EDA (EDA (电子设计自动化电子设计自动化) ) 教教 程程北航计算机学院北航计算机学院 艾明晶艾明晶 1问题的提出 设计一个人工控制的交通灯控制器，使之完成以下 功能：假定十字交叉路的两个方向各有一组红、黄、绿三个 灯组成的交通灯，正常时，交通灯控制器交替放行十字交 叉路的两个方向，放行时间相等；交通堵塞时，由交通警 察按下某方向“放行”按钮，人工控制某方向的放行，以 便按照交通负荷疏导阻塞车辆。 在正常运行状态下，两组交通灯按以下规律自动进行 转换，在不同时刻分别放行不同方向上的车辆：（绿，红）2s（绿黄，红）0.5s（黄，红）2s （黄红，红）2s（红，黄）1s（红，绿）5s（红， 绿黄）0.5s（红，黄）2s（红，黄红）2s（黄，红 ）1s（绿，红）3s2问题的提出（续）输入信号：时钟信号clk（T=0.1s）；A方向、B方向的 放行信号f1和f2（分别由“放行”按钮产生，高 有效）；恢复信号reset（由“恢复到正常状态” 按钮产生，高有效）。输出信号：人工控制时时A方向、B方向的放行状态态f1s和 f2s，驱动LED；交通灯信号输输出s120和 s220，分别别用于控制两个方向的红红、黄、绿绿 灯的亮或灭灭。 3传统的设计方式1.确定输输入和输输出的关系，画出真值值表； 2.由真值值表写出逻辑逻辑 表达式； 3.利用公式或卡诺图进诺图进 行人工化简简； 4.根据化简简后的逻辑逻辑 表达式画出电电路原理图图（由集成电电路搭建 ）； 5.在面包板上进进行实验实验 ，验证验证 电电路的正确性； 6.若无错误错误 ，再在透明薄膜上用贴图贴图 符号贴贴PCB图图； 7.检查检查 后送制板厂制板； 8.对PCB板进进行安装、调试调试 ，若有大的错误错误 ，修改设计设计 ，重复以 上过过程，重新制板。缺点：效率低下所有这这一切，几乎都是手工完成！设计设计 周期很长长；容易出错错；产品体积大。4现代的设计方式 首先在计计算机上安装EDA软软件，它们们能帮助设计设计 者自动动完成几 乎所有的设计过设计过 程；再选择一种叫做可编编程逻辑逻辑 器件（PLD） 的芯片，可以在一片芯片中实现实现 整个数字系统统。 1.确定输输入和输输出的关系，用硬件描述语语言（HDL）写出输输入和 输输出的真值表或时时序电电路的状态表，或用条件语语句表示输输入 和输输出的逻辑逻辑 关系，将整个程序输输入到计计算机中设计输设计输 入； 2.进进行编译编译 ，则则EDA开发发工具可自动进动进 行逻辑综逻辑综 合，将设计设计 者 的功能描述转换为门级转换为门级 描述，或转换转换 成具体PLD的网表文件， 将网表文件自动动适配到具体芯片中进进行布局布线线； 3.利用EDA工具进进行时时序仿真; 4.若通过则过则 编编程下载载到实际实际 芯片中，在实验实验 台上进进行验证验证 ；若 有问题问题 ，在计计算机上直接修改设计设计 ，重复以上过过程。5现代的设计方式（续）5.验证验证 通过过后，在计计算机上利用EDA软软件画电电路原理图图； 6.进进行电电气规则检查规则检查 无误误后，自动动生成网表文件； 7.利用EDA软软件画PCB图图，自动动布线线； 8.自动进动进 行设计规则检查设计规则检查 ，无误误后输输出文件，发发送给给制板厂制 板。 优点：效率高所有这这一切，几乎都是借助计计算机利 用EDA软软件自动完成！容易检查错误，便于修改；设计设计 周期短、成功率很高 ；产品体积小。EDA（Electronic Design Automation，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！ 6学习EDA到 底有什么用呢 ？真有趣，可以按自己的想法设计一个芯片！我也要参加EDA竞赛！呀，毕业设计正好能用得上！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！7EDA（Electronic Design Automation，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，其应用范畴几乎涵盖了电子电 路设计的各个领域。本课程主要介绍基于可编程逻辑器件（ Programmable Logic Device，PLD）的EDA技术。学分：2.5学时：理论课18学时 + 实验课28学时 先修课程：数字电子技术，计算机接口与通信技术 课程简介教学目标 拓宽知识面，深化对数字电子技术和计算机接口与通信技术等 知识的理解；熟练掌握Verilog HDL硬件描述语言；能够采用各种输入方法，综合使用各种EDA工具软件，进行 PLD的设计、编译、仿真及下载，掌握EDA设计的基本原理和 方法；熟练应用EDA技术进行基于PLD的数字系统的设计与开发。8（1）从算法设计到硬线逻辑的实现复杂数字逻 辑系统的Verilog HDL设计技术和方法夏宇闻编著，高等教育出版社，2001 （2） 基于FPGA的嵌入式系统设计 任爱锋等编著，西安电子科技大学出版社，2004 教材 （1）数字系统设计与Verilog HDL 王金明、杨吉斌编著，电子工业出版社，2002 （2） 基于NIOS的SOPC设计与实践周博等编著，清华大学出版社，2004 （3）从算法设计到硬线逻辑的实现实验练习与 Verilog 语法手册夏宇闻编著，高等教育出版社，2001主要参考书9课程考核课程考核：大作业（独立完成） ；成 绩：大作业50 实验成绩40 平时10 。