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第1章EDA技术概述EDA技术与VHDL设计EDA技术概述信息社会的发展离不开集成电路，现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快。当前集成电路正朝着速度快、容量大、体积小、功耗低的方向发展。1.1EDA技术及其发展历程EDA技术的特征和优势EDA设计的目标和流程硬件描述语言EDA技术与ASIC设计EDA技术的发展趋势EDA设计工具1.21.31.41.51.61.7EDA技术概述EDA技术简介EDA即电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation），是随着集成电路和计算机技术飞速发展应运而生的一种快速、有效、高级的电子设计自动化工具。EDA工具融合了应用电子技术、计算机技术和智能化技术的最新成果，主要能辅助进行三方面的设计工作：集成电路（IC）设计、电子电路设计以及印刷电路板（PCB）设计。1.1EDA技术及其发展历程EDA技术发展阶段1.1EDA技术及其发展历程CAD阶段CAE阶段设计自动化阶段EDA技术的最新发展（1）电子技术各个领域全方位融入EDA技术，传统的电路系统设计建模理念发生了重大的变化。（2）IP核的在电子行业得到了广泛应用。（3）在FPGA实现DSP应用成为可能。（4）SOPC技术步入了大规模应用阶段。（5）各种EDA工具的推出，使得电子系统设计和验证趋于简单。（6）EDA技术使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加相互包容和渗透。1.1EDA技术及其发展历程在现代电子设计领域，EDA技术已经成为电子系统设计的重要手段。无论是设计数字系统还是集成电路芯片，其设计作业的复杂程度都在不断增加，仅仅依靠手工进行设计已经不能满足要求，所有的设计工作都需要在计算机上借助于EDA软件工具进行。利用EDA设计工具，设计者可以预知设计结果，减少设计的盲目性，极大地提高设计的效率。1.2EDA技术的特征和优势现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力，具有开放式的设计环境，具有丰富的元件模型库等。基本特征主要有：硬件描述语言设计输入用硬件描述语言进行电路与系统的设计是当前EDA技术的一个重要特征，硬件描述语言输入是现代EDA系统的主要输入方式。1.2.1EDA技术的基本特征“自顶向下”设计方法1.2.1EDA技术的基本特征Bottom-up行为设计系统分解结构设计单元设计逻辑设计电路设计功能块划分子系统设计版图设计系统总成Top-down逻辑综合与优化逻辑综合是上世纪90年代电子学领域兴起的一种新的设计方法，是以系统级设计为核心的高层次设计开放性和标准化开放式的设计环境也称之为框架结构。框架是一种软件平台结构，它在EDA系统中负责协调设计设计过程和管理设计数据，实现数据与工具的双向流动，为EDA工具提供合适的操作环境。库（Library）EDA工具必须配有丰富的库（元器件图形符号库、元器件模型库、工艺参数库、标准单元库、可复用的电路模块库、IP库等）。1.2.1EDA技术的基本特征传统的数字系统设计一般采用搭“积木块”的手工设计方式,相之下，采用EDA技术进行电子系统的设计有着很大的优势：采用硬件描述语言，便于复杂系统的设计；强大的系统建模和电路仿真功能；具有自主的知识产权;开发技术的标准化和规范化;全方位地利用计算机的自动设计、仿真和测试技术;对设计者的硬件知识和硬件经验要求低。1.2.2EDA技术的优势EDA技术的范畴应包括电子工程师进行产品开发的全过程。EDA技术可粗略分为系统级、电路级和物理实现级三个层次的辅助设计过程。EDA技术的范畴如图所示。1.3EDA设计的目标和流程数字系统模块化设计器件模型库系统仿真数字电路设计模拟电路设计FPGA设计ASIC版图设计PCB设计混合电路设计EDA工具一般地说，利用EDA技术进行电子系统设计，归纳起来主要有以下4个应用领域：印刷电路板（PCB）设计；集成电路（IC或ASIC）设计；可编程逻辑器件（FPGA/CPLD）设计；混合电路设计。