电子设计自动化EDA

1.1引言1.2EDA技术发展1.3EDA系统构成1.4EDA发展趋势1.5常用EDA工具第1章电子设计自动化综述1.1引言•电子设计自动化：简称EDA（ElectronicDesignAutomation）•从理论角度：EDA技术是以计算机和微电子技术为先导，汇集了数据库、计算机图形学、图论与拓扑逻辑、计算数学、优化理论以及微电子工艺与结构学等多种学科最新成果的先进技术。•从技术应用角度：EDA技术是以大规模集成电路为设计载体，以硬件描述语言为描述系统的主要表达方式，以计算机为设计环境，利用软件开发工具自动完成设计系统的编译、化简、综合、仿真、布局布线、优化，直至完成对特定芯片的适配、映射、编程下载，最终将设计系统集成到特定的芯片中，完成专用集成电路芯片的设计。1.2EDA技术发展•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：–计算机辅助设计CAD（CAD：ComputerAssistDesign）–计算机辅助工程设计CAE（CAE:ComputerAssistEngineeringDesign）–电子系统设计自动化ESDA（ESDA:ElectronicSystemDesignAutomation）90年代后期，设计师逐步从使用硬件转向设计硬件，从电路级电子产品开发转向系统级芯片开发（即片上系统集成SOC：Systemonchip），后来发展的电子系统设计自动化ESDA（ElectronicSystemDesignAutomation）工具则以系统级设计为核心，包括系统行为级描述与结构级综合，系统仿真与测试验证，系统划分与指标分配，系统决策与文件生成等一整套设计工具。1.3EDA系统构成•EDA技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计；涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此EDA技术研究的范畴相当广泛。如果从PLD开发与应用角度看，EDA系统应当包含以下子模块：–设计输入子模块–设计数据库子模块–分析验证子模块–综合仿真子模块–布局布线子模块等1.设计输入模块：接受用户的设计描述，并进行语义正确性、语法规则的检查，检查通过后，将用户的设计描述转换为EDA软件系统的内部数据格式，存入设计数据库备其它模块调用。该模块一般包含针对不同描述方式的编辑器，如图形编辑器、文本编辑器等，同时包含对应的分析器。2.设计数据库模块：存放系统提供的库单元以及用户的设计描述和中间设计结果。3.分析验证模块：包括各个层次的模拟验证、设计规则的检查、故障诊断等。4.综合仿真模块：包括各个层次的综合工具，理想的情况是：从高层次到低层次的综合仿真全部由EDA工具自动完成。5.布局布线模块：实现由逻辑设计到物理实现的映射，因此该模块与物理实现的方式密切相关。例如，最终的物理实现可以是门阵列、可编程逻辑器件等，由于对应的器件不同，因此各自的布局布线工具会有很大的差异。•全球提供EDA软件工具的厂商有近百家之多，可以分为两大类–一类是EDA专业软件公司开发的EDA软件工具；–另一类是半导体器件厂商，为了销售公司的产品开发的EDA软件工具。1.4EDA发展趋势1.输入工具的发展早期的原理图输入方式80年代末，各种硬件描述语言描述为主的设计方式90年代EDA公司相继推出一批图形化免编程的设计输入工具,更加直观且人性化。2.具有混合信号处理能力数字电路设计的EDA工具90年代以来数/模混合信号设计工具的开发。–对数字信号的语言描述IEEE已经制定了VHDL标准–对模拟信号的语言描述正在制定AHDL标准–提出了对微波信号的MHDL描述语言。3.更为有效的仿真工具•仿真的两个阶段–设计前期的系统级仿真：主要验证系统的功能；–设计过程中的电路级仿真：主要验证系统的性能，决定怎样实现设计所需的精度。在整个电子设计过程中仿真是花费时间最多的工作，也是占用EDA工具资源最多的一个环节。提高仿真的有效性一方面是建立合理的仿真算法，另一方面是系统级仿真中系统级模型的建模，电路级仿真中电路级模型的建模。预计在下一代EDA工具中，仿真工具将有一个较大的发展。4.更为理想的综合工具•设计综合工具的目的：将设计者的精力从繁琐的版图设计和分析中转移到设计前期的算法开发和功能验证上。•设计综合工具由最初的只能实现逻辑综合，逐步发展到可以实现设计前端的综合直至设计后端的版图综合以及测试综合的理想且系统的综合工具。–设计前端的综合工具也称高层次综合工具，可以实现从算法级的行为描述到寄存器传输级结构描述的转换，给出满足约束条件的硬件结构。逻辑综合的结果将作为版图综合的输入数据，进行版图综合。–版图综合则是将门级和电路级的结构描述转换成物理版图的描述，版图综合实现最佳的版图设计。–测试综合贯穿在设计过程的始终。测试综合时可以消除设计中的冗余逻辑、诊断不可测的逻辑结构、自动插入可测性结构、生成测试向量，缩短设计周期，减少测试费用。5.IP复用•IP（IntellectualProperty）的含义是指知识产权、著作权等，在电子设计领域IP核指的是完成某种功能的虚拟电路模块，一般将IP核分为软核和硬核。–软核指的是以硬件描述语言进行描述的设计模块，允许用户调用、或者重新定义关键性能参数的IP核。–硬核指的是以版图形式描述的设计模块，由于硬核基于一定的设计工艺，设计者不能再对其进行改动。•标准：–虚拟插座接口协会VSIA（VirtualSocketInterfaceAssociation），制定的关于IP产品的标准与规范。–虚拟元件交易所VCX，以加强IP信息的交流。6.片上系统•片上系统SOC（SystemOnChip）集成指的是把一个完整的系统集成在一个芯片上。由于微电子技术的进步，已经为SOC设计实现提供了硬件基础；而EDA软件技术的发展，则为SOC设计创造了必要的开发平台。