生重大影响的十大科学技术之一。因此，在大中专院校的电子信息、通信工程、自动控制、
3、计算机应用等各类学科的教学中引入均EDA技术的内容，以适应现代电子技术的飞速发展。,前 言,EDA技术与应用一书主要内容包括： EDA技术；电路EDA设计软件PSpice、Multisim8使用方法；可编程逻辑器件工作原理、分类及使用；VerilogHDL硬件描述语言语法要点与设计实例；EDA集成软件QuartusII使用、仿真软件ModelSim、综合软件Synplify pro等使用方法及设计流程、电路EDA设计实例并进行了详细的分析与介绍。,EDA技术与应用一书可作为高等工科院校电子电气信息类各专业高年级本科生和研究生“EDA技术与应用” 相关方面课程的教材或参考书，也可作为计算机仿真和
4、计算机辅助设计的实训课程教材，或作为广大电子设计人员的设计参考书或使用手册。,前 言,参考文献, EDA技术实用教程 黄仁欣 清华大学出版社 2011-9-2 EDA技术与应用EDA技术与应用 （第3版） 江国强 电子工业出版社 2010-4-13 EDA技术及应用(第三版) 谭会生西安电子科技大学出版社 2011-08,第1章 EDA技术,第2章 电路设计仿真软件Pspice及其应用,第3章 电路设计仿真软件Multisim8,第4章 可编程逻辑器件,第5章 硬件描述语言Verilog HDL,第6章 数字集成软件Quartus 及其应用,目 录,第7章 仿真软件Modesim及其应用 第8
5、章 综合软件Synplify Pro及其应用 第9章 EDA技术综合应用,目 录,第1章 EDA技术,1.1 EDA技术简介,1.1.1 EDA技术的起源1.1.2 EDA技术的发展技术及特点,1.2 常用EDA软件介绍,本章内容,1.2.1 EDA软件的分类1.2.2 EDA软件的发展趋势,1.3 EDA工程的设计流程,1.4 EDA工程的设计方法,1.1.1 EDA技术的起源,EDA技术是以计算机为工作平台，以相关的EDA开发软件为工具，以大规模可编程逻辑器件（包括CPLD、FPGA、EPLD等）为设计载体， 以硬件描述语言HDL（Hardware Description Language
6、）为系统逻辑描述的主要表达方式，自动完成系统算法，电路设计，最终形成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。,1.1 EDA技术简介,EDA技术研究的对象是电路或系统芯片设计的过程，可分为系统级、电路级和物理级三个层次。EDA设计领域和内容，包括从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从可编程逻辑器件通用集成电路到专用集成电路的电子自动化设计。,3 、 数制转换,111 EDA技术的起源,1计算机辅助设计CAD阶段,一般认为EDA技术的发展经历了3个阶段： 计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、电子系统设计自动化（EDA）。,20世纪60年代之前，电子产品硬件系统设计的大都
7、采用分立元件。随着集成电路的出现和应用，硬件系统设计进入到CAD发展的初级阶段，该阶段的硬件设计大量选用中、小规模标准集成电路。,20世纪70年代，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，就产生了一些单独的软件工具，主要有印制电路板（PCB）布线设计、电路模拟、逻辑模拟及版图的绘制等。这种应用计算机进行辅助设计的时期，就是计算机辅助设计CAD阶段。,2 计算机辅助工程设计CAE阶段,20世纪80年代，随着计算机和集成电路规模的发展，使得工具软件和技术逐步完善和发展，在设计方法、设计工具和集成化方面得到了很大的进步。各种EDA设
8、计软件及元器件库齐全，且不同功能的设计工具之间的兼容性得到了很大的改善，不能兼容的软件受到了抵制和淘汰。,逐步实现了可以把不同设计功能的软件互相结合，形成了技术齐全，性能较高的系列EDA软件，进入了计算机辅助工程设计的初级阶段。该阶段的硬件系统设计，仍然使用大量不同型号的标准芯片，实现电子系统设计。,随着微电子工艺的发展，相继出现了集成上万只晶体管的微处理器、集成几十万乃至上百万储存单元的随机存储器和只读存储器的超大规模集成电路。此时推出的EDA软件大都以逻辑模拟、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
