组合电路的自动化设计与分析

第5章组合电路的自动化设计与分析2主要参考书目1.EDA技术实用教程（第4版）VerilogHDL，潘明，清华大学2.FPGA系统设计与实践黄智伟等电子工业出版社关于可编程逻辑器件技术的几个常用网址1.www.pld.com.cn介绍CPLD/FPGA技术2．www.altera.com.cn介绍Altera公司的产品和软件等3.bbs.eetzone.comQuartus论坛4.www.51eda.com中国EDA技术网5.1手工数字技术存在的问题•设计方法的选择使用EDA工具设计集成电路手工数字技术存在的问题一.传统的数字系统设计技术基于SSI、MSI、LSI、VLSI集成电路的设计。系统方案器件选择画电路图布线制版系统调试定型生产修改纯硬件逻辑设计（试凑法）手工数字技术存在的问题1.低速。2.设计规模小。3.分析技术无法适应需要。4.设计效率低成本高。5.可靠性低。6.体积大功耗大。7.功能有限。8.无法实现功能升级。9.知识产权不易保护。问题◆现代的设计方法：硬件设计+软件设计从上至下的设计方法出现HardwareDescriptionLanguage,HDL二.现代的数字系统设计技术基于EDA技术及大规模可编程逻辑器件的系统设计。工程师利用EDA工具完成的数字系统设计，最终要下载到PLD内部完成布局布线才能实现真正的功能。大规模可编程逻辑器件（PLD——ProgrammableLogicDevice）的出现，引起了数字系统设计领域的革命性变革。PLD已成为现代数字系统的物理载体，设计师在实验室就可以设计出芯片系统，并立即投入实际应用。1.PLD已成为现代数字系统的物理载体PLD是厂家作为一种通用性器件生产的半定制电路。其特点是：（1）用户通过对器件的编程实现所需要的逻辑功能；（2）PLD是一种用户可配置的逻辑器件；（3）成本低、使用灵活、设计周期短、可靠性高、风险小。简单低密度PLDPLA复杂高密度PLDPALPROMGALEPLDCPLDFPGAPLD现场可编程门阵列2.EDA技术日趋完善现代EDA技术的主要特征是：●引入硬件描述语言；●支持高层次的抽象设计；●具有逻辑综合、行为综合、系统综合能力。EDA技术：EDA—ElectronicDesignAutomation是电子设计自动化的英文缩写。它以功能强大的计算机为工具，在EDA工具软件平台上，根据设计者描述的源文件（原理图、硬件描述语言、波形图等），自动完成编译、仿真、优化、综合、适配（布局布线）以及下载，实现既定的电子线路系统功能。设计者的主要任务：完成系统硬件功能的描述。10典型的EDA工具通常包括：设计输入、仿真、综合、适配和下载。综合工具的功能是将设计者在EDA平台上完成的某系统的设计文件由较高层次的描述转换到较低层次描述的过程。综合工具是软件描述和硬件实现的一座桥梁。适配工具的功能是将综合器产生的网表文件安排在指定的器件中，产生最终的下载文件。11设计文件process（clk）beginif(clk’eventandclk=‘1’)thenif(reset)thenbeginout=0;cont=0;endelsif(load)thencont=in;elsif(enable)thenbegincasecontiswhen”000”=cont=“001”;when”001”=cont=“010”;when”010”=cont=“011”;when”011”=cont=“100”;when”100”=cont=“000”;whenothers=cont=“000”;endcaseendendend仿真综合适配EDA软件下载硬件电路总之，PLD器件的出现和EDA技术发展，使数字系统设计的设计方法和设计技术都发生了深刻的变化，称之为基于EDA和PLD的现代数字系统设计方法。设计者通过设计芯片来实现各种不同的数字系统功能，即设计者可以自己定义器件的内部逻辑和管脚。