EDA技术及其发展.ppt

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1、题目：现代EDA技术及其发展,内容：1.现代EDA技术介绍 2.硬件载体介绍 3.软件以及编程语言介绍,现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA 技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。Z这里所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。,1.1 EDA技术,1.2 EDA技术发展,EDA（Electronic Design Automation）EDA：是指以计算机为工作平台，融合应用

2、电子技术、计算机技术、智能化技而研制成的电子CAD(Computer Aided Design)通用软件包。功能：辅助IC(integrated circuit)设计,电子电路设计,PCB(Printed Circuit Board)设计,EDA技术的发展,七十年代为CAD（Computer Aided Design计算机辅助设计）阶段 用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工画图。八十年代为CAE（Computer Aided Engineering计算机辅助工程）阶段 支持电路功能设计和结构设计，通过电路网表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输入，

3、逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。九十年代为ESDA（Electronic System Design Automation电子系统设计自动化）阶段,ESDA技术的基本特征,（1）支持“自顶向下”的设计方法（2）支持ASIC(Application Specific Integrated Circuit)设计（3）采用硬件描述语言（4）基于系统框架结构,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,1.3 EDA技术实现目标,作为EDA技术最终实现

4、目标的ASIC，通过三种途径来完成：SOPC(System-on-a-Programmable-Chip),1.4 EDA的应用 EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。1.在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具（如EWB、PSPICE）和PLD开发工具（如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统），为今后工作打下基础。,2.科研方面主要利用电路仿真工具（EWB

5、或PSPICE）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和ASIC设计等。在产品设计与制造方面，包括前期的计算机仿真，产品开发中的EDA工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的EDA技术应用、产品测试等各个环节。如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的流片过程等。,1.5 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(Deep-Submicron)工艺，如0.18m，0.13m已经走向成熟，在一个芯片上完

6、成的系统级的集成已成为可能。市场对电子产品提出了更高的要求，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工具得到长足的发展，其自动化和智能化程度不断提高，为嵌入式系统设计提供了功能强大的开发环境。计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的SoC设计提供了物理基础。,ASIC(Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路)是相对于通用集成电路而言的，ASIC主要指用于某一专门用途的集成电路器件。ASIC分类大致可分为数字ASIC、模拟ASIC和数模混合ASIC。,ASIC及其设计流程,ASIC设计方

7、法,一般ASIC设计的流程,SOC:(System on a chip),北京海尔集成电路设计有限公司,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

8、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。,传统自下而上的硬件电路设计方法主要特征如下：采用通用的逻辑元器件。设计者根据需要，选择市场上能买得到的元器件，如54/74系列，来构成所需要的逻辑电路。随着微处理器的出现，系统的部分硬件电路功能可以用软件来实现，在很大程度上简化了系统硬件电路的设计。但是，选择通用的元器件来构成系统硬件电路的方法并未改变。,在系统硬件设计的后期进行仿真和调试。系统硬件设计好以后才能进行仿真和调试，进行仿真和调试

9、的仪器一般为系统仿真器、逻辑分析仪和示波器等。由于系统设计时存在的问题只有在后期才能较容易发现，一旦考虑不周，系统设计存在缺陷，那就得重新设计系统，使得设计费用和周期大大增加。主要设计文件是电原理图。在设计调试完毕后，形成的硬件设计文件主要是由若干张电原理图构成的。在电原理图中详细标注了各逻辑元器件的名称和相互间的信号连接关系。,该文件是用户使用和维护系统的依据。如果是小系统，这种电原理图只要几十张、几百张就行了，但是，如果系统很复杂，那么就可能需要几千张、几万张甚至几十万张。如此多的电原理图给归档、阅读、修改和使用都带来了极大的不便。,二.、新兴的EDA硬件电路设计方法 20世纪80年代初，

10、在硬件电路设计中开始采用计算机辅助设计技术（CAD），开始仅仅是利用计算机软件来实现印刷板的布线，以后慢慢地才实现了插件板级规模的电子电路的设计和仿真。,在我国所使用的工具中，最有代表性的设计工具是Tango和早期的ORCAD。它们的出现，使得电子电路设计和印刷板布线工艺实现了自动化，但还只能算自下而上的设计方法。随着大规模专用集成电路的开发和研制，为了提高开发的效率和增加已有开发成果的可继承性，以及缩短开发时间，各种新兴的EDA工具开始出现，特别是硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）的出现，,特别是硬件描述语言HDL（Hardware Descri

