电子设计自动化第一章课件

电子设计自动化电子设计自动化 -专业基础课、必修课专业基础课、必修课课程介绍课程介绍专业基础课、必修课专业基础课、必修课电子设计开发的一个非常重要的组成部分电子设计开发的一个非常重要的组成部分u硬件描述语言的电路设计硬件描述语言的电路设计u电路设计师的利器电路设计师的利器先修课先修课n高级语言程序设计高级语言程序设计n数字逻辑电路数字逻辑电路n数字信号处理数字信号处理后续课后续课n单片机原理与应用单片机原理与应用nDSP原理与应用原理与应用n嵌入式系统设计等嵌入式系统设计等课程介绍课程介绍课程的任务课程的任务n了解了解EDA的发展趋势及的发展趋势及EDA技术设计的领域技术设计的领域 n掌握掌握EDA设计的图形和文本输入方式设计的图形和文本输入方式n熟练掌握熟练掌握EDA工具软件的使用方法工具软件的使用方法 n掌握电路的掌握电路的VHDL描述方法、描述方法、VHDL的设计流程及编程方法，的设计流程及编程方法，用用VHDL实现各种类型电路及系统的方法实现各种类型电路及系统的方法 n掌握掌握EDA技术在组合逻辑、时序逻辑电路设计的综合应用技术在组合逻辑、时序逻辑电路设计的综合应用 n学会电子自动化设计的一些基本方法，为以后相关课程的学会电子自动化设计的一些基本方法，为以后相关课程的学习和开发打下基础学习和开发打下基础n能独立完成一些小型电子系统的设计能独立完成一些小型电子系统的设计学习重点及学习方法学习重点及学习方法l学习重点学习重点大规模可编程逻辑器件、大规模可编程逻辑器件、硬件描述语言、硬件描述语言、软件开发工具、实软件开发工具、实验开发系统验开发系统l学习方法学习方法抓住一个重点：抓住一个重点：VHDL的编程的编程掌握两个工具：掌握两个工具：Quartus II和实验开发系统和实验开发系统运用三种手段：运用三种手段：案例分析、应用设计、上机实践案例分析、应用设计、上机实践采用四个结合：采用四个结合：边学边用相结合、边用边学相结合、理边学边用相结合、边用边学相结合、理论与实际相结合、课内与课外相结合论与实际相结合、课内与课外相结合教学基本要求教学基本要求l正确认识课程的用途、特点及对专业技能的影响。正确认识课程的用途、特点及对专业技能的影响。l注重理解性记忆，加强实验锻炼；注重理解性记忆，加强实验锻炼；听到的会忘记，看到的能听到的会忘记，看到的能记住，做过的会明白。记住，做过的会明白。l充分利用网络，提高自学能力。注重相互交流，共同提高。充分利用网络，提高自学能力。注重相互交流，共同提高。l请同学们课堂上注意听讲并在讲义中补充课堂笔记，请同学们课堂上注意听讲并在讲义中补充课堂笔记，认真独认真独立做好实验立做好实验。l充分利用上机时间、多编程练习。充分利用上机时间、多编程练习。l l养成自学的习惯和上机求证的习惯。养成自学的习惯和上机求证的习惯。养成自学的习惯和上机求证的习惯。养成自学的习惯和上机求证的习惯。1.EDA技术及应用（第二版）技术及应用（第二版），西安电子科技大学出版社，西安电子科技大学出版社2.谭会生谭会生 张昌凡张昌凡2.现代数字系统设计现代数字系统设计，西安电子科技大学出版社，西安电子科技大学出版社 侯伯亨等侯伯亨等 编编3.电子设计自动化基础电子设计自动化基础（英文影印版）机械工业出版社（英文影印版）机械工业出版社 （美）（美）Mark D.Birnbaum 参考资料参考资料1.http:/(Latticesemi CPLD公司中文网站公司中文网站)2.http:/(Altera 公司中文网站公司中文网站)3.http:/(FPGA 中文网站中文网站)4.http:/(PLD 中文网站中文网站)5.