基于EDA技術(shù)進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)的研究

1、基于EDA技術(shù)進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)的研究         1 EDA技術(shù)       EDA(電子線路設(shè)計(jì)座自動(dòng)化)是以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)、以硬件描述語(yǔ)言(VHDL)為設(shè)計(jì)語(yǔ)言、以可編程器件(CPLD / FPGA)為實(shí)驗(yàn)載體、以ASIC / SOC芯片為目標(biāo)器件、進(jìn)行必要的元件建模和系統(tǒng)仿真的電子產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程。EDA是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，它源于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試和計(jì)算機(jī)輔助工程。利用EDA工具，電子設(shè)計(jì)師從概念，算法、協(xié)議開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，從

2、電路設(shè)計(jì)，性能分析直到IC版圖或PCB版圖生成的全過(guò)程均可在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)完成。EDA代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，其基本特征是設(shè)計(jì)人員以計(jì)算機(jī)為工具，按照自頂向下的設(shè)計(jì)方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和功能劃分，由硬件描述語(yǔ)言完成系統(tǒng)行為級(jí)設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的開發(fā)工具自動(dòng)完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局布線、仿真及特定目標(biāo)芯片的適配編譯和編程下載，這被稱為數(shù)字邏輯電路的高層次設(shè)計(jì)方法。       1.1 EDA 軟件簡(jiǎn)介       "EDA " 就是Electr

3、onic Design Automation(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)，也就是能夠幫助人們?cè)O(shè)計(jì)電子電路或系統(tǒng)的軟件工具，該工具可以使設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路和系統(tǒng)成為可能。目前進(jìn)人我國(guó)并具有廣泛影響的EDA軟件有:muhisim7,OW -AD, Protel,Viewlogio,Mentor,Synopsys,PCBW Id,Ca dence,MicmSim等等，這些軟件各具特色，大體分為芯片級(jí)設(shè)計(jì)工具、電路板級(jí)設(shè)計(jì)工具、可編程邏輯器件開發(fā)工具和電路仿真工具等幾類;其中Protel是國(guó)內(nèi)最流行、使用最廣泛的一種印制電路板設(shè)計(jì)的首選軟件，由澳大利亞protd Technology公司出品，過(guò)去只是用來(lái)進(jìn)行原理

4、圖輸人和PCB版圖設(shè)計(jì)，從Protel 98開始，加人了模擬數(shù)字混合電路仿真模塊和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)模塊，1999年P(guān)rotel推出了功能更加強(qiáng)大的EDA綜合設(shè)計(jì)環(huán)境Protel99 ,它將EDA的全部?jī)?nèi)容整合為一體，成為完整的EDA軟件，因而該軟件發(fā)展?jié)摿艽?，但它最具特色和最?qiáng)大的功能仍是原理圖輸人和PCB版圖設(shè)計(jì)。       1.2 EDA技術(shù)的主要內(nèi)容       EDA技術(shù)涉及面很廣，內(nèi)容豐富，從教學(xué)和實(shí)用的角度看，主要應(yīng)掌握如下4個(gè)方面的內(nèi)容:一是大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?二是硬件描述

5、語(yǔ)言;三是軟件開發(fā)工具;四是實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)。其中，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷抢肍DA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載體，硬件描述語(yǔ)言是利用FDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要表達(dá)手段，軟件開發(fā)工具是利用FDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化的自動(dòng)設(shè)計(jì)工具，實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)則是利用FDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下載工具及硬件驗(yàn)證工具。       1.3 EDA技術(shù)的主要特征       作為現(xiàn)代電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)技術(shù)EDA具有幾個(gè)明顯特征:       1.3.1用軟件設(shè)計(jì)

