第一讲 EDA设计导论.pptx

1、第一章 EDA设计导论-主要内容,现代电子设计概述。现代电子产品的例子，特点，开发工具。现代EDA技术SOPC技术简介。SOPC技术的概念、优点、开发工具。EDA技术综述；EDA技术发展历史、EDA技术涵义、EDA技术主要内容；,第一章 EDA设计导论-主要内容,PLD设计方法学；在PLD设计方法学部分，介绍了PLD设计概论、PLD设计流程；HDL硬件描述语言介绍了HDL硬件描述语言概念、HDL语言特点和比较。,2,第一章 EDA设计导论-现代电子设计概述,现代电子设计的特点：集成化、低功耗、数字化、计算机辅助设计。 现代电子设计主要工具：ASIC（模拟，数字，射频），CadenceMCU 8

2、051DSP TIARM 硬核FPGA Altera ,Xilinx,3,第一章 EDA设计导论- SOPC技术简介,SOC System on a chip SOPC：System-on-a-Programmable-Chip，即可编程片上系统。 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。,4,第一章 EDA设计导论- SOPC技术简介,SOPC技术主要应用以下三个

3、方向1）基于FPGA嵌入IP硬核的应用。这种SOPC系统是指在FPGA中预先植入处理器。这使得FPGA灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起，高效地实现SOPC系统。 2）基于FPGA嵌入IP软核的应 用。这种SOPC系统是指在 FPGA中植入软核处理器，如：NIOS II核等。用户可以根据设计的要求，利用相应的EDA工具，对NIOS II及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。 3）基于HardCopy技术的应用。这种SOPC系统是指将成功实现于FPGA器件上的SOPC系统通过特定的技术直接向ASIC转化。把大容量FP

4、GA的灵活性和ASIC的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成本敏感的电子产品，避开了直接设计ASIC的困难。,5,第一章 EDA设计导论- SOPC技术简介,SOPC的前景： SOPC是PLD和ASIC技术融合的结果，目前0.13微米的ASIC产品制造价格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑的SOPC芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。SOPC被称为“半导体产业的未来”,6,第一章 EDA设计导论- EDA技术综述,EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了三个发展阶段：1、计算机辅助设计(CAD)2、计算机辅助工程

5、设计(CAE)3、电子设计自动化(EDA),第一章 EDA设计导论- EDA技术综述,1、计算机辅助设计(CAD)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。在此阶段，人们开始将产品设计过程中高度重复性 的繁杂劳动，如布图布线工作，用二维图形编辑与分析 的CAD工具替代，最具代表性的产品就是美国ACCEL公 司开发的Tango布线软件。20世纪70年代，是EDA技术发展初期，由于PCB布 图布线工具受到计算机工作平台的制约，其支持的设计 工作有限且性能比较差。,2、计算机辅助工程（CAE） 随着微电子工艺的发展，相继出现了集成上万

6、只晶 体管的微处理器、集成几十万直到上百万储存单元的随机 存储器和只读存储器。此外，支持定制单元电路设计的硅编辑、掩膜编程 的门阵列，如标准单元的半定制设计方法以及可编程逻辑 器件(PAL和GAL)等一系列微结构和微电子学的研究成果 都为电子系统的设计提供了新天地。因此，可以用少数几种通用的标准芯片实现电子系统 的设计。,第一章 EDA设计导论- EDA技术综述,第一章 EDA设计导论- EDA技术综述,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。到了20世纪80年代后期，EDA工具已经可以进行设计描

7、述、综合与优化和设计结果验证，CAE阶段的EDA工具不仅为成功开发电子产品创造了有利条件，而且为高级设计人员的创造性劳动提供了方便。但是，大部分从原理图出发的EDA工具仍然不能适应复杂电子系统的设计要求，而具体化的元件图形制约着优化设计。,第一章 EDA设计导论- EDA技术综述,3、电子系统设计自动化阶段微电子技术的发展，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，设计者通过设计芯片实现电子系统功能。EDA工具的 发展，又为设计师提供了全线EDA工具。这个阶段发展起来的EDA工具，目的是在设计前期 将设计师从事的许多高层次设计由工具来完成。由于电子

