EDA技術(shù)的基本特征及現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用

二十世紀(jì)后半期，隨著集成電路和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)也得到了飛速發(fā)展，其實(shí)現(xiàn)方法經(jīng)歷了由分立元件、SSI、MSI到LSI、VLSI以及UVLSI的過程。同時，為了提高系統(tǒng)的可靠性與通用性，微處理器和專用集成電路（ASIC）逐漸取代了通用全硬件LSI電路，而在這二者中，ASIC以其體積小、重量輕、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脫穎而出。總的來說，ASIC的制作可粗略地分為掩膜方法和現(xiàn)場可編程方法兩大類。目前，業(yè)界大量可編程邏輯器件（PLD），尤其是現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPLD）被大量地應(yīng)用在ASIC的制作當(dāng)中。在可編程集成電路的開發(fā)過程中，電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。EDA技術(shù)的出現(xiàn)，不僅為電子系統(tǒng)設(shè)計帶來了一場革命性的變化，從某種角度來說，也成為其發(fā)展的必然。

1 EDA技術(shù)的基本特征及發(fā)展

1.1 EDA技術(shù)的基本概念

EDA（Electronics Design Automation）即電子設(shè)計自動化技術(shù)，是一種以計算機(jī)為基本工作平臺，利用計算機(jī)圖形學(xué)、拓?fù)溥壿媽W(xué)、計算數(shù)學(xué)以至人工智能學(xué)等多種計算機(jī)應(yīng)用學(xué)科的最新成果而開發(fā)出來的一整套軟件工具，是一種幫助電子設(shè)計工程師從事電子元件產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計的綜合技術(shù)。

1.2 EDA技術(shù)的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢

EDA技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個由淺到深的過程。二十世紀(jì)70年代，隨著中小規(guī)模集成電路的開發(fā)應(yīng)用，傳統(tǒng)的手工制圖設(shè)計印刷電路板和集成電路的方法已無法滿足設(shè)計精度和效率的要求，因此工程師們開始進(jìn)行二維平面圖形的計算機(jī)輔助設(shè)計，以便解脫繁雜、機(jī)械的版圖設(shè)計工作，這就產(chǎn)生了第一代EDA工具。

到了80年代，為了適應(yīng)電子產(chǎn)品在規(guī)模和制作上的需要，應(yīng)運(yùn)出現(xiàn)了以計算機(jī)仿真和自動布線為核心技術(shù)的第二代EDA技術(shù)。其特點(diǎn)是以軟件工具為核心，通過這些軟件完成產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計、分析、生產(chǎn)、測試等各項(xiàng)工作。

90年代后，EDA技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)了以高級語言描述、系統(tǒng)級仿真和綜合技術(shù)為特征的第三代EDA技術(shù)。它們的出現(xiàn)，極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計的效率，使廣大的電子設(shè)計師開始實(shí)現(xiàn)“概念驅(qū)動工程”的夢想。設(shè)計師們擺脫了大量的輔助設(shè)計工作，而把精力集中于創(chuàng)造性的方案與概念構(gòu)思上，從而極大地提高了設(shè)計效率，縮短了產(chǎn)品的研制周期。

由此可見，EDA技術(shù)可以看作是電子CAD的高級階段。EDA工具的出現(xiàn)，給電子系統(tǒng)設(shè)計帶來了革命性的變化。隨著Intel公司Pentium處理器的推出，Xilinx等公司幾十萬門規(guī)模的FPGA的上市，以及大規(guī)模的芯片組和高速、高密度印刷電路板的應(yīng)用，EDA技術(shù)在仿真、時序分析、集成電路自動測試、高速印刷電路板設(shè)計及操作平臺的擴(kuò)展等方面都面臨著新的巨大的挑戰(zhàn)。這些問題實(shí)際上也是新一代EDA技術(shù)未來發(fā)展的趨勢。

