HDL设计第一章(共43张)
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(1) 从推出过程来看，VHDL偏重于标准化的考虑，而Verilog HDL与EDA工具的结合更为紧密。VHDL是国际上第一个标准化的 HDL语言(IEEE-1076)，是为了实现美国国防部VHSIC计划所推出的 各个电子部件(bùjiàn)供应商具有统一数据交换格式的要求。相比之下， Verilog HDL则是在全球最大的EDA/ESDA供应商Cadence公司的扶 持下针对EDA工具开发的HDL语言。
第24页，共43页。
第1章 概 述
EDA设计的流程
设计输入（Design Entry）
1. 原理图输入(shūrù)(Schematic diagrams )
2、硬件描述语言 (HDL文本输入)
（1）ABEL-HDL （2）AHDL
（3）VHDL
（4）Verilog HDL
IEEE标准
硬件描述语言与软件编程语言（C、PASCAL 等）的区别??
)。 Design Automation，电子系统设计自动化
第6页，共43页。
第1章 概 述
它代表了当今电子设计技术的最新发展方向，设计人员按照“自 顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的 关键电路用一片或几片专用集成电路(ASIC)实现，然后采用硬件描述 语言(HDL)完成(wán chéng)系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生 成最终的目标器件。
1.2.2 为什么要用HDL
1设计复杂性
目前电子设计的规模(guīmó)越来越大，复杂度越来越高，为使 如此复杂的芯片变得易于被人脑理解，很有必要用一种高级语言 来表达其功能，隐藏其具体实现的细节。在芯片设计中不得不使 用硬件描述语言，而具体实现交由逻辑综合工具完成。
第15页，共43页。
第1章 概 述
其模拟器产品开发的硬件建模语言，当时它只是一种专用语言。
1989年，GDA公司被Cadence公司并购。1990年，Cadence公司正式发 布Verilog HDL语言，并成立了Open Verilog International (OVI)这一促进 Verilog发展的国际性组织。
1992年，OVI开始致力于推广(tuīguǎng)Verilog OVI标准成为IEEE标 准，并于1995年使Verilog HDL语言成为IEEE标准，称为IEEE Std 1364—1995。
第18页，共43页。
第1章 概 述
Verilog HDL 的发展(fāzhǎn)历史图表
Verilog HDL 公开发表
1990
CADENCE 公司 购买 Verilog 版权
1989
1980’s
Verilog-XL 诞生
模拟和数字都适用 的 Verilog 标准
公开发表
VerilogHDL IEEE1364 标准 公开发表
第20页，共43页。
第1章 概 述
(2) 与VHDL相比，Verilog HDL的编程风格(fēnggé)更加简洁明了、 高效便捷。如果单纯从描述结构上考察，两者的代码之比为3∶1。
(3) Verilog HDL也于1995年实现标准化(IEEE-1364)。目前市场上所 有EDA/ESDA工具都同时支持这两种语言，而在ASIC设计领域， Verilog HDL占有明显的优势。
集成电路设计技术的核心是EDA技术.
EDA是指以计算机为工作平台，把应用电子技术、计算 机技术、智能化技术等融合在一个(yī ɡè)电子CAD通用软件包中， 辅助进行三方面的电子设计工作：集成电路设计、电子电路 设计以及PCB设计。
第2页，共43页。
第1章 概 述
回顾40多年来电子系统(集成电路)设计自动化的发展, 可将EDA技 术分为三个阶段：
高层次设计方法的典型流程如图1.1所示：
第23页，共43页。
第1章 概 述
厂家综合库
适配后仿真模型 适配后时序仿真
系统划分 设计输入 编译器 功能仿真 综合器 适配前时序仿真 适配器 器件编程数据流 CPLD/FPGA实现
适配报告 ASIC实现
图1.1 高层次设计方法的典型(diǎnxíng)流程
第7页，共43页。
第1章 概 述
