EDA技术与应用讲义第章EDA设计流程及其工具
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EDA原理及应用 共263页PPT资料
HDL硬件描述语言概念 HDL语言特点和比较 HDL语言最新发展
EDA技术发展历史
EDA技术随着计算机、集成电路、电子系统设 计的发展，经历了三个发展阶段：
1、计算机辅助设计（CAD） 2、计算机辅助工程设计（CAE） 3、电子设计自动化（EDA）
1、计算机辅助设计(CAD)
硬件设计发展的初级阶段。在此阶段，大量选用中 小规模标准集成电路，将产品设计过程中高度重复 性的布图布线工作，采用二维图形编辑与分析的 CAD工具。由于PCB布图布线工具受到计算机工作 平台的制约，其支持的设计工作有限且性能比较差。
广义EDA技术，是通过计算机及其电子系统的辅助 分析和设计软件，完成电子系统某一部分的设计过 程。因此，广义EDA技术除了包含狭义的EDA技术 外，还包括计算机辅助分析CAA技术（如PSPICE， EWB，MATLAB等），印刷电路板计算机辅助设计 PCB-CAD技术（如PROTEL，ORCAD等）和其它高 频和射频设计和分析的工具等。
2、设计输入 设计输入是将所设计的系统或电路以开发软件要求 的某种形式表示出来，并输入EDA工具的过程。常 用的方法有硬件描述语言（HDL）和原理图输入方 法等。 原理图输入方式是一种最直接的描述方式，在可编 程芯片发展的早期应用较广，它将所需的器件从元 件库中调出来，画出原理图。这种方法虽然直观并 易于仿真，但效率低，且不易维护。更主要的缺点 是可移植性差。 HDL语言输入法利用文本描述设计，主要使用行为 级HDL，其主流语言是Verilog HDL和VHDL。
6、大多数EDA软件都具有仿真和模拟功能；
EDA技术的主要内容
基于狭义EDA技术进行可编程逻辑器件的设计应掌 握以下几个方面的内容： １、大规模可编程逻辑器件PLD，是利用EDA技术 进行电子系统设计的载体； ２、硬件描述语言HDL，是利用EDA技术进行电子 系统设计的主要表达手段； ３、EDA设计软件EDAS：是利用EDA技术进行电 子系统设计的自动化设计工具； ４、相关的硬件平台，是利用EDA技术进行电子系 统设计的下载工具及硬件验证工具；
EDA技术发展历史
EDA技术随着计算机、集成电路、电子系统设 计的发展，经历了三个发展阶段：
1、计算机辅助设计（CAD） 2、计算机辅助工程设计（CAE） 3、电子设计自动化（EDA）
1、计算机辅助设计(CAD)
硬件设计发展的初级阶段。在此阶段，大量选用中 小规模标准集成电路，将产品设计过程中高度重复 性的布图布线工作，采用二维图形编辑与分析的 CAD工具。由于PCB布图布线工具受到计算机工作 平台的制约，其支持的设计工作有限且性能比较差。
广义EDA技术，是通过计算机及其电子系统的辅助 分析和设计软件，完成电子系统某一部分的设计过 程。因此，广义EDA技术除了包含狭义的EDA技术 外，还包括计算机辅助分析CAA技术（如PSPICE， EWB，MATLAB等），印刷电路板计算机辅助设计 PCB-CAD技术（如PROTEL，ORCAD等）和其它高 频和射频设计和分析的工具等。
2、设计输入 设计输入是将所设计的系统或电路以开发软件要求 的某种形式表示出来，并输入EDA工具的过程。常 用的方法有硬件描述语言（HDL）和原理图输入方 法等。 原理图输入方式是一种最直接的描述方式，在可编 程芯片发展的早期应用较广，它将所需的器件从元 件库中调出来，画出原理图。这种方法虽然直观并 易于仿真，但效率低，且不易维护。更主要的缺点 是可移植性差。 HDL语言输入法利用文本描述设计，主要使用行为 级HDL，其主流语言是Verilog HDL和VHDL。
6、大多数EDA软件都具有仿真和模拟功能；
EDA技术的主要内容
基于狭义EDA技术进行可编程逻辑器件的设计应掌 握以下几个方面的内容： １、大规模可编程逻辑器件PLD，是利用EDA技术 进行电子系统设计的载体； ２、硬件描述语言HDL，是利用EDA技术进行电子 系统设计的主要表达手段； ３、EDA设计软件EDAS：是利用EDA技术进行电 子系统设计的自动化设计工具； ４、相关的硬件平台，是利用EDA技术进行电子系 统设计的下载工具及硬件验证工具；