(中国电子网中国电子网)6.http:/(电脑报电子版电脑报电子版)7.http:/(今日电子杂志今日电子杂志)8.http:/(无线电杂志无线电杂志)常用电子公司网址常用电子公司网址第第1章章 EDA技术概述技术概述知识点：知识点：lEDA的含义的含义lEDA设计流程设计流程lEDA工具各模块的主要功能工具各模块的主要功能l常用的专业术语常用的专业术语 EDA:Electronic Design Automation 电子设计自动化电子设计自动化PLD:Programmable Logical Device 可编程逻辑器件可编程逻辑器件CPLD:Complex Programmable Logical Device复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件FPGA:Field Programmable Gates Array 现场可编程门阵列现场可编程门阵列常用专业术语常用专业术语HDL:Hardware Description Language 硬件描述语言硬件描述语言ASIC:Application Specific Integrated Circuit专用集成电路专用集成电路SOC:System On a Chip 单片电子系统单片电子系统ISP：In System Programmable 芯片在系统可编程芯片在系统可编程问题的提出问题的提出n设计一个设计一个电子秒表电路电子秒表电路，使之完成以下功能：，使之完成以下功能：n按按0.01s的步长进行计时；的步长进行计时；n具有异步清零和启动具有异步清零和启动/停止计数功能；停止计数功能；n并并用用数数码码管管显显示示其其秒秒高高位位、秒秒低低位位，百百分分秒秒高高位位、百分秒低位。百分秒低位。n为为便便于于显显示示，秒秒和和百百分分秒秒信信号号均均采采用用BCD码码计计数数方方式。式。n输入输入信号：信号：clk：系统时钟信号，：系统时钟信号，f=50MHz；clr：异步清零信号，负脉冲有效；：异步清零信号，负脉冲有效；startstop：启：启/停信号，负脉冲有效。停信号，负脉冲有效。n输出输出信号：信号：dsec6.0：驱动数码管，显示秒高位；：驱动数码管，显示秒高位；sec6.0：驱动数码管，显示秒低位；：驱动数码管，显示秒低位；cn：分钟的进位信号，接发光二极管，高有效；：分钟的进位信号，接发光二极管，高有效；secd6.0、secm6.0 分分别别显显示示百百分分秒秒高高位位和和百百分秒低位。分秒低位。问题的提出问题的提出解决方案解决方案1传统的数字系统设计方法传统的数字系统设计方法1.根据设计要求划分功能模块；根据设计要求划分功能模块；2.确定输入和输出的关系，画出确定输入和输出的关系，画出真值表真值表；3.由真值表写出由真值表写出逻辑表达式逻辑表达式；4.利用公式或卡诺图进行利用公式或卡诺图进行人工化简人工化简；5.根据化简后的逻辑表达式根据化简后的逻辑表达式画出电路原理图画出电路原理图；6.在面包板上进行实验，在面包板上进行实验，验证验证电路的正确性；电路的正确性；7.若无错误，再在透明薄膜上用贴图符号若无错误，再在透明薄膜上用贴图符号贴贴PCB图图；8.检查后送制板厂制板；检查后送制板厂制板；9.对对PCB板板进进行行安安装装、调调试试，若若有有大大的的错错误误，修修改改设设计计，重重复复以上过程，重新制板。以上过程，重新制板。搭积木的方式！搭积木的方式！基基于于电电路路板板的的设设计计方方法法采采用用固固定定功功能能的的器器件件（通用型器件），通过设计（通用型器件），通过设计电路板电路板来实现系统功能来实现系统功能传统的数字系统设计方法的缺点传统的数字系统设计方法的缺点效率低下效率低下所有这一切，几乎都是手工完成！所有这一切，几乎都是手工完成！设计周期很长；设计周期很长；容易出错；容易出错；芯片种类多，数量大，受市场的限制；芯片种类多，数量大，受市场的限制；设计灵活性差；设计灵活性差；产品体积大。产品体积大。解决方案解决方案2现代的数字系统设计方法现代的数字系统设计方法n首首先先在在计计算算机机上上安安装装EDA软软件件，它它们们能能帮帮助助设设计计者者自自动动完完成成几几乎乎所所有有的的设设计计过过程程；再再选选择择合合适适的的PLD芯芯片片，可可以在一片芯片中实现整个数字系统。以在一片芯片中实现整个数字系统。基基于于芯芯片片的的设设计计方方法法采采用用PLD（可可编编程程逻逻辑辑器器件件），利用利用EDA开发工具，通过开发工具，通过芯片芯片设计来实现系统功能。设计来实现系统功能。EDA软件软件空白空白PLD+数字系统数字系统编程编程优点优点：效效率率高高所所有有这这一一切切，几几乎乎都都是是借借助助计计算算机机利利用用EDA软件软件自动自动完成！完成！