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目录第1章EDA技术概述（2学时）第2章可编程逻辑器件(4学时）第6章VHDL设计共享（4学时）第5章QuartusII操作*（2学时）第4章VHDL主要描述语句（6学时）第3章硬件描述语言VHDL基础（8学时）第7章有限状态机的VHDL设计（4学时）第8章EDA综合设计实验*（6学时）参考教材1.EDA技术与应用.张健等.科学出版社.2008.82.EDA技术与VHDL.潘松等.清华大学出版社.20063.EDA技术实用教程.黄仁欣.清华大学出版社.2006年4.AlteraFPGA/CPLD设计(基础篇),(高级篇).王诚等.人民邮电出版社.20055.VHDL语言与FPGA设计.刘瑞新.机械工业出版社.2004第一章ＥＤＡ技术概论§1.1EDA技术及发展§1.2EDA技术构成要素§1.3EDA软件系统的构成§1.4EDA设计流程§1.6EDA技术的发展趋势§1.5SOC和SOPC第一章ＥＤＡ技术概论§1.1EDA技术及发展EDA技术是现代电子信息工程领域的一门新技术，它是在计算机工作平台上开发出来的一整套电子系统设计的软硬件工具，并提供了先进的电子系统设计方法。它已经不仅局限在当初的电路版图的设计自动化概念上，当今EDA技术是指芯片内的电子设计系统自动化，即片上系统SOC（SystemonaChip）设计。即设计者自己来定制芯片内部功能，使IC成为专用集成电路ASIC。EDA（ElectronicDesignAutomation)电子设计自动化技术是电子设计和电子制造技术的核心，EDA技术的发展和推广应用极大的推动了IC、IT产业的发展。一、EDA技术发展进程EDA是在计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助测试CAT、计算机辅助工程CAE的概念发展而来的。1.CAD阶段(20世纪70年代~80年代中期）硬件设计的初级阶段，特点：采用分立元件或中、小规模IC，将元件焊接在电路板上，构成初级电子系统，调试在组装好的印刷电路板上。这个阶段研制一些单独的软件工具，有布线设计、电路模拟、逻辑模拟和版图绘制等。通过计算机的使用,使设计人员从大量繁重的计算和绘图工作中解脱出来。这个时期的EDA一般称为CAD(ComputerAidedDesign).80年代初IC规模越来越大，制作越来越复杂，EDA技术发展较快，出现了针对产品开发、设计、分析、生产、测试等多个独立的软件包。每个软件仅能完成其中的一项工作。第一章2.CAE阶段(20世纪80年代中期~90年代初期)20世纪80年代，随着计算机和集成电路规模的发展，在设计方法、设计软件和集成化方面有了很大进步。各种设计工具，如原理图输入、编译与连接、逻辑模拟、测试码生成、版图自动布局和布线及各种电元件库均已齐全。因采用了统一数据管理技术，故将各个工具集成为一个计算机辅助工程设计CAE（ComputerAidedEngineering）系统。采用此系统，按照特定设计流程，可实现由寄存器级开始，从设计输入到版图输出的全程设计自动化。用户能在产品制作之前预知产品的功能和性能。CAE系统还集成了PCB自动布线软件、热特性、噪声、可靠性等分析软件，实现电子系统自动化设计。随着微电子工艺的发展，相继出现了集成上几十万、几百万只晶体管的微处理器、RAM、ROM、PAL、GAL等，基于单元库的半定制设计、采用门阵列和标准单元法设计的各种ASIC得到了极大的发展，将集成电路工业推入了ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)专用集成电路时代。第一章3.EDA阶段(20世纪90年代以来)90年代以来,微电子技术以惊人的速度发展,其工艺水平达到超深亚微米级,在一个芯片上可集成数百万乃上千万只晶体管,工作速度达GHz,为制造出规模更大、速度更快和信息容量更大的芯片系统提供了条件。但同时也对EDA技术提出了更高的要求，并促进了EDA技术的发展。此阶段主要出现了高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术，不仅极大地提高了系统的设计效率，而且使设计人员摆脱了大量的辅助性及基础性工作，将精力集中于创造性的方案与概念的构思上。EDA技术在进入21世纪后,得到了更大的发展,突出表现在以下几个方面:1）在FPGA上实现DSP应用成为可能,用纯数字逻辑进行设计DSP模块的设计,使得高速DSP实现成为现实,并有力的推动软件无线电技术的实用化和发展。2）嵌入式处理器软核的成熟，使得SOPC步入大规模应用阶段，在一片FPGA上实现一个完备的数字处理系统成为可能。3）在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出。4）电子技术领域全方位融入EDA技术，除了日益成熟的数字技术外，传统的电路系统设计建模理念发生了正大的变化，如软件无线电技术的崛起，模拟电路系统硬件描述语言的表达和设计的标准化、系统可编程模拟器件的出现、数字信号处理和图象处理的全硬件实现方案的普遍接受以及软硬件技术的进一步融合等。5）EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容，如模拟与数字、软件与硬件、系统与器件、ASIC与FPGA、行为与结构等。6）基于EDA的用于ASIC设计的标准单元已经涵盖大规模电子系统及复杂IP核模块。7）软硬IP（IntellectualProperty）核在电子行业的产业领域广泛应用。8）SOC高效率低成本设计技术的成熟。9）系统级、行为验证级硬件描述语言的出现，使复杂电子系统的设计和验证趋于简单。二、什么是EDA技术就是利用计算机强大的计算能力和图形处理能力，在EDA工具软件平台上，将主要以硬件描述语言为逻辑描述手段完成的设计文件，自动地进行逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优化和仿真测试，直至最终实现既定的逻辑功能。第一章§1.2EDA技术构成要素1.可编程逻辑器件FPGA与CPLD2.硬件描述语言VHDL3.EDA软件开发工具4.EDA实验开发系统1.可编程逻辑器件FPGA与CPLD利用EDA技术进行电子系统设计,最后实现的目标是以下3种：a)全定制或半定制ASICb)FPGA、CPLD（或称可编程ASIC）开发应用c)PCB（印刷电路板）目前，ASIC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。