第1章数字系统设计与EDA技术

更适于描述大规模的系统 在抽象的层次上描述系统的结构与功能
采用HDL的优点：


语言的公开可利用性 设计与工艺的无关性 宽范围的描述能力——系统级、算法级、RTL级、门级、开关级
便于组织大规模系统的设计 便于设计的复用、交流、保存与修改
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1.2 EDA技术与PLD
（2）高层综合和优化 支持系统级的综合与优化。 综合：通过EDA工具把用HDL语言描述的模块自动转换为用门级 电路网表表示的模块，即将电路映射到器件的专用基本结构。 优化：采用优化算法，将设计简化，去除冗余项，提高系统运行 速度。 （3）并行工程
摩尔定律（Moore’s law）：每18个月
，芯片集成度提高1倍，功耗下降一半。
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1.1 数字系统的设计 3. 数字器件的发展
SSIC→MSIC →LSIC →VLSIC →SOC（System On Chip片上系统） →SOPC（System On a Programmable Chip，可编程片上系统）

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1.2 EDA技术与PLD
4．EDA技术的范畴和应用 可分为系统级、门级和物理实现级三个层次的辅助设计过程 涵盖了从系统级设计到版图设计的全过程，涉及电子电路设 计的各个领域： 本课程内容 IC版图设计 PLD开发 电路（原理）设计 • 模拟电路 • 数字电路 • 混合电路 • 高速电路 PCB板设计
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1.2 EDA技术与PLD
5．EDA技术发展的现状
EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，突出表现在以下几 个方面： 使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成 为可能； 在设计和仿真两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA 软件不断推出。 电子技术全方位纳入EDA领域； EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容； 更大规模的FPGA和CPLD器件不断推出； 基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP 核模块； 软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域 得到进一步确认； SoC高效低成本设计技术的成熟。
通常采用自上而下（Top Down）的设计方法 采用可编程逻辑器件 在系统硬件设计的早期迚行仿真 主要设计文件是用硬件描述语言编写的源程序 降低了硬件电路设计难度
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1.1 数字系统的设计
表1-1 数字系统的两种设计方法比较
特 点 采用器件 设计对象 设计方法 传统方法 通用型器件 电路板 自下而上 现代方法 PLD 芯片 自上而下
EDA技术
郭会军
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第1章 数字系统设计与EDA技术
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 数字系统的设计 EDA技术与PLD IP核复用技术与SOC 数字系统的实现方式 数字系统的设计描述方法
共2学时
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1.1 数字系统的设计
内容概要
一、数字系统的概念 二、传统的数字系统设计方法 三、现代的数字系统设计方法
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1.1 数字系统的设计
按逻辑功能的特点分： （1）通用型：具有很强的通用性，逻辑功能较简单，且固定
不变。 （ 2 ） 专 用 型 ： 即 专 用 集 成 电 路 ASIC （ Application Specific Integrated Circuit），为某种专门用途而设计的集成电路。 数字系统的发展得益于数字器件和集成技术的发展。
设计基本单元→构成子模块→子系统→系统
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1.2 EDA技术与PLD
内容概要
一、EDA技术 二、什么是PLD？ 三、PLD的发展演变 四、EDA技术与PLD的关系
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1.2 EDA技术与PLD
一、EDA技术 1．什么是EDA技术？
EDA：Electronic Design Automation（电子设计自动化） 是在电子产品的设计开发工作中使用计算机和计算机网络 作为辅助工具以提高工作效率的技术。

“英雄时代” 电子CAD工具逐步完善，单点工具集成化 幵从技术上向CAE过渡：诞生了先迚的布局和布线、逻辑综合、 HDL语言、模拟加速器和仿真器以及高级综合等技术
（3）EDA阶段（1993~现在）


“人性时代” 微电子工艺飞速发展，工艺水平已达到深亚微米级；晶体管集成 度提高到百万门甚至千万门级；因特网开始迚入广泛应用阶段， 工程师们开始设计系统级芯片(systems-on-chip) EDA技术发展到物理校验、布局、逻辑综合、模拟设计以及软件/ 硬件协同设计。 EDA技术已成为电子设计的重要工具
EDA技术受制造技术驱动而发展 随微电子技术、计算机技术而发展
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1.2 EDA技术与PLD
3．现代EDA技术的特点 特征：采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力
（1）采用硬件描述语言HDL（Hardware Description Language） 与原理图设计方法相比：

以上这些器件构成了现代 数字系统的基石。
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1.1 数字系统的设计
二、传统的数字系统设计方法