9、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，这就是真正的计算机辅助工程设计CAE阶段。,20世纪90年代，微电子技术飞速发展，其工艺水平已达到了深亚米微米级，在一个芯片上可以集成上百万、上千万乃至上亿个晶体管，芯片的工作频率可达到GHz，发展到了甚超大规模集成电路阶段。这就使得单芯片系统集成（System on Chip ）SoC得到了快速的发展。,3电子系统设计自动化EDA阶段,为了满足千差万别的用户提出的对电路系统的要求，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。这一阶段可编程逻辑器件的飞速发展，微电子厂家可以为用户提
10、供各种规模的可编程逻辑器件，使设计者通过它较快的设计出各种功能的电子系统。在这种形势下，对电子设计软件工具提出了更高的要求，促进了电子设计技术的飞速发展。,1.1.2 EDA技术发展趋势及特点,1EDA技术的发展,20世纪90年代EDA技术的发展和成熟。突出表现在以下几个方面：功能强大的EDA软件不断推出；使得ASIC 设计水平不断提高，更大规模的可编程逻辑器件FPGA和CPLD的不断推出；出现了基于EDA软件的专用集成电路设计ASIC设计标准单元，出现了已涵盖大规模电子系统及IP核模块，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 SoC。,2.名词解释（1）I
11、C是英文Integrated Circuit的缩写，就是集成电路的意思。是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把实现一定功能的电路，所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。,二、 或运算,(2) ASIC（Application Specific ntergrated Circuits）：即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。,(3) FPGA现场可编程门阵列和CPLD复杂可编程逻辑器件：它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础
12、上进一步发展的产物。它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。是目前较为流行的一种EDA设计技术。,三、 非运算,(4) IP核：是具有知识产权的集成电路设计技术，是指那些己经过验证的、可重利用的、具有某种确定功能的集成电路设计模块。分为软IP (soft IP core )、固IP (firm IP core)和硬IP (hard IP core )。软IP：是用某种高级语言（C或硬件描述语言HDL等）来描述功能块的行为，但是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。,固IP核：除了完成软IP所有的设计外，还完成了门电路
13、级综合和时序仿真等设计环节，一般以门电路级网表形式提交用户使用。硬IP核：则是完成了综合的功能块，已有固定的拓扑布局布线和具体工艺，并己经经过工艺验证，具有可靠性能的集成电路版图设计。,（5） SoC： ( System on Chip) 简称SoC，是高效低成本设计技术逐步成熟，系统级、行为级验证硬件描述语言不断出现（如System C 和 System Verilog等)，使得复杂数字系统的设计验证得以简化。（6） SoPC：可以在CPLD/FPGA上实现可编程片上系统，简称为SoPC（System on a Programmable Chip），即在可编程芯片上实现一个具有特定功能的电路
14、系统。,3 EDA技术的特点,（1）用软件的方式设计硬件； （2）用EDA软件，可自动完成硬件系统设计； （3）设计过程中可根据需要完成各种仿真； （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。,4.EDA技术的范畴,集成电路IC 版图设计,PLD 设计,电路系统设计或集成电路IC设计,电路PCB板系统设计,模拟电路,数字电路,混合电路,设计输入,逻辑综合,仿真,编程下载,本课程内容！,集成电路版图设计,电子产品系统设计,12 常用EDA软件介绍,122 EDA软件按功能分类,可以完成从设计输入（原理图或HDL）仿真综合布线下载到器件等，包括所有
