EDA技术与VHDL实用教程
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EDA技术，电子设计师可以方便地实现IC 设计、电子电路设计和PCB设计等工作。
EDA技术与VHDL实用教程
3
广义的EDA技术，除了狭义的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)。
EDA技术与VHDL实用教程
14
（三）EDA软件 目前在国内比较流行的EDA 软件工具主 要有Altera公司的MAX+plusⅡ和QuartusⅡ、 Lattice公司的Expert LEVER和Synario、 Xilinx公司的Foundation和Alliance、Actel 公司的Actel Designer等，这四家公司的 EDA开发软件特性如表0-1所示。
25
二、PLD分类
可编程逻辑器件（PLD）
简单 PLD
复杂 PLD
PROM
PLA
PAL
GAL
CPLD
FPGA
26
三、PLD/FPGA的结构和原理
（一）基于乘积项（Product-Term）的PLD结 构 （二）乘积项结构 PLD 的逻辑实现原理
（三）查找表（Look-Up-Table）的原理与结 构
105
3360
18
EDA实验的3个层次
1、逻辑行为的实现 如：译码器、红绿交通灯控制、表决器、显示扫描器、电梯控制、乒乓球等 电路的设计，时钟频率一般低于4MHz 2、控制与信号传输功能的实现 如：各类信号发生器、A/D采样控制器、FIFO、RS232或PS/2通信、 FPGA/CPLD与单片机综合控制等电路的设计，时钟频率一般在25MHz 左右 3、算法的实现 如：离散FFT变换、数字滤波器、浮点乘法器、高速宽位加法器、数字 振荡器、数字锁相环、调制解调器、图象DSP等电路的设计，时钟频 率一般在50MHz以上
<<EDA技术与VHDL实用教程>>
EDA技术与VHDL实用教程
1
1
2 3
EDA技术概念
EDA技术的主要特征
EDA技术发展历程
4
5
EDA技术的主要内容
EDA技术的应用展望
EDA技术与VHDL实用教程
2
现代电子设计技术的核心就是EDA （电子设计自动化，Electronic
Design Automation）技术。利用
6
– EDA技术主要有以下这些特征： （1）高层综合与优化的理论与方法取得了很大的进 展，其结果大大缩短了复杂的ASIC的设计周期，同
时改进了设计质量；
（2）采用硬件描述语言来描述10万门以上的设计，
形成了国际通用的VHDL等硬件描述语言。它们均支 持不同层次的描述，使得复杂IC的描述规范化，便 于传递、交流、保存与修改，并可建立独立的工艺 设计文档，便于设计重用；
EDA设计流程 Quartus Ⅱ软件包 硬件描述语言VHDL语言
22
EDA技术与VHDL实用教程
第1章 EDA技术概述
1.1
1.2 1.3
可编程逻辑器件
EDA技术的主要特征
EDA技术发展历程
1.4
EDA技术的主要内容
23
EDA技术与VHDL实用教程
1.1
可编程逻辑器件
一、可编程逻辑器件概述
（一）PLD/FPGA介绍 CPLD：复杂可编程逻辑器件 Complex Programmable Logic Device FPGA：现场可编程门阵列 Field Programmable Gate Array
（四）查找表结构的FPGA逻辑实现原理
EDA技术与VHDL实用教程
27
例：用PROM完成半加器逻辑阵列
A1 A0 或阵列 （可编程）
F 0 A0 A1 A0A1 F1 A1A0
A1 A1 A0 A 0 与阵列（固定）
F1
F0
28
Biblioteka Baidu
CPLD的结构与可编程原理
29
FPGA的结构与工作原理
17
EDA技术与VHDL实用教程
EDA与传统电子设计方法的比较
FPGA和DSP芯片实现FIR滤波器的速度对比
8位FIR滤 FPGA的处理速度 达到相当速度所需DSP芯片的指令执行速度
波器阶数
单位： MSPS
单位：MIPS
8
104
832
16
24
101
103
1616
2472
32
EDA技术与VHDL实用教程
本书讨论的对象专指狭义的EDA技术。
EDA技术与VHDL实用教程 5
• EDA技术的3个层次
（1）EWB、PSpice、protel的学习作为 EDA的最初级内容； （2）利用VHDL完成对CPLD/FPGA的开 发等作为中级内容； （3）ASIC的设计作为最高级内容
EDA技术与VHDL实用教程
EDA技术与VHDL实用教程 19
电子EDA技术发展迅猛，逐渐在教学、科研、 产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。 1．EDA技术将广泛应用与高校电类专业的实践 教学工作中
2．EDA技术将广泛应用于科研工作和新产品的 开发中