11、ption Language）的出现，使得传统的硬件电路设计方法发生了巨大的变革，新兴的EDA设计方法采用了自上而下（Top Down）的设计方法。所谓自上而下的设计方法，就是从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。各公司的EDA工具基本上都支持两种标准的HDL，分别是VHDL和Verilog HDL。利用HDL语言对系统硬件电路的自上而下设计一般分为三个层次，如图1.22所示。,具有以下主要特点。1)电路设计更趋合理 硬件设计人员在设计硬件电路时使用PLD器件，就可自行设计所需的专用功能模块，而无需受通用元器件的限制，从而使电路设计更趋合理，其体积和功耗

12、也可大为缩小。2)采用系统早期仿真 在自上而下的设计过程中，每级都进行仿真，从而可以在系统设计早期发现设计存在的问题，这样就可以大大缩短系统的设计周期，降低费用。,3)降低了硬件电路设计难度 在使用传统的硬件电路设计方法时，往往要求设计人员设计电路前应写出该电路的逻辑表达式和真值表（或时序电路的状态表），然后进行化简等，这一工作是相当困难和繁杂的，特别是在设计复杂系统时，工作量大也易出错，如采用HDL语言，就可免除编写逻辑表达式或真值表的过程，使设计难度大幅度下降，从而也缩短了设计周期。,4)主要设计文件是用HDL语言编写的源程序 在传统的硬件电路设计中，最后形成的主要文件是电原理图，而采用H

13、DL语言设计系统硬件电路时，主要的设计文件是用HDL语言编写的源程序。如果需要，也可以将HDL语言编写的源程序转换成电原理图形式输出。,用HDL语言的源程序作为归档文件有很多好处：一是资料量小，便于保存；二是可继承性好，当设计其它硬件电路时，可以使用文件中的某些库、进程和过程程序；三是阅读方便，阅读程序很容易看出某一硬件电路的工作原理和逻辑关系，而阅读电原理图，推知其工作原理需要较多的硬件知识和经验，而且看起来也不那么一目了然。,系统设计过程：,任务：明确功能和性能指标经费开支 可靠性 开发周期等 要求：准确地，无二义性地，规范地 描述系统功能和性能,1、性能级,任务：通过系统设计将系统划分为

14、相对独立而又 相互联系的模块（子系统）结构 内容：模块结构图及各模块的具体功能描述 模块之间的数据流，控制流信息 模块间的交互作用等要求：功能正确、容易理解 可靠性高、易维护 各模块容易实现等,2、结构级,任务：通过逻辑设计将（子系统）转化为实际硬件/软件的逻辑描述 工具：HDL，逻辑图等,3、逻辑级,任务：通过物理设计将各模块转换成 实际的ASIC或电路板硬件，组 装成系统。要求：性能/价格比高（物理强度、抗 干扰能力；功耗；通用性；成本等）主流：元件：LSI，VLSI,4、物理级,1.设计准备 在系统设计之前，首先要进行方案论证、系统设计和器件选择等准备工作。设计人员根据任务要求，如系统的

15、功能和复杂度，对工作速度和器件本身的资源、成本及连线的可布性等方面进行权衡，选择合适的设计方案和合适的器件类型。一般采用自上而下的设计方法，也可采用传统的自下而上的设计方法。2.设计输入 设计人员将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来，并送入计算机的过程称为设计输入。设计输入通常有以下几种形式。,1)原理图输入方式 原理图输入方式是一种最直接的设计描述方式，要设计什么，就从软件系统提供的元件库中调出来，画出原理图，这样比较符合人们的习惯。这种方式要求设计人员有丰富的电路知识及对PLD的结构比较熟悉。其主要优点是容易实现仿真，便于信号的观察和电路的调整；缺点是效率低，特别是产品有所

16、改动，需要选用另外一个公司的PLD器件时，就需要重新输入原理图，而采用硬件描述语言输入方式就不存在这个问题。,2)硬件描述语言输入方式 硬件描述语言是用文本方式描述设计，它分为普通硬件描述语言和行为描述语言。普通硬件描述语言有ABEL、CUR和LFM等，它们支持逻辑方程、真值表、状态机等逻辑表达方式，主要用于简单PLD的设计输入。行为描述语言是目前常用的高层硬件描述语言，主要有VHDL和Verilog HDL两个IEEE标准。其突出优点有：语言与工艺的无关性，可以使设计人员在系统设计、逻辑验证阶段便确立方案的可行性；语言的公开可利用性，便于实现大规模系统的设计；具有很强的逻辑描述和仿真功能，而

