EDA技术

1第八讲EDA技术电子科技大学：王洪2第一章EDA技术概述§1.1EDA技术及其发展一、什么是EDA？ElectronicDesignAutomation即电子设计自动化。二、EDA技术发展的三个阶段：1、早期电子CAD阶段20世纪70年代，属EDA技术发展初期。利用计算机、二维图形编辑与分析的CAD工具，完成布图布线等高度重复性的繁杂工作。典型设计软件如Tango布线软件。320世纪80年代初，出现了低密度的可编程逻辑器件（PAL_ProgrammableArrayLogic和GAL_GenericArrayLogic），相应的EDA开发工具主要解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。80年代后期，EDA工具已经可以进行初级的设计描述、综合、优化和设计结果验证。2、计算机辅助工程设计CAE阶段420世纪90年代，可编程逻辑器件迅速发展，出现功能强大的全线EDA工具。具有较强抽象描述能力的硬件描述语言(VHDL、VerilogHDL)及高性能综合工具的使用，使过去单功能电子产品开发转向系统级电子产品开发（即SOC_SystemOnaChip：单片系统、或片上系统集成）。开始实现“概念驱动工程”（ConceptDriverEngineering,CDE）的梦想。3、电子设计自动化(EDA)阶段5三、EDA的广义定义范围包括：1、半导体工艺设计自动化；2、可编程器件设计自动化；3、电子系统设计自动化；4、印刷电路板设计自动化；5、仿真与测试、故障诊断自动化；6、形式验证自动化。以上各部分统称为EDA工程6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、大规模可编程器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，自动完成用软件方式描述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、布局布线、逻辑仿真，直至完成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或专用集成芯片的一门多学科融合的新技术。四、EDA技术的狭义定义：78一、传统设计方法：自下而上（Bottom-up)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。固定功能元件电路板设计完整系统构成系统调试、测试与性能分析系统功能需求§1.2传统设计方法和EDA方法的区别：输入输出91.设计依赖于设计师的经验。2.设计依赖于现有的通用元器件。3.设计后期的仿真不易实现和调试复杂。4.自下而上设计思想的局限。5.设计实现周期长，灵活性差，耗时耗力，效率低下。传统设计方法的缺点：10二、EDA方法：自上而下（Top-Down)的设计方法。其方案验证与设计、系统逻辑综合、布局布线、性能仿真、器件编程等均由EDA工具一体化完成。设计思想不同：自上而下（Top-Down)的设计方法。自上而下是指将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统规模较大，则还需将子系统进一步分解为更小的子系统和模快，层层分解，直至整个系统中各个子系统关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。自上而下设计中可逐层描述，逐层仿真，保证满足系统指标。11系统规格设计功能级描述功能级仿真逻辑综合、优化、布局布线定时仿真、定时检查输出门级网表ASIC芯片投片、PLD器件编程、测试ASIC:ApplicationSpecificIntegratedCircuits,PLD:ProgrammableLogicDevices12三、传统方法与EDA方法比较：传统方法1.从下至上2.通用的逻辑元、器件3.系统硬件设计的后期进行仿真和调试4.主要设计文件是电原理图EDA方法1.自上至下2.可编程逻辑器件3.系统设计的早期进行仿真和修改4.多种设计文件，发展趋势以HDL描述文件为主5.降低硬件电路设计难度EDA技术极大地降低硬件电路设计难度，提高设计效率，是电子系统设计方法的质的飞跃。13§1.3EDA技术的主要内容实现载体：大规模可编程逻辑器件（PLD:ProgrammableLogicDevice）描述方式：硬件描述语言（HDL:HardwaredescripationLauguage)VHDL、VerlogHDL等设计工具：开发软件、开发系统硬件验证：实验开发系统14FPGA：FieldProgrammableGatesArrayCPLD：ComplexProgrammableLogicDevice主流公司：Xilinx、Altera、LatticeFPGA/CPLD显著优点：开发周期短、投资风险小、产品上市速度快、市场适应能力强、硬件修改升级方便。一、大规模可编程逻辑器件15三类器件的主要性能指标比较ASIC：ApplicationSpecificIntegratedCircuits指标PLDASIC分离式逻辑速度很好很好差集成度很好很好差价格很好很好差开发时间很好差较好样品及仿真时间很好差差制造时间很好差较好使用的难易成度很好差较好库存风险很好差较好开发工具的支持很好很好差16VHDL：IEEE标准，系统级抽象描述能力较强。Verilog:IEEE标准，门级开关电路描述能力较强。ABEL:系统级抽象描述能力差，适合于门级电路描述。二、硬件描述语言（HDL__HardwareDescriptionLanguage）17EDA开发工具分为：集成化的开发系统:特定功能的开发软件：综合软件仿真软件三、软件开发工具18Altera公司：QuartusⅡ、MaxplusⅡ系列Xilinx公司：ISE、Foundation、Aillance系列Lattice公司：ispDesignEXPERT系列集成化的开发系统19综合类：Synplicity公司的Synplify/SynplifyProSynopsys公司的FPGAexpress、FPGAcompilerⅡMentor公司的LeonardoSpectrum仿真类：ModelTech公司的ModelsimAldec公司的ActiveHDLCadence公司的NC-Verilog、NC-VHDL、NC-SIM特定功能的开发软件20一、设计输入子模块用图形编辑器、文本编辑器作设计描述，完成语义正确性、语法规则的检查。