容易检查错误，便于修改；容易检查错误，便于修改；设计周期短、成功率很高设计周期短、成功率很高；产品体积小。产品体积小。解决方案解决方案2现代的数字系统设计方法现代的数字系统设计方法1.1 EDA技术及发展技术及发展 1.EDA技术的含义技术的含义lEDA-Electronic Design Automation(电子设计自动化电子设计自动化)以计算机为以计算机为工作平台工作平台，以，以EDA软件工具为软件工具为开发环境开发环境，以硬件描，以硬件描述语言为述语言为设计语言设计语言，以可编程器件为，以可编程器件为实验载体实验载体，以，以ASIC、SOC芯片为芯片为目标器件目标器件，以电子系统设计为，以电子系统设计为应用方向应用方向的电子产品的电子产品自动化设计过程。自动化设计过程。可编程可编程芯片芯片输入输入1利用利用EDA软件对芯片进行设计软件对芯片进行设计输入输入2输出输出1 1输出输出2 21.1 EDA技术及发展技术及发展编程下载编程下载(Programmer)1.1 EDA技术及发展技术及发展可编程芯片可编程芯片ALTERA可编程芯片可编程芯片CPLDorFPGA1.1 EDA技术及发展技术及发展电子系统集成化需求迫切电子系统集成化需求迫切 电子系统的集成化使系统体积小、重量轻、功耗低，大大提高可靠性。电子系统的集成化使系统体积小、重量轻、功耗低，大大提高可靠性。IC问世以来，集成的规模便以问世以来，集成的规模便以10倍倍/6年的速度增长。年的速度增长。20世纪世纪90年代以来，电年代以来，电子系统日趋数字化、复杂化和大规模集成化。由于个人电脑、移动通信和高子系统日趋数字化、复杂化和大规模集成化。由于个人电脑、移动通信和高速数据传输设备的发展需求，电子厂商越加迫切地追求电子产品的高性能、速数据传输设备的发展需求，电子厂商越加迫切地追求电子产品的高性能、优品质、低成本、微功耗和微小封装尺寸。必须采用少量的优品质、低成本、微功耗和微小封装尺寸。必须采用少量的IC器件和面积尽器件和面积尽可能小的可能小的PCB板研制高集成化的复杂系统，进一步促进集成工艺发展。板研制高集成化的复杂系统，进一步促进集成工艺发展。2.EDA的产生背景的产生背景半半导导体体集集成成工工艺艺及及安安装装技技术术的的发发展展又又支支持持了了产产品品集集成成化化程程度度的的进进步步，使使电电子子产产品品进进入入了了片片上上系系统统SOC时时代代。片片上上系系统统设设计计将将电电路路设设计计、系系统统设设计计、硬硬件件设设计计、软软件件设设计计和和体体系系结结构构设设计计集集合合于于一一体体。这这种种复复杂杂设设计计需需要要许许多多人人年年的研究开发才能实现，不依靠计算机的帮助是无法在短期内完成的。的研究开发才能实现，不依靠计算机的帮助是无法在短期内完成的。电子产品设计周期缩短电子产品设计周期缩短 更新快速更新快速 市场份额与利润驱使市场份额与利润驱使电子产品从开始上市到其被市场淘汰为止，其销售情况是一个三角形。三角电子产品从开始上市到其被市场淘汰为止，其销售情况是一个三角形。三角形面积是产品的总利润，上市越晚越远离销售高峰，总利润则越小。形面积是产品的总利润，上市越晚越远离销售高峰，总利润则越小。电子设计自动化，即用计算机帮助设计人员完成复杂、烦琐电子设计自动化，即用计算机帮助设计人员完成复杂、烦琐的设计工作，是解决以上两个问题的唯一途径的设计工作，是解决以上两个问题的唯一途径EDA技术伴随着计算机、集成电路和电子系统设计的发技术伴随着计算机、集成电路和电子系统设计的发展，经历了计算机辅助设计展，经历了计算机辅助设计(Computer Assist Design，CAD)、计算机辅助工程设计计算机辅助工程设计(Computer Assist Engineering Design，CAED)电子设计自动化电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)三个阶段三个阶段 20世纪世纪70年代的计算机辅助设计年代的计算机辅助设计(CAD)阶段阶段 20世纪世纪80年代的计算机辅助工程设计年代的计算机辅助工程设计(CAED)阶段阶段 20世纪世纪90年代初电子系统设计自动化年代初电子系统设计自动化(EDA)阶段阶段 