3．EDA技术将广泛应用于专用集成电路的开发 4．EDA技术将广泛应用于传统机电设备的升级 换代和技术改造
它不仅速度快、集成度高，能够完成用户定 义的逻辑功能，还可以加密和重新定义编程， 其允许编程次数可多达上万次。 使用可编程逻辑器件可大大简化硬件系统、 降低成本、提高系统的可靠性、灵活性。
EDA技术与VHDL实用教程
13
目前，PLD主要分为FPGA(现场可编 程门阵列)和 CPLD(复杂可编程逻辑 器件)两大类。 FPGA和CPLD最明显的特点是高集 成度、高速度和高可靠性。由于它们 的明显特点，可以应用于超高速领域 和实时测控方面以及嵌入式领域等等。
EDA技术与VHDL实用教程 8
20世纪70年代——计算 机辅助设计CAD阶段
EDA技术的发展分
为三个阶段
20世纪80年代 ——计算 机辅助工程设计阶段
20世纪90年代—— 电子 系统设计自动化阶段
EDA技术与VHDL实用教程
9
（一）硬件描述语言 硬件描述语言（HDL）是各种描述方法中最 能体现EDA优越性的描述方法。 所谓硬件描述语言，实际就是一个描述工具， 其描述的对象就是待设计电路系统的逻辑功 能、实现该功能的算法、选用的电路结构以 及其他各种约束条件等。 通常要求HDL既能描述系统的行为，又能描 述系统的结构。
EDA技术与VHDL实用教程
24
PLD能做什么？ PLD能完成任何数字器件的功能，上 至高性能的CPU，下至简单的74系列电 路，都可以用PLD来实现. PLD如同一张白纸或是一堆积木，工 程师可以通过传统的原理图输入法或 是硬件描述语言，自由的设计一个数 字系统。 如何使用PLD？ 数字电路基础，会使用计算机，有 一定编程基础。
EDA技术与VHDL实用教程
10
目前主要有以下两种HDL语言：
1．Verilog-HDL
Verilog-HDL语言是在1983年由GDA (Gateway Design Automation)公司首创的， 主要用于数字系统的设计。 2．VHDL
VHDL语言是美国国防部于20世纪80年代 后期，出于军事工业的需要开发的。
EDA设计流程
生成VHDL 源程序
VHDL 综合器 行为仿真 VHDL 仿真器 功能仿真 时序仿真 FPGA/CPLD 布线/适配器 自动优化、布局、布线/适配 逻辑综合、优化
网表文件 (EDIF,XNF,VHDL…)
熔丝图、 SRAM 文件、 VHDL/Verilog网表
测试电路 硬件测试
EDA技术与VHDL实用教程
查找表逻辑结构
输入1 输入2 输入3 输入4
查找表 LUT
输出
30
四、选择PLD还是FPGA
FPGA: SRAM工艺；直接烧写程序掉电后程序丢失；理
论上擦写100万次以上；一般使用需要外挂 EEPROM，
可以达到几百万门电路。比如ALTERA公司的 APEX、F LEX、ACEX、STRATIX、CYCLONE系列。 CPLD: EPPROM或FLASH工艺；直接烧写程序掉电后程 序不会消失；一般可以擦写几百次，并且一般宏单元
EDA技术与VHDL实用教程
11
VHDL语言是一种高级描述语言，适用于 电路高级建模，综合的效率和效果较好。
Verilog-HDL语言是一种低级的描述语言， 适用于描述门级电路，容易控制电路资源， 但其对系统的描述能力不如VHDL语言。
EDA技术与VHDL实用教程
12
（二）可编程逻辑器件 可编程逻辑器件（简称PLD）是一种由用户 编程来实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。
EDA技术与VHDL实用教程
7
（3）开放式的设计环境（各厂家均适合）；
（4）自顶向下的算法；
（5）丰富的元器件模块库； （6）具有较好的人机对话界面与标准的CAM接 口； （7）建立并行设计工程框架结构的集成化设计 环境，以适应当今ASIC的特点：规模大而复 杂，数字与模拟电路并存，硬件与软件并存， 产品上市更新快。
Expert LEVER
Actel
EDA技术与VHDL实用教程
IspLSI、pLSI、 MACH等
SX系列、MX系列
逻辑图、VHDL文本等 逻辑图、VHDL文本等
16
Actel Designer
EDA与传统电子设计方法的比较
手工设计方法的缺点是： 1)复杂电路的设计、调试十分 困难。 2)如果某一过程存在错误，查 找和修改十分不便。 3)设计过程中产生大量文档， 不易管理。 4)对于集成电路设计而言，设 计实现过程与具体生产工艺直 接相关，因此可移植性差。 5)只有在设计出样机或生产出 芯片后才能进行实测。 EDA技术有很大不同： 1)采用硬件描述语言作为设计输入。 2)库(Library)的引入。 3)设计文档的管理。 4)强大的系统建模、电路仿真功能。 5)具有自主知识产权。 6)开发技术的标准化、规范化以及IP 核的可利用性。 7)适用于高效率大规模系统设计的自 顶向下设计方案。 8)全方位地利用计算机自动设计、仿 真和测试技术。 9)对设计者的硬件知识和硬件经验要 求低。 10)高速性能好。 11)纯硬件系统的高可靠性。