二、设计数据库子模块系统的库单元、用户的设计描述、中间设计结果。三、分析验证子模块各个层次的模拟验证、设计规则的检查、故障诊断。§1.4EDA软件系统的构成21四、综合仿真子模块实现从高层抽象描述向低层次描述的自动转换，及各个层次的仿真验证。五、布局布线子模块完成由逻辑设计到物理实现的映射。22一、EDA技术的发展趋势1、广度上：大型机→工作站→微机2、深度上：ESDA：（ElectronicSystemDesignAutomation）CE：（ConcurrentEngineering并行设计工程）单芯片集成：（SOC/SOPC：SystemOnaProgrammableChip）§1.5EDA技术及EDA工具的发展趋势23ESDA：ESDA软件集成系统的构成和设计、仿真过程技术要求系统目标定义算法建立与仿真验证任务分解、定义设计规范系统级仿真硬件系统设计VHDL、AHDL设计数字电路设计模拟电路设计综合与优化优化设计硬件仿真库电路级仿真器件模拟库电路结构与模块划分ASIC方式综合优化ASIC模拟库PLD、FPGA器件库PCB、MCM实现方式数模混合电路优化PLD、FPGA方式综合优化电路级验证、布局布线器设计参数提取和仿真验证系统调试、系统测试测试仪器仪表行为功能设计验证算法软件控制软件设计系统专用开发系统微控制器总体要求、算法建立专用控制系统PLD的设计24并行工程（CE）：CE是将电子产品及相关制造直至销售、维护全过程统一进行设计的一种方法，其核心是产品设计对象的全面可预见性。CE要求从管理层次上把工艺、工具、任务、智力和时间的安排协调一致，使用统一的集成化设计环境，由若干个相关的设计小组共享数据库，同步地进行设计。并行工程（CE）和自上而下（Top-Down）设计方法被誉为构成现代电子产品开发方式的两大特征。体现了设计策略的变革。25电子系统的发展趋势：SOC/SOPC存储器、μP、PLD等多合一26二、EDA工具的发展趋势1、输入工具发展趋势是以硬件描述语言（HDL）为主。2、混合信号处理能力数/模混合信号的处理数字信号的描述：VHDL、VerilogHDL模拟信号的描述：AHDL微波信号的描述：MHDL273、仿真工具仿真分为：功能仿真：又称前仿真、系统级仿真或行为仿真，用于验证系统的功能。时序仿真：又称后仿真、电路级仿真，用于验证系统的时序特性、系统性能。仿真是系统验证的主要手段，是整个电子设计过程中花费时间最多的环节。4、综合工具综合：由高层次描述自动转换为低层次描述的过程。是EDA技术的核心。28EDA设计的描述层次：行为级描述寄存器传输级描述（RTL）门级描述版图级描述设计前端设计后端综合分为：行为综合、逻辑综合、前端综合、版图综合、测试综合29§1.6EDA的工程设计流程文本编辑器、图形编辑器VHDL综合器（逻辑综合、优化）FPGA/CPLD布线/适配器（自动优化、布局、布线、适配）VHDL仿真器（行为仿真、功能仿真、时序仿真）编程器/下载电缆（编程、下载）测试电路（硬件测试）网表文件（EDIF、XNL、VHDL…)门级仿真器（功能仿真、时序仿真）各种编程文件30可编程逻辑器件：PLD--ProgrammableLogicDevices：用户构造逻辑功能。传统数字系统由固定功能标准集成电路74/54系列、4000、4500系列构成。设计无灵活性,芯片种类多，数目大。现代数字系统仅由三种标准积木块：微处理器、存储器和PLD构成。即CPU+RAM+PLD模式。PLD的设计是其核心。第二章大规模可编程逻辑器件3180年代初：Lattice公司推出GAL_GenericArrayLogic(第二代）；§2.1可编程逻辑器件概述一、PLD的发展进程70年代初：PROM、PLA_ProgrammableLogicArray（第一代）；70年代末：AMD公司推出PAL_ProgrammableArrayLogic3290年代初：Lattice公司提出ISP_InSystemProgramming概念，推出ispLSI。80年代中：Xilinx公司推出FPGA_FieldProgrammableGatesArray；Altera公司推出EPLD_ErasableProgrammableLogicDevice；近年PLD的发展：密度：单片已达1000万系统门速度：达420MHz以上线宽：已达90nm，属甚深亚微米技术（VDSM—VeryDeepSubMicrometer）33高集成度；高速度；高可靠；在系统内编程（ISP_InSystemProgramming）PLD已占整个IC产值的40%以上。PLD的产量、集成度每年增加35%，成本降低40%。二、PLD产品的特点：3435Altera产品系列主要性能逻辑单元用户速度等级RAM（FF）I/O（ns）（位）APEXIIEP2A904000k8928011401,523,712APEX20KEP20K1500E1500k518408084442,368FLEX10KEPF10K10250k4992406424,576FLEX8000EPF805050k40323603FLEX6000EPF6024A24K19602185MAX9000EPM956012k56021212MAX7000EPM72565k25616010MAX5000EPM51923.75k192641ClassicEP18100.9k484820系列代表产品可用门数36Altera公司千万门级的FPGA(SOC):Stratix37Xilinx产品系列主要性能CLB/速度等级驱动能力最大用RAM宏单元（ns）（mA）户I/O（位）XC2000XC2018L1.0K~1.5K10017210474XC3000XC30905.0K~6.0K3