EDA技术及其应用
逻Leabharlann 门表述FPGA的配置网表文件
1.5 面向FPGA的EDA开发流程
1.5.3 适配（布线布局）
适配器也称结构综合器，它的功能是将由综合器产生的网表文件配置 于指定的目标器件中，使之产生最终的下载文件，如JEDEC、Jam格式的 文件。适配所选定的目标器件必须属于原综合器指定的目标器件系列。
1.5.4
1.2 EDA技术应用对象
全定制或半定制ASIC FPGA/CPLD（或称可编程ASIC）开发应用 实现目标
ASIC的设计和实现
1. 大规模可编程逻辑器件 2. 半定制或全定制ASIC
门阵列ASIC 标准单元ASIC
全定制芯片
3. 混合ASIC
1.3 VHDL
HDL
VHDL、Verilog HDL、ABEL、AHDL、SystemVerilog 、SystemC等
Timing Analyzer （时序分析器）
设计 输入
综合或 编译
适配器件
下载
仿真
图1-19 Quartus II设计流程
1.14 IP核
IP 软IP 固IP 硬IP
用HDL等硬件描述语 言描述的功能块，但 是并不涉及用什么具 体电路元件实现这些 功能。
完成了综合 的功能块
提供设计的 最终阶段产 品：掩膜
1.6.3 GAL GAL的OLMC单元设有多种组态，可配置成专用组合输出、专 用输入、组合输出双向口、寄存器输出、寄存器输出双向口等， 为逻辑电路设计提供了极大的灵活性。由于具有结构重构和输出 端的任何功能均可移到另一输出引脚上的功能，在一定程度上， 简化了电路板的布局布线，使系统的可靠性进一步地提高。GAL 的出现是复杂PLD的里程碑。
1.10 FPGA/CPLD产品概述
1.5 面向FPGA的EDA开发流程
1.5.3 适配（布线布局）
适配器也称结构综合器，它的功能是将由综合器产生的网表文件配置 于指定的目标器件中，使之产生最终的下载文件，如JEDEC、Jam格式的 文件。适配所选定的目标器件必须属于原综合器指定的目标器件系列。
1.5.4
1.2 EDA技术应用对象
全定制或半定制ASIC FPGA/CPLD（或称可编程ASIC）开发应用 实现目标
ASIC的设计和实现
1. 大规模可编程逻辑器件 2. 半定制或全定制ASIC
门阵列ASIC 标准单元ASIC
全定制芯片
3. 混合ASIC
1.3 VHDL
HDL
VHDL、Verilog HDL、ABEL、AHDL、SystemVerilog 、SystemC等
Timing Analyzer （时序分析器）
设计 输入
综合或 编译
适配器件
下载
仿真
图1-19 Quartus II设计流程
1.14 IP核
IP 软IP 固IP 硬IP
用HDL等硬件描述语 言描述的功能块，但 是并不涉及用什么具 体电路元件实现这些 功能。
完成了综合 的功能块
提供设计的 最终阶段产 品：掩膜
1.6.3 GAL GAL的OLMC单元设有多种组态，可配置成专用组合输出、专 用输入、组合输出双向口、寄存器输出、寄存器输出双向口等， 为逻辑电路设计提供了极大的灵活性。由于具有结构重构和输出 端的任何功能均可移到另一输出引脚上的功能，在一定程度上， 简化了电路板的布局布线，使系统的可靠性进一步地提高。GAL 的出现是复杂PLD的里程碑。
1.10 FPGA/CPLD产品概述
EDA技术与VHDL程序设计基础教程
二、EDA技术的发展历程和未来展望
现代EDA技术是20世纪90年代初从计算机辅助设计、辅助制造和辅 助测试等工程概念发展而来的。它的成熟主要经历了三个阶段，即：
计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design） 计算机辅助工程设计（CAED，Computer Aided Engineering Design） 电子设计自动化（EDA，Electronic System DesignAutomation）。
11 111 111 11111111 11
&
≥1
&
≥1
&
≥1
&
≥1
1
三、 CPLD的基本结构和工作原理
1.输出逻辑宏单元 2.控制电路
3.全局布线区
属于ispLSI中的一种专用内部 互联结构。起作用是将GLB的 输出信号或I/O单元的输入信 号与GLB的输入端连接