3.EDA技术的发展概况技术的发展概况l缩短设计周期缩短设计周期 计算机模拟代替搭实验电路计算机模拟代替搭实验电路l提高设计质量提高设计质量 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l共享设计资源共享设计资源 成熟的单元设计及各种模型和模型参数均放在数据库中成熟的单元设计及各种模型和模型参数均放在数据库中l较强的数据处理能力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成各种数据文件和报表文件l节省设计费用节省设计费用 4.EDA技术的优点技术的优点1.2 电子设计自动化系统软件与器件电子设计自动化系统软件与器件 目前电子设计自动化已形成两大主流：目前电子设计自动化已形成两大主流：1由软件公司开发的设计、制版、仿真和测试系统软件。由软件公司开发的设计、制版、仿真和测试系统软件。此类系统软件一般可以有以下功能：此类系统软件一般可以有以下功能：l通用逻辑设计通用逻辑设计（含系统设计、逻辑综合、逻辑模拟、故障模拟）（含系统设计、逻辑综合、逻辑模拟、故障模拟）l通用模拟电路的模拟通用模拟电路的模拟l印制版设计印制版设计l电路图绘制电路图绘制l 元件（模型、符号、参数）库的建立与修改元件（模型、符号、参数）库的建立与修改2由器件公司研制、以由器件公司研制、以PLD器件为主的数字电路系统设计开发器件为主的数字电路系统设计开发软件软件由软件公司开发的几种软件由软件公司开发的几种软件 lPSPICE(Personal Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis)用于模拟电路的设计与仿真分析用于模拟电路的设计与仿真分析 美国美国Microsim公司出版公司出版lORCAD 用用于于印印刷刷电电路路板板设设计计和和电电路路图图绘绘制制、数数字字逻逻辑辑模模拟拟和和PLD设计设计 美国美国ORCAD System公司推出公司推出lPROTEL用用于于电电原原理理图图设设计计、自自动动布布线线、制制版版及及信信号号波波形形分分析析，是一种通用设计软件是一种通用设计软件 澳大利亚澳大利亚POTEL 公司推出公司推出lORCAD/PSPICE 9 由由ORCAD公公司司与与Microsim公公司司联联合合后后推推出的软件，增加了数模混合模拟与系统优化设计功能出的软件，增加了数模混合模拟与系统优化设计功能lEWB（Electronic Work Bench）加加拿拿大大Interactive Image Technologies公公司司(IIT)推推出出，其其第第6版版更更名名为为Multisim 2000。可可用用于于电电原原理理图图创创建建（元元件件库库可可扩扩充充、模模型型与与参参数数可可以以修修改改）、电电路路的的仿仿真真测测试试和和分分析析，并并有有10种种虚虚拟拟仪仪器器供供分分析析测试使用。无印制版设计和自动布线功能。测试使用。无印制版设计和自动布线功能。1.2 电子设计自动化系统软件与器件电子设计自动化系统软件与器件l 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 PLD(Programmable Logic Device)是用于专是用于专用集成电路用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的的设计的通用器件，逻辑功能由用户对器件编程设定设计的通用器件，逻辑功能由用户对器件编程设定1.2 电子设计自动化系统软件与器件电子设计自动化系统软件与器件PLD的主要开发软件及开发商的主要开发软件及开发商 l CPLD开发软件开发软件Max Plus II(Quartus)Altera公司公司lFPGA开发软件开发软件FundationXiLinX公司公司l ISPLSI开开发发软软件件 Expert(Synario)Lattice公公司司集集成成化化开开发系统软件包发系统软件包 优秀优秀PLD开发程序的集成开发程序的集成 l XACT5.0 XinLinX公司公司l ISP Synario SystemLattice公司公司1.3 硬件描述语言及硬件描述语言及IEEE标准标准 1、硬件描述语言、硬件描述语言硬件描述语言硬件描述语言HDL是是EDA技术中的重要组成部分，技术中的重要组成部分，每个开发每个开发系统都有自己的描述语言，为便于各系统间兼容，系统都有自己的描述语言，为便于各系统间兼容，IEEE公布公布了几种标准语言。