ASIC的特点是面向特定用户的需求，ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、成本降低等优点。ASIC分为全定制和半定制。全定制设计需要设计者完成所有电路的设计，因此需要大量人力物力，灵活性好但开发效率低下。如果设计较为理想，全定制能够比半定制的ASIC芯片运行速度更快。半定制使用库里的标准逻辑单元(StandardCell)，设计时可以从标准逻辑单元库中选择门电路、加法器、比较器、数据通路(如ALU、存储器、总线等)、存储器甚至系统级模块(如乘法器、微控制器等)和IP核，这些逻辑单元已经布局完毕，而且设计得较为可靠，设计者可以较方便地完成系统设计。现代ASIC常包含整个32-bit处理器,类似ROM、RAM、EEPROM、Flash的存储单元和其他模块.这样的ASIC常被称为SOC(片上系统)。2.硬件描述语言HDL硬件描述语言HDL是EDA技术的重要组成部分。常见的有HDL主要有VHDL,VerilogHDL,AHDL,ABEL,SystemVerilog和SystemC。随着大规模专用集成电路的开发和研制，为了提高开发效率，增加已有开发成果的可继承性和缩短研发周期，各个生产厂家相继开发了用于各自目的的硬件描述语言。硬件描述语言从诞生至今，已经有百余种，其中最具有代表性的是美国国防部开发的VHDL(Very-High-SpeedIntegratedCircuitHDL)、Verilog公司的VerilogHDL和Altrea公司早期的AHDL。VHDL语言的特点：1)、VHDL支持层次化设计，可以VHDL在的环境下，完成从简练的设计原始描述，经过层层细化求精，最终获得可直接付诸生产的电路级或版图参数描述的全过程。2)、VHDL语言具有多层次描述系统（包括进行系统级）硬件功能，它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言，这也是最突出的优点。从系统的数学模型直到门级电路。FPGA(FieldProgrammableGateArray)是ASIC的近亲，一般通过原理图、VHDL对数字系统建模，运用EDA软件仿真、综合，生成基于一些标准库的网络表，配置到芯片即可使用。它与ASIC的区别是用户不需要介入芯片的布局布线和工艺问题，而且可以随时改变其逻辑功能，使用灵活。高层次的行为描述可以与低层次的RTL描述和结构描述混合使用。强大的行为描述能力可避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述到自定义数据类型，给编程人员极大的自由和方便。3)、VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在电子系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。4)、VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的分解和已设计的再利用功能，符合市场需求的在规模系统高效、高速的要求，必须有多人或多组共同并行工作才能实现。5)、VHDL对设计的描述具有相对独立性，与硬件的结构无关，不必关心最终设计的目标器件是什么。6)、对于用VHDL完成的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。7)、VHDL有良好的可移植性。被IEEE承认的工业标准，它已成为通用的硬件描述语言，可以在不同的设计环境和系统平台中使用。8)、VHDL有良好可读性。它可以被计算机接受，也容易被读者理解。用VHDL书写的源文件，即是程序又是文档，即是技术人员之间交换信息的文件，又可作为合同签约者之间的文件。3.EDA软件开发工具利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具目前比较流行的EDA工具有：Altera公司的MAX+PLUSII和QuartusII;Lattice公司的ispEXPERT；Xilinx公司的Foundation和ISE。本书中给出的所有示例和实验都是基于QuartusII的应用方法和设计流程对于其他流行的EDA工具的使用具有一定的典型性和普遍性。Altera公司的QuartusII提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计要求，也是SOPC设计的综合性环境和SOPC开发的基本设计工具。并为DSP开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。它完全支持VHDL,VerilogHDL的设计流程。QuartusII包括模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析、综合器，适配器、装配器、时序分析器、设计辅助模块、EDA网表文件生成器、编辑数据接口等，可以通过选择StartCompilation来运行所有的编译器模块。4、FPGA/CPLD生产商ALTERAFPGA：FLEX系列：10K、10A、10KE，EPF10K30EAPEX系列：20K、20KEEP20K200EACEX系列：1K系列EP1K30、EP1K100CPLD：MAX7000/S/A/B系列：EPM7128SMAX9000/A系列FPGA：XC3000系列，XC4000系列，XC5000系列Virtex系列SPARTAN系列：XCS10、XCS20、XCS30CPLD：XC9500系列：XC95108、XC95256XILINXLATTICEVANTIS（AMD）ispLSI系列：1K、2K、3K、5K、8KispLSI1016、ispLSI2032、ispLSI1032E、ispLSI3256AMACH系列ispPAC系列：ispPAC10、ispPAC20、ispPAC30、ispPAC80其他PLD公司：ACTEL公司：ACT1/2/3、40MXATMEL公司：ATF1500AS系列、40MXCYPRESS公司QUIKLOGIC公司CPLDSOMUCHIC！FPGACPLD第一章§1.3EDA软件系统的构成EDA技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级