8、技术和EDA工具的发展，设计师可以在不太长的时间内使 用EDA工具，通过一些简单标准化的设计过程，利用微电 子厂家提供的设计库来完成数万门ASIC和集成系统的设 计与验证。,第一章 EDA设计导论- EDA技术综述,硬件描述语言HDL的出现是这个阶段最重要的成果， 由于HDL语言的出现使得EDA设计进入到抽象描述的设计 层次。 21世纪开始，随着微电子技术的进一步发展，EDA设 计进入了更高的阶段，即片上系统设计（SOPC，System On Programmable Chip）阶段，在这个阶段，可编程逻辑 器件内集成了数字信号处理器的内核、微处理器的内核 等，使得可编程逻辑器件不再只是完成复

9、杂的逻辑功能， 而是具有了强大的信号处理和控制功能。SOPC技术的进 一步发展必将给电子系统的设计带来一场深刻的变革。,第一章 EDA设计导论- EDA技术涵义,EDA技术包括狭义EDA技术和广义EDA技术。狭义EDA技术，就是指以大规模可编程逻辑器件为设 计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方 式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验 开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用 软件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，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程 下载等工作，最终形成集成电子系统

10、或专用集成芯片的一 门新技术，或称为IES/ASIC自动设计技术。,第一章 EDA设计导论- EDA技术涵义,广义EDA技术，是通过计算机及其电子系统的辅助分 析和设计软件，完成电子系统某一部分的设计过程。因 此，广义EDA技术除了包含狭义的EDA技术外，还包括计 算机辅助分析CAA技术(如PSPICE，EWB，MATLAB 等)，印刷电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(如 PROTEL，ORCAD等)和其它高频和射频设计和分析的工 具等。,第一章 EDA设计导论- EDA技术涵义,EDA技术的共同特点：1、通过使用相应的电路分析和设计软件，完成电子系 统某部分的设计；2、在电子系统设计中

11、所使用的EDA软件基本都符合自 顶向下的设计流程的理念；3、使用EDA软件设计电子系统，都需要分工设计，团 体协作；4、使用EDA软件设计电子系统，提高了设计的效率， 缩短了设计周期；5、使用EDA软件设计电子系统，采用了模块化和层次 化的设计方法； 6、大多数EDA软件都具有仿真和模拟功能；,第一章 EDA设计导论- EDA技术内容,基于狭义EDA技术进行可编程逻辑器件的设计应掌 握以下几个方面的内容：、大规模可编程逻辑器件（PLD），PLD是利用EDA 技术进行电子系统设计的载体；、硬件描述语言（HDL），HDL语言是利用EDA技术 进行电子系统设计的主要表达手段；、EDA设计软件(EDA

12、S,)，EDA设计软件是利用EDA 技术进行电子系统设计的自动化设计工具；、相关的硬件平台，硬件平台是利用EDA技术进行电 子系统设计的下载工具及硬件验证工具；,第一章 EDA设计导论- EDA技术内容,、大规模可编程逻辑器件（PLD）现在所说的PLD器件一般包含现场可编程门阵列 （FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。由于PLD的集成规模非常大，因此可利用先进的EDA 工具进行电子系统设计和产品开发。由于开发工具的通用 性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用器件的硬 件结构无关，因而设计开发成功的各类逻辑功能块软件有 很好的兼容性和可移植性。与ASIC设计相比，PLD显著的优势是开

13、发周期短、投资 风险小、产品上市速度快、市场适应能力强和硬件升级回 旋余地大，而且当产品定型和产量扩大后，可将在生产中 达到充分检验的VHDL设计迅速实现ASIC投产。,第一章 EDA设计导论- EDA技术内容,2、硬件描述语言常用硬件描述语言有VHDL、Verilog和ABEL语言。 VHDL起源于美国国防部的VHSIC，Verilog起源于集成电 路的设计，ABEL则来源于可编程逻辑器件的设计。下面从使用方面对这三种语言进行简要的对比：(1)逻辑描述层次：一般的硬件描述语言可以在三个层 次上进行电路描述，其层次由高到低依次可分为行为级、 RTL级和门电路级。VHDL语言是一种高级描述语言，