1.3 EDA技術(shù)的基本特征和基本工具

總的來說，現(xiàn)代EDA技術(shù)的基本特征是采用高級語言描述，具有系統(tǒng)級仿真和綜合能力。它主要采用并行工程和“自頂向下”的設(shè)計方法，使開發(fā)者從一開始就要考慮到產(chǎn)品生成周期的諸多方面，包括質(zhì)量、成本、開發(fā)時間及用戶的需求等等。然后從系統(tǒng)設(shè)計入手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在方框圖一級進(jìn)行仿真、糾錯，并用VHDL、Verilog－HDL、ABEL等硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在系統(tǒng)一級進(jìn)行驗(yàn)證，最后再用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級邏輯電路的網(wǎng)表，其對應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)級可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐?。近幾年來，硬件描述語言等設(shè)計數(shù)據(jù)格式的逐步標(biāo)準(zhǔn)化、不同設(shè)計風(fēng)格和應(yīng)用的要求導(dǎo)致各具特色的EDA工具被集成在同一個工作站上，從而使EDA框架日趨標(biāo)準(zhǔn)化。

EDA工具的發(fā)展經(jīng)歷了兩個大的階段：物理工具和邏輯工具?，F(xiàn)在EDA和系統(tǒng)設(shè)計工具正逐漸被理解成一個整體的概念：電子系統(tǒng)設(shè)計自動化。物理工具用來完成設(shè)計中的實(shí)際物理問題，如芯片布局、印刷電路板布線等等；邏輯工具是基于網(wǎng)表、布爾邏輯、傳輸時序等概念，首先由原理圖編輯器或硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計輸入，然后利用EDA系統(tǒng)完成綜合、仿真、優(yōu)化等過程，最后生成物理工具可以接受的網(wǎng)表或VHDL、Verilog－HDL的結(jié)構(gòu)化描述?，F(xiàn)在常見的EDA工具有編輯器、仿真器、檢查/分析工具、優(yōu)化/綜合工具等等。

目前，PLD已成為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主要手段。傳統(tǒng)的編程技術(shù)是將PLD器件插在編程器上進(jìn)行編程，而“在系統(tǒng)可編程”（ISP，即In－System Programmable）邏輯器件的問世，將可編程器件的優(yōu)越性發(fā)揮到了極致。它允許用戶“在系統(tǒng)中”編輯和修改邏輯，給使用者提供了在不修改系統(tǒng)硬件設(shè)計的條件下重構(gòu)系統(tǒng)的能力和硬件升級能力，使硬件修改變得象軟件修改一樣方便，系統(tǒng)的可靠性因此而提高。ISP技術(shù)即直接在用戶設(shè)計的目標(biāo)系統(tǒng)中或線路板上對PLD器件進(jìn)行編程的技術(shù)，打破了使用PLD必先編程后裝配的慣例，而可以先裝配后編程，成為產(chǎn)品后還可反復(fù)編程，從而開創(chuàng)了數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)新的一頁。

下面，筆者即以基于Xilinx的CPLD器件XC95108－7PC84C和Foundation 2.1軟件平臺的一個簡單的四位扭環(huán)形計數(shù)器（即四位循環(huán)彩燈）的設(shè)計為例，談?wù)凟DA技術(shù)在ISP數(shù)字邏輯系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。

2 EDA技術(shù)在一個簡單的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的具體應(yīng)用

2.1 設(shè)計要求

本系統(tǒng)要求設(shè)計一個四位扭環(huán)形計數(shù)器，時鐘上升沿觸發(fā)，可進(jìn)行復(fù)位（即清零）和時鐘使能控制，其結(jié)果要求通過四個一字排列的發(fā)光二極管顯示出來（構(gòu)成一種簡單的循環(huán)彩燈圖案），同時其輸出讀數(shù)（十六進(jìn)制）亦要求通過數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

2.2 設(shè)計分析

根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)可以通過四個帶時鐘使能和異步清零端的上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器來完成計數(shù)部分，且時鐘同步，若四位輸出的初始值為“0000”，則經(jīng)過8個時鐘脈沖激勵的輸出依次為：“0001”（1）、“0011”（3）、“0111”（7）、“1111”（F）、“1110”（E）、“1100”（C）、“1000”（8）、“0000”（0）。這些時刻的輸出，一方面將送至發(fā)光二極管進(jìn)行顯示；另一方面將送至數(shù)碼管的七個管腿，并通過七段共陰BCD碼顯示譯碼器顯示該讀數(shù)。總的邏輯框圖如圖1所示。

2.3 具體實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過總體分析即“頂層”設(shè)計之后，就可以利用EDA工具和ISP技術(shù)“向下”進(jìn)行具體的模塊設(shè)計了。