EDA技术主要有四个方面： 1、可编程逻辑器件，即应用EDA技术完成电子系统设计的载体； 2、硬件描述语言（VHDL 或者 Verilog）。它用来描述系统的结构和功
能，是EDA的主要表达手段； 3、配套的软件工具。它用来完成电子系统的智能化设计； 4、实验开发系统。在整个EDA设计电子系统的过程中，实验开发系统是 实现可编程器件下载和验证的工具，
第2章
重点内容：
CPLD结构和工作原理 FPGA结构和工作原理 FPGA配置方式 CPLD/FPGA应用选型
一、可编程逻辑器件概述
可编程逻辑器件 PROM、PLA和PAL的原理和特性
PROM
基于二极管和三极管 的一次可编程PROM单 字线
元
二极管
上拉电阻
最新EDA技术与应用-第1章教学讲义PPT
第1章 绪 论
EDA技术的特点： ① 用软件的方式设计硬件； ② 用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软 件自动完成的； ③ 设计过程中可用有关软件进行各种仿真； ④ 系统可现场编程，在线升级； ⑤ 整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。 因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。
VHDL与Verilog语言将承担几乎全部的数字系统设计任务。
第1章 绪 论 3. 软件开发工具 ＥＤＡ开发工具分为：
集成化的开发系统； 特定功能的开发软件：综合软件
仿真软件
第1章 绪 论
集成化的开发系统
Altera公司：Quartus II、 MAX+plus II系列 Xilinx公司：ISE Foundation 、Alliance系列 Lattice公司：ispDesignEXPERT系列
第1章 绪 论
EDA工具不只面向ASIC的应用与开发，还有涉及电子设计 各个方面的EDA工具，包括数字电路设计、模拟电路设计、数 模混合设计、系统设计、仿真验证等电子设计的许多领域。这 些工具对硬件环境要求高，一般运行平台要求是工作站和UNIX 操作系统，功能齐全、性能优良，一般由专门开发EDA软件工 具的软件公司提供，如Cadence、Mentel Graphics、Viewlogic、 Synopsys等软件公司都有其特色工具。
第1章 绪 论 2. 具有混合信号处理能力的EDA工具
数／模混合信号的处理 数字信号的描述：VHDL、 Verilog HDL
第1章 绪 论
3. 更为有效的仿真工具的发展 仿真分为：
功能仿真（前仿真、系统级仿真） 验证系统的功能
时序仿真（后仿真、电路级仿真） 验证系统的时序特性、系统性能。
EDA设计流程及其工具QuartusII快速操作指南
Altera Corporation， intro_to_quartus2_chinese， 。 Altera Corporation，quartusii_handbook，
本章内容
一． 安装与许可〔License〕 二． 工程项目与文件类型〔project & files
type〕 三． Quartus II菜单简介 四． 设计输入(design input) 五． 器件与引脚指配(device & pin
主要输出文件类型〔files type〕
Programmer Object File 编程文件 .pof
SRAM Object File
配置文件 .sof
Pin-Out File
引脚输出文 .pin 件（可用于 核对硬件连 接关系）
QuartusII 设计流程
设计 构想
编程 下载
设计 正确
功能 正确
8. VHDL设计输入 9. 原理图设计输入
VHDL设计输入
文件名称 必须和 ENTITY名 一致
元件符号调入 生成符号块 绘制节点连线 绘制节点总线连接
绘制导线工具
粘连〔移动〕
线段选中
原理图设计输入
原理图设计输入：符号调入
按下mouse右键－>
原理图设计输入：符号调入〔续前〕
库符号
符号文件也可以是？
35
编
仿
编
译
真
程
Quartus II主菜单
File菜单
Project菜单
将设计文件参加工程项目中
电源估算文件生成 顶层设计文件设置
Assignments
菜单
器件和引脚指配 编译设置
Processing菜单－>