6、的方法來(lái)設(shè)計(jì)硬件       硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)的開發(fā)軟件自動(dòng)完成的，設(shè)計(jì)輸人可以是原理圖VHDL語(yǔ)言，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)方式的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定功能硬件電路的設(shè)計(jì)，而硬件設(shè)計(jì)的修改工作也如同修改軟件程序一樣快捷方便，設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程幾乎不涉及任何硬件，可操作性、產(chǎn)品互換性強(qiáng)。       1.3.2基于芯片的設(shè)計(jì)方法       EDA設(shè)計(jì)方法又稱為基于芯片的設(shè)計(jì)方法，集成化程度更高，可實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)集成，進(jìn)行更加復(fù)雜的電路芯片化設(shè)計(jì)和專用集成電路設(shè)計(jì)

7、，使產(chǎn)品體積小、功耗低、可靠性高;可在系統(tǒng)編程或現(xiàn)場(chǎng)編程，使器件編程、重構(gòu)、修改簡(jiǎn)單便利，可實(shí)現(xiàn)在線升級(jí);可進(jìn)行各種仿真，開發(fā)周期短，設(shè)計(jì)成本低，設(shè)計(jì)靈活性高。       1.3.3 自動(dòng)化程度高       EDA技術(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)輸入文件，將電子產(chǎn)品從電路功能仿真、性能分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)到結(jié)果測(cè)試的全過(guò)程在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成自動(dòng)生成目標(biāo)系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)人員不必學(xué)習(xí)許多深人的專業(yè)知識(shí)，也可免除許多推導(dǎo)運(yùn)算即可獲得優(yōu)化的設(shè)計(jì)成果，設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度高，減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量，開發(fā)效率高。  

8、;     1.3.4 自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)品直面設(shè)計(jì)       EDA技術(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)輸人文件(HDL或電路原理圖)，自動(dòng)地進(jìn)行邏輯編譯、化簡(jiǎn)、綜合、仿真、優(yōu)化、布局、布線、適配以及下載編程以生成目標(biāo)系統(tǒng)，即將電子產(chǎn)品從電路功能仿真、性能分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)到結(jié)果測(cè)試的全過(guò)程在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成;       1.4 EDA 的技術(shù)要點(diǎn)       1.4.1 可編程邏輯器件-PLD     

9、;  數(shù)字邏輯器件的發(fā)展直接反映了從分立元件、中小規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)芯片過(guò)渡到可編程邏輯器件的過(guò)程。ISP技術(shù)和HDPLD器件使設(shè)計(jì)人員能夠在實(shí)驗(yàn)室中方便地開發(fā)專用集成數(shù)字電路芯片ASIC。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外許多著名廠商均已開發(fā)出新一代ISP器件以及相應(yīng)的開發(fā)軟件(如Synario,EXPERT,Fundation,MAX+Plus2等)。       1.4.2 "自頂而下"的設(shè)計(jì)方法       10年前， 電子設(shè)計(jì)的基本思路還是選擇標(biāo)準(zhǔn)的集成電路"自底向上"

10、;(Bottom-Up)地構(gòu)造出一個(gè)新的系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)方法如同一磚一瓦建造樓房，不僅效率低、成本高而且容易出錯(cuò)，高層次的設(shè)計(jì)給我們提供了一種"自頂向下"(Top-Down)的全新設(shè)計(jì)方法，這種方法首先從系統(tǒng)入手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在方框圖一級(jí)進(jìn)行仿真、糾錯(cuò)，并用硬件描述語(yǔ)言對(duì)高層的系統(tǒng)進(jìn)行描述，在系統(tǒng)一級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，然后用綜合優(yōu)化工具生成具體的門電路網(wǎng)表，其對(duì)應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)級(jí)可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐罚捎谠O(shè)計(jì)的主要仿真和調(diào)試過(guò)程是在高層次上完成的，這既有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，避免設(shè)計(jì)工時(shí)的浪費(fèi)，同時(shí)也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)的一