在512以下。（比如ALTERA的AX3000/5000/7000/9000
和CLASSIC系列）。
EDA技术与VHDL实用教程
31
– PLD适合用于设计译码等复杂组合逻辑。
PLD分解组合逻辑的功能很强。而FPGA的一个LUT 只能处理4输入的组合逻辑。 – 如果设计中使用到大量触发器，那么使用FPGA就 是一个很好选择。
编程器/下载电缆 编程、下载
功能仿真 时序仿真
门级 仿真器
33
1．源程序的编辑和编译
–常用的源程序输入方式有三种：
(1) 原理图输入方式：
(2) 状态图输入方式：
EDA技术与VHDL实用教程 20
<<EDA技术与VHDL实用教程>>
第1章
EDA技术概述
21
要求
熟悉面向FPGA/CPLD的EDA技术初步理论知识
知识点
理解可编程逻辑器件 掌握面向FPGA/CPLD的EDA设计流程 掌握面向FPGA/CPLD的常用EDA工具 理解硬件描述语言
重点和难点
FPGA的制造工艺确定了FPGA芯片中包含的LUT和触
发器的数量非常多，往往都是几千上万，PLD一般
只能做到512个逻辑单元，而且如果用芯片价格除
以逻辑单元数量，FPGA的平均逻辑单元成本大大低 于PLD。
EDA技术与VHDL实用教程 32
文本编辑器
图形编辑器 VHDL 源程序
1.2 面向 FPGA/CPLD的
在广义的EDA技术中，CAA技术和 PCB-CAD技术不具备逻辑综合和逻辑适配 的功能，因此它并不能称为真正意义上的 EDA技术。
EDA技术与VHDL实用教程 4
狭义的EDA技术，就是以大规模可编 程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言 为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算 机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及 实验开发系统为设计开发工具的EDA技 术。
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15
表0-1 EDA开发软件特性
厂商 EDA软件名称 MAX+plusⅡ Altera QuartusⅡ Alliance Xilinx Foundation Synario Lattice XC系列 MACH GAL、ispLSI、 逻辑图、ABEL文本、 pLSI等 VHDL文本等 MAX、FLEX、APEX等 Xilinx各种系列 逻辑图、VHDL文本等 软件适用器件系列 MAX、FLEX等 软件支持的描述方式 逻辑图、波形图、 AHDL文本、VerilogHDL文本、VHDL文本 等
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广义的EDA技术，除了狭义的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)。
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（三）EDA软件 目前在国内比较流行的EDA 软件工具主 要有Altera公司的MAX+plusⅡ和QuartusⅡ、 Lattice公司的Expert LEVER和Synario、 Xilinx公司的Foundation和Alliance、Actel 公司的Actel Designer等，这四家公司的 EDA开发软件特性如表0-1所示。
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二、PLD分类
可编程逻辑器件（PLD）
简单 PLD
复杂 PLD
PROM
PLA
PAL
GAL
CPLD
FPGA
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三、PLD/FPGA的结构和原理
（一）基于乘积项（Product-Term）的PLD结 构 （二）乘积项结构 PLD 的逻辑实现原理
（三）查找表（Look-Up-Table）的原理与结 构
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EDA实验的3个层次
1、逻辑行为的实现 如：译码器、红绿交通灯控制、表决器、显示扫描器、电梯控制、乒乓球等 电路的设计，时钟频率一般低于4MHz 2、控制与信号传输功能的实现 如：各类信号发生器、A/D采样控制器、FIFO、RS232或PS/2通信、 FPGA/CPLD与单片机综合控制等电路的设计，时钟频率一般在25MHz 左右 3、算法的实现 如：离散FFT变换、数字滤波器、浮点乘法器、高速宽位加法器、数字 振荡器、数字锁相环、调制解调器、图象DSP等电路的设计，时钟频 率一般在50MHz以上
