EDA技术与VHDL语言,电子与信息工程学院 张沛泓,什么是EDA？,EDA即Electronic Design Automation（电子设计自动化），就是以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境，以硬件描述语言（HDL）为设计语言，以可编程逻辑器件为实验载体，以ASIC、SOC芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。,Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路,System On a Chip， 系统芯片/片上系统/单片系统,课程学习要求,通过学习本课程，要求大家掌握四个方面的内容： （1）大规模可编程逻辑器件 了解其分类、基本结构、工作原理、各厂家产品的系列、性能指标以及如何选用 （2）硬件描述语言（重点和难点） 掌握基本语法，系统的分析与建模方法，能够熟练的进行设计,课程学习要求,通过学习本课程，要求大家掌握四个方面的内容：,（3）软件开发工具 熟练掌握开发工具，能够将源程序进行编辑、逻辑综合、逻辑适配和各种仿真 （4）实验开发系统 熟练掌握硬件验证的方法 另外：教材中有大量的英文缩写，要求知道其中文含意,如何学习？,掌握学习重点：VHDL编程 熟练运用工具：开发软件和实验开发系统 学习方法：案例分析、应用设计、上机实践、边学边用、理论和实践相结合,考核方法,实验 30% 理论授课70% 期末考试 80% 平时成绩 20%,第1章 概 述,教学目的及要求,本章首先将介绍EDA技术的发展阶段及现阶段的发展特征，EDA技术的实现目标，接着将阐述硬件描述语言的概况及设计方法，然后说明VHDL综合的概念及自顶向下的设计方法，最后介绍了EDA的发展趋势。 通过对本章的学习，要求大家了解EDA相关的基本情况，掌握自顶向下的设计方法及综合的概念。,第一章 概述,教学重点 EDA技术实现目标 硬件描述语言VHDL VHDL综合 基于VHDL的自顶向下设计方法,第一章 概述,EDA技术及发展,EDA技术实现目标,硬件描述语言VHDL,VHDL综合,基于VHDL的自顶向下设计方法,1,2,3,4,5,EDA的发展趋势,7,EDA与传统电子设计方法的比较,6,第一章 概述,1.1 EDA技术及其发展,EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了三个发展阶段： 20世纪70年代，在集成电路制作方面MOS技术广泛的应用。CAD概念出现雏形。 20世纪80年代，集成电路设计进入CMOS时代。 CAE （计算机辅助工程设计）和CAD应用广泛。 20世纪90年代，硬件描述语言的标准化进一步确立，CAD、CAE在电子技术领域获得更加广泛的应用。,第一章 概述,EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，突出表现在以下几个方面：,使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能；,在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出；,电子技术全方位纳入EDA领域；,EDA使电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容；,第一章 概述,1.1 EDA技术及其发展,更大规模的FPGA和CPLD器件的不断推出；,Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列,Complex Programmable Logic Device ，复杂可编程逻辑器件,EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，突出表现在以下几个方面：,第一章 概述,1.1 EDA技术及其发展,基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP核模块；,软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认；,SoC高效低成本设计技术的成熟。,系统级、行为验证级硬件描述语言的出现，使复杂电子系统的设计和验证趋于简单。,Intellectual Property ，知识产权,EDA技术及发展,EDA技术实现目标,硬件描述语言VHDL,VHDL综合,基于VHDL的自顶向下设计方法,1,2,3,4,5,EDA的发展趋势,7,EDA与传统电子设计方法的比较,6,第一章 概述,EDA技术,ASIC设计,FPGA/CPLD 可编程ASIC 设计,门阵列(MPGA) 标准单元(CBIC) 全定制(FCIC) ASIC设计,SOPC/SOC,混合 ASIC 设计,1.2 EDA技术实现目标,作为EDA技术最终实现目标的ASIC，通过三种途径来完成：,第一章 概述,超大规模可编程逻辑器件 实现这一途径的主流器件是FPGA/CPLD。直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性，使用方便，开发效率高，成本低，技术维护简单，工作可靠性好。,第一章 概述,1.2 EDA技术实现目标,半定制或全定制ASIC 根据实现工艺，可统称为掩膜ASIC，可编程的ASIC具有灵活多样的编程功能。掩膜ASIC分为：门阵列、标准单元、全定制三类。,混合ASIC 具有面向用户的编程功能和逻辑资源，同时也含有可方便调用和配置的硬件标准单元模块。,第一章 概述,1.2 EDA技术实现目标,EDA技术及发展,EDA技术实现目标,硬件描述语言VHDL,VHDL综合,基于VHDL的自顶向下设计方法,1,2,3,4,5,EDA的发展趋势,7,EDA与传统电子设计方法的比较,6,第一章 概述,EDA设计分五级进行分层次设计：,系统级：即行为级，最抽象的设计层次，它将电子系统看作由一些系统部件组成而各部件之间的连接可以是抽象的，只要表达清楚系统的体系结构、数据处理功能、算法即可。 RTL级：以具有内部状态的寄存器以及连接寄存器之间的逻辑单元作为部件，重点在于表达信号的运算、传输和状态的转移过程。