本章内容
一． 安装与许可〔License〕 二． 工程项目与文件类型〔project & files
type〕 三． Quartus II菜单简介 四． 设计输入(design input) 五． 器件与引脚指配(device & pin
主要输出文件类型〔files type〕
Programmer Object File 编程文件 .pof
SRAM Object File
配置文件 .sof
Pin-Out File
引脚输出文 .pin 件（可用于 核对硬件连 接关系）
QuartusII 设计流程
设计 构想
编程 下载
设计 正确
功能 正确
8. VHDL设计输入 9. 原理图设计输入
VHDL设计输入
文件名称 必须和 ENTITY名 一致
元件符号调入 生成符号块 绘制节点连线 绘制节点总线连接
绘制导线工具
粘连〔移动〕
线段选中
原理图设计输入
原理图设计输入：符号调入
按下mouse右键－>
原理图设计输入：符号调入〔续前〕
库符号
符号文件也可以是？
35
编
仿
编
译
真
程
Quartus II主菜单
File菜单
Project菜单
将设计文件参加工程项目中
电源估算文件生成 顶层设计文件设置
Assignments
菜单
器件和引脚指配 编译设置
Processing菜单－>
eda技术及应用PPT教学课件
输出配置区
4、输入输出单元IOC（I/O Cell） 5、巨型块（Megablock） 包括8个GLB，1个ORP，16个IOC和两个专用I/O 6、时钟分配单元 二、在系统编程 1、各种状态 2、实现方式 3、编程组态与接口
4、3低密度ISP-PLD原理 4、4 ISP-GDS原理
一、ispGDS（Generic Digital Switch）器件介绍 用于灵活配置连接状态的器件
1、3 EDA特征与工具
特征：自顶向下TOP DOWN 工具：物理工具（PCB制作等）
逻辑工具（PLD器件设计）
特别是ISP（In System Programmability） 和CPLD（Complex Programmable Logic
Device）的使用！
1、4 可编程数字ASIC
第四章、Lattice 公司可编程器件介绍 4、1 ISP器件概述
4、2高密度ISP-PLD器件
一、ispLSI器件结构原理 1、集总布线区GRP（Global Routing Pool）
完成信号互连 2、万能逻辑块GLB（Generic Logic Block）
可编程阵列 3、输出布线区ORP（Output Routing Pool）
3、3 GAL器件 一、GAL器件概述（Generic Array Logic） 1、器件特点
可以反复编程使用 2、分类与参数 二、普通型GAL器件 1、内部电路结构 2、输出逻辑宏单元（OLMC）
OLMC（Output Logic Macro Cell） 可以实现软件进行的多种配置输出形式
三、OLMC的输出结构类型 1、简单模式 2、复合模式 3、寄存器模式（时序电路基本结构） 四、GAL器件的开发与编程 1、硬件条件：编程器和计算机 2、软件条件：可编程器件编译软件 如：ABEL，FUSEMAP等等
4、输入输出单元IOC（I/O Cell） 5、巨型块（Megablock） 包括8个GLB，1个ORP，16个IOC和两个专用I/O 6、时钟分配单元 二、在系统编程 1、各种状态 2、实现方式 3、编程组态与接口
4、3低密度ISP-PLD原理 4、4 ISP-GDS原理
一、ispGDS（Generic Digital Switch）器件介绍 用于灵活配置连接状态的器件
1、3 EDA特征与工具
特征：自顶向下TOP DOWN 工具：物理工具（PCB制作等）
逻辑工具（PLD器件设计）
特别是ISP（In System Programmability） 和CPLD（Complex Programmable Logic
Device）的使用！
1、4 可编程数字ASIC
第四章、Lattice 公司可编程器件介绍 4、1 ISP器件概述
4、2高密度ISP-PLD器件
一、ispLSI器件结构原理 1、集总布线区GRP（Global Routing Pool）
完成信号互连 2、万能逻辑块GLB（Generic Logic Block）