10目 录u第1章 数字系统设计与EDA技术 （2学时）u第2章 Altera PLD器件结构 （4学时）u第3章 EDA设计工具软件 （5学时）u第4章 硬件描述语言Verilog HDL （5学时）u第5章 数字电路与数字系统的设计实现 （2学时）111.1 数字系统的设计 1.2 EDA技术与PLD 1.3 IP核复用技术与SOC 1.4 数字系统的实现方式 1.5 数字系统的设计描述方法 共共2 2学时学时第1章 数字系统设计与EDA技术121.1 数字系统的设计一、数字系统的概念 二、传统的数字系统设计方法 三、现代的数字系统设计方法内容概要内容概要131.1 数字系统的设计一、数字系统的概念 电子系统1. 数字系统定义定义凡是可完成一个特定功能的完整的电子装置。特点特点由一组电子元件或基本电子单元电路相互连接、 相互作用而形成的电路整体，能按特定的控制信 号，去执行所设想的功能。分类分类 模拟电子系统 数字（电子）系统 模拟-数字混合电子系统 141.1 数字系统的设计 模拟电子系统定义定义由若干模拟集成电路、单元电路和分立元器件组成， 对模拟信号进行检测、处理、变换和产生的电子系统 。 数字（电子）系统特点特点由若干数字电路和逻辑部件组成，处理及传送数字信号 。定义定义凡是利用数字技术对数字信息进行处理、传输的电子 系统。优点优点工作稳定可靠，抗干扰能力强； 精确度高； 便于大规模集成，易于实现小型化； 便于模块化； 便于加密、解密。151.1 数字系统的设计 模拟-数字混合电子系统定义定义由模拟电子电路和数字电子电路组成的电子系统。 应用应用主要用于过程控制和各种仪器仪表中，完成对如温度 、压力、流量、速度等物理量的测量、控制和显示等 。温度电压大信号数字 信号控制 信号模拟 信号图1-1 水温自动控制系统 161.1 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171.1 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（Application Specific Integrated Circuit），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（Moores law）：每18个月 ，芯片集成度提高1倍，功耗下降一半。181.1 数字系统的设计 SSICMSIC LSIC VLSIC SOC（System On Chip片上 系统）SOPC（System On a Programmable Chip）3. 数字器件的发展4. 集成技术的发展 芯片的工艺线宽越来越小从1997年的0.35m，发展到现在的90nm。 设计周期越来越短1997年时需要1218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。191.1 数字系统的设计 最具有代表性的IC芯片：微控制芯片（MCU，Micro Control Unit）可编程逻辑器件（PLD，Programmable Logic Device ） 数字信号处理器（DSP，Digital Signal Processor）大规模存储芯片（RAM/ROM，Random Access Memory/Read Only Memory）光电集成芯片（OEIC，Optical Electronic IC） 201.1 数字系统的设计二、传统的数字系统设计方法n基于电路板采用固定功能器件（通用型器件 ），通过设计过设计 电路板来实现实现 系统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特点特点采用自下而上（Bottom Up）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 211.1 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开发发工具，通过芯片设计设计 来 实现实现 系统统功能。计算机+EDA软件空白PLD+ 数字系统通常采用自上而下（Top Down）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特点特点自行定义器 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221.1 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 序表1-1 数字系统的两种设计方法比较231.1 数字系统的设计1.自上而下的设计（Top Down）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（Bottom Up）设计基本单元构成子模块子系统系统 241.2 EDA技术与PLD一、EDA技术 二、什么是PLD？ 三、PLD的发展演变 四、主要的PLD厂商 五、EDA技术与PLD的关系内容概要内容概要251.2 EDA技术与PLD一、EDA技术 1什么是EDA技术？ EDA：Electronic Design Automation（电子设计自动化） 是在电子产品的设计开发工作中使用计算机和计算机网络 作为辅助工具以提高工作效率的技术。特