14、适 用于行为级和RTL级的描述，最适于描述电路的行为； Verilog语言和ABEL语言是一种较低级的描述语言，适用 于RTL级和门电路级的描述，最适于描述门级电路。,第一章 EDA设计导论- EDA技术内容,(2)设计要求：VHDL进行电子系统设计时可以不了解 电路的结构细节，设计者所做的工作较少；Verilog和 ABEL语言进行电子系统设计时需了解电路的结构细节， 设计者需做大量的工作。(3)综合过程：任何一种语言源程序，最终都要转换 成门电路级才能被布线器或适配器所接受。因此，VHDL 语言源程序的综合通常要经过行为级RTL级门电路级 的转化，VHDL几乎不能直接控制门电路的生成。而

15、Verilog语言和ABEL语言源程序的综合过程要稍简单，即 经过RTL级门电路级的转化，易于控制电路资源。,第一章 EDA设计导论- EDA技术内容,(4)对综合器的要求：VHDL描述语言层次较高，不易 控制底层电路，因而对综合器的性能要求较高，Verilog和 ABEL对综合器的性能要求较低。,第一章 EDA设计导论- EDA技术内容,(5)支持的EDA工具：支持VHDL和Verilog的EDA工具 很多，但支持ABEL的综合器仅仅Dataio一家。(6)国际化程度：VHDL和Verilog已成为IEEE标准，而 ABEL正朝国际化标准努力。在新世纪中，VHDL与 Verilog语言将承担

16、几乎全部的数字系统设计任务。,第一章 EDA设计导论- EDA技术内容,3、软件开发工具基于高复杂度PLD器件的开发，在很大程度上要依靠 EDA软件完成。PLD的EDA工具以计算机软件为主，将典 型的单元电路封装起来形成固定模块并形成标准的硬件开 发语言（如HDL语言）供设计人员使用。PLD开发软件需 要自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局 布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载 等工作。典型的EDA工具中必须包含两个特殊的软件包， 即综合器和适配器。,第一章 EDA设计导论- EDA技术内容,综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成的针对 某个系统项目的HDL、原理

17、图或状态图形描述，针对给定 的硬件系统组件，进行编译、优化、转换和综合。 本课程主要是基于Altera的MAXPLUS II 10.1 EDA软件工具,第一章 EDA设计导论- EDA技术内容,、硬件开发平台硬件开发平台提供芯片下载电路及EDA实验/开发的 外围资源，以供硬件验证用。硬件开发平台一般包括：）实验或开发所需的各类基本信号发生模块，包括 时钟、脉冲、高低电平等；）PLD输出信息显示模块，包括数码显示、发光管 显示、声响指示等；）监控程序模块，提供“电路重构软配置”；）目标芯片适配座以及上面的FPGA/CPLD目标芯 片和编程下载电路。,第一章 EDA设计导论- PLD设计方法,设计

18、已经从传统的自下而上 的方法，转变成自上而下的设 计方法。传统上的设计方法是自下而 上的设计方法，是以固定功能 元件为基础，基于电路板的设计方法。,第一章 EDA设计导论- PLD设计方法,这种设计方法有下面的缺点：设计依赖于设计人员的经验。 设计依赖于现有的通用元器件。 设计后期的仿真不易实现，并且调试复杂。 设计实现周期长，灵活性差，耗时耗力，效率低下。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,1、设计目标 在系统设计之前，首先要进行的是方案论证、系统设 计和FPGA芯片选择等准备工作。系统工程师根据任务要 求，如系统的指标和复杂度，对工作速度和

19、芯片本身的各 种资源、成本等方面进行权衡，选择合理的设计方案和合 适的器件类型。一般都采用自顶向下的设计方法，把系统 分成若干个基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一 层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接使用 EDA元件库为止。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,2、设计输入 设计输入是将所设计的系统或电路以开发软件要求的某 种形式表示出来，并输入EDA工具的过程。常用的方法有 硬件描述语言（HDL）和原理图输入方法等。原理图输入方式是一种最直接的描述方式，在可编程 芯片发展的早期应用比较广泛，它将所需的器件从元件库 中调出来，画出原理图。这种方法虽然直观并易于仿真， 但效率

