【正文】 第 1章 EDA 概 述 集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計理論、設(shè)計方法和設(shè)計手段發(fā)生了很大的變化。尤其是進入 21 世紀以來，電子設(shè)計自動化 (Electronic Design Automation， EDA)和電子系統(tǒng)設(shè)計自動化 (Electronic System Design Automation， ESDA)已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計和制造的主要技術(shù)手段。 本章重點介紹 EDA 工具在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的角色、設(shè)計流程和學(xué)習(xí)方法。通過介紹 EDA工具的發(fā)展歷程，向讀者闡述現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展方向和 設(shè)計理念。通過描述 EDA工具的設(shè)計流程，使讀者可以了解利用 EDA 工具進行設(shè)計輸入、綜合優(yōu)化、布局布線和下載仿真等操作的概念和方法。通過總結(jié)的學(xué)習(xí)重點和學(xué)習(xí)方法，力求使讀者更快地掌握現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的 EDA 技術(shù)。 本章重點： ● EDA技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用 ● EDA工程設(shè)計流程 ● EDA集成開發(fā)工具 EDA 工程簡介 EDA 工程是現(xiàn)代電子信息工程領(lǐng)域中一門發(fā)展迅速的新技術(shù)。它是以計算機為工作平臺，以 EDA 軟件工具為開發(fā)環(huán)境，以硬件描述語言為主要表達方式，以大規(guī)模可編程器件為設(shè)計載體，以 ASIC、 SOC、 FPGA芯片 為目標器件，以電子系統(tǒng)設(shè)計為應(yīng)用方向的電子產(chǎn)品自動化設(shè)計過程。作者認為 EDA的定義有廣義和狹義之分，廣義定義 EDA包括半導(dǎo)體工藝設(shè)計自動化、可編程器件設(shè)計自動化、電子系統(tǒng)設(shè)計自動化、印制電路板設(shè)計自動化、仿真與測試故障診斷自動化等。狹義定義的 EDA 就是電子設(shè)計自動化，即通過相關(guān)的開發(fā)軟件，自動完成用軟件方式設(shè)計的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化，以及布局布線、邏輯仿真等工作，最終完成對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載，從而形成集成電子系統(tǒng)，不包含電子生產(chǎn)自動化。 EDA 技術(shù)與 VHDL 程序開發(fā)基礎(chǔ)教程 ? 2 ? EDA工程在 電子系統(tǒng)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，主要是因為它具有以下幾個特點。 ● 用軟件的方式設(shè)計硬件； ● 用軟件方式設(shè)計的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由相關(guān)軟件自動完成的； ● 在設(shè)計過程中可以用軟件進行各種仿真驗證； ● 現(xiàn)代 EDA工具具有高層綜合和優(yōu)化功能，能夠在系統(tǒng)級進行綜合、優(yōu)化和仿真，從而縮短設(shè)計周期，提高工作效率； ● 系統(tǒng)可以現(xiàn)場編程，在線升級； ● 整個系統(tǒng)易集成、體積小、功耗低且可靠性高； ● 帶有嵌入 IP 核的 ASIC設(shè)計，提供軟硬件協(xié)同設(shè)計； ● 提供開放和標準化的操作環(huán)境，容易實現(xiàn)資源共享和設(shè)計移植； ● 支持并行設(shè)計，適合團隊協(xié)作、分工設(shè) 計。 本書主要講解 VHDL 在 FPGA 中的使用原則和設(shè)計方法。對于可編程器件來說， EDA技術(shù)主要有四個方面。 ● 可編程邏輯器件，即應(yīng)用 EDA 技術(shù)完成電子系統(tǒng)設(shè)計的載體。 ● 硬件描述語言 (VHDL 或者 Verilog)。它用來描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，是 EDA 的主要表達手段。 ● 配套的軟件工具。它用來完成電子系統(tǒng)的智能化設(shè)計。 ● 實驗開發(fā)系統(tǒng)。在整個 EDA設(shè)計電子系統(tǒng)的過程中，實驗開發(fā)系統(tǒng)是實現(xiàn)可編程器件下載和驗證的工具，因而尤為重要。 綜上所述，采用 EDA 工程技術(shù)進行電子系統(tǒng)的設(shè)計，不僅可以大大縮短設(shè)計周期、降低成本， 還可以提高設(shè)計質(zhì)量，實現(xiàn)資源共享。所以， EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計發(fā)展的必然趨勢。 EDA 技術(shù)的發(fā)展歷程和未來展望 伴隨著計算機、集成電路以及電子系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展， EDA技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)計的核心。