可编程阵列 3、输出布线区ORP（Output Routing Pool）
3、3 GAL器件 一、GAL器件概述（Generic Array Logic） 1、器件特点
可以反复编程使用 2、分类与参数 二、普通型GAL器件 1、内部电路结构 2、输出逻辑宏单元（OLMC）
OLMC（Output Logic Macro Cell） 可以实现软件进行的多种配置输出形式
三、OLMC的输出结构类型 1、简单模式 2、复合模式 3、寄存器模式（时序电路基本结构） 四、GAL器件的开发与编程 1、硬件条件：编程器和计算机 2、软件条件：可编程器件编译软件 如：ABEL，FUSEMAP等等
第1章绪论eda
1.4 EDA软件系统的构成
EDA软件系统应当包含以下子模块：
设计输入子模块、设计数据库子模块、 分析验证子模块、综合仿真子模块、布局 布线子模块等。
1.5 EDA工具的发展趋势
1. 设计输入工具的发展趋势
1)早期EDA工具设计输入普遍采用原理图输入 方式，以文字和图形作为设计载体和文件， 将设计信息加载到EDA工具，完成设计分析 工作。
3. 20世纪90年代电子系统设计自动化EDA阶段
由用户自己设计芯片，让他们把想设计 的电路直接设计在自己的专用芯片上。设计 师可以在较短的时间内使用EDA工具，利用微 电子厂家提供的设计库来完成数万门
从教学和实用的角度看，应掌握以下内容： 1、大规模可编程逻辑器件； 2、硬件描述语言； 3、软件开发工具； 4、实验开发系统。
－－能方便地发现设计错误
电路修改很麻烦 －－提供方便的修改手段
5）PLD器件的出现改变了这一切
八、PLD出现的背景
1）电路集成度不断提高
SSIMSILSIVLSI
2）计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用 3）设计方法的发展
自下而上自上而下
4）用户需要设计自己需要的专用电路
专用集成电路（ASIC－Application Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大， 风险大
C、ASM… 程序
软件程序编译器 COMPILER
（（aA） 软件语言设计目标流程
CPU指令/数据代码： 010010 100010 1100
VHDL/VERILOG 程序
硬件描述语言综合器 SCYONMTPHEISLIEZRER
（（bB）硬件语言设计目标流程
DQ
JQ K
第3章EDA设计流程及其工具
3.5 常用EDA工具软件
一、EDA工具大致可分为如下五个模块： 1、 设计输入编辑器。 2、仿真器。 3、HDL综合器。 4、适配器(或布局布线器)。 5、下载器。
二、 MAX+plusII概述
具有一定的典型性和一般性 MAX+plusII是Altera提供的FPGA／CPLD开发集成 环境，Altera是世界最大可编程逻辑器件供应商 之一。MAX+plusII界面友好，使用便捷，被誉 为业界最易用易学的EDA软件。
四、IP的发展： 1、初级阶段：免费使用，扩大营业
IC生产厂(Foundry) 扩大业务，提供精心设计并经过工 艺验证的标准单元，吸引IC设计公司(Fabless，无生产 线IC公司)成为他的客户，向客户提供相关的数据资料。 IC设计师十分乐于使用成熟、优化的单元完成自己的设 计，可提高效率，又可减少设计风险。一旦完成设计， 自然必须到这家Foundry去做工艺流片，这就使Foundry 达到了的目的。标准单元使用者与Foundry签订标准单 元数据不扩散协议，无须交单元库的使用费，没直接获 取IP的收益，扩大营业间接收到单元库的IP效益。
2、半定制或全定制ASIC 统称为掩模(MASK)ASIC，或直接称ASIC。 特点：用户设计IC，IC 厂家生产 三种级别： A、半导体元件、连线的大小与尺寸，电路全定 制 B、片内晶体管固定，用户设计连线 半定制 C、库内含标准单元，如SSI逻辑块、MSI逻辑 块、数据通道模块、存储器、IP，乃至系统级模 块。用户在EDA工具上进行开发/粘贴。