11、次成功率。       2 數(shù)字的電路設(shè)計(jì)       20世紀(jì)90年代以來(lái)，電子信息類產(chǎn)品的開發(fā)明顯出現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn):一是產(chǎn)品的復(fù)雜程度加深;二是產(chǎn)品的上市時(shí)限緊迫。隨著計(jì)算機(jī)性價(jià)比的提高及可編程邏輯器件的出現(xiàn)，對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了解放性的革命，現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)師自己設(shè)計(jì)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的功能，將傳統(tǒng)的固件選用及電路板設(shè)計(jì)工作放在芯片設(shè)計(jì)中進(jìn)行。然而電路設(shè)計(jì)本質(zhì)上是基于門級(jí)描述的單層次設(shè)計(jì)(主要以數(shù)字電路為主)，設(shè)計(jì)的所有工作(包括設(shè)計(jì)輸人、仿真和分析、設(shè)計(jì)修改等)都是在

12、基本邏輯門這一層次上進(jìn)行的，顯然這種設(shè)計(jì)方法不能適應(yīng)新的形勢(shì)，為此引人一種高層次的電子設(shè)計(jì)方法，也稱為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。       數(shù)字電路設(shè)計(jì)性本身就是一種綜合性的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)電路中一般包含不同類型的電路，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不可避免地存在許多錯(cuò)誤和不足如果直接按照這一設(shè)計(jì)的電路在電路板上進(jìn)行安裝、調(diào)試，其結(jié)果往往使電路調(diào)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，甚至?xí)鹪骷蛢x器設(shè)備損壞等問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不能達(dá)到預(yù)期效果。應(yīng)用EDA技術(shù)在仿真軟件平臺(tái)上設(shè)計(jì)數(shù)字電路，能幫助熟悉和掌握最先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)方法和技能。在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，新器件、新電路不斷涌現(xiàn)，而設(shè)計(jì)條件受經(jīng)費(fèi)

13、等因素的制約，一般不能及時(shí)更新。采用軟件仿真的方法，在計(jì)算機(jī)上虛擬一個(gè)先進(jìn)測(cè)試儀器、元器件品種齊全的電子工作臺(tái)，可進(jìn)行驗(yàn)證性、測(cè)試性、設(shè)計(jì)性等實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性訓(xùn)練，培養(yǎng)使用計(jì)算機(jī)及分析、應(yīng)用和創(chuàng)新電路的能力。"以仿代實(shí)"，"以軟代硬"應(yīng)該成為當(dāng)代設(shè)計(jì)發(fā)展的潮流之一。       3 基于EDA技術(shù)進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)的研究       EDA技術(shù)在數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用以基于Altera的EPM7128SLC84-15芯片和MAX+PlusII 10.0軟件平臺(tái)的數(shù)字鐘

14、的設(shè)計(jì)為例對(duì)論EDA技術(shù)在數(shù)字系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。       3.1 EDA 技術(shù)設(shè)計(jì)流程       在設(shè)計(jì)方法上，F(xiàn)DA技術(shù)為數(shù)字電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來(lái)了根本性的變革，將傳統(tǒng)的"電路設(shè)計(jì)硬件搭試調(diào)試焊接"模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵谟?jì)算機(jī)上自動(dòng)完成，如圖1所示。       3.2 設(shè)計(jì)要求       具有時(shí)、分、秒、計(jì)數(shù)顯示功能，以24小時(shí)循環(huán)計(jì)時(shí)。具有清零和調(diào)節(jié)小時(shí)、分鐘功能

15、。具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。       3.3 輸人設(shè)計(jì)源文件       一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目由一個(gè)或多個(gè)源文件組成，它們可以是原理圖文件、硬件描述語(yǔ)言文件、混合輸人文件，點(diǎn)擊Source / New菜單，選擇你所要設(shè)計(jì)源文件的類型，進(jìn)人設(shè)計(jì)狀態(tài)，完成源文件設(shè)計(jì)，存盤、退出;另在一張?jiān)韴D編輯器窗口中，通過(guò)File /Matching Symbol菜單，建立一張?jiān)韴D符號(hào)，生成一個(gè)與原理圖文件相同名、相同功能的邏輯宏元件，它自動(dòng)加到元件列表中，可以在更高層的圖紙中反復(fù)調(diào)用.   