在第三代EDA系统中，除了引入硬件描述语言，还引入了行为综合和逻 辑综合工具，并采用较高的抽象层次进行设计。按层次式方法进行管理，大 大提高了处理复杂设计的能力，并且大幅度缩短了设计所需的周期。另外， 采用专用的综合优化工具，使芯片(xīn piàn)的品质如面积、速度和功耗等获得 了优化。因而第三代EDA系统一面世就迅速得到了广泛的应用。
第1章 概 述
高层次设计是一种“概念驱动”形式的设计。使用高层次设计方 法，设计人员不需要再通过门级原理图来描述电路，而只要针对设计 目标进行功能描述。这样设计人员就可以摆脱电路细节的束缚，把精 力集中在创造性的方案(fāng àn)与概念构思上，一旦这些概念构思以高 层次描述的形式输入到EDA系统中之后，EDA系统就能以规则驱动 的方式自动完成整个设计。
第4页，共43页。
第1章 概 述
2) CAE阶段(20世纪80年代(niándài)初期～90年代(niándài)初期) CAE阶段在集成电路与电子系统设计方法学以及设计工具集成化方 面取得了许多成果。能够将各个工具集成为一个CAE系统。CAE阶段中 主要采用基于单元库的半定制设计方法。 这个阶段典型的CAE系统有Mentor Graphics、Valid Daisy等公 司的产品。
第16页，共43页。
第1章 概 述
1.2.3 HDL的发展(fāzhǎn)历史
HDL最早是由Iverson公司于1962年提出的。
一些高等院校及科研单位也开发了数百种产品，比较著名的包 括AHPL、MIMOLA和SCHOLAR等。
另外，一些大型的计算机制造商也都有其内部使用的各自的设计语言， 如得克萨斯仪器公司的TIHDL。
第3页，共43页。
第1章 概 述
20世纪80年代初，由于集成电路规模越来越大，制作也趋于复杂， EDA技术有了较快的发展，许多软件公司如Mentor、Daisy System等进 入市场，软件工具的产品开始增多。
存在两个方面的问题： 第一，各软件工具是由多个公司开发的，只解决(jiějué)一个领域中的问题， 如果将某个软件输出作为另一个软件的输入，需要手工处理，这往往很烦 琐，极大影响了设计速度； 第二，对于复杂电子系统的设计，当时的EDA工具不能够提供系统级的仿真 与综合。
有些HDL是从一些已有的软件程序设计语言发展而来的，如 Silicon Compiler公司的M和Gateway公司的Verilog HDL是从C语言发 展而来的，而BLM、MIMOLA和SCHOLAR是以PASCAL语言为基础 的。
第17页，共43页。
第1章 概 述
Verilog HDL语言最初是于1983年由Gateway Design Automation公司为
1998 ?
1995
1990
有关 VerilogHDL 的全部权利都移交给 OVI（Open Verilog
International)
第19页，共43页。
第1章 概 述
1.2.4 Verilog HDL与VHDL的比较
Verilog HDL与VHDL是目前两种最常用的硬件描述语言，同时 也都是IEEE标准化的HDL语言。归纳起来，它们主要有以下几点不 同：
第25页，共43页。
第1章 概 述
综合(zōnghé)（Synthesis）
将较高层次的设计描述自动转化为较低层次描述的过程 ◆行为综合：从算法表示、行为描述转换到寄存器传输级（RTL）
◆逻辑综合：RTL级描述转换到逻辑门级（包括触发器）
◆版图综合或结构综合：从逻辑门表示转换到版图表示，或转换到PLD器
第13页，共43页。
第1章 概 述
在EDA领域中，一般把用HDL语言(yǔyán)建立的数字模型称为软 核(Soft Core)，把用HDL建模和综合后生成的网表称为固核(Hard Core)。重复利用这些模块可以缩短开发时间，提高产品开发成功率， 并提高设计效率。
第14页，共43页。
第1章 概 述
件的配置网表表示
综合器是能够自动实现上述转换的软件工具，是能将原理图或HDL 语言描述的电路功能转化为具体电路结构网表的工具
第26页，共43页。
第1章 概 述
软件编译器和硬件综合器区别
第1章 概 述
第1章 概 述
1.1 电子系统设计(shèjì)方法的演变过程 1.2 硬件描述语言
1.3 EDA典型流程 1.4 硬件描述语言的新发展
第1页，共43页。
第1章 概 述 1.1 电子系统设计方法的演变过程
自1959年第一片集成电路问世以来，至今已有40多年了。当前 的微型计算机处理器的制造工艺已经达到了180 nm，并正向 130 nm过渡.
