第1章 EDA绪论

第1章EDA绪论山东师范大学传播学院秦绍华信息时代21世纪是信息时代，集成电路是信息技术的基石，我们通常所接触的电子产品，包括通讯系统、计算机与网络系统、智能化系统、自动控制系统、空间技术、数字家电等等，都离不开集成电路IntelPentium8400EE处理器包含超过2.3亿个晶体管，采用65纳米技术（1纳米=10-9m）集成电路的设计，离不开EDA技术EDA技术EDA(ElectronicsDesignAutomation)EDA技术是一种通过软件方法完成硬件设计的计算机技术软件和硬件相结合的一门技术微电子技术和现代电子设计技术的结合计算机芯片ASIC集成电路的发展微电子技术的主要产品是集成电路1906年，美国物理学家--德福列斯特研制成功世界上第一只三极电子管1947年，美国人索克雷·巴丁和布拉塔因一起发明了晶体管1958年，TI成功开发出全球第一颗IC，意味着晶体管时代的结束，IC时代的正式开始，集成电路的发展1962年制造出包含12个晶体管的小规模集成电路SSI（Small-ScaleIntegration）；1966年发展到集成度为100－1000个晶体管的中规模集成电路MSI（Medium-ScaleIntegration）；1967－1973年，研制出1000个至10万个晶体管的大规模集成电路LSI（Large-ScaleIntegration）；集成电路的发展1977年研制出在30平方毫米的硅晶片上集成15万个晶体管的超大规模集成电路VLSI（VeryLarge-ScaleIntegration），这是电子技术的第四次重大突破，从此真正迈入了微电子时代；1993年集成了1000万个晶体管的16MFLASH和256MDRAM研制成功，进入了特大规模集成电路ULSI(UltraLarge-ScaleIntegration)时代；1994年集成了1亿个元件的1GDRAM研制成功，进入了巨大规模集成电路GSI（GigaScaleIntegration）时代。集成电路的发展从电路集成到系统集成片上系统SOC（System-on-a-chip）兴起EDA技术实现的目标器件可编程器件：FPGA,CPLDASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）混合ASIC例如CPU,RAM,ROM等电子设计技术电子设计技术和微电子技术互相促进，大体经历了三个阶段CAD（ComputerAidedDesign）CAE（ComputerAidedEngineering）EDA(ElectronicsDesignAutomation)CAD阶段20世纪60年代~80年代初期，出现了一些相对独立的软件工具，典型的有PCB制板布线设计，以及其它用于电路仿真的工具。使设计者从繁琐、重复的计算和绘图中解脱出来。该阶段的产品主要有如AUTOCAD、TANGO、PROTEL、SPICE等软件。CAE阶段20世纪80年代初期到90年代，设计工具集成化，一个软件一般包含了原理图输入、编译与连接、逻辑模拟、测试码生成、版图自动布局、单元库和门阵列等内容。设计从原理到版图实现自动化，EDA阶段20世纪90年代至今，设计工具完全集成化，可以实现以HDL语言为主的系统级综合与仿真，从设计输入到版图的形成，几乎不需要人工干预，因此整个流程实现自动化。该阶段的EDA的发展还促进设计方法的转变，由传统的自底向上的设计方法逐渐转变为自顶向下的设计方法硬件描述语言HDL(hardwaredescriptionlanguage)一种用形式化方法描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言计算机可识别可以描述电路可以综合VHDLVHDL83年由美国国防部发起创建87年成为IEEE标准93年，IEEE进行了修订VHDL与VerilogVHDL综合综合（synthesis），把某些东西结合到一起EDA中，综合指将用行为和功能层次表达的电子系统转换为低层次的，便于具体实现的模块组合装配的过程。设计过程中的每一步都可称为一个综合环节。(1)从自然语言转换到VHDL语言算法表示，自然语言综合(2)从算法表示转换到寄存器传输级(RegisterTransportLevel)，即从行为域到结构域的综合，即行为综合；(3)RTL级表示转换到逻辑门的表示，即逻辑综合；(4)从逻辑门表示转换到版图表示(ASIC设计)，或转换到FPGA的配置网表文件，可称为版图综合或结构综合。