《设计自动化》PPT课件

教材,数字系统电子自动化设计教程梁淼 刘会军 北京理工大学出版社 2008,参考书,数字系统设计自动化 边计年 薛宏熙 苏明 清华大学出版社 2005 数字系统自动设计实用教程，刘明业，高等教育出版社，2004年7月 VHDL设计表示和综合，James R. Armstrong 著，李宗伯译，机械工业出版社，2002年5月,考试成绩,平时成绩（30分） 上机实验（20分）、平时考勤（10分） 期末考试（70分）,教学目的,了解用EDA工具设计电子线路的基本方法和EDA工具的基本理论和技术。 利用EDA工具设计集成电路。,预备知识,1. 硬件设计的基础知识 数字逻辑 计算机组成原理 2. 算法的基础知识 程序设计语言（C、PASCAL） 数据结构,课程内容,第一章 绪论 第二章 现代可编程逻辑器件 第三章 现代数字系统设计 第四章 VHDL语言基础 第五章 可编程逻辑器件的开发系统 第六章 逻辑电路设计实例,学习重点及学习方法,学习重点 硬件描述语言、软件开发工具,学习方法,抓住一个重点：VHDL的编程 掌握EDA工具：MAXPLUS II 运用三种手段：案例分析、应用设计、上机实践,教学基本要求,正确认识课程的用途、特点及对专业技能的影响。 充分利用网络，提高自学能力。注重相互交流，共同提高。 请同学们课堂上注意听讲并在讲义中补充课堂笔记，认真独立做好实验。 充分利用上机时间、多编程练习。,第1章 绪论,知识点： 常用的专业术语 EDA的含义 EDA设计流程 EDA工具各模块的主要功能,EDA: Electronic Design Automation 电子设计自动化 PLD: Programmable Logical Device 可编程逻辑器件 CPLD: Complex Programmable Logical Device复杂可编程逻辑器件 FPGA: Field Programmable Gates Array 现场可编程门阵列,常用专业术语,HDL: Hardware Description Language 硬件描述语言 ASIC: Application Specific Integrated Circuit专用集成电路 SOC: System On a Chip 片上系统（系统级芯片） ISP： In System Programmable 芯片在系统可编程,1.1 EDA技术及发展,EDA技术的发展与集成电路的发展相伴而行 SSI：小规模集成电路 MSI：中规模集成电路 LSI：大规模集成电路 VLSI：超大规模集成电路 ASIC： Application Specific Integrated Circuit专用集成电路 SOC： System On a Chip系统级芯片（片上系统）,系统级芯片结构的示意图,VLSI的分类,1. 按工艺分类，最主要的有： 金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor, MOS）工艺； 晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic, TTL）； 发射极耦合逻辑（Emitter Coupled Logic, ECL）。,2. 按生产目的分类： 通用集成电路； 专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）。 3. 按实现方式（设计风格）分类：全定制（Full -Custom）方式；半定制（Semi-Custom）方式； 可编程逻辑器件（ Programmable Logical Device）方式；,1.1 EDA技术及发展,1. EDA技术的含义 EDA-Electronic Design Automation(电子设计自动化),EDA技术以计算机为工具，代替人完成数字系统的逻辑综合、布局布线和设计仿真等工作。设计人员只需要完成对系统功能的描述，就可以由计算机软件进行处理，得到设计结果，而且修改设计如同修改软件一样方便，可以极大地提高设计效率。,EDA技术伴随着计算机、集成电路和电子系统设计的发 展，经历了计算机辅助设计(Computer Assist Design，CAD)、 计算机辅助工程设计(Computer Assist Engineering Design，CAED) 电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)三个阶段 20世纪70年代的计算机辅助设计(CAD)阶段 20世纪80年代的计算机辅助工程设计(CAED)阶段 20世纪90年代初电子系统设计自动化(EDA)阶段,2. EDA技术的发展概况,缩短设计周期 计算机模拟代替搭实验电路 提高设计质量 灵敏度分析、容差分析、成品率模拟、最坏情况分析、优化设计等 共享设计资源 成熟的单元设计及各种模型和模型参数均放在数据库中 较强的数据处理能力 计算机存储量大、数据处理能力强，设计完后，可以很方便地生成各种数据文件和报表文件 节省设计费用,3. EDA技术的优点,1.2 可编程逻辑器件的发展概况,ASIC的设计与制造，已不再完全由半导体厂商独立承担，系统设计师在实验室里就可以设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，这都得益于可编程逻辑器件PLD的出现。现在应用最广泛的PLD主要是现场可编程门阵列FPGA、复杂可编程逻辑器件CPLD。,最早的PLD是1970年制成的PROM(Programmable Read Only Memory)，即可编程只读存储器。PROM采用熔丝工艺编程，只能写一次，不能擦除和重写。随着技术的发展和应用要求，此后又出现了UVEPROM(紫外线可擦除只读存储器)、EEPROM(电可擦除只读存储器)，由于它们价格低，易于编程，速度低，因此主要用作存储器。,可编程逻辑阵列PLA(Programmable Logic Array)于20世纪70年代中期出现，它是由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成，但由于器件的资源利用率低，价格较贵，编程复杂，支持PLA的开发软件有一定难度，因而没有得到广泛应用。,可编程阵列逻辑PAL(Programmable Array Logic)器件是1977年美国MMI公司(单片存储器公司)率先推出的，器件的工作速度很高。由于它的输出结构种类很多，设计很灵活，因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。,通用阵列逻辑器件GAL(Generic Array Logic)器件是1985年Lattice公司最先发明的可电擦写、可重复编程、可设置加密位的PLD。