特点是必须首先关注并致力于解决系统最底层硬件 的可获得性，以及它们的功能特性方面的诸多细 节问题；在整个逐级设计和测试过程中，始终必 须顾及具体目标器件的技术细节。在这个设计过 程中的任一时刻，最底层目标器件的更换，或某 些技术参数不满足总体要求，或缺货，或由于市 场竞争的变化，临时提出降低系统成本，提高运 行速度等等不可预测的外部因素，都将可能使前 面的工作前功尽弃，工作又得重新开始。 结论：是一种低效、低可靠性、费时费力、且成本 高昂的设计方法。
EDA技术与应用
器件编程需要满足一定的条件，如编程电压、编
程时序和编程算法等。普通的CPLD器件和一次性编
程的FPGA需要专用的编程器完成器件的编程工作。
基于SRAM的FPGA可以由EPROM或其他存储体进
行配置。在系统的可编程器件（ISP-PLD）则不需要
专门的编程器，只要一根与计算机互连的下载编程电
CAD（Computer Aided Design）是EDA技术发 展的早期阶段，在这个阶段，人们开始利用计算机取 代手工劳动。但当时的计算机硬件功能有限，软件功 能较弱，人们主要借助计算机对所设计的电路进行一 些模拟和预测，辅助进行集成电路版图编辑、印刷电 路板PCB（Printed Circuit Board）布局布线等简单 的版图绘制等工作。
EDA技术与应用
（第3版）
江国强 编制
桂林电子科技大学
2019/11/22
1
第1章 EDA技术概述
目
第2章 第3章
EDA工具软件使用方法 VHDL
第4章 Verilog HDL
录
第5章 第6章
常用ＥＤＡ工具软件 可编程逻辑器件
第7章ＥＤＡ技术的应用
2019/11/22
2
器件编程
功能仿真 时序仿真 器件测试
设计完成
2019/11/22
16
1.2.1 设计准备
设计准备是指设计者在进行设计之前，依据任务要求，确 定系统所要完成的功能及复杂程度，器件资源的利用、成本 等所要做的准备工作，如进行方案论证、系统设计和器件选 择等。
1.2.2 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 种形式表示出来，并送入计算机的过程。
今天，EDA技术已经成为电子设计的重要工具， 无论是设计芯片还是设计系统，如果没有EDA工具的 支持都将是难以完成的。EDA工具已经成为现代电路 设计师的重要武器，正在起作越来越重要的作用。
第二章EDA流程与工具
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第二章EDA流程与工具
•2.1.3 适 配
• 适配器也称结构综合器，它的功能是将由综合器产生的 网表文件配置于指定的目标器件中，使之产生最终的下载文 件，如JEDEC、Jam格式的文件。适配所选定的目标器件 (FPGA/CPLD芯片)必须属于原综合器指定的目标器件系列 。
• 逻辑综合通过后必须利用适配器将综合后网表文件针对某 一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配 置、逻辑分割、逻辑优化、逻辑布局布线操作。适配完成后 可以利用适配所产生的仿真文件作精确的时序仿真，同时产 生可用于编程的文件。
•综合
•功能仿真
•逻辑综合器
•FPGA/CPLD
•适配
•结构综合器
•时序与功能 •门级仿真
•FPGA/CPLD •编程下载
•1、功能仿真 •2、时序仿真
第二章EDA流程与工具
•2.1.1 设计输入(原理图／HDL文本编辑)
•1. 图形输入 入图 形 输
•
• 原理图输入 • 状态图输入 • 波形图输入
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第二章EDA流程与工具
•2.1.5 编程下载
• 通常，将对CPLD的下载称为编程(Program)，对FPGA中 的SRAM进行直接下载的方式称为配置(Configure)，但对于 OTP FPGA的下载和对FPGA的专用配置ROM的下载仍称为编 程。 • FPGA与CPLD的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作 原理。通常的分类方法是：
。
•综合器的使用也有两种模式：
•图形模式和命令行模式(Shell模式)。
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第二章EDA流程与工具
•2.3 常用EDA工具
•2.3.3 仿真器