1) CAD阶段(20世纪60年代(niándài)～80年代(niándài)初期)
CAD阶段分别研制了一些单独的软件工具，主要有PCB (Printed Circuit Board)布线设计、电路模拟、逻辑模拟及版图的绘制等，此时产 生了计算机辅助设计的概念。
例如，目前常用的PCB布线软件Tango以及用于电路模拟的Spice软件 和后来产品化的IC版图编辑与设计规则检查等软件都是这个时期的产品。
第8页，共43页。
第1章 概 述
EDA技术的应用(yìngyò 范畴 ng)
第9页，共43页。
第1章 概 述
EDA技术(jìshù )的新发展
IP核的广泛应用
自主知识产权
软IP电--子硬技件术描领述域语全方言位描融述入的ED功A技能术块，并不 涉及
电用子什领么域各具学体科电的路界元限件更加实模现糊这、些互功为能包。容
2设计效率 涉入电子市场的厂商要面对巨大的压力：提高逻辑设计的效率，降
低(jiàngdī)设计成本，更重要的是缩短设计周期。有效的HDL语言和主计 算机仿真系统在将设计错误的数目减少到最低限度方面起到不可估量的 作用，并使第一次投片便能成功地实现芯片的功能成为可能。
3方便修改
使用硬件描述语言将使检测各种设计方案变成一件很容易、很 方便的事情，因为对方案的修改只需要修改HDL程序就行了，这比 修改原理图要容易得多。
第5页，共43页。第1章 源自 述3) EDA阶段(20世纪90年代以来) 20世纪90年代以来，对EDA系统提出了更高的要求。尽管 CAD/CAE技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重(fánzhòng)的设 计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能化程度 还不高，各种EDA软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼 容，直接影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，人们开始追求 贯彻整个设计过程的自动化，这就是ESDA(Electronic System
第11页，共43页。
第1章 概 述
EDA技术(jìshù)的发展趋势
➢集成度和工艺水平不断提高
➢市场对系统的集成度不断提出更高的要求
➢高性能的EDA工具，其自动化和智能化程度不断提
高，为嵌入式系统设计提供了功能强大的开发环境。
➢计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的SoC设
计提供了物理基础。
第12页，共43页。
第21页，共43页。
第1章 概 述
1.3 EDA典型流程
进入20世纪90年代以来(yǐlái)，电子信息类产品的开发明显出现两个特点： 一是产品的复杂程度加深；
二是产品的上市时限紧迫。 这两点对EDA技术提出了新的要求，为此业界开始使用一种高层 次的电子设计方法，也称为系统级的设计方法。
第22页，共43页。
固I更P-大-完规成模了的综FP合GA的和功CP能LD块器。件不断推出
硬IP--供设计的最终阶段产品：掩膜。
嵌入式处理器软核的成熟
SoC高效低成本设计技术的成熟
第10页，共43页。
第1章 概 述
现代(xiàndài)EDA技术的特征:
1．硬件描述语言设计输入
2．“自顶向下”设计方法（Top-down） 3．开放性和标准化 4．高层综合与优化
第1章 概 述
1.2 硬件描述语言
1.2.1 硬件描述语言(HDL)
硬件描述语言(Hardware Description Language)是硬件设计人员和EDA 工具之间的界面，它主要用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层
次的数字系统(xìtǒng)建模。 硬件描述语言的主要功能是编写设计文件。
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第1章 概 述
EDA设计的流程
设计输入（Design Entry）
1. 原理图输入(shūrù)(Schematic diagrams )
2、硬件描述语言 (HDL文本输入)
（1）ABEL-HDL （2）AHDL
（3）VHDL
（4）Verilog HDL
IEEE标准
硬件描述语言与软件编程语言（C、PASCAL 等）的区别??
)。 Design Automation，电子系统设计自动化
第6页，共43页。
第1章 概 述
它代表了当今电子设计技术的最新发展方向，设计人员按照“自 顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的 关键电路用一片或几片专用集成电路(ASIC)实现，然后采用硬件描述 语言(HDL)完成(wán chéng)系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生 成最终的目标器件。
1.2.2 为什么要用HDL
1设计复杂性
目前电子设计的规模(guīmó)越来越大，复杂度越来越高，为使 如此复杂的芯片变得易于被人脑理解，很有必要用一种高级语言 来表达其功能，隐藏其具体实现的细节。在芯片设计中不得不使 用硬件描述语言，而具体实现交由逻辑综合工具完成。
第15页，共43页。
第1章 概 述
其模拟器产品开发的硬件建模语言，当时它只是一种专用语言。
1989年，GDA公司被Cadence公司并购。1990年，Cadence公司正式发 布Verilog HDL语言，并成立了Open Verilog International (OVI)这一促进 Verilog发展的国际性组织。
1992年，OVI开始致力于推广(tuīguǎng)Verilog OVI标准成为IEEE标 准，并于1995年使Verilog HDL语言成为IEEE标准，称为IEEE Std 1364—1995。
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第1章 概 述
Verilog HDL 的发展(fāzhǎn)历史图表
Verilog HDL 公开发表
1990
CADENCE 公司 购买 Verilog 版权
1989
1980’s
Verilog-XL 诞生
模拟和数字都适用 的 Verilog 标准
公开发表
VerilogHDL IEEE1364 标准 公开发表
第20页，共43页。
第1章 概 述
(2) 与VHDL相比，Verilog HDL的编程风格(fēnggé)更加简洁明了、 高效便捷。如果单纯从描述结构上考察，两者的代码之比为3∶1。
(3) Verilog HDL也于1995年实现标准化(IEEE-1364)。目前市场上所 有EDA/ESDA工具都同时支持这两种语言，而在ASIC设计领域， Verilog HDL占有明显的优势。
集成电路设计技术的核心是EDA技术.