,第一章 概述,1.3 硬件描述语言VHDL,Register Transfer Level,寄存器传输级,EDA设计分五级进行分层次设计：,第一章 概述,1.3 硬件描述语言VHDL,系统级 RTL级 门级：即逻辑设计，以电路或触发器作基本部件，表达各种逻辑关系。 电路级：可看作分离的元件为基本元件，具体表达电路在时域的伏安特性或频域的响应等性能。 器件级：即板图级。 一般硬件描述语言采用的是前三级。,常见的HDL有以下几种： VHDL：IEEE的工业标准HDL（硬件描述语言）。相对严谨，适合于行为级和寄存器传输级的描述，可用于电路高级建模。 Verilog：也是IEEE的工业标准，相对灵活，适合于寄存器传输级尤其是门级电路的描述，是比较低级的描述语言。 ABEL：是世界上可编程逻辑器件设计中使用的最广泛语言之一，是一种层次结构的逻辑描述语言。 System Verilog System C,1.3 硬件描述语言VHDL,第一章 概述,第一章 概述,1.3 硬件描述语言VHDL,VHDL：Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 诞生于1982年，1987年底被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言（标准版本IEEE 1076-1987）。1993年IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展了VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。目前最新VHDL标准版本是IEEE 1076-2002。,应用VHDL进行工程设计的优点如下：,VHDL具有更强的行为描述能力。 VHDL具有丰富的仿真语句和库函数。 VHDL支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。 可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动转变成门级网表。 对设计的描述具有相对独立性。 具有类属描述语句和子程序调用等功能。,第一章 概述,1.3 硬件描述语言VHDL,EDA技术及发展,EDA技术实现目标,硬件描述语言VHDL,VHDL综合,基于VHDL的自顶向下设计方法,1,2,3,4,5,EDA的发展趋势,7,EDA与传统电子设计方法的比较,6,第一章 概述,1.4 VHDL综合,综合的概念：电子设计中，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称为综合。 事实上，设计过程中的每一步都可称为一个综合环节。,第一章 概述,(1)从自然语言转换到VHDL语言算法表示，即自然语言综合； (2)从算法表示转换到寄存器传输级(Register Transport Level，RTL)，即从行为域到结构域的综合，即行为综合；,1.4 VHDL综合,综合的概念：电子设计中，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称为综合。 事实上，设计过程中的每一步都可称为一个综合环节。,第一章 概述,(3) RTL级表示转换到逻辑门(包括触发器)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。,1.4 VHDL综合,综合的概念：电子设计中，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称为综合。 事实上，设计过程中的每一步都可称为一个综合环节。,第一章 概述,因此，综合器就是能够自动将一种设计形式向另一种设计表示形式转换的计算机程序，或协助进行手工转换的程序。,C、ASM. 程序,编译器和综合功能比较,VHDL/VERILOG. 程序,为ASIC设计提供的 电路网表文件,（a）软件语言设计目标流程,（b）硬件语言设计目标流程,第一章 概述,1.4 VHDL综合,VHDL综合器运行流程,设计规则,时间约束,面积约束,第一章 概述,1.4 VHDL综合,EDA技术及发展,EDA技术实现目标,硬件描述语言VHDL,VHDL综合,基于VHDL的自顶向下设计方法,1,2,3,4,5,EDA的发展趋势,7,EDA与传统电子设计方法的比较,6,第一章 概述,1.5 基于VHDL的自顶向下设计方法,第一章 概述,EDA技术及发展,EDA技术实现目标,硬件描述语言VHDL,VHDL综合,基于VHDL的自顶向下设计方法,1,2,3,4,5,EDA的发展趋势,7,EDA与传统电子设计方法的比较,6,第一章 概述,1.6 EDA与传统电子设计方法的比较,手工设计方法的缺点是： 1)复杂电路的设计、调试十分困难。 2)如果某一过程存在错误，查找和修改十分不便。 3)设计过程中产生大量文档，不易管理。 4)对于集成电路设计而言，设计实现过程与具体生产工艺直接相关，因此可移植性差。 5)只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实测。,EDA技术有很大不同： 1)采用硬件描述语言作为设计输入。 2)库(Library)的引入。 3)设计文档的管理。 4)强大的系统建模、电路仿真功能。 5)具有自主知识产权。 6)开发技术的标准化、规范化以及IP核的可利用性。 7)适用于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案。 8)全方位地利用计算机自动设计、仿真和测试技术。 9)对设计者的硬件知识和硬件经验要求低。 10)高速性能好。 11)纯硬件系统的高可靠性。,第一章 概述,EDA技术及发展,EDA技术实现目标,硬件描述语言VHDL,VHDL综合,基于VHDL的自顶向下设计方法,1,2,3,4,5,EDA的发展趋势,7,EDA与传统电子设计方法的比较,6,第一章 概述,1.7 EDA的发展趋势,系统集成芯片成为IC设计的发展方向，这一发展趋势表现在如下几个方面： 超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，深亚微米工艺趋成熟，在一个芯片上完成系统级的集成已成为可能。 市场对电子产品提出了更高要求，如必须降低电子系统的成本，减小系统的体积等，从而对系统的集成度不断提出更高的要求。 高性能的EDA工具得到长足的