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第一章（第1讲）EDA概述与FPGA基本概念amxu@home.swjtu.edu.cn2008-9-1EDA技术与DE2实践21.1EDA技术及发展20世纪末，数字电子技术的飞速发展，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化的提高。在其推动下，数字电子技术的应用已经渗透到人类生活的各个方面。从计算机到手机，从数字电话到数字电视，从家用电器到军用设备，从工业自动化到航天技术，都尽可能采用了数字电子技术。2008-9-1EDA技术与DE2实践3微电子技术，即大规模集成电路加工技术的进步是现代数字电子技术发展的基础。目前，在硅片的单位面积上集成的晶体管数量越来越多，1978年推出的8086微处理器芯片集成的晶体管数是4万只，到2000年推出的Pentium4微处理器芯片的集成度上升到4200万只晶体管，2005年生产可编程逻辑器件（PLD）的集成度达到5亿只晶体管，包含的逻辑元件（LogicElements，LEs）有18万个，而2008年生产的PLD中的LEs达到68万个。原来需要成千上万只电子元器件组成的计算机主板或彩色电视机电路，现在仅用一片或几片超大规模集成电路就可以代替，现代集成电路已经能够实现单片电子系统SOC（SystemOnaChip）的功能。2008-9-1EDA技术与DE2实践4•Inthefuture,veryfewelectronicequipmentcanexistwithoutprogrammablelogic.Programmabilityisthefutureofelectronicsystemdesign.FixedfunctionSOC’s(System-on-a-Chips)willbecomelessandlesspractical.Thehighdevelopmentcost,longdevelopmenttimeandlackofflexibilityoftenrenderSOC’stobeobsoletesoonaftertheycomeoutofinitialproduction.•在将来，很少有电子设备不用可编程逻辑而还能够存在。可编程性是电子系统设计的前景。固定功能的片上系统SOC’s开发成本高、周期长及缺乏灵活性常常使得它们刚一形成初始产品就过时了，其应用将越来越少。2008-9-1EDA技术与DE2实践5AlterapioneeredSOPCbyputtingthe“P”in“SOC”.P=Programmability=Flexibility.NiosⅡ,Altera’spopularsoftcoreRISCCPU,isattheheartofSOPCdesign.AlteraDSPBuildercandesignthehighspeedsubsystemforNios.Itscharacteristicismodulefeaturedesign.Altera将“P”植入于“SOC”之中而首创了SOPC，这里P=可编程性=灵活性。Altera公司廉价而通俗的RISC(ReducedInstructionSetComputer,精简指令集计算机)CPU软核NiosⅡ是SOPC（System-on-a-ProgrammableChip,单芯片片上可编程系统）设计的核心。AlteraDSPBuilder可以为Nios设计高速子系统，而模块化设计是其特点。2008-9-1EDA技术与DE2实践6现代电子设计技术的核心是EDA（ElectronicDesignAutomation）技术。EDA技术就是依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD／FPGA或专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）芯片中，实现既定的电子电路设计功能。EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。2008-9-1EDA技术与DE2实践7EDA是在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM,ComputerAidedManufacture）、计算机辅助测试（CAT,ComputerAidedTest）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而宋的。一般把EDA技术的发展分为CAD、CAE和EDA这三个阶段。2008-9-1EDA技术与DE2实践8CAD（ComputerAidedDesign，计算机辅助设计）是EDA技术发展的早期阶段，在这个阶段，人们开始利用计算机取代手工劳动。但当时的计算机硬件功能有限，软件功能较弱，人们主要借助计算机对所设计的电路进行一些模拟和预测，辅助进行集成电路版图编辑、印制电路板（PrintedCircuitBoard，PCB）布局布线等简单的版图绘制工作。20世纪70年代的CAD阶段2008-9-1EDA技术与DE2实践920世纪80年代的CAE阶段CAE（ComputerAidedEngineering,计算机辅助工程）是在CAD的工具逐步完善的基础上发展起来的，尤其是人们在设计方法学、设计工具集成化方面取得了长足的进步，可以利用计算机作为单点设计工具，并建立各种设计单元库，开始用计算机将许多单点工具集成在一起使用，大大提高了工作效率。2008-9-1EDA技术与DE2实践1020世纪90年代的ESDA阶段电子系统设计自动化(ESDA，ElectronicSystemDesignAutomation)阶段。随着微电子技术的发展，速度更快、容量更大、功能更强的PLD的不断推出，对数字电子系统的设计提出了更高的要求。出现了以利用硬件描述语言、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术。