EDA是指以计算机为工作平台，把应用电子技术、计算 机技术、智能化技术等融合在一个(yī ɡè)电子CAD通用软件包中， 辅助进行三方面的电子设计工作：集成电路设计、电子电路 设计以及PCB设计。
第2页，共43页。
第1章 概 述
回顾40多年来电子系统(集成电路)设计自动化的发展, 可将EDA技 术分为三个阶段：
高层次设计方法的典型流程如图1.1所示：
第23页，共43页。
第1章 概 述
厂家综合库
适配后仿真模型 适配后时序仿真
系统划分 设计输入 编译器 功能仿真 综合器 适配前时序仿真 适配器 器件编程数据流 CPLD/FPGA实现
适配报告 ASIC实现
图1.1 高层次设计方法的典型(diǎnxíng)流程
第7页，共43页。
第1章 概 述
在第三代EDA系统中，除了引入硬件描述语言，还引入了行为综合和逻 辑综合工具，并采用较高的抽象层次进行设计。按层次式方法进行管理，大 大提高了处理复杂设计的能力，并且大幅度缩短了设计所需的周期。另外， 采用专用的综合优化工具，使芯片(xīn piàn)的品质如面积、速度和功耗等获得 了优化。因而第三代EDA系统一面世就迅速得到了广泛的应用。
第1章 概 述
高层次设计是一种“概念驱动”形式的设计。使用高层次设计方 法，设计人员不需要再通过门级原理图来描述电路，而只要针对设计 目标进行功能描述。这样设计人员就可以摆脱电路细节的束缚，把精 力集中在创造性的方案(fāng àn)与概念构思上，一旦这些概念构思以高 层次描述的形式输入到EDA系统中之后，EDA系统就能以规则驱动 的方式自动完成整个设计。
第4页，共43页。
第1章 概 述
2) CAE阶段(20世纪80年代(niándài)初期～90年代(niándài)初期) CAE阶段在集成电路与电子系统设计方法学以及设计工具集成化方 面取得了许多成果。能够将各个工具集成为一个CAE系统。CAE阶段中 主要采用基于单元库的半定制设计方法。 这个阶段典型的CAE系统有Mentor Graphics、Valid Daisy等公 司的产品。
第16页，共43页。
第1章 概 述
1.2.3 HDL的发展(fāzhǎn)历史
HDL最早是由Iverson公司于1962年提出的。
一些高等院校及科研单位也开发了数百种产品，比较著名的包 括AHPL、MIMOLA和SCHOLAR等。
另外，一些大型的计算机制造商也都有其内部使用的各自的设计语言， 如得克萨斯仪器公司的TIHDL。
第3页，共43页。
第1章 概 述
20世纪80年代初，由于集成电路规模越来越大，制作也趋于复杂， EDA技术有了较快的发展，许多软件公司如Mentor、Daisy System等进 入市场，软件工具的产品开始增多。
存在两个方面的问题： 第一，各软件工具是由多个公司开发的，只解决(jiějué)一个领域中的问题， 如果将某个软件输出作为另一个软件的输入，需要手工处理，这往往很烦 琐，极大影响了设计速度； 第二，对于复杂电子系统的设计，当时的EDA工具不能够提供系统级的仿真 与综合。
有些HDL是从一些已有的软件程序设计语言发展而来的，如 Silicon Compiler公司的M和Gateway公司的Verilog HDL是从C语言发 展而来的，而BLM、MIMOLA和SCHOLAR是以PASCAL语言为基础 的。
第17页，共43页。
第1章 概 述
Verilog HDL语言最初是于1983年由Gateway Design Automation公司为
1998 ?