在实际应用中，GAL器件对PAL器件仿真具有百分之百的兼容性，所以GAL几乎完全代替了PAL器件，并可以取代大部分SSI、MSI数字集成电路，因而获得广泛应用。,可擦除可编程逻辑器件EPLD(Erasable PLD)是20世纪80年代中期Altera公司推出的基于UVEPROM和CMOS技术的PLD，后来发展到采用E2CMOS工艺制作的PLD。从某种意义上讲EPLD是改进的GAL，灵活性较GAL有较大改善，集成密度大幅度提高，内部连线相对固定，延时小，有利于器件在高频率下工作，但内部互连能力十分弱。,复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex PLD)是20世纪80年代末Lattice公司提出的在线可编程(ISP，In System Programmability)技术以后于20世纪90年代初出现的。CPLD是在EPLD的基础上发展起来的。其典型器件有Altera的MAX7000系列，Xilinx的7000和9500系列，Lattice的PLSI/ispLSI系列和AMD的MACH系列。,现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable GateArray)器件是Xilinx公司1985年首家推出的FPGA出现后受到电子设计工程师的普遍欢迎，发展十分迅速。Xilinx、Altera和Actel等公司都提供高性能的FPGA芯片。,PLD器件,1.3 EDA系统软件与器件,目前EDA已形成两大主流： 1由软件公司开发的设计、制版、仿真和测试系统软件。 2由器件公司研制、以PLD器件为主的数字电路系统设计开发软件,由软件公司开发的几种软件,PSPICE ( Personal Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis) 用于模拟电路的设计与仿真分析 美国Microsim公司出版 ORCAD 用于印刷电路板设计和电路图绘制、数字逻辑模拟和PLD设计 美国ORCAD System公司推出 PROTEL用于电原理图设计、自动布线、制版及信号波形分析，是一种通用设计软件 澳大利亚POTEL 公司推出 ORCAD/PSPICE 9 由ORCAD公司与Microsim公司联合后推出的软件，增加了数模混合模拟与系统优化设计功能 EWB（Electronic Work Bench） 加拿大Interactive Image Technologies公司(IIT)推出，其第6版更名为Multisim 2000。可用于电原理图创建（元件库可扩充、模型与参数可以修改）、电路的仿真测试和分析，并有10种虚拟仪器供分析测试使用。无印制版设计和自动布线功能。,1.3 EDA系统软件,可编程逻辑器件 PLD(Programmable Logic Device)是用于专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的设计的通用器件，逻辑功能由用户对器件编程设定,1.3 EDA系统软件,PLD的主要开发软件及开发商,CPLD开发软件Max Plus II(Quartus)Altera公司 FPGA开发软件FundationXiLinX公司 ISPLSI开发软件 Expert(Synario)Lattice公司集成化开发系统软件包 优秀PLD开发程序的集成 XACT5.0 XinLinX公司 ISP Synario SystemLattice公司,1.4 硬件描述语言及IEEE标准,1、硬件描述语言 硬件描述语言HDL是EDA技术中的重要组成部分，每个开发系统都有自己的描述语言，为便于各系统间兼容，IEEE公布了几种标准语言。最常用的是以下两种： VHDL(Very hight speed integrated circuit Hardware Describe Language) 超高速集成电路硬件描述语言。美国国防部1985年推出 Verilog HDL是美国Gateway Design Automation于1983年开发的逻辑模拟器VerilogXL所用的硬件描述语言。,2、硬件描述语言的综合,假设我们需要建造一栋楼房，需要几步？ 第一，进行“建筑设计”用设计图纸把建筑设想表示出来； 第二，进行“建筑预算”根据投资规模、拟建楼房的结构及有关建房的经验数据等计算需要多少基本的建筑材料(如砖、水泥、预制块、门、窗户等)；,1.5 EDA设计流程,第三，根据建筑设计和建筑预算进行“施工设计”这些砖、水泥、预制块、门、窗户等具体砌在房子的什么部位，相互之间怎样连接； 第四，根据施工图进行“建筑施工”将这些砖、水泥、预制块、门、窗户等按照规定施工建成一栋楼房； 最后，施工完毕后，还要进行“建筑验收”检验所建楼房是否符合设计要求。,设计输入：将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。 3种设计输入形式： 图形设计输入方式：容易实现仿真，便于信号的观察和电路的调整 文本方式设计输入方式：目前最常用的输入方式 波形输入方式：适用于时序逻辑和有重复性的逻辑函数,1.5 EDA设计流程,综合（synthesis）：将电路的高级语言描述转换为低级的、可与FPGA/CPLD或构成ASIC的门阵列基本结构相映射的网表文件 网表文件：按照某种规定描述电路的基本组成及如何相互连接的文件,目标器件的布线/适配 将综合器产生的网表文件针对具体的目标器件进行逻辑映射，产生可用于编程的文件。,1.5 EDA设计流程,仿真 时序仿真与功能仿真,编程下载和硬件测试,1.6 EDA工具的组成模块,EDA工具大致可以分为5个模块 设计输入编辑器 仿真器 HDL综合器 适配器（或布局布线器） 下载器,MAX+PLUS II软件组成,设计输入,项目编译Compiler,项目校验,器件编程,MAX+PLUS II 时间分析器 Time Analyzer,MAX+PLUS II 图形编辑器 Graphic editor,MAX+PLUS II 文本编辑器 Text editor,MAX+PLUS II 编程器 Programmer,编译器 网表提取器,适配,逻辑 综合器,数据库 建库器,MAX+PLUS II 信息处理器 Messages 和 层次显示 Hierarchy Display,MAX+PLUS II 波形编辑器 Waveform Editor,MAX+PLUS II 仿真器 Simulater,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！,我也要参加全国大学生电子设计竞赛！,呀，毕业设计正好能用得上哎！,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！,