《設計自動化》PPT課件

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1、教材,數字系統(tǒng)電子自動化設計教程梁淼 劉會軍 北京理工大學出版社 2008,參考書,數字系統(tǒng)設計自動化 邊計年 薛宏熙 蘇明 清華大學出版社 2005 數字系統(tǒng)自動設計實用教程，劉明業(yè)，高等教育出版社，2004年7月 VHDL設計表示和綜合，James R. Armstrong 著，李宗伯譯，機械工業(yè)出版社，2002年5月,考試成績,平時成績（30分） 上機實驗（20分）、平時考勤（10分） 期末考試（70分）,教學目的,了解用EDA工具設計電子線路的基本方法和EDA工具的基本理論和技術。 利用EDA工具設計集成電路。,預備知識,1. 硬件設計的基礎知識 數字邏輯 計算機組成原理 2. 算法

2、的基礎知識 程序設計語言（C、PASCAL） 數據結構,課程內容,第一章 緒論 第二章 現代可編程邏輯器件 第三章 現代數字系統(tǒng)設計 第四章 VHDL語言基礎 第五章 可編程邏輯器件的開發(fā)系統(tǒng) 第六章 邏輯電路設計實例,學習重點及學習方法,學習重點 硬件描述語言、軟件開發(fā)工具,學習方法,抓住一個重點：VHDL的編程 掌握EDA工具：MAXPLUS II 運用三種手段：案例分析、應用設計、上機實踐,教學基本要求,正確認識課程的用途、特點及對專業(yè)技能的影響。 充分利用網絡，提高自學能力。注重相互交流，共同提高。 請同學們課堂上注意聽講并在講義中補充課堂筆記，認真獨立做好實驗。 充分利用上機時間、多

3、編程練習。,第1章 緒論,知識點： 常用的專業(yè)術語 EDA的含義 EDA設計流程 EDA工具各模塊的主要功能,EDA: Electronic Design Automation 電子設計自動化 PLD: Programmable Logical Device 可編程邏輯器件 CPLD: Complex Programmable Logical Device復雜可編程邏輯器件 FPGA: Field Programmable Gates Array 現場可編程門陣列,常用專業(yè)術語,HDL: Hardware Description Language 硬件描述語言 ASIC: Applica

4、tion Specific Integrated Circuit專用集成電路 SOC: System On a Chip 片上系統(tǒng)（系統(tǒng)級芯片） ISP： In System Programmable 芯片在系統(tǒng)可編程,1.1 EDA技術及發(fā)展,EDA技術的發(fā)展與集成電路的發(fā)展相伴而行 SSI：小規(guī)模集成電路 MSI：中規(guī)模集成電路 LSI：大規(guī)模集成電路 VLSI：超大規(guī)模集成電路 ASIC： Application Specific Integrated Circuit專用集成電路 SOC： System On a Chip系統(tǒng)級芯片（片上系統(tǒng)）,系統(tǒng)級芯片結構的示意圖,VLSI的分類,1

5、. 按工藝分類，最主要的有： 金屬氧化物半導體（Metal Oxide Semiconductor, MOS）工藝； 晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic, TTL）； 發(fā)射極耦合邏輯（Emitter Coupled Logic, ECL）。,2. 按生產目的分類： 通用集成電路； 專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）。 3. 按實現方式（設計風格）分類：全定制（Full -Custom）方式；半定制（Semi-Custom）方式； 可編程邏輯器件（ Programmable Log

6、ical Device）方式；,1.1 EDA技術及發(fā)展,1. EDA技術的含義 EDA-Electronic Design Automation(電子設計自動化),EDA技術以計算機為工具，代替人完成數字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線和設計仿真等工作。設計人員只需要完成對系統(tǒng)功能的描述，就可以由計算機軟件進行處理，得到設計結果，而且修改設計如同修改軟件一樣方便，可以極大地提高設計效率。,EDA技術伴隨著計算機、集成電路和電子系統(tǒng)設計的發(fā) 展，經歷了計算機輔助設計(Computer Assist Design，CAD)、 計算機輔助工程設計(Computer Assist Engineering D