15、PLD开发流程的所有工作。,1.集成的PLD/FPGA开发软件,121. EDA软件,EDA软件的分类： 根据其服务的对象分类 按设计模块分来分类 按公司类别进行分类 按功能进行分类,目前业内较著名，具有良好的标准化和兼容性如Altera公司的Maxplus、Quartus，Xilinx公司的ISE，Lattice公司的ISP Design Expert 等。,2.综合类软件,目前各种综合软件琳琅满目，但被大多数设计工程师认可、占有一定份额的主要是由几大EDA公司：Cadence、Synopsys、Synplicity和Mentor等所开发的综合软件。,对设计输入进行逻辑分析、综合和优化，将硬
16、件描述语句HDL（通常是系统级的寄存器级的描述语句）翻译成最基本的与、或、非门的连接关系（网表），导出给CPLD/FPGA厂家的软件进行布局和布线。,为了优化设计，在进行较复杂的设计时，基本上都使用这些专业的逻辑综合软件，而不采用厂家提供的集成PLD/FPGA开发工具。如采用Synplicity公司的Synplify、Synopsys公司的FPGA express、FPGA Compiler 等。,Synplify Pro是Synplicity公司推出FPGA综合软件，是针对复杂可编程逻辑设计的FPGA综合工具，目标是提供高性能的逻辑综合技术，来满高效可编程逻辑器件CPLD/FPGA设计的需求
17、。,仿真软件除了PLD/FPGA开发工具集成软件，以外，对于复杂的系统设计仿真软件有：Model Technology公司的Modelsim，Cadence公司的NC-Verilog/NC-VHDL/NC-SIM等。,“功能仿真”也叫“前仿真”）这类软件的功能是对设计算法和功能进行模拟仿真；“时序仿真” ，也叫“后仿真”；后端的门延时、布线延时等的仿真。,3.仿真类软件,4.面向ASIC的设计的软件,面向专用集成电路ASIC的设计EDA软件，包括数字电路设计、模拟电路设计、数模混合设计、系统设计、仿真验证等电子设计的许多领域。这些软件对硬件环境要求高，一般的运行平台要求是工作站和Unix操作系
18、统或者是Linux操作系统，其功能齐全、性能优良，一般由专门开发EDA软件工具的软件公司提供，如Cadence、Mentor Graphics和Synopsys等EDA软件公司都有其特色工具。,1具有混合信号处理能力,2具有高效的仿真功能,1.3 EDA工程的设计流程,3理想的逻辑综合和优化功能,123 EDA软件的发展趋势,1.3.2 数字IC EDA设计流程 1.3.3 模拟 IC EDA设计流程 1.3.4 可编程逻辑器件EDA设计流程,1.3.1 EDA设计流程,1.3.1 EDA设计流程,一般的EDA的工程设计流程，有以下六部分组成：,1源程序的编辑、编译和输入,（1）原理图输入方式
19、,（2）状态图输入方式,2逻辑综合和优化,3逻辑适配（可编程逻辑器件和ASIC）,4目标器件的编程/下载；,5设计过程中的相关仿真；,（3）HDL代码的文本方式,6硬件仿真/硬件测试,1自顶向下的设计方法 这种设计的主要特点是：（1）对设计的描述从上到下逐步由粗略到详细，符合常规的逻辑思维习惯。 （2）适合多个设计者同时进行设计。随着技术的不断进步，许多系统的设计由一个设计者已无法完成，由多个设计者分工协作完成一项设计的情况越来越多。,1.4 EDA工程的设计方法,2 、 画逻辑图,2系统的可测试性设计,EDA系统设计中，应该同时考虑功能检查和性能的测试，即系统可测性的问题。一些有经验的设计者会自觉地在设计系统的同时加入设计观测电路，即观测器，显示系统内部的工作状态。,3最优化设计,EDA技术系统设计中，由于可编程逻辑器件的逻辑资源、连接资源和I/O资源有限，器件的速度和性能也是有限的，用器件设计系统的过程相当于求最优解的过程，因此，需要给定两个约束条件：边界条件和最优化目标，以实现最优化设计。,1.3.2 数字IC EDA 设计流程,图1数字IC设计,图2模拟IC设计,1.3.2 模拟IC EDA 设计流程,图3 可编程逻辑器件EDA工程设计流程,1.3.4 可编程逻辑器件EDA设计流程,