1.3.1EDA技术的实现目标利用EDA技术进行电路设计的大部分工作是在EDA软件平台上进行的。一个典型的EDA设计流程主要包括设计准备、设计输入、设计处理、器件编程和设计验证等5个基本步骤，如图所示。1.3.2EDA设计流程设计输入设计验证设计处理设计准备器件编程首先是系统描述，在这个阶段中要对用户的需求，市场前景以及互补产品进行充分的调研与分析；对设计模式和制造工艺的选择进行认证；最终目标是用工程化语言将待设计IC的技术指标、功能、外形尺寸、芯片面积、工作速度与功耗等描述出来。其次是功能设计，这一阶段的工作是根据用户提出的系统指标要求，将该系统划分成若干个子系统，在行为级上将IC的功能及其各组成子系统的功能关系正确而完整的描述出来。最后是进行物理设计，包括版图设计与版图验证两方面。1.3.3数字集成电路的设计数字集成电路的设计流程1.3.3数字集成电路的设计系统描述（指标要求）功能设计逻辑设计逻辑模拟电路设计电路模拟版图设计版图验证（DRC、ERC、LVS）工艺设计（结构和参数）不合格不合格不合格数字IC版图数字集成电路的设计流程模拟集成电路的设计流程整个流程分为结构级设计、单元级设计（又分为拓扑选择、尺寸优化两步）和物理版图级设计三个阶段。结构设计是将用户给定的关于模拟集成电路性能的抽象描述转化为一个用各种功能单元所构成的电路；拓扑选择是根据功能单元的性能指标和工作环境，决定用何种具体的电路结构来实现该单元的功能；尺寸优化是在获得电路结构的条件下，根据所需的电路性能指标和生产条件确定每个器件的“最佳”几何尺寸，提高合格率；物理版图级设计是将具有器件几何尺寸和满足一定约束条件的电原理图映射成集成电路版图。1.3.4模拟集成电路的设计1.3.4模拟集成电路的设计性能指标行为级设计功能块设计拓扑选择物理版图设计尺寸优化行为级模拟宏模型模拟电路性能预估电路模拟版图参数取及后模拟模拟IC版图功能模块电路模块电路拓扑电路原理图结构级设计单元级设计版图级设计电路级设计模拟集成电路的设计流程EDA技术的一个重要应用是ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuits，专用集成电路）。ASIC是面向专门用途的电路，以此区别于标准逻辑（StandardLogic）、通用存储器、通用微处理器等电路。目前在集成电路界，ASIC被认为是用户专用集成电路（CustomerSpecificIC）,即它是专门为一个用户设计和制造的。换言之，它是根据某一用户的特定要求，能以低研制成本、短交货周期供货的全定制、半定制集成电路。1.4EDA技术与ASIC设计ASIC的特点与通用集成电路相比，ASIC在构成电子系统时具有以下几个方面的优越性：（1）缩小体积、减轻重量、降低功耗;（2）提高可靠性;（3）易于获得高性能;（4）可增强保密性;（5）在大批量应用时，可显著降低系统成本。1.4.1ASIC的特点与分类ASIC的分类ASIC按功能的不同可分为数字ASIC、模拟ASIC、数模混合ASIC和微波ASIC；按使用材料的不同可分为硅ASIC和砷化镓ASIC。一般地说，数字、模拟ASIC主要采用硅材料，微波ASIC主要采用砷化镓材料。砷化镓具有高速、抗辐射能力强、寄生电容小和工作温度范围宽等优点，目前已在移动通信、卫星通信等方面得到广泛应用。1.4.1ASIC的特点与分类ASIC的设计按照版图结构及制造方法分，有全定制和半定制两种实现方法。全定制法是一种手工设计版图的设计方法，设计者需要使用全定制版图设计工具来完成。半定制法是一种约束性设计方法，可再分为门阵列、标准单元和可编程逻辑器件法。1.4.2ASIC的设计方法ASIC设计方法全定制法半定制法门阵列法标准单元可编程逻辑器件法全定制法全定制法是一种基于晶体管级的设计方法，它主要针对要求得到最高速度、最低功耗和最省面积的芯片设计。为满足这种要求，设计者必须使用版图编辑工具从晶体管的版图尺寸、位置及互连线开始亲自设计，以期得到ASIC芯片的最优性能。