7、esign，CAED) 電子設計自動化(Electronic Design Automation，EDA)三個階段 20世紀70年代的計算機輔助設計(CAD)階段 20世紀80年代的計算機輔助工程設計(CAED)階段 20世紀90年代初電子系統(tǒng)設計自動化(EDA)階段,2. EDA技術的發(fā)展概況,縮短設計周期 計算機模擬代替搭實驗電路 提高設計質量 靈敏度分析、容差分析、成品率模擬、最壞情況分析、優(yōu)化設計等 共享設計資源 成熟的單元設計及各種模型和模型參數均放在數據庫中 較強的數據處理能力 計算機存儲量大、數據處理能力強，設計完后，可以很方便地生成各種數據文件和報表文件 節(jié)省設計費用,3

8、. EDA技術的優(yōu)點,1.2 可編程邏輯器件的發(fā)展概況,ASIC的設計與制造，已不再完全由半導體廠商獨立承擔，系統(tǒng)設計師在實驗室里就可以設計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應用之中，這都得益于可編程邏輯器件PLD的出現?，F在應用最廣泛的PLD主要是現場可編程門陣列FPGA、復雜可編程邏輯器件CPLD。,最早的PLD是1970年制成的PROM(Programmable Read Only Memory)，即可編程只讀存儲器。PROM采用熔絲工藝編程，只能寫一次，不能擦除和重寫。隨著技術的發(fā)展和應用要求，此后又出現了UVEPROM(紫外線可擦除只讀存儲器)、EEPROM(電可擦除只讀存儲器)

9、，由于它們價格低，易于編程，速度低，因此主要用作存儲器。,可編程邏輯陣列PLA(Programmable Logic Array)于20世紀70年代中期出現，它是由可編程的與陣列和可編程的或陣列組成，但由于器件的資源利用率低，價格較貴，編程復雜，支持PLA的開發(fā)軟件有一定難度，因而沒有得到廣泛應用。,可編程陣列邏輯PAL(Programmable Array Logic)器件是1977年美國MMI公司(單片存儲器公司)率先推出的，器件的工作速度很高。由于它的輸出結構種類很多，設計很靈活，因而成為第一個得到普遍應用的可編程邏輯器件。,通用陣列邏輯器件GAL(Generic Array Logic

10、)器件是1985年Lattice公司最先發(fā)明的可電擦寫、可重復編程、可設置加密位的PLD。在實際應用中，GAL器件對PAL器件仿真具有百分之百的兼容性，所以GAL幾乎完全代替了PAL器件，并可以取代大部分SSI、MSI數字集成電路，因而獲得廣泛應用。,可擦除可編程邏輯器件EPLD(Erasable PLD)是20世紀80年代中期Altera公司推出的基于UVEPROM和CMOS技術的PLD，后來發(fā)展到采用E2CMOS工藝制作的PLD。從某種意義上講EPLD是改進的GAL，靈活性較GAL有較大改善，集成密度大幅度提高，內部連線相對固定，延時小，有利于器件在高頻率下工作，但內部互連能力十分弱。,復

11、雜可編程邏輯器件CPLD(Complex PLD)是20世紀80年代末Lattice公司提出的在線可編程(ISP，In System Programmability)技術以后于20世紀90年代初出現的。CPLD是在EPLD的基礎上發(fā)展起來的。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。,現場可編程門陣列FPGA(Field Programmable GateArray)器件是Xilinx公司1985年首家推出的FPGA出現后受到電子設計工程師的普遍歡迎，發(fā)展十分迅速。Xilinx、Alte

12、ra和Actel等公司都提供高性能的FPGA芯片。,PLD器件,1.3 EDA系統(tǒng)軟件與器件,目前EDA已形成兩大主流： 1由軟件公司開發(fā)的設計、制版、仿真和測試系統(tǒng)軟件。 2由器件公司研制、以PLD器件為主的數字電路系統(tǒng)設計開發(fā)軟件,由軟件公司開發(fā)的幾種軟件,PSPICE ( Personal Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis) 用于模擬電路的設計與仿真分析 美國Microsim公司出版 ORCAD 用于印刷電路板設計和電路圖繪制、數字邏輯模擬和PLD設計 美國ORCAD System公司推出 PROTEL用于電原理圖

13、設計、自動布線、制版及信號波形分析，是一種通用設計軟件 澳大利亞POTEL 公司推出 ORCAD/PSPICE 9 由ORCAD公司與Microsim公司聯(lián)合后推出的軟件，增加了數?；旌夏M與系統(tǒng)優(yōu)化設計功能 EWB（Electronic Work Bench） 加拿大Interactive Image Technologies公司(IIT)推出，其第6版更名為Multisim 2000?？捎糜陔娫韴D創(chuàng)建（元件庫可擴充、模型與參數可以修改）、電路的仿真測試和分析，并有10種虛擬儀器供分析測試使用。無印制版設計和自動布線功能。,1.3 EDA系統(tǒng)軟件,可編程邏輯器件 PLD(Programm