增加了设计的自由度，提高了设计效率，减少芯片的种类和数量，缩小体积，降低功耗，节约成本，提高可靠性。设计方法的改变：采用硬件描述语言建模硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）是用于设计硬件电子系统的计算机语言，它描述系统的逻辑功能、电路结构和连接方式，是EDA技术应用中最主要的设计输入方法之一。设计者利用这种语言可以从上层到下层（从抽象到具体），逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。借助EDA仿真工具逐层进行仿真验证。通过EDA综合工具将需要物理实现的模块组合转换成门级电路网表。利用芯片厂家提供自动布线布局工具（适配器）将网表映射为具体器件的布线结构，最后编程下载到PLD器件。三.硬件描述语言★硬件描述语言◆ABEL◆AHDL◆VerilogHDL◆VHDLIEEE标准1987年，由美国国防部组织开发的VHDL成为IEEE国际标准。1995年，由一个民间公司的私有财产转化而来的VerilogHLD也正式成为IEEE国际标准。本课程主要介绍如何用VerilogHDL描述基本的组合逻辑电路和基本的同步时序逻辑电路，为今后进行数字系统设计打基础。问题的提出•设计一个数字钟，使之完成以下功能：–实现时、分、秒的计时；时可采取12小时计时也可采取24小时计时；具有异步清零和启动/停止功能；并可调整时间。–用数码管显示时分秒；具有整点报时功能；–可继续设计日、星期、月、年等其他万年历功能。–可设计秒表功能，闹钟功能。5.2数字技术自动设计与分析流程解决方案1——传统的数字系统设计方法1.根据设计要求划分功能模块；2.确定输入和输出的关系，画出真值表，写出逻辑表达式；4.利用公式或卡诺图进行人工化简；5.根据化简后的逻辑表达式画出电路原理图；6.在面包板上进行实验，验证电路的正确性；7.若无错误，再在透明薄膜上用贴图符号贴PCB图；8.检查后送制板厂制板；9.对PCB板进行安装、调试，若有大的错误，修改设计，重复以上过程，重新制板。搭积木的方式！基于电路板的设计方法——采用固定功能的器件（通用型器件），通过设计电路板来实现系统功能传统的数字系统设计方法•采用自下而上（BottomUp）的设计方法•采用通用型逻辑器件•搭积木式的方式•在系统硬件设计的后期进行仿真和调试•主要设计文件是电路原理图传统的数字系统设计方法的缺点效率低下——所有这一切，几乎都是手工完成！设计周期很长；容易出错；芯片种类多，数量大，受市场的限制；设计灵活性差；产品体积大。解决方案2——现代的数字系统设计方法•首先在计算机上安装EDA软件，它们能帮助设计者自动完成几乎所有的设计过程；再选择合适的PLD芯片，可以在一片芯片中实现整个数字系统。基于芯片的设计方法——采用PLD（可编程逻辑器件），利用EDA开发工具，通过芯片设计来实现系统功能。EDA软件空白PLD+数字系统编程现代的数字系统设计方法（续1）1.根据设计要求划分功能模块2.PLD开发（利用EDA工具）（1）设计输入：采用原理图或硬件描述语言（HDL），描述出输入和输出的逻辑关系，将整个原理图或程序输入到计算机中；（2）设计的编译：EDA工具可自动进行逻辑综合，将功能描述转换为门级描述，或转换成具体PLD的网表文件，将网表文件自动适配到具体芯片中进行布局布线；（3）功能仿真和时序仿真；（4）编程下载到实际芯片中，在实验台上进行验证；（5）在每一阶段若有问题，可在计算机上直接修改设计，重复以上过程。数字技术自动设计与分析流程逻辑综合现代的数字系统设计方法（续2）3.设计包含PLD芯片的电路板（1）在计算机上利用EDA软件画电路原理图；（2）进行电气规则检查无误后，自动生成网表文件；（3）利用EDA软件画PCB图，自动布线；（4）自动进行设计规则检查，无误后输出文件，制板。优点：效率高——所有这一切，几乎都是借助计算机利用EDA软件自动完成！容易检查错误，便于修改；设计周期短、成功率很高；产品体积小。