16、;    3.3 邏輯編譯       邏輯編譯選擇器件EPM7128SLC84-15，使用MAX+PlusII編譯器編譯設(shè)計(jì)項(xiàng)目，通過(guò)編譯器自動(dòng)進(jìn)行錯(cuò)誤檢查、網(wǎng)表提取、邏輯綜合、器件適配，最終產(chǎn)生器件編程文件(.jed)。       3.4 綜合       綜合就是利用EDA軟件系統(tǒng)的綜合器將VHDL的軟件設(shè)計(jì)與硬件的可實(shí)現(xiàn)性掛鉤，這是將軟件轉(zhuǎn)化為硬件電路的關(guān)鍵步驟。綜合器對(duì)源文件的綜合是針對(duì)某一FPGA/CP

17、I D供應(yīng)商的產(chǎn)品系列的。因此，綜合后的結(jié)果具有硬件可實(shí)現(xiàn)性。EDA提供了良好的邏輯綜合與優(yōu)化功能，它能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的邏輯級(jí)電路圖自動(dòng)地轉(zhuǎn)換為門級(jí)電路，并生成相應(yīng)的網(wǎng)表文件、時(shí)序分析文件和各種報(bào)表，若設(shè)計(jì)沒有錯(cuò)誤，最終可生成可以編程下載.sof文件。       3.5 器件適配       綜合通過(guò)后必須利用FPGA/CPLD布局/布線適配器將綜合后的網(wǎng)表文件針對(duì)某一具體的目標(biāo)器件進(jìn)行邏輯映射操作，其中包括底層器件配置、邏輯分割、邏輯優(yōu)化、布局布線等操作。適配后產(chǎn)生時(shí)序仿真用的網(wǎng)表文件和下

18、載文件，如JED或POF文件。適配對(duì)象直接與器件的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)相對(duì)應(yīng)。       3.6 功能仿真       在綜合前，要進(jìn)行行為仿真，將VHDI源程序直接送到VHDI仿真器中仿真，此時(shí)的仿真只是根據(jù)VHDI的語(yǔ)義進(jìn)行的，與具體電路沒有關(guān)系。綜合后，可利用產(chǎn)生的網(wǎng)表文件進(jìn)行功能仿真，以便了解設(shè)計(jì)描述與設(shè)計(jì)意圖的一致性。功能仿真僅對(duì)設(shè)計(jì)描述的邏輯功能進(jìn)行測(cè)試模擬，以了解其實(shí)現(xiàn)的功能是否滿足原設(shè)計(jì)的要求，仿真過(guò)程不涉及具體器件的硬件特性加延遲特性。時(shí)序仿真根據(jù)適配后產(chǎn)生的網(wǎng)表文件進(jìn)行的仿真，是接近真

19、實(shí)器件運(yùn)行的仿真，仿真過(guò)程中已將器件硬件特性考慮進(jìn)去了因此仿真精度要高得多。時(shí)序仿真的網(wǎng)表文件中包含了較為精確的延遲信息。        3.7 編程下載        通過(guò)仿真確定設(shè)計(jì)基本成功后，即可通過(guò)Byteblaste:下載電纜線將設(shè)計(jì)項(xiàng)目以JTAG的方式下載到器件中，完成設(shè)計(jì)所有工作。通過(guò)此例的設(shè)計(jì)流程講述可知，EDA技術(shù)及其工具在數(shù)字電路系統(tǒng)包括模擬電路系統(tǒng)中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，其應(yīng)用的深度和廣度正在向更深層次延伸。       3.8 目標(biāo)系統(tǒng)        用VHDL語(yǔ)言描述編碼電路。譯碼電