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【要求】理解可编程逻辑器件和EDA技术的初步知识。【知识点】理解EDA技术的概念理解EDA技术的发展理解EDA技术的主要内容理解可编程逻辑器件的发展理解可编程逻辑器件的分类与结构及原理理解面向CPLD/FPGA的设计流程【重点和难点】EDA技术的概念和发展可编程逻辑器件的分类与结构第1章EDA技术概述下一页第1章EDA技术概述§1.1EDA历史与发展§1.2可编程逻辑器件§1.3本章小结上一页一、EDA技术的概念电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation,EDA)技术已经成为现代电子设计技术的核心，广泛应用于集成电路IC、复杂电了电路和PCB的设计。EDA技术的发展，使得ASIC设计得到了快速的发展。什么是EDA技术?EDA技术是现代电了产品设计技术中的一门综合性新技术，包括广义和狭义的EDA技术。广义的EDA技术，包括计算机辅助分析CAA技术(EWB,MATLAB等)，印制电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(Protel,OrCAD等)，专用集成电路设计ASIC技术等。§1.1EDA历史与发展下一页下一页上一页§1.1EDA历史与发展狭义的EDA技术是指IES/ASIC自动化设计技术，是以计算机为基本工作平台，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以EDA工具软件为开发环境，以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以专用集成电路ASIC(ApplicationSpecialIntegratedCircuit)、单片电子系统SOC(SystemOnChip)芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品设计自动化过程。电子系统设计的自动化过程主要包括有:逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真、逻辑适配等过程。本书讨论的对象专指狭义的EDA技术。下一页上一页§1.1EDA历史与发展二、EDA技术的历史与发展EDA技术随着计算机技术、微电子技术、电子系统设计技术的发展，主要经历了3个发展阶段:•计算机辅助设计(Computer-AidedDesignCAD)阶段•计算机辅助工程设计(Computer-AidedEngineeringDesignCAED)阶段；•电子系统设计自动化(ElectronicSystemDesignAutomation,ESDA)阶段。下一页上一页1.计算机辅助设计CAD阶段20世纪70年代，MOS工艺得到了广泛的应用，中、小规模的集成电路有了新的发展。可编程逻辑技术和可编程逻辑器件的出现，可以应用计算机技术，将平面图形设计与分析工具CAD代替乎工制图、布线等，出现了第一代EDA技术。由于受计算机工作平台的技术条件制约，当时的计算机辅助设计技术还比较差。2.计算机辅助工程设计CAED阶段20世纪80年代，随着个人工作站计算机平台的出现和集成电路设计CMOS时代的到来、FPGA的出现等，极大地推动EDA工具发展，使得计算机工作平台技术得到迅速发展。出现了以计算§1.1EDA历史与发展机仿真技术和自动布线技术为核心的第一代EDA技术。设计工程师可以通过软件工具来完成产品开发的设计、分析、生产、测试等各项工作。但是，基于原理图进行设计开发的CAE工具，仍然不能满足高集成度的复杂电了系统设计的要求，设计工程中的系统优化设计也被固定的具体化的电路元件所制约。3.电子系统设计自动化ESDA阶段20世纪90年代，设计工程师在产品设计过程中，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电子产品开发。硬件描述语言的标准化及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模ASIC设计技术的应用，集成电路设计工艺进入到了超深亚微下一页上一页§1.1EDA历史与发展米阶段，使得SEDA技术得到了全新的发展。SEDA工具软件以系统级设计为核心，集成了系统行为描述与结构综合、系统仿真与测试、系统划分与指标分配、系统决策与文件生成等完整的电了系统设计自动化工具，极大地提高了电子系统设计的效率。EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，主要表现在以下几个方面:•①使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能。•②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。下一页上一页§1.1EDA历史与发展•③电子技术全方位纳入EDA领域。•④EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容。•⑤更大规模的FPGA和CPLD器件的不断推出。•⑥基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电了系统及复杂IP核(IP:IntellectualProperty，知识产权的简称，常指公司开发的硬件设计包)模块。•⑦SoC高效低成本设计技术的成熟。•⑧系统级、行为验证级硬件描述语言(如SystemC)的出现，使复杂电子系统的设计和验证简单化。•新一代的EDA技术将会向着功能强大、简单易学以及使用方便的方向发展。下一页上一页§1.1EDA历史与发展下一页上一页§1.1EDA历史与发展三、EDA技术的主要内容EDA技术的主要内容包括:硬件描述语言、可编程逻辑器件和EDA软件工具。硬件描述语言是EDA技术的主要描述与表达方式，可编程逻辑器件是EDA技术的主要目标器件，EDA软件工具是EDA技术的开发平台。它们是EDA技术的主要内容，是EDA设计的主要支撑。1.硬件描述语言硬件描述语言(HardwareDescriptionLanguage)HDL是EDA技术的重要组成部分，是EDA各种描述方法中最能体现EDA优越性的描述方法。所谓硬件描述语言，就是一个描述工具，用以描述设计系统的逻辑功能，实现该功能的算法、电路结构及约束条件等。