有了版图信息就可以把芯片生产出来了。有了对应的配置文件，就可以使对应的FPGA变成具有专门功能的电路器件。综合计算机语言源程序HDL源程序网表文件可执行文件0100110110编译器Compiler综合器Synthesizer综合编译器将软件程序翻译成基于某种特定CPU的机器代码，并不改变CPU的硬件结构综合器将软件程序转化成网表文件，下载到芯片中，决定芯片的硬件结构；综合器在转化时不是机械地翻译，具有能动性和创造性综合器运行流程VHDL程序工艺库约束图表综合器CIC-310B实验板外观面包板下载板引脚引之面包板下载板芯片CPLD下载板三个电源输入端CIC-310系统的工作流程计算机（安装有QuartusⅡ)开发系统CPLD/FPGA下载板I/O实验板RS-232下载程序管理员（Dnld3/dnld10)执行档案管理工作●在计算机里完成电路编辑、电路仿真、芯片定义●利用RS-232连接线使下载板与计算机连接，与下载程序管理员（Dnld3/Dnld10)来共同完成下载的动作●在I/O实验板上进行实验，来验证编辑的芯片HDL自顶向下的设计过程系统级仿真行为级仿真行为级设计RTL级设计RTL级仿真门级仿真定时检查逻辑综合输出门级网表系统级行为级（算法级）寄存器级（功能）门级（时序）系统级设计传统电子设计技术自底向上的设计方法选择元器件—构成系统—调试电路例如设计一个6进制的加法计数器选择器件：JK触发器、T触发器、D触发器状态图、卡诺图化简、画出原理图、搭建电路、调试传统电子设计技术设计步骤根据技术要求选择相应元器件装配调试画出印刷板画出电原理图设计完成正确有错6进制加法计数器状态转移图0000010101011000111111106进制加法计数器电路图QQSETCLRDQ2QQSETCLRDQ1QQSETCLRDQ0&0000&0000&000&0000&0000&000EDA设计6进制加法计数器entityconterisport(clk:instd_logic;cout:bufferintegerrange5downto0);endconter;architecturebehaviorofconterisbeginProcess(clk)beginifclk'eventandclk='1'thenifcout=5thencout=0;elsecout=cout+1;endif;endif;endprocess;endbehavior;8进制加法计数器状态转移图000001010101100011111110EDA设计8进制加法计数器entityconterisport(clk:instd_logic;cout:bufferintegerrange7downto0);endconter;architecturebehaviorofconterisbeginprocess(clk)beginifclk'eventandclk='1'thenifcout=7thencout=0;elsecout=cout+1;endif;endif;endprocess;endbehavior;EDA设计8进制减法计数器entityconterisport(clk:instd_logic;cout:bufferintegerrange7downto0);endconter;architecturebehaviorofconterisbeginProcess(clk)beginifclk'eventandclk='1'thenifcout=0thencout=7;elsecout=cout-1;endif;endif;endprocess;endbehavior;传统设计方法的缺点手工设计复杂电路的设计、调试困难查找错误和修改设计不便文档不易管理，不利于团队合作可移植性差不能进行前期仿真EDA的优点采用HDL,设计、调试、查错、修改简单可进行不同阶段的仿真设计文档易于管理，适合团队合作库的引入和IP(IntellectualProperty)核的使用开发标准化、规范化，具有自主知识产权采用自顶向下的设计方法对设计者的硬件知识要求低高速性能好、可靠性高EDA的发展趋势集成电路的集成度和工艺水平不断提高高性能EDA工具不断出现ASIC和FPGA的融合模拟器件的自动化设计SoC本课程目标了解EDA的设计理念掌握EDA设计的基本方法运用EDA设计工具——quartusII运用VHDL语言进行设计作业1-4自顶向下设计方法的意义