17、且输入效率高，在不同的设计输入库之间的转换非常方便，用不着对底层的电路和PLD结构的熟悉。,3)波形输入方式 波形输入方式主要是用来建立和编辑波形设计文件，以及输入仿真向量和功能测试向量。波形设计输入适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人员对波形进行拷贝、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，也可以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。,3.功能仿真 功能仿真也叫前仿真。用户所设计的电路必须在编译之前进行逻辑功能验证，此时的仿真

18、没有延时信息，对于初步的功能检测非常方便。仿真前，要先利用波形编辑器和硬件描述语言等建立波形文件和测试向量（即将所关心的输入信号组合成序列），仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形，从中便可以观察到各个节点的信号变化。如果发现错误，则返回设计输入中修改逻辑设计。,4.设计处理 设计处理是器件设计中的核心环节。在设计处理过程中，编译软件将对设计输入文件进行逻辑化简、综合优化和适配，最后产生编程用的编程文件。,1)语法检查和设计规则检查 设计输入完成后，首先进行语法检查，如原理图中有无漏连信号线，信号有无双重来源，文本输入文件中关键字有无输错等各种语法错误，并及时列出错误信息报告供设计人员修改，然

19、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，指明违反规则情况以供设计人员纠正。,2)逻辑优化和综合 化简所有的逻辑方程或用户自建的宏，使设计所占用的资源最少。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。,2 硬件载体,1.普通的芯片2.可编程芯片,可编程芯片优点：1.用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。所以，用FPGAPLD 试制样片，能以最快的速度占领市场。2.FPGACPLD软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电

20、路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。3.当电路有少量改动时，更能显示出FPGACPLD的优势。电路设计人员使用FPGACPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC(集成电路)深层次的知识，FPGACPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。,2.1 可编程逻辑器件的发展历程,70年代,80年代,90年代,PROM 和PLA 器件,改进的 PLA 器件,GAL器件,FPGA器件,EPLD 器件,CPLD器件,内嵌复杂功能模块的SoPC,熔丝型PROM的存储单元,2.浮栅型电可写紫外线擦除编程技术EPROM(Ultra-Violet Erasabl

21、e Programmable Read-Only Memory,简称UVEPROM)浮栅管相当于一个电子开关，加电写入，电压脉冲消除后，浮栅上的带电粒子可以长期保留；当浮栅管受到紫外光照射时，擦除所记忆的信息，而为重新编程做好准备。,3 浮栅型电可写电擦除编程技（E2PROM）编程和擦除都是通过在漏极和控制栅极上加入一定幅度和极性的电脉冲来实现，可由用户在“现场”用编程器来完成。4基于静态存储器SRAM编程技术,按集成度(PLD)分类,1.熔丝(Fuse)和反熔丝(Anti-fuse)编程技术 熔丝编程技术是用熔丝作为开关元件，这些开关元件平时（在未编程时）处于连通状态，加电编程时，在不需要连

22、接处将熔丝熔断，保留在器件内的熔丝模式决定相应器件的逻辑功能。反熔丝编程技术也称熔通编程技术，这类器件是用逆熔丝作为开关元件。这些开关元件在未编程时处于开路状态，编程时，在需要连接处的逆熔丝开关元件两端加上编程电压，逆熔丝将由高阻抗变为低阻抗，实现两点间的连接，编程后器件内的反熔丝模式决定了相应器件的逻辑功能。,可编程元件的编程原理,熔丝型PROM的存储单元,2.浮栅型电可写紫外线擦除编程技术EPROM(Ultra-Violet Erasable Programmable Read-Only Memory,简称UVEPROM)浮栅管相当于一个电子开关，加电写入，电压脉冲消除后，浮栅上的带电粒子

23、可以长期保留；当浮栅管受到紫外光照射时，擦除所记忆的信息，而为重新编程做好准备。,3 浮栅型电可写电擦除编程技（E2PROM）编程和擦除都是通过在漏极和控制栅极上加入一定幅度和极性的电脉冲来实现，可由用户在“现场”用编程器来完成。4基于静态存储器SRAM编程技术,1998年世界十大PLD公司,3.1EDA常用软件一：一般集成电路设计常用软件 EDA工具层出不穷，目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有：EWB、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence、MicroSim等等。这些工具都