它要求既能描述系统的行为，又能描述系统的结构。常见的HDL有VHDL,VerilogHDL,SystemVerilog,SystemC等。其中，SystemVerilog和SystemC这两种HDL还处于不断完善的过程中。而VHDL和VerilogHDL在EDA设计中使用最多，几乎所有的主流EDA工具都支持。VHDL是电子设计主流硬件的描述语言之一，本书主要以VHDL为学习的重点。VHDL是VHSIC(VeryHighSpeedIntegratedCircuit)HardwareDescriptionLanguage，即超高速集成电路硬件描述语言的简称，是美国国防部于1983年开发创建的，并由IEEE(下一页上一页§1.1EDA历史与发展TheInstituteofElectricalandElectronicEngineers)进一步发展，在1987年被确定为标准化的硬件描述语言。1993年IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展了VHDL内容，公布了新版本VHDL，即IEEE1076-1993版本。现在，最新的VHDL标准版本是IEEE1076-2002。VHDL已经成为系统描述的国际公认标准，得到众多EDA公司的支持，更多的硬件设计者使用VHDL描述数字系统。VHDL具有与具体硬件电路无关、与设计平台无关的特性，并具有强大的电路行为描述和系统的能力，支持硬件的设计、验证、综合和测试，在语言易读性和层次化设计等方面都具有很强的生命力和应用潜力。下一页上一页§1.1EDA历史与发展VHDL能在多个级别上对同一逻辑功能进行描述，如可以在寄存器级别上对电路结构进行描述，也可以在行为描述级别上对电路功能与性能进行描述，各个描述都能利用综合工具将描述转化为硬件结构。VHDL的基本结构含有一个实体和一个结构体，而一个完整的VHDL结构还应该包括程序包、库与配置。用VHDL进行电路设计描述时，通常采用的是“自顶向下”的结构化的设计方法。VHDL的特点概括起来有以下几点:•①VHDL具有强大的功能，覆盖面广，描述能力强。VHDL支持门级电路的描述，支持以寄存器、存储器、总线及运算单元等构成的寄存器传输级电路的描述，还支持以行为算法和结构的混合描下一页上一页§1.1EDA历史与发展述为对象的系统级电路的描述。•②VHDL具有良好的可读性。它可以被计算机接受，也很容易被读者理解。VHDL源文件，既是程序又是文档，是工程技术人员间交换信息的文件。•③VHDL具有良好的可移植性。作为被IEEE承认的工业标准，VHDL实队、上己成为通用的硬件描述语言，可以在各种EDA的设计环境和开发平台中使用。•④VHDL提高了设计效率，缩短了设计周期。VHDL描述的硬件电路可以与工艺无关，设计者只需考虑功能即可。•⑤VHDL采用“自顶向下”的设计方法及对已有设计的再利用。下一页上一页§1.1EDA历史与发展VHDL可描述复杂电路系统，支持对大规模设计的分解，由多人、多项目组共同完成。标准化规则和设计风格，为设计的再利用提供了有力的支持。•⑥VHDL设计有利于保护知识产权。VHDL设计的ASIC，在将设计文件下载到ASIC芯片时，可以采用加密的保护措施，有效保护设计成果。2.可编程逻辑器件可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice)PLD是一种由用户编程实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。自20世纪70年代问世后，就以其速度快、集成度高、可加密和重新定义编程、上万次的编程次数等优点得到了广泛应用。下一页上一页§1.1EDA历史与发展可编程逻辑器件由PLA到CPLD/FPGA，到SoC，在高速度、高集成度、高可靠性方面得到了快速的发展。片上系统(SystemonaChip,SoC)指的是以嵌入式系统为核心，集软硬件于一体，内嵌复杂功能模块的集成芯片。3.EDA软件工具EDA工具在EDA技术应用中占据极其重要的位置，EDA的核心是利用计算机完成电路设计的全程自动化，因此，基于计算机环境下的EDA工具软件的支持是必不可少的。由于EDA整个流程涉及不同技术环节，每一个环节中必须有对应的软件包或专用EDA工具独立处理，包括对电路模型功能模拟、对VHDL行为描述逻辑综合等。下一页上一页§1.1EDA历史与发展EDA工具大致可以分为设计输入编辑器、仿真器、HDL综合器、适配器(或布局布线器)、下载器(或编程器)5个模块。这5个模块不同程度地集成综合在各个EDA公司自己开发的EDA开发软件工具中。目前在国内比较流行的EDA软件工具主要有Altera公司的MAX+plusII和QuartosII,Lattice公司的ExpertLEVER和Synario,Xilinx公司的Foundation和Alliance,Actel公司的ActelDesigner等。Altera其主要产品有MAX7000/9000,FELXIOK,APEX20K,ACEXIK,Cyclone等系列。Altera公司在20世纪90年代后发展很快，认为他们的开发工具MAX+plusII是最成功下一页上一页§1.1EDA历史与发展的EDA开发平台之一，QuartosII是MAX+plusII的升级版本。Xilinx是FPGA的发明者，其产品种类比较齐全，主要有XC9500/4000,Spartan,Virtex,Coolrunner等。Xilinx和Altera是主要的可编程逻辑器件供应商，在欧洲，使用Xilinx公司产品的人较多;在日本及亚太地区，使用Altera公司产品的人较多;在美国，则是平分秋色。这两大供应商提供了全球60%以上的PLD/FPGA产品。可以说，Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。Lattice是ISP(在系统可编程)技术的发明者，其主要产品有ispLSI2000/5000/8000,MACH4/5,ispMACH4000等。下一页上一页§1.1EDA历史与发展与Altera公司和Xilinx公司相比，Lattice公司的开发工具略逊一筹，但其中小规模PLD比较有特色。Lattice公司于1999年推出可编程模拟器件，并收购了、Vantis(原AMD了公司)，成为第二大可编程逻辑器件供应商。Actel是反熔丝PLD技术的领导者。由于反熔丝PLD抗辐射，耐高低温，功耗低，速度快，所以在军工产品和宇航产品上有较