14、able Logic Device)是用于專用集成電路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的設計的通用器件，邏輯功能由用戶對器件編程設定,1.3 EDA系統(tǒng)軟件,PLD的主要開發(fā)軟件及開發(fā)商,CPLD開發(fā)軟件Max Plus II(Quartus)Altera公司 FPGA開發(fā)軟件FundationXiLinX公司 ISPLSI開發(fā)軟件 Expert(Synario)Lattice公司集成化開發(fā)系統(tǒng)軟件包 優(yōu)秀PLD開發(fā)程序的集成 XACT5.0 XinLinX公司 ISP Synario SystemLattice公司,1.4 硬件描述語

15、言及IEEE標準,1、硬件描述語言 硬件描述語言HDL是EDA技術中的重要組成部分，每個開發(fā)系統(tǒng)都有自己的描述語言，為便于各系統(tǒng)間兼容，IEEE公布了幾種標準語言。最常用的是以下兩種： VHDL(Very hight speed integrated circuit Hardware Describe Language) 超高速集成電路硬件描述語言。美國國防部1985年推出 Verilog HDL是美國Gateway Design Automation于1983年開發(fā)的邏輯模擬器VerilogXL所用的硬件描述語言。,2、硬件描述語言的綜合,假設我們需要建造一棟樓房，需要幾步？ 第一，進行“建

16、筑設計”用設計圖紙把建筑設想表示出來； 第二，進行“建筑預算”根據投資規(guī)模、擬建樓房的結構及有關建房的經驗數據等計算需要多少基本的建筑材料(如磚、水泥、預制塊、門、窗戶等)；,1.5 EDA設計流程,第三，根據建筑設計和建筑預算進行“施工設計”這些磚、水泥、預制塊、門、窗戶等具體砌在房子的什么部位，相互之間怎樣連接； 第四，根據施工圖進行“建筑施工”將這些磚、水泥、預制塊、門、窗戶等按照規(guī)定施工建成一棟樓房； 最后，施工完畢后，還要進行“建筑驗收”檢驗所建樓房是否符合設計要求。,設計輸入：將設計的系統(tǒng)或電路以開發(fā)軟件要求的某種形式表示出來，并送入計算機的過程。 3種設計輸入形式： 圖形設計輸入

17、方式：容易實現仿真，便于信號的觀察和電路的調整 文本方式設計輸入方式：目前最常用的輸入方式 波形輸入方式：適用于時序邏輯和有重復性的邏輯函數,1.5 EDA設計流程,綜合（synthesis）：將電路的高級語言描述轉換為低級的、可與FPGA/CPLD或構成ASIC的門陣列基本結構相映射的網表文件 網表文件：按照某種規(guī)定描述電路的基本組成及如何相互連接的文件,目標器件的布線/適配 將綜合器產生的網表文件針對具體的目標器件進行邏輯映射，產生可用于編程的文件。,1.5 EDA設計流程,仿真 時序仿真與功能仿真,編程下載和硬件測試,1.6 EDA工具的組成模塊,EDA工具大致可以分為5個模塊 設計輸入

18、編輯器 仿真器 HDL綜合器 適配器（或布局布線器） 下載器,MAX+PLUS II軟件組成,設計輸入,項目編譯Compiler,項目校驗,器件編程,MAX+PLUS II 時間分析器 Time Analyzer,MAX+PLUS II 圖形編輯器 Graphic editor,MAX+PLUS II 文本編輯器 Text editor,MAX+PLUS II 編程器 Programmer,編譯器 網表提取器,適配,邏輯 綜合器,數據庫 建庫器,MAX+PLUS II 信息處理器 Messages 和 層次顯示 Hierarchy Display,MAX+PLUS II 波形編輯器 Waveform Editor,MAX+PLUS II 仿真器 Simulater,學習EDA到底有什么用呢？,真有趣，可以按自己的想法設計一個芯片！,我也要參加全國大學生電子設計競賽！,呀，畢業(yè)設計正好能用得上哎！,原來在一個芯片里就可以設計一個完整的計算機系統(tǒng)呀！,找工作時也算得上一技之長哦！,