1995
1990
有关 VerilogHDL 的全部权利都移交给 OVI（Open Verilog
International)
第19页，共43页。
第1章 概 述
1.2.4 Verilog HDL与VHDL的比较
Verilog HDL与VHDL是目前两种最常用的硬件描述语言，同时 也都是IEEE标准化的HDL语言。归纳起来，它们主要有以下几点不 同：
第25页，共43页。
第1章 概 述
综合(zōnghé)（Synthesis）
将较高层次的设计描述自动转化为较低层次描述的过程 ◆行为综合：从算法表示、行为描述转换到寄存器传输级（RTL）
◆逻辑综合：RTL级描述转换到逻辑门级（包括触发器）
◆版图综合或结构综合：从逻辑门表示转换到版图表示，或转换到PLD器
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第1章 概 述
在EDA领域中，一般把用HDL语言(yǔyán)建立的数字模型称为软 核(Soft Core)，把用HDL建模和综合后生成的网表称为固核(Hard Core)。重复利用这些模块可以缩短开发时间，提高产品开发成功率， 并提高设计效率。
第14页，共43页。
第1章 概 述
件的配置网表表示
综合器是能够自动实现上述转换的软件工具，是能将原理图或HDL 语言描述的电路功能转化为具体电路结构网表的工具
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第1章 概 述
软件编译器和硬件综合器区别
第1章 概 述
第1章 概 述
1.1 电子系统设计(shèjì)方法的演变过程 1.2 硬件描述语言
1.3 EDA典型流程 1.4 硬件描述语言的新发展
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第1章 概 述 1.1 电子系统设计方法的演变过程
自1959年第一片集成电路问世以来，至今已有40多年了。当前 的微型计算机处理器的制造工艺已经达到了180 nm，并正向 130 nm过渡.
1) CAD阶段(20世纪60年代(niándài)～80年代(niándài)初期)
CAD阶段分别研制了一些单独的软件工具，主要有PCB (Printed Circuit Board)布线设计、电路模拟、逻辑模拟及版图的绘制等，此时产 生了计算机辅助设计的概念。
例如，目前常用的PCB布线软件Tango以及用于电路模拟的Spice软件 和后来产品化的IC版图编辑与设计规则检查等软件都是这个时期的产品。
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第1章 概 述
EDA技术的应用(yìngyò 范畴 ng)
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第1章 概 述
EDA技术(jìshù )的新发展
IP核的广泛应用
自主知识产权
软IP电--子硬技件术描领述域语全方言位描融述入的ED功A技能术块，并不 涉及
电用子什领么域各具学体科电的路界元限件更加实模现糊这、些互功为能包。容
2设计效率 涉入电子市场的厂商要面对巨大的压力：提高逻辑设计的效率，降
低(jiàngdī)设计成本，更重要的是缩短设计周期。有效的HDL语言和主计 算机仿真系统在将设计错误的数目减少到最低限度方面起到不可估量的 作用，并使第一次投片便能成功地实现芯片的功能成为可能。
3方便修改
使用硬件描述语言将使检测各种设计方案变成一件很容易、很 方便的事情，因为对方案的修改只需要修改HDL程序就行了，这比 修改原理图要容易得多。
第5页，共43页。第1章 源自 述3) EDA阶段(20世纪90年代以来) 20世纪90年代以来，对EDA系统提出了更高的要求。尽管 CAD/CAE技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重(fánzhòng)的设 计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能化程度 还不高，各种EDA软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼 容，直接影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，人们开始追求 贯彻整个设计过程的自动化，这就是ESDA(Electronic System
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第1章 概 述
EDA技术(jìshù)的发展趋势
➢集成度和工艺水平不断提高
➢市场对系统的集成度不断提出更高的要求
➢高性能的EDA工具，其自动化和智能化程度不断提
高，为嵌入式系统设计提供了功能强大的开发环境。
➢计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的SoC设
计提供了物理基础。
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第1章 概 述
1.3 EDA典型流程
进入20世纪90年代以来(yǐlái)，电子信息类产品的开发明显出现两个特点： 一是产品的复杂程度加深；
二是产品的上市时限紧迫。 这两点对EDA技术提出了新的要求，为此业界开始使用一种高层 次的电子设计方法，也称为系统级的设计方法。
第22页，共43页。
固I更P-大-完规成模了的综FP合GA的和功CP能LD块器。件不断推出
硬IP--供设计的最终阶段产品：掩膜。
嵌入式处理器软核的成熟
SoC高效低成本设计技术的成熟
第10页，共43页。
第1章 概 述
现代(xiàndài)EDA技术的特征:
1．硬件描述语言设计输入
2．“自顶向下”设计方法（Top-down） 3．开放性和标准化 4．高层综合与优化
第1章 概 述
1.2 硬件描述语言
1.2.1 硬件描述语言(HDL)
硬件描述语言(Hardware Description Language)是硬件设计人员和EDA 工具之间的界面，它主要用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层
次的数字系统(xìtǒng)建模。 硬件描述语言的主要功能是编写设计文件。