其特点是在功能强大的EDA工具(包括系统行为级描述与结构级综合、系统仿真与测试验证、系统划分与指标分配、系统决策与文件生成等一整套设计工具)软件平台上，以系统级设计为核心，使用硬件描述语言进行系统设计，自动进行逻辑编译、仿真、优化、综合、布线、测试等工作，完成系统设计功能的硬件实现。使得设计者从繁杂的工作中解放出来，把精力集中在系统方案的设计上，是一种高效率的现代设计方法。2008-9-1EDA技术与DE2实践1120世纪90年代以来，微电子工艺有了惊人的发展，2006年工艺水平已经达到了60nm，2008年Altera公司的FPGA工艺水平已经达到了40nm。在一个芯片上已经可以集成上百万只乃至数十亿只晶体管，芯片速度达到了8.5Gb／s量级。大容量的可编程逻辑器件陆续面世，对电子设计的工具提出了更高的要求，提供了广阔的发展空间，促进了EDA技术的形成。特别重要的是，世界各EDA公司致力推出兼容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的EDA工具软件，有效地将EDA技术推向成熟。2008-9-1EDA技术与DE2实践12今天，EDA技术已经成为电子设计的重要工具，无论是设计芯片还是设计系统，如果没有EDA工具的支持，都将是难以完成的。EDA工具已经成为现代电路设计师的重要武器，正在发挥着越来越重要的作用。2008-9-1EDA技术与DE2实践131.2EDA设计流程利用EDA技术进行电路设计的大部分工作是在EDA软件工作平台上进行的，EDA设计流程如图1.1所示。EDA设计流程包括设计准备、设计输入、设计处理和器件编程4个步骤，以及相应的功能仿真、时序仿真和器件测试3个设计验证过程。2008-9-1EDA技术与DE2实践14图1.1EDA设计流程2008-9-1EDA技术与DE2实践151.2.1设计准备设计准备是设计者在进行设计之前，依据任务要求，确定系统所要完成的功能及复杂程度，器件资源的利用、成本等所要做的准备工作，如进行方案论证、系统设计和器件选择等。2008-9-1EDA技术与DE2实践161.2.2设计输入设计输入是将设计的电路或系统按照EDA开发软件要求的某种形式表示出来，并送入计算机的过程。设计输入有多种方式，包括采用硬件描述语言（如VHDL和VerilogHDL）进行设计的文本输入方式、图形输入方式和波形输入方式，或者采用文本、图形两者混合的设计输入方式。也可以采用自顶向下（Top-Down）的层次结构设计方法，将多个输入文件合并成一个设计文件等。2008-9-1EDA技术与DE2实践171.图形输入方式图形输入也称为原理图输入，这是一种最直接的设计输入方式。它使用软件系统提供的元器件库及各种符号和连线画出设计电路的原理图，形成图形输入文件。这种方式大多用在对系统及各部分电路很熟悉的情况，或在系统对时间特性要求较高的场合。优点是容易实现仿真，便于信号的观察和电路的调整。2008-9-1EDA技术与DE2实践182.文本输入方式文本输入是采用硬件描述语言进行电路设计的方式。硬件描述语言有普通硬件描述语言和行为描述语言，它们用文本方式描述设计和输入。普通硬件描述语言有AHDL、CUPL等，它们支持逻辑方程、真值表、状态机等逻辑表达方式。2008-9-1EDA技术与DE2实践19行为描述语言是目前常用的高层硬件描述语言，有VHDL、VerilogHDL等，它们具有很强的逻辑描述和仿真功能，可实现与工艺无关的编程与设计，可以使设计者在系统设计、逻辑验证阶段就确立方案的可行性，而且输入效率高，在不同的设计输入库之间转换也非常方便。运用VHDL或VerilogHDL硬件描述语言进行设计已是当前的趋势。2008-9-1EDA技术与DE2实践203.波形输入方式波形输入主要用于建立和编辑波形设计文件及输入仿真向量和功能测试向量。波形设计输入适合用于时序逻辑和有重复性的逻辑函数，系统软件可以根据用户定义的输入／输出波形自动生成逻辑关系。波形编辑功能还允许设计者对波形进行复制、剪切、粘贴、重复与伸展，从而可以用内部节点、触发器和状态机建立设计文件，并将波形进行组合，显示各种进制的状态值。还可以通过将一组波形重叠到另一组波形上，对两组仿真结果进行比较。2008-9-1EDA技术与DE2实践211.2.3设计处理设计处理是EDA设计中的核心环节。在设计处理阶段，编译软件对设计输入文件进行逻辑化简、综合和优化，并适当地用一片或多片器件自动地进行适配，最后产生编程用的编程文件。设计处理主要包括设计编译和检查、设计优化和综合、适配和分割、布局和布线、生成编程数据文件等过程。2008-9-1EDA技术与DE2实践22•1.设计编译和检查•设计输入完成之后，立即进行编译。在编译过程中，首先进行语法检验，如检查原理图的信号线有无漏接、信号有无双重来源、文本输入文件中关键词有无错误等各种语法错误，并及时标出错误的类型及位置，供设计者修改。然后进行设计规则检验，检查总的设计有无超出器件资源或规定的限制并将编译报告列出，指明违反规则和潜在不可靠电路的情况以供设计者纠正。2008-9-1EDA技术与DE2实践23•2.设计优化和综合•设计优化主要包括面积优化和速度优化。面积优化的结果使得设计所占用的逻辑资源（门数或逻辑元件数）最少：时间优化的结果使得输入信号经历最短的路径到达输出，即传输延迟时间最短。综合的目的是将多个模块化设计文件合并为一个网表文件，并使层次设计平面化（即展平）。2008-9-1EDA技术与DE2实践24•3.适配和分割•在适配和分割过程，确定优化以后的逻辑能否与下载目标器件CPLD或FPGA中的宏单元和I／O单元适配，然后将设计分割为多个便于适配的逻辑小块形式映射到器件相应的宏单元中。如果整个设计不能装入一片器件时，可以将整个设计自动分割成多块并装入同一系列的多片器件中去。•分割工作可以全部自动实现，也可以部分由用户控制，还可以全部由用户控制。分割时应使所需器件数目和用于器件之间通信的引脚数目尽可能少。20