2基于可编程逻辑器件的电子设计

•EDA技术•数字系统的设计•EDA技术与PLD•ARM、DSP、PLD/FPGA的技术特点和区别•初级电子设计工程师认证综合知识考试命题范围什么是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技术一、EDA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。是在计算机的辅助下完成电子产品设计方案的输入、处理、仿真和下载的一种硬件设计技术。是微电子技术中的核心技术之一，是现代集成系统设计的重要方法。EDA技术2．EDA技术的历史以计算机科学、微电子技术的发展为基础汇集了计算机图形学、拓扑学和计算数学等学科的最新成果3个发展阶段（1）CAD（Computer-AidedDesign）阶段（1964~1978）“上帝时代”最早的EDA技术：电路模拟、逻辑模拟、MOS同步和模拟、PCB布局、线路布线和标准电池等技术只能进行PCB板布局布线和简单版图绘制EDA技术（2）CAE（Computer-AidedEngineering）阶段（1978~1997）“英雄时代”电子CAD工具逐步完善，单点工具集成化并从技术上向CAE过渡：诞生了先进的布局和布线、逻辑综合、HDL语言、模拟加速器和仿真器以及高级综合等技术（3）EDA阶段（1993~现在）“人性时代”微电子工艺飞速发展，工艺水平已达到深亚微米级；晶体管集成度提高到百万门甚至千万门级；因特网开始进入广泛应用阶段，工程师们开始设计系统级芯片(systems-on-chip)EDA技术发展到物理校验、布局、逻辑综合、模拟设计以及软件/硬件协同设计。EDA技术已成为电子设计的重要工具EDA技术受制造技术驱动而发展随微电子技术、计算机技术而发展EDA技术3．现代EDA技术的特点特征：采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力（1）采用硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）与原理图设计方法相比：更适于描述大规模的系统在抽象的层次上描述系统的结构与功能采用HDL的优点：语言的公开可利用性设计与工艺的无关性宽范围的描述能力——系统级、算法级、RTL级、门级、开关级便于组织大规模系统的设计便于设计的复用、交流、保存与修改EDA技术（2）高层综合和优化支持系统级的综合与优化。综合：通过EDA工具把用HDL语言描述的模块自动转换为用门级电路网表表示的模块，即将电路映射到器件的专用基本结构。优化：采用优化算法，将设计简化，去除冗余项，提高系统运行速度。（3）并行工程定义：一种系统化的、集成化的、并行的产品及相关过程（指制造和维护）的开发模式。现代EDA工具建立了并行工程框架结构的开发环境，支持多人同时并行进行设计。一种软件平台结构（4）开放性和标准化开放性：EDA工具只要具有符合标准的开放式框架结构，就可以接纳其他厂商的EDA工具一起进行设计——资源共享标准化：随着设计数据格式标准化→EDA框架标准化，即在同一个工作站上集成各具特色的多种EDA工具，它们能够协同工作。EDA技术4．EDA技术的范畴和应用可分为系统级、门级和物理实现级三个层次的辅助设计过程涵盖了从系统级设计到版图设计的全过程，涉及电子电路设计的各个领域：IC版图设计PLD开发电路（原理）设计•模拟电路•数字电路•混合电路•高速电路PCB板设计本课程内容EDA技术5．EDA技术发展的现状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：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；在设计和仿真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。电子技术全方位纳入EDA领域；EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容；更大规模的FPGA和CPLD器件不断推出；基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP核模块；软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认；SoC高效低成本设计技术的成熟。EDA技术6．EDA技术的发展方向（1）将沿着智能化、高性能、高层次综合方向发展（2）支持软硬件协同设计芯片和芯片工作所需的应用软件同时设计，同时完成。采用协同设计，可以及早发现问题，保证一次设计成功，缩短开发周期，这在设计大系统时尤为重要。（3）采用描述系统的新的设计语言这种语言统一对硬件和软件进行描述和定义，从开始设计功能参数的提出直至最终的验证。能够使设计过程一体化；设计效率更高；而且必须从现存的方法学中深化出来。（4）推出更好的仿真和验证工具随着单一芯片上逻辑门数量超过百万门，对设计的验证工作将变得比设计任务本身还要艰难。数字系统设计问题的提出设计一个电子秒表电路，使之完成以下功能：按0.01s的步长进行计时；具有异步清零和启动/停止计数功能；并用数码管显示其秒高位、秒低位，百分秒高位、百分秒低位。