它的發(fā)展融合了應(yīng)用電子技術(shù)、智能技術(shù)、計算機圖形學(xué)、拓撲學(xué)以及計算機數(shù)學(xué)等多學(xué)科最新的成果，是現(xiàn)代電子設(shè)計的主要技術(shù)手段。因而，無論是電子系統(tǒng)設(shè)計還是集成電路芯片設(shè)計，如果沒有 EDA 技術(shù)的支持都將難以完成。 現(xiàn)代 EDA技術(shù)是 20 世紀 90 年代初從計算機輔助設(shè)計、輔助制造和輔助測試等工程概念發(fā)展而來的。 它主要經(jīng)歷了計算機輔助設(shè)計 (Computer Aided Design， CAD)、計算機輔助工程設(shè)計 (Computer Aided Engineering Design， CAED)和電子設(shè)計自動化 (Electronic System 第 1 章 EDA 概 述 ? 3 ? Design Automation， EDA)三個階段。 計算機輔助設(shè)計階段 早期的電子系統(tǒng)設(shè)計是采用分立元件，隨著 MOS 晶體管技術(shù)的發(fā)展，集成電路的應(yīng)用越來越廣泛，硬件系統(tǒng)設(shè)計進入了初級階段。該階段的硬件系統(tǒng)大量選用中小規(guī)模的集成電路，通過將這些器件焊接到電路板上 做成初級的電子系統(tǒng)。 由于工程師對圖形符號的使用受限，傳統(tǒng)的人工布線難以滿足高度復(fù)雜的產(chǎn)品要求且效率低下。此時，人們開始將這些繁雜的工作用二維圖形編輯與分析工具完成，比較有代表性的是 ACCEL公司的 Tango布線軟件和用于電路模擬的 SPICE軟件。由于 20世紀 70 年代計算機性能的限制， EDA技術(shù)所能完成的設(shè)計工作非常有限且性能較差。此時的工程師主要借助計算機完成 PCB 板的布局布線、電路性能模擬、邏輯仿真和預(yù)測。 計算機輔助工程設(shè)計階段 隨著微電子工藝水平的進步，特征尺寸不斷減小。 20 世紀 80 年 代，市場上相繼出現(xiàn)了集成上萬晶體管的微處理器、上百萬存儲單元的隨機存儲器 (RAM)和只讀存儲器 (ROM)。這些進步促進了 CAD 工具的逐步完善和發(fā)展，尤其是在設(shè)計方法學(xué)、設(shè)計工具集成化方面取得了質(zhì)的飛躍，使得 EDA技術(shù)進入了計算機輔助工程設(shè)計，即 CAE 階段。 這個階段的 EDA 軟件可以完成系統(tǒng)的設(shè)計描述、綜合優(yōu)化、設(shè)計結(jié)果驗證以及自動布局布線等工作。有了自動綜合功能的 CAE 對保證電子系統(tǒng)的設(shè)計，制造出最佳的電子產(chǎn)品起著至關(guān)重要的作用。它不僅為成功開發(fā)電子產(chǎn)品創(chuàng)造了有利條件，還為高級設(shè)計人員的創(chuàng)造性勞動帶來了方便 。 現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計自動化階段 雖然 CAE較 CAD有了長足的進步，但它還不足以適應(yīng)復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計要求，其中一個主要原因就是具體化的元件圖形嚴重制約著電路的優(yōu)化。為了滿足千差萬別的系統(tǒng)用戶提出的設(shè)計要求，最好的辦法就是由用戶自己設(shè)計芯片，然后把他們想設(shè)計的電路直接放在自己的專用芯片上。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展， 20 世紀 90 年代后的工藝制造水平已經(jīng)達到了深亞微米甚至超深亞微米級，特別是可編程邏輯器件的發(fā)展，百萬門以上的 PLD器件陸續(xù)問世，微電子廠家可以為用戶提供各種規(guī)模的可編程器件，從而使設(shè)計者通 過自己設(shè)計芯片實現(xiàn)電子系統(tǒng)的功能。此時的 EDA工具為工程師提供了全線的 EDA設(shè)計輔助，它以系統(tǒng)級設(shè)計為核心，通過將工程師高層次的設(shè)計轉(zhuǎn)換為可處理的硬件電路，然后利用優(yōu)化算法對理想的高層次設(shè)計進行電路優(yōu)化，同時處理有限的可用資源和高層次描述之間的矛盾，找到合理的實現(xiàn)方案，最終用微電子廠家提供的設(shè)計庫來完成數(shù)萬門 ASIC和集成電路的設(shè)計驗證。借助這時的 EDA，設(shè)計人員可以在不熟悉各種器件廠商和工藝的情況下，完成電子系統(tǒng)的EDA 技術(shù)與 VHDL 程序開發(fā)基礎(chǔ)教程 ? 4 ? 設(shè) 計。 EDA技術(shù)的未來展望 隨著芯片集成度的進一步增大，可編程邏輯器件在其等 效邏輯門數(shù)、工作電壓和時鐘頻率等方面也有了突破性發(fā)展。在單芯片中集成微控制器 /微處理器核 (MCU/MPU)、數(shù)字信號處理單元 (DSP)、存儲器、嵌入式硬件 /軟件、數(shù)字 /模擬混合器件的技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)。這些成果使得 EDA向多個方向發(fā)展，包括數(shù)?；旌想娐贰⒏咧悄芏嗝襟w應(yīng)用和軟硬件協(xié)同設(shè)計等。 從綜合應(yīng)用 EDA技術(shù)所能構(gòu)成的硬