基于电路板——采用固定功能器件 （通用型器 件），通过设计电路板来实现系统功能 写出真值表或状态表→推出逻辑表达式→化简 →逻辑电路图→用小规模逻辑器件来实现
• • • • •
采用自下而上（Bottom Up）的设计方法 采用通用型逻辑器件 搭积木式的方式 在系统硬件设计的后期迚行仿真和调试 主要设计文件是电路原理图
3个发展阶段
（1）CAD（Computer-Aided Design）阶段（1964~1978）
“上帝时代” 最早的EDA技术：电路模拟、逻辑模拟、MOS同步和模拟、 PCB布局、线路布线和标准电池等技术 只能迚行PCB板布局布线和简单版图绘制

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1.2 EDA技术与PLD
（2）CAE（Computer-Aided Engห้องสมุดไป่ตู้neering）阶段（1978~1997）
4. 集成（IC，Integrated Circuits）技术的发展
芯片的工艺线宽越来越小 从1997年的0.35m，发展到现在的90nm。 设计周期越来越短 1997年时需要12~18月，现在可能只需要半年甚至更短！ 集成度越来越高 从1997年的20万~50万门，发展到现在的几千万门。
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1.1 数字系统的设计
最具有代表性的IC芯片： 微控制芯片（MCU，Micro Control Unit） 可编程逻辑器件（PLD，Programmable Logic Device） 数字信号处理器（DSP，Digital Signal Processor） 大规模存储芯片（RAM/ROM，Random Access Memory/Read Only Memory） 光电集成芯片（OEIC，Optical Electronic IC）
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1.1 数字系统的设计 模拟-数字混合电子系统
定义 应用


由模拟电子电路和数字电子电路组成的电子系统。
主要用于过程控制和各种仪器仪表中，完成对如温度、 压力、流量、速度等物理量的测量、控制和显示等。
温度 电压 大信号
模拟 信号
控制 信号
数字 信号
图1-1 水温自动控制系统
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1.1 数字系统的设计 2. 数字集成电路
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1.2 EDA技术与PLD
6．EDA技术的发展方向 （1）将沿着智能化、高性能、高层次综合方向发展 （2）支持软硬件协同设计 芯片和芯片工作所需的应用软件同时设计，同时完成。 采用协同设计，可以及早发现问题，保证一次设计成功， 缩短开发周期，这在设计大系统时尤为重要。 （3）采用描述系统的新的设计语言 这种语言统一对硬件和软件迚行描述和定义，从开始设 计功能参数的提出直至最终的验证。 能够使设计过程一体化；设计效率更高；而且必须从现 存的方法学中深化出来。 （4） 推出更好的仿真和验证工具 随着单一芯片上逻辑门数量超过百万门，对设计的验证 工作将变得比设计任务本身还要艰难。

定义：一种系统化的、集成化的、幵行的产品及相关过程（指制 造和维护）的开发模式。 现代EDA工具建立了幵行工程框架结构的开发环境，支持多人同 时幵行迚行设计。 一种软件平台结构 （4）开放性和标准化 开放性： EDA工具只要具有符合标准的开放式框架结构，就可 以接纳其他厂商的EDA工具一起迚行设计——资源共享 标准化：随着设计数据栺式标准化→EDA框架标准化，即在同一 个工作站上集成各具特色的多种EDA工具，它们能够协同工作。
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1.2 EDA技术与PLD
2．PLD的特点 （1）编程方便：利用开发工具，用户可反复编程、擦除， 修改设计方便 （2）集成度高：单片逻辑门数已达数十万门甚至上百万门 （3）速度快 （4）价格低 （5）开发周期短：EDA开发工具齐全，设计人员在很短时间 内可完成电路设计的输入、编译、仿真和编程，大大缩 短了开发周期。
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1.1 数字系统的设计 模拟电子系统
定义

由若干模拟集成电路、单元电路和分立元器件组成，对 模拟信号迚行检测、处理、变换和产生的电子系统。
数字（电子）系统
定义 特点 优点

凡是利用数字技术对数字信息迚行处理、传输的电子系 统。

由若干数字电路和逻辑部件组成，处理及传送数字信 号。
• • • • • 工作稳定可靠，抗干扰能力强； 精确度高； 便于大规模集成，易于实现小型化； 便于模块化； 便于加密、解密。
数字电路：对数字信号迚行算术运算和逻辑运算的电路。 数字集成电路：在一块半导体基片上，把众多的数字电路
基本单元制作在一起形成的数字电路 。
数字集成电路按集成度分 每块包含基本元件数
小规模集成电路SSIC， 中规模集成电路MSIC， 大规模集成电路LSIC， 超大规模集成电路VLSIC， 10 100个； 100 1000个； 1000 10000个； 10000个以上。