24、有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同时以可以进行PCB自动布局布线。可输出多种网表文件与第三方软件接口。下面按主要功能或主要应用场合，分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件，进行简单介绍。,3.EDA常用软件及编程语言,二：可编程器件生产厂家和开发工具。（1）ALTERA 20世纪90年代以后发展很快。主要产品有：MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。其开发工具MAX+PLUS II是较成功的PLD开发平台，最新又推出了Quartus II开发软件。Al

25、tera公司提供较多形式的设计输入手段，绑定第三方VHDL综合工具，如：综合软件FPGA Express、Leonard Spectrum，仿真软件ModelSim。（2）ILINX FPGA的发明者。产品种类较全，主要有；XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex等系列，其最大的VertexII Pro器件已达到800万门。开发软件为Foundation和ISE。通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA的人多，在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera

26、和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。,（3）LatticeVantis Lattice是ISP（InSystem Programmability）技术的发明者，ISP技术极大地促进了PLD产品的发展，与ALTERA和XILINX相比，其开发工具比Altera和Xilinx略逊一筹。中小规模PLD比较有特色，大规模PLD的竞争力还不够强（Lattice没有基于查找表技术的大规模FPGA），1999年推出可编程模拟器件，1999年收购Vantis（原AMD子公司），成为第三大可编程逻辑器件供应商。2001年12月收购Agere公司（原Lucent微电子部）的FPGA部门。主要产品有isp

27、LSI2000/5000/8000，MACH4/5。（4）ACTEL 反熔丝（一次性烧写）PLD的领导得，由于反熔丝PLD抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。（5）Quicklogic专业PLD/FPGA公司，以一次性反熔丝工艺为主，在中国地区销售量不大。,（6）Lucent 主要特点是有不少用于通讯领域的专用IP核，但PLD/FPGA不是Lucent的主要业务，在中国地区使用的人很少。（7）ATMEL 中小规模PLD做得不错。ATMEL也做了一些与Altera和Xilinx兼容的片子，但在品质上与原厂家还是

28、有一些差距，在高可靠性产品中使用较少，多用在低端产品上。（8）Clear Logic 生产与一些著名PLD/FPGA大公司兼容的芯片，这种芯片可将用户的设计一次性固化，不可编程，批量生产时的成本较低。（9）WSI 生产PSD（单片机可编程外围芯片）产品。这是一种特殊的PLD，如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、Flash，并支持ISP（在线编程），集成度高，主要用于配合单片机工作。,（1）VHDL语言 超高速集成电路硬件描述语言（VHSIC Hardware Deseription Languagt，简称VHDL），是IEEE的一项标准设计语言。它源于美国国防部提出的超

29、高速集成电路（Very High Speed Integrated Circuit，简称VHSIC）计划，是ASIC设计和PLD设计的一种主要输入工具。（2）Veriolg HDL 是Verilog公司推出的硬件描述语言，在ASIC设计方面与VHDL语言平分秋色。于1995年成为IEEE标准，从C语言发展而来。（3）Menter Graghics公司的 BLM语言，从PASCAL语言发展而来，未成为IEEE标准。（4）公司的 AHDL的语言，具有C语言风格。,3.2 硬件描述语言,是IEEE、工业标准硬件描述语言用语言的方式而非图形等方式描述硬件电路容易修改容易保存特别适合于设计的电路有：复杂

30、组合逻辑电路，如：译码器、编码器、加减法器、多路选择器、地址译码器.状态机等等.,概述：,用HDL语言表达设计意图，FPGA作为硬件载体，计算机为设计开发工具，EDA作为软件开发环境的现代化电子设计方法,VHDL语言特色：,VHDL语言中设计实体（design entity),程序包(pacage),设计库，为设计人员重复利用别人的设计提供了技术手段。重复利用他人的IP模块和软核（soft cove)是VHDL语言的特色。,IP核(Intellectual property 知识产权）,Sopc解决方案将一些兆功能集成在一片pld器件中，替代pcb上的标准器件，这些功能被称为magafunction(兆功能）、core（嵌入式内核）或IP核。在EDA工程中，工程师们把复杂的模块程序称为软核（softcore)或IP核（ipcore)。写入芯片中，调试仿真通过的称为硬核。,