•目前，使用PLD芯片完成SOC设计已经成为现实。如Altera公司推出的Excalibur系列器件就是嵌入了硬核RISC微处理器的PLD器件。Xilinx公司最新推出的Virtex系列产品可以完成SOC设计。Xilinx公司还提供了大量的软IP核，有PCI、存储器、通信模块和图像处理等，Virtex系列产品支持这些软IP核的应用，为SOC设计提供了可能。1.5常用EDA工具1.MAX+plusII•MAX+plusII是MultipleArrayMatrixandProgrammableLogicUseSystem的缩写，是Altera公司的PLD软件开发工具。可以运行在多种操作平台上，提供一种与器件结构无关的设计环境，设计人员使用开发工具进行设计，通过设计软件提供的多种输入方式，编译、仿真和综合，最终将设计方案转化为PLD器件所需要的文件格式。MAX+plusII支持Altera公司的部分PLD系列器件的编程，如：Classic系列、MAX系列、FLEX系列和ACEX1K系列等。1.5.1Altera公司的EDA工具2.QuartusII•Altera公司最新推出的QuartusII设计软件–支持APEX系列、Cyclone系列、Stratix系列和Excalibur系列等新型系列器件的开发。–含有工作组计算、集成逻辑分析仪、EDA工具集成、多过程支持、增强重编译和IP集成等特性。–加强了网络功能。–支持高速I/O设计。1.5.2Xilinx公司的EDA工具ISE简介•ISE（IntegratedSystemConfiguration）是集成系统环境的简称，是Xilinx公司提供的一套完整的软件工具集，利用ISE可以完成FPGA/CPLD开发过程中的全部操作。•Xilinx公司提供的集成系统环境ISE，从设计输入、仿真、编译、综合、布局布线直至下载都在ISE集成环境下完成。最新版本:ISE6.x。•ISE工具分为输入工具、仿真工具、综合工具、实现工具和辅助工具等几大类。1.5.3Lattice公司的EDA工具Lattice公司已经推出了第四代ispLSI器件的开发软件ispDesignEXPERT。在推出ispDesignEXPERT开发软件之前，先后有pDS开发软件、ispSynarioSystem开发软件和ispEXPERTSystem开发软件，这些开发软件均可对Lattice公司的所有ispLSI器件进行设计文件的输入、编译、仿真、下载。第2章MAX+plusII软件及应用2.1MAX+plusII软件概述2.2MAX+plusII使用流程2.3图形文件输入2.4文本文件输入2.5层次化设计2.6参数化模块库的使用2.7软件使用中常见错误及其排除•MAX+plusII分为商业版、基本版和学生版。•Altera公司推荐pc系统的使用配置：–奔腾系列计算机、WindowsNT4.0、Windows98\2000\XP、有效内存，参考表2.1、与MicrosoftWindows兼容的图形卡和17英寸彩色显示、CD-ROM驱动器、并口和RS232串口。器件系列最小有效内存（Mbytes）最小物理内存（Mbytes）ACEX1K256128FLEX10K256128FLEX60006432FLEX80006432MAX90006432MAX70004816表2.1MAX+plusII软件运行的内存要求使用MAX+plusII软件进行可编程逻辑器件的设计开发过程主要有四个阶段：1.设计输入：原理图设计输入、硬件描述语言设计输入、波形图设计输入、底层设计输入、层次设计输入2.设计处理3.设计校验：包括仿真分析、定时分析4.器件编程2.1.1MAX+plusII简介设置license：双击MAX+plusII图标，进入MAX+plusII项目管理器界面。选择Options/LicenseSetup命令，则出现LicenseSetup对话框，单击Browse按钮，在弹出的LicenseFile对话框中选择license.dat文件。如果授权许可文件正确，将看到LicenseSetup对话框右侧栏目UnlicensedFeature的功能全部被移到左侧LicensedFeature栏目下，单击OK，则软件提供的所有功能可以使用。2.1.2MAX+plusII安装2.2MAX+plusII使用流程目的：为方便设计模块的管理。项目下的设计文件格式可以是原理图、文本文件、波形图、符号以及底层输入等不同形式。1.建立设计项目在MAX+plusII项目管理器File菜单下选中Project/Name，出现对话框，在项目命名对话框里，选择正确的驱动器、路径，输入设计项目名，按OK，MAX+plusII标题栏将会显示新建立的项目名称。2.2.1建立项目2.输入设计文件在MAX+plusII的项目管理器File菜单下选中New，出现新建文件对话框。根据设计文件需要选择对应的格式。在接着打开的编辑窗口输入设计文件，由于文件格式不同，打开的编辑窗口也有所不同。1.编译器在MAX+plusII菜单中选择Compiler项，出现编译窗口。2.2.2设计处理编译网表提取数据库建立逻辑综合逻辑划分分配定时模拟网表装配选择Start按钮，编译过程中如果出错，其错误及警告等信息将会显示在自动打开的Message-Compiler窗口，可以定位错误。修改错误，再次运行编译，直至纠正全部错误。编译结束，编译器将会产生相应的输出文件，输出文件的图标出现在对应模块框的下方，有*.rpt、*.snf和*.pof文件等。双击文件图标，可以打开输出文件。3.执行编译2.2.3设计检验•检验过程分：–仿真分析：需要输入激励信号，重点检查逻辑功能是否符合设计要求。–定时分析：重点检查设计的内部定时及器件的最高工作频率是否符合设计要求。1.仿真分析•步骤：打开波形图编辑窗口，建立波形图文件，接着在波形图中调入输入、输出引脚和中间节点，输入激励信号，进行仿真分析。•原理：根据编译产生的*.SNF文件中包含的逻辑信息和时间信息，读取输入