20、很低，且不易维护。更主要的缺点是可移植性差。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,目前，在实际开发中应用最广的就是HDL语言输入 法，利用文本描述设计，主要使用行为HDL，其主流语言 是Verilog HDL和VHDL。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,3、功能仿真 功能仿真，也称为前仿真，是在编译之前对用户所 设计的电路进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延迟信 息，仅对初步的功能进行检测。仿真前，要先利用波形编 辑器和HDL等建立波形文件和测试向量（即将所关心的输 入信号组合成序列），仿真结果将会生成报告文件和输出 信号波形，从中便可以观察各个节点信号的变化。如果发 现错误，则

21、返回设计修改逻辑设计。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,常用的工具有Model Tech公司的ModelSim、 Sysnopsys公司的VCS和Cadence公司的NC-Verilog, 以及 NC-VHDL等软件。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,4、综合优化 所谓综合就是将较高级抽象层次的描述转化成较低层 次的描述。综合优化根据目标与要求优化所生成的逻辑连 接，使层次设计平面化，供FPGA布局布线软件进行实 现。综合优化（Synthesis）是指将设计输入编译成由与门、 或门、非门、RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑 连接网表，而并非真实的门级电路。真实具体的门级

22、电路 需要利用FPGA制造商的布局布线功能，根据综合后生成 的标准门级结构网表来产生。由于门级结构、RTL级的 HDL程序的综合是很成熟的技术，所有的综合器都可以支 持到这一级别的综合。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,常用的综合工具有Synplicity公司Synplify/Synplify Pro 软件以及各个FPGA厂家自己推出的综合开发工具。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,5、综合后仿真 综合后仿真检查综合结果是否和原设计一致。在仿真 时，把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中 去，可估计门延时带来的影响。但这一步骤不能估计线延 时，因此和布线后的实际情况

23、还有一定的差距，并不十分 准确。目前的综合工具较为成熟，对于一般的设计可以省 略这一步，但如果在布局布线后发现电路结构和设计意图 不符，则需要回溯到综合后仿真来确认问题之所在。在功 能仿真中介绍的软件工具一般都支持综合后仿真。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,6、实现与布局布线 实现是将综合生成的逻辑网表配置到具体的FPGA芯 片上，布局布线是其中最重要的过程。布局将逻辑网表中 的硬件原语和底层单元合理地配置到芯片内部的固有硬件 结构上，并且往往需要在速度最优和面积最优之间作出选 择。布线根据布局的拓扑结构，利用芯片内部的各种连线 资源，合理正确地连接各个元件。布线结束后，软件工具

24、会自动生成报告，提供有关设计中各部分资源的使用情 况。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,由于只有FPGA芯片生产商对芯片结构最为了解，所以 布局布线必须选择芯片开发商提供的工具。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,7、时序仿真 时序仿真，也称为后仿真，是指将布局布线的延时 信息反标注到设计网表中来检测有无时序违规（即不满足 时序约束条件或器件固有的时序规则，如建立时间、保持 时间等）现象。时序仿真包含的延迟信息最全，也最精 确，能较好地反映芯片的实际工作情况。由于不同芯片的 内部延时不一样，不同的布局布线方案也给延时带来不同 的影响。因此在布局布线后，通过对系统和各个模块进行

25、 时序仿真，分析其时序关系，估计系统性能，以及检查和 消除竞争冒险是非常有必要的。在功能仿真中介绍的软件 工具一般都支持综合后仿真。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,8、板级仿真与验证 板级仿真主要应用于高速电路设计中，对高速系统的信 号完整性、电磁干扰等特征进行分析，一般都以第三方工 具进行仿真和验证。,第一章 EDA设计导论- PLD设计流程,9、芯片编程与调试 设计的最后一步就是芯片编程与调试。芯片编程是指 产生使用的数据文件，然后将编程数据下载到FPGA芯片 中。目前，主流的FPGA芯片生产商都提供了内嵌的在线逻辑分析仪来解决上述矛盾，它们只需要占用芯片少量的逻辑资源，具有很