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1
1
2 3
EDA技术概念
EDA技术的主要特征
EDA技术发展历程
4
5
EDA技术的主要内容
EDA技术的应用展望
EDA技术与VHDL实用教程
2
现代电子设计技术的核心就是EDA （电子设计自动化，Electronic
Design Automation）技术。利用
6
– EDA技术主要有以下这些特征： （1）高层综合与优化的理论与方法取得了很大的进 展，其结果大大缩短了复杂的ASIC的设计周期，同
时改进了设计质量；
（2）采用硬件描述语言来描述10万门以上的设计，
形成了国际通用的VHDL等硬件描述语言。它们均支 持不同层次的描述，使得复杂IC的描述规范化，便 于传递、交流、保存与修改，并可建立独立的工艺 设计文档，便于设计重用；
EDA设计流程 Quartus Ⅱ软件包 硬件描述语言VHDL语言
22
EDA技术与VHDL实用教程
第1章 EDA技术概述
1.1
1.2 1.3
可编程逻辑器件
EDA技术的主要特征
EDA技术发展历程
1.4
EDA技术的主要内容
23
EDA技术与VHDL实用教程
1.1
可编程逻辑器件
一、可编程逻辑器件概述
（一）PLD/FPGA介绍 CPLD：复杂可编程逻辑器件 Complex Programmable Logic Device FPGA：现场可编程门阵列 Field Programmable Gate Array
（四）查找表结构的FPGA逻辑实现原理
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27
例：用PROM完成半加器逻辑阵列
A1 A0 或阵列 （可编程）
F 0 A0 A1 A0A1 F1 A1A0
A1 A1 A0 A 0 与阵列（固定）
F1
F0
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CPLD的结构与可编程原理
29
FPGA的结构与工作原理
17
EDA技术与VHDL实用教程
EDA与传统电子设计方法的比较
FPGA和DSP芯片实现FIR滤波器的速度对比
8位FIR滤 FPGA的处理速度 达到相当速度所需DSP芯片的指令执行速度
波器阶数
单位： MSPS
单位：MIPS
8
104
832
16
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101
103
1616
2472
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本书讨论的对象专指狭义的EDA技术。
EDA技术与VHDL实用教程 5
• EDA技术的3个层次
（1）EWB、PSpice、protel的学习作为 EDA的最初级内容； （2）利用VHDL完成对CPLD/FPGA的开 发等作为中级内容； （3）ASIC的设计作为最高级内容
EDA技术与VHDL实用教程
EDA技术与VHDL实用教程 19
电子EDA技术发展迅猛，逐渐在教学、科研、 产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。 1．EDA技术将广泛应用与高校电类专业的实践 教学工作中
2．EDA技术将广泛应用于科研工作和新产品的 开发中
3．EDA技术将广泛应用于专用集成电路的开发 4．EDA技术将广泛应用于传统机电设备的升级 换代和技术改造
它不仅速度快、集成度高，能够完成用户定 义的逻辑功能，还可以加密和重新定义编程， 其允许编程次数可多达上万次。 使用可编程逻辑器件可大大简化硬件系统、 降低成本、提高系统的可靠性、灵活性。
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13
目前，PLD主要分为FPGA(现场可编 程门阵列)和 CPLD(复杂可编程逻辑 器件)两大类。 FPGA和CPLD最明显的特点是高集 成度、高速度和高可靠性。由于它们 的明显特点，可以应用于超高速领域 和实时测控方面以及嵌入式领域等等。
EDA技术与VHDL实用教程 8
20世纪70年代——计算 机辅助设计CAD阶段
EDA技术的发展分
为三个阶段
20世纪80年代 ——计算 机辅助工程设计阶段
20世纪90年代—— 电子 系统设计自动化阶段
EDA技术与VHDL实用教程
9
（一）硬件描述语言 硬件描述语言（HDL）是各种描述方法中最 能体现EDA优越性的描述方法。 所谓硬件描述语言，实际就是一个描述工具， 其描述的对象就是待设计电路系统的逻辑功 能、实现该功能的算法、选用的电路结构以 及其他各种约束条件等。 通常要求HDL既能描述系统的行为，又能描 述系统的结构。
EDA技术与VHDL实用教程
24