最常用的是以下两种：了几种标准语言。最常用的是以下两种：lVHDL(Very hight speed integrated circuit Hardware Describe Language)超高速集成电路硬件描述语言。美国国防部超高速集成电路硬件描述语言。美国国防部1985年推出年推出l Verilog HDL是美国是美国Gateway Design Automation于于1983年开年开发的逻辑模拟器发的逻辑模拟器VerilogXL所用的硬件描述语言。所用的硬件描述语言。IEEE（Institute for Electrical and Electronic Engineers）电气和电子工程师协会电气和电子工程师协会美美2、硬件描述语言的综合、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？假设我们需要建造一栋楼房，需要几步？第一，进行第一，进行“建筑设计建筑设计”用设计图纸把建筑设想表示出来；用设计图纸把建筑设想表示出来；第二，进行第二，进行“建筑预算建筑预算”根据投资规模、拟建楼房的结构及根据投资规模、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、如砖、水泥、预制块、门、窗户等水泥、预制块、门、窗户等)；1.4 EDA设计流程设计流程第第三三，根根据据建建筑筑设设计计和和建建筑筑预预算算进进行行“施施工工设设计计”这这些些砖砖、水水泥泥、预预制制块块、门门、窗窗户户等等具具体体砌砌在在房房子子的的什什么么部部位位，相相互互之间怎样连接；之间怎样连接；第第四四，根根据据施施工工图图进进行行“建建筑筑施施工工”将将这这些些砖砖、水水泥泥、预预制制块、门、窗户等按照规定施工建成一栋楼房；块、门、窗户等按照规定施工建成一栋楼房；最最后后，施施工工完完毕毕后后，还还要要进进行行“建建筑筑验验收收”检检验验所所建建楼楼房房是是否符合设计要求。否符合设计要求。设计输入设计输入l设计输入：设计输入：将设计的系统或电路以开发软件要求的某种形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。式表示出来，并送入计算机的过程。3种设计输入形式：种设计输入形式：图形设计输入方式图形设计输入方式：容易实现仿真，便于信号的观察和电：容易实现仿真，便于信号的观察和电路的调整路的调整文本方式设计输入方式文本方式设计输入方式：目前最常用的输入方式：目前最常用的输入方式 波形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：适用于时序逻辑和有重复性的逻辑函数1.4 EDA设计流程设计流程l综合（综合（synthesis）：）：将电路的高级语言描述转换为低级的、将电路的高级语言描述转换为低级的、可与可与FPGA/CPLD或构成或构成ASIC的门阵列基本结构相映射的网的门阵列基本结构相映射的网表文件表文件网表文件：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的文件l 目标器件的布线目标器件的布线/适配适配将将综综合合器器产产生生的的网网表表文文件件针针对对具具体体的的目目标标器器件件进进行行逻逻辑辑映映射射，产产生可用于编程的文件。生可用于编程的文件。1.4 EDA设计流程设计流程l 仿真仿真时序仿真与功能仿真时序仿真与功能仿真l 编程下载和硬件测试编程下载和硬件测试1.5 常用常用EDA工具工具 EDA工具大致可以分为工具大致可以分为5个模块个模块l设计输入编辑器设计输入编辑器l仿真器仿真器lHDL综合器综合器l适配器（或布局布线器）适配器（或布局布线器）l下载器下载器p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings结束语讲师：XXXXXX XX年XX月XX日