26、高的实用价值。,第一章 EDA设计导论- HDL硬件描述语言,硬件描述语言（Hardware Description Language）是硬 件设计人员和电子设计自动化（EDA）工具之间的界面， 其主要目的是用来编写设计文件，建立电子系统行为级的 仿真模型。即利用计算机的巨大能力对Verilog HDL或 VHDL建模的复杂数字逻辑进行仿真，然后再自动综合， 生成符合要求且在电路结构上可以实现的数字逻辑网表 （Netlist），根据网表和某种工艺的器件自动生成具体电 路，最后生成该工艺条件下这种具体电路的时延模型。仿 真验证无误后，该模型可用于制造ASIC芯片或写入CPLD 和FPGA器件中。

27、,第一章 EDA设计导论- HDL硬件描述语言,在HDL语言出现之前，已有了许多程序设计语言，如汇 编、C、Pascal、Fortran、Prolog等。它们适合于描述过程 和算法，不适合作硬件描述。在使用EDA工具进行电子系 统设计时，就需要一种硬件描述语言来作为EDA 工具的工作语言。因此，众多的EDA工具软件开发者相继 推出了自己的HDL语言。,第一章 EDA设计导论- HDL硬件描述语言,在HDL语言的发展过程中，美国国防部起了非常重要 的作用。美国国防部电子系统项目有众多的承包公司他们 使用各自的HDL语言，造成了信息交换困难和维护困难。 美国政府为了降低开发费用，避免重复设计，国防

28、部为他 们的超高速集成电路提供了一种硬件描述语言，以期望 VHDL功能强大、严格、可读性好。政府要求各公司的合 同都用它来描述，以避免产生歧义。,第一章 EDA设计导论- HDL语言特点和比较,HDL语言的特点主要体现在以下几个方面：1、HDL语言既包含一些高层程序设计语言的结构形 式，同时也兼顾描述硬件线路连接的具体构件。、HDL语言是并发的，即具有在同一时刻执行多任务 的能力。一般来讲编程语言是非并行的，但在实际硬件中 许多操作都是在同一时刻发生的，所以HDL语言具有并发 的特征。、HDL语言有时序的概念。一般来讲，编程语言是没 有时序概念的，但在硬件电路中从输入到输出总是有延迟 存在的，

29、为描述这些特征，HDL语言需要建立时序的概 念。因此，使用HDL除了可以描述硬件电路的功能外，还 可以描述其时序要求。,第一章 EDA设计导论- HDL语言特点和比较,、通过使用结构级或行为级描述可以在不同的抽象 层次描述设计，HDL语言采用自顶向下的数字电路设计方 法，主要包括3个领域5个抽象层次，如表1.1所示,第一章 EDA设计导论- HDL语言特点和比较,第一章 EDA设计导论- Verilog和VHDL比较,总的来说，它们有一下几点不同：、从推出的过程来看，VHDL偏重于标准化的考虑， 而Verilog HDL则和EDA工具结合得更为紧密。VHDL是 为了实现美国国防部VHSIC计划

30、所推出的各个电子部件供 应商具有统一数据交换格式标准的要求。相比之下， Verilog HDL的商业气息更浓，它是在全球最大的EDA/ESDA供应商Cadence公司的支持下针对EDA工具专门开发的硬件描述语言。、Verilog HDL至今已有20多年的历史了，因此 Verilog HDL拥有广泛的设计群体，成熟的资源远比VHDL 丰富。同时Verilog HDL是从高级设计语言C语言发展而来 的，相比VHDL而言更容易上手，其编码风格也更为简洁 明了，是一种非常容易掌握的硬件描述语言。,第一章 EDA设计导论- Verilog和VHDL比较,、目前版本的Verilog HDL和VHDL在行为级抽象 建模的覆盖范围方面也有所不同。一般认为Verilog HDL 在系统抽象方面比VHDL要强一些，Verilog HDL比较适合 算法级（Algorithm）、寄存器传输级（RTL）、逻辑级 （Logic）以及门级（Gate）的设计，而VHDL更适合特大 型系统级（System）的设计。,