1.4.2ASIC的设计方法门阵列法门阵列是最早开发并得到广泛应用的ASIC设计技术，它是在一个芯片上把门排列成阵列形式，严格地讲是把含有若干个器件的单元排列成阵列形式。1.4.2ASIC的设计方法标准单元法标准单元设计是以精心设计好的标准单元库为基础。根据需要选择库中的标准单元构成电路，然后调用这些标准单元的版图，并利用自动布局布线软件完成电路到版图的最终设计。1.4.2ASIC的设计方法可编程逻辑器件法可编程逻辑器件是ASIC的一个重要分支。与前面介绍的几类ASIC不同，它是一种已完成了全部工艺制造、可直接从市场上购得的产品，用户只要对它编程就可实现所需要的电路功能，所以称它为可编程ASIC。不同设计方法的综合比较。1.4.2ASIC的设计方法设计方法设计效率功能/面积电路速度设计出错率可测性可重新设计性全定制×√√√△×标准单元――○△―○门阵列○△―△―○可编程逻辑器件√△△×√√注：√最高（最大），○高（大），―中等，△低（小），×最低（最小）微电子技术的迅速发展，集成电路设计和工艺技术水平有了很大的提高，单片集成度已经超过上亿个晶体管，从而使得将原先由许多IC芯片组成的电子系统集成在一个硅片上成为可能，构成所谓的片上系统（SystemOnaChip，SOC），或系统芯片。SOC将系统的主要功能综合到一块芯片中，本质上是在做一种复杂的IC设计。与普通的集成电路相比，SOC不再是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集、信号处理、输入和输出等完整的系统功能集成在一起，成为一个专用功能的电子系统芯片。1.4.3SOC设计IP核：IP的原来含义是知识产权、著作权等。在IC设计领域可将其理解为实现某种功能的设计。SOC单片系统：SOC是指将一个完整的系统集成在一个芯片上，用一个芯片实现一个功能完整的系统，如图所示。1.4.3SOC设计CPU核RAM/ROM核USB接口核DSP核A/D、D/A核I/O单元核基于IP模块的SOC设计：嵌入式设计方法中大量采用知识产权IP模块的复用，就是基于IP模块的SOC设计方法。1.4.3SOC设计IP模块设计IP模块设计IP模型生成含时序的全功能指令集、体系结构总线功能时序模型测试模型平面物理模型IP模型层次电规则模型设计修正周期精度的全功能功能设计详细时序设计物理设计系统芯片软件设计IP模块集成SOC的实现：微电子制造工艺的进步为SOC的实现提供了硬件基础，微电子技术的近期发展成果又为SOC的实现提供了多种途径，而EDA软件技术的提高则为SOC的实现创造了必要的开发平台。1.4.3SOC设计硬件描述语言（HDL）就是可以描述硬件电路的功能、信号连接关系及定时（时序）关系的语言，也是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字系统的。硬件描述语言的发展至今已有二十多年的历史，它是EDA技术的重要组成部分，也是EDA技术发展到高级阶段的一个重要标志。常用的硬件描述语言有ABEL、AHDL、VHDL、VerilogHDL、System-Verilog和SystemC等等。而VHDL和VerilogHDL是当前最流行的并已成为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到了众多EDA公司的支持。1.5硬件描述语言VHDLVHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。VerilogHDLVerilogHDL是在C语言的基础上发展而来的硬件描述语言，具有简洁、高效、易用的特点。不同层次的描述方式比较：1.5硬件描述语言设计层次行为描述结构描述系统级系统算法系统逻辑框图RTL级数据流图、真值表、状态机寄存器、ALU、ROM等分模块描述门级布尔方程、真值表逻辑门、触发器、锁存器构成的逻辑图版图级几何图形图形连接关系ABEL-HDLABEL-HDL是一种最基本的硬件描述语言，它支持各种行为的输入方式，包括布尔方程、真