2.3.1 邏輯輸入

2.3.1.1 計數(shù)器部分

EDA工具的重要特征之一是支持多種輸入方式，如原理圖輸入方式、狀態(tài)機(jī)輸入方式、HDL高級語言輸入方式等等。Foundation 2.1軟件平臺對以上三種輸入方式都能很好地支持。此部分的設(shè)計即以原理圖輸入方式為例來實(shí)現(xiàn)。四位扭環(huán)形計數(shù)器原理圖如圖2所示。

2.3.1.2 數(shù)碼管顯示部分

實(shí)質(zhì)上是設(shè)計一個4～7線的BCD碼顯示譯碼器。此部分?jǐn)M用IEEE通用硬件描述語言VHDL來設(shè)計，完成編譯和綜合后即生成相應(yīng)的宏模塊，設(shè)計代碼如下：

library IEEE;

use IEEE.std_logic_1164.all;

entity HEX2LED is

port （

HEX： in STD_LOGIC_VECTOR （3 downto 0）;

LED： out STD_LOGIC_VECTOR （6 downto 0）

）;

end HEX2LED;

architecture HEX2LED_arch of HEX2LED is

begin

with HEX SELect

LED＜＝“1111001” when “0001”， －－1

“0100100” when “0010”， －－2

“0110000” when “0011”，－－3

“0011001” when “0100”，－－4

“0010010” when “0101”，－－5

“0000010” when “0110”，－－6

“1111000” when “0111”，－－7

“0000000” when “1000”，－－8

“0010000” when “1001”，－－9

“0001000” when “1010”，－－A

“0000011” when “1011”，－－b

“1000110” when “1100”，－－C

“0100001” when “1101”，－－d

“0000110” when “1110”，－－E

“0001110” when “1111”，－－F

“1000000” when others;－－0

end HEX2LED_arch;

2.3.1.3發(fā)光二極管顯示部分

發(fā)光管的顯示只需將Q0～Q3的輸出引線直接與四個并行排列的發(fā)光二極管管腳一一相連即可。

至此，各部分設(shè)計工作基本完成，我們只需將各個部分按連線規(guī)則嚴(yán)格進(jìn)行連接，定義好相應(yīng)的I/O管腳和信號線后，即可進(jìn)行邏輯實(shí)現(xiàn)與綜合了。

2.3.2 邏輯實(shí)現(xiàn)與綜合

EDA提供了良好的邏輯綜合與優(yōu)化功能，它能夠?qū)⒃O(shè)計人員設(shè)計的邏輯級電路圖自動地轉(zhuǎn)換為門級電路，并生成相應(yīng)的網(wǎng)表文件、時序分析文件和各種報表，若設(shè)計沒有錯誤，最終可生成可以編程下載的JED文件。

2.3.3 系統(tǒng)仿真

通常，在正式下載前，設(shè)計人員還要對設(shè)計的電路進(jìn)行一些校驗(yàn)工作，這些工作即可通過EDA的功能仿真和時序仿真工具來完成。本系統(tǒng)在設(shè)定了CLK、CE和CLR信號的情況下，輸出QO～Q3的功能仿真圖和時序仿真圖分別如圖3和圖4所示。由圖4可以看出，此設(shè)計的各信號的延遲在2ns左右，基本符合設(shè)計指標(biāo)要求。

2.3.4 編程下載

當(dāng)設(shè)計人員確定設(shè)計工作已基本成功時，即可通過編程電纜下載數(shù)據(jù)流來進(jìn)行硬件驗(yàn)證。驗(yàn)證合格后，總體設(shè)計工作即圓滿完成。

通過此例的設(shè)計流程講述可知，EDA技術(shù)及其工具在數(shù)字電路系統(tǒng)（包括模擬電路系統(tǒng)）中正發(fā)揮著越來越重要的作用，其應(yīng)用的深度和廣度正在向更深層次延伸。

目前，現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展使以現(xiàn)場可編程門陣列為代表的大容量可編程邏輯器件的等效門數(shù)迅速提高，其規(guī)模直逼標(biāo)準(zhǔn)門陣列，達(dá)到了系統(tǒng)集成的水平。特別是進(jìn)入二十世紀(jì)90年代后，隨著CPLD、FPGA等現(xiàn)場可編程邏輯器件的逐漸興起，VHDL、Verilog等通用性好、移植性強(qiáng)的硬件描述語言的普及，ASIC技術(shù)的不斷完善，EDA技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)和微電子技術(shù)應(yīng)用中起著越來越重要的作用。從通常意義上來說，現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)再也離不開EDA技術(shù)的幫助了。