现代的数字系统设计方法•通常采用自上而下（TopDown）的设计方法•采用可编程逻辑器件•在系统硬件设计的早期进行仿真•主要设计文件是用硬件描述语言编写的源程序•降低了硬件电路设计难度自行定义器件内部的逻辑和引脚写出真值表或状态表→EDA开发工具自动进行逻辑综合→模拟仿真→编程下载到PLD中基于芯片——采用PLD，利用EDA开发工具，通过芯片设计来实现系统功能。什么是EDA技术？•EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化）–是在计算机的辅助下完成电子产品设计的一种先进的硬件设计技术！–是立足于计算机工作平台开发出来的一整套先进的设计电子系统的软件工具。计算机并口器件编程接口PCBBoardPLD编程目标文件EDA技术的范畴IC版图设计PLD设计电路设计PCB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！传统设计方法vsEDA设计方法传统设计方法EDA设计方法自底向上手动设计软硬件分离原理图设计方式系统功能固定不易仿真难测试修改模块难移植共享设计周期长自顶向上自动设计打破软硬件屏障原理图、HDL等设计方式系统功能易改易仿真易测试修改模块可移植共享设计周期短29本课程要学习的PLD设计EDA工具软件QuartusⅡ•美国Altera公司自行设计的第四代PLD开发软件•可以完成PLD的设计输入、逻辑综合、布局与布线、仿真、时序分析、器件编程的全过程•同时还支持SOPC（可编程片上系统）设计开发5.3原理图输入法逻辑电路设计5.3.1QuartusII软件简介QuartusⅡ简介QuartusⅡ提供了方便的设计输入方式、快速的编译和直接易懂的器件编程。能够支持逻辑门数在百万门以上的逻辑器件的开发，并且为第三方工具提供了无缝接口。QuartusⅡ支持的器件有：StratixⅡ、StratixGX、Stratix、Mercury、MAX3000A、MAX7000B、MAX7000S、MAX7000AE、MAXⅡ、FLEX6000、FLEX10K、FLEX10KA、FLEX10KE、Cyclone、CycloneⅡ、APEXⅡ、APEX20KC、APEX20KE和ACEX1K系列。QuartusⅡ软件包的编程器是系统的核心，提供功能强大的设计处理，设计者可以添加特定的约束条件来提高芯片的利用率。各项菜单标题栏消息窗口多种应用窗口项目向导窗口状态窗口QuartusⅡ主界面QuartusⅡ主界面的一个实例原理图输入法逻辑电路设计设计流程设计构想设计输入功能正确？原理图硬件描述语言满足时序要求？功能模拟部分编译：分析与综合物理设计：时序模拟器件编程是否是否完整的编译创建一个新项目选择目标器件引脚指定1、建立一个新工程，并指定对象器件。2、设计输入：编辑HDL文件原理图3、功能模拟：编译（分析和综合）生成网表文件建立波形文件4、物理设计引脚分配完整编译后时序模拟5、器件编程：下载进入原理图编辑器从元件库中调入元件符号绘制原理图将设计项目设置成可调用的元件设计顶层文件将设计设置成工程5.3.2电路原理图编辑输入进入原理图编辑器进入原理图编辑器File-NewBlockDiagram/SchematicFile选择工具全屏显示单条连线文本工具插入符号数组连线橡皮筋功能放大缩小部分连线原理图编辑区最大化按钮对角线工具弧形工具工具条原理图编辑器窗口原理图设计方法元件输入对话框从元件库中调入元件符号电路原理图编辑输入电路原理图编辑输入（1）新建一个文件夹。（2）打开原理图编辑窗。（3）文件存盘。5.3.3创建工程（1）打开建立新工程管理窗。新建工程工作目录的路径新建的工程名称工程的顶层设计实体名称创建工程（2）将设计文件加入工程中。创建工程（3）选择目标芯片。（4）工具设置。选择对象器件EP1C12Q240C8创建工程（5）结束设置。创建工程（6）编辑构建电路图。5.3.4功能简要分析5.3.5