为便于显示，秒和百分秒信号均采用BCD码计数方式。问题的提出（续）输入信号：clk：系统时钟信号，f=50MHz；clr：异步清零信号，负脉冲有效；startstop：启/停信号，负脉冲有效。输出信号：dsec[6..0]：驱动数码管，显示秒高位；sec[6..0]：驱动数码管，显示秒低位；cn：分钟的进位信号，接发光二极管，高有效；secd[6..0]、secm[6..0]分别显示百分秒高位和百分秒低位。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；3.由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：采用硬件描述语言（HDL），用条件语句或赋值语句表示输入和输出的逻辑关系，将整个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。现代的数字系统设计方法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。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！真有趣，可以按自己的想法设计一个芯片！我也要参加全国大学生电子设计竞赛！呀，毕业设计和冯如杯正好能用得上哎！原来在一个芯片里就可以设计一个完整的计算机系统呀！找工作时也算得上一技之长哦！数字系统的设计数字电路：对数字信号进行算术运算和逻辑运算的电路。数字集成电路：在一块半导体基片上，把众多的数字电路基本单元制作在一起形成的数字电路。数字集成电路按集成度分每块包含基本元件数小规模集成电路SSIC，10100个；中规模集成电路MSIC，1001000个；大规模集成电路LSIC，100010000个；超大规模集成电路VLSIC，10000个以上。2.数字集成电路数字系统的设计按逻辑功能的特点分：（1）通用型：具有很强的通用性，逻辑功能较简单，且固定不变。（2）专用型：即专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit），为某种专门用途而设计的集成电路。数字系统的发展得益于数字器件和集成技术的发展。摩尔定律（Moore’slaw）：每18个月，芯片集成度提高1倍，功耗下降一半。数字系统的设计SSIC→MSIC→LSIC→VLSIC→SOC（SystemOnChip片上系统）→SOPC（SystemOnaProgrammableChip，可编程片上系统）3.数字器件的发展4.集成（IC，IntegratedCircuits）技术的发展芯片的工艺线宽越来越小从1997年的0.35m，发展到现在的90nm。设计周期越来越短1997年时需要12~18月，现在可能只需要半年甚至更短！集成度越来越高从1997年的20万~50万门，发展到现在的几千万门。数字系统的设计最具有代表性的IC芯片：微控制芯片（MCU，MicroControlUnit）可编程逻辑器件（PLD，ProgrammableLogicDevice）数字信号处理器（DSP，DigitalSignalProcessor）大规模存储芯片（RAM/ROM，RandomAccessMemory/ReadOnlyMemory）光电集成芯片（OEIC，OpticalElectronicIC）以上这些器件构成了现代数字系统的基石。数字系统的设计二、传统的数字系统设计方法基于电路板——采用固定功能器件（通用型器件），通过设计电路板来实现系统功能写出真值表或状态表→推出逻辑表达式→化简→逻辑电路图→用小规模逻辑器件来实现•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数字系统的设计三、现代的数字系统设计方法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。计算机+EDA软件空白PLD+→数字系统•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中数字系统的设计特点传统方法现代方法采用器件通用型器件PLD设计对象电路板芯片设计方法自下而上自上而下仿真时期系统硬件设计后期系统硬件设计早期主要设计文件电路原理图HDL语言编写的程序数字系统的两种设计方法比较数字系统的设计1.自上而下的设计（TopDown）占据主导地位辅助的设计手段功能模块划分子模块设计系统级设计功能级描述功能仿真门级描述时序仿真若仿真未通过，则需修改设计！2.自下而上的设计（BottomUp）设计基本单元→构成子模块→子系统→系统EDA技术与PLD什么是PLD？1．什么是PLD？PLD：ProgrammableLogicDevice，可编程逻辑器件是用户可自行定义其逻辑功能的一种专用集成电路（ASIC）。作为一种通用型器件生产，但其逻辑功能由用户通过器件编程自行设定。PLD是一种数字集成电路的半成品，在它的芯片上按照一定的排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件，使用者可