PLD能做什么？ PLD能完成任何数字器件的功能，上 至高性能的CPU，下至简单的74系列电 路，都可以用PLD来实现. PLD如同一张白纸或是一堆积木，工 程师可以通过传统的原理图输入法或 是硬件描述语言，自由的设计一个数 字系统。 如何使用PLD？ 数字电路基础，会使用计算机，有 一定编程基础。
EDA技术与VHDL实用教程
10
目前主要有以下两种HDL语言：
1．Verilog-HDL
Verilog-HDL语言是在1983年由GDA (Gateway Design Automation)公司首创的， 主要用于数字系统的设计。 2．VHDL
VHDL语言是美国国防部于20世纪80年代 后期，出于军事工业的需要开发的。
EDA设计流程
生成VHDL 源程序
VHDL 综合器 行为仿真 VHDL 仿真器 功能仿真 时序仿真 FPGA/CPLD 布线/适配器 自动优化、布局、布线/适配 逻辑综合、优化
网表文件 (EDIF,XNF,VHDL…)
熔丝图、 SRAM 文件、 VHDL/Verilog网表
测试电路 硬件测试
EDA技术与VHDL实用教程
查找表逻辑结构
输入1 输入2 输入3 输入4
查找表 LUT
输出
30
四、选择PLD还是FPGA
FPGA: SRAM工艺；直接烧写程序掉电后程序丢失；理
论上擦写100万次以上；一般使用需要外挂 EEPROM，
可以达到几百万门电路。比如ALTERA公司的 APEX、F LEX、ACEX、STRATIX、CYCLONE系列。 CPLD: EPPROM或FLASH工艺；直接烧写程序掉电后程 序不会消失；一般可以擦写几百次，并且一般宏单元
EDA技术与VHDL实用教程
11
VHDL语言是一种高级描述语言，适用于 电路高级建模，综合的效率和效果较好。
Verilog-HDL语言是一种低级的描述语言， 适用于描述门级电路，容易控制电路资源， 但其对系统的描述能力不如VHDL语言。
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（二）可编程逻辑器件 可编程逻辑器件（简称PLD）是一种由用户 编程来实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。
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（3）开放式的设计环境（各厂家均适合）；
（4）自顶向下的算法；
（5）丰富的元器件模块库； （6）具有较好的人机对话界面与标准的CAM接 口； （7）建立并行设计工程框架结构的集成化设计 环境，以适应当今ASIC的特点：规模大而复 杂，数字与模拟电路并存，硬件与软件并存， 产品上市更新快。
Expert LEVER
Actel
EDA技术与VHDL实用教程
IspLSI、pLSI、 MACH等
SX系列、MX系列
逻辑图、VHDL文本等 逻辑图、VHDL文本等
16
Actel Designer
EDA与传统电子设计方法的比较
手工设计方法的缺点是： 1)复杂电路的设计、调试十分 困难。 2)如果某一过程存在错误，查 找和修改十分不便。 3)设计过程中产生大量文档， 不易管理。 4)对于集成电路设计而言，设 计实现过程与具体生产工艺直 接相关，因此可移植性差。 5)只有在设计出样机或生产出 芯片后才能进行实测。 EDA技术有很大不同： 1)采用硬件描述语言作为设计输入。 2)库(Library)的引入。 3)设计文档的管理。 4)强大的系统建模、电路仿真功能。 5)具有自主知识产权。 6)开发技术的标准化、规范化以及IP 核的可利用性。 7)适用于高效率大规模系统设计的自 顶向下设计方案。 8)全方位地利用计算机自动设计、仿 真和测试技术。 9)对设计者的硬件知识和硬件经验要 求低。 10)高速性能好。 11)纯硬件系统的高可靠性。
在512以下。（比如ALTERA的AX3000/5000/7000/9000
和CLASSIC系列）。
EDA技术与VHDL实用教程
31
– PLD适合用于设计译码等复杂组合逻辑。
PLD分解组合逻辑的功能很强。而FPGA的一个LUT 只能处理4输入的组合逻辑。 – 如果设计中使用到大量触发器，那么使用FPGA就 是一个很好选择。
编程器/下载电缆 编程、下载
功能仿真 时序仿真
门级 仿真器
33
1．源程序的编辑和编译
–常用的源程序输入方式有三种：
(1) 原理图输入方式：
(2) 状态图输入方式：
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第1章
EDA技术概述
21
要求
熟悉面向FPGA/CPLD的EDA技术初步理论知识
知识点
理解可编程逻辑器件 掌握面向FPGA/CPLD的EDA设计流程 掌握面向FPGA/CPLD的常用EDA工具 理解硬件描述语言
重点和难点
FPGA的制造工艺确定了FPGA芯片中包含的LUT和触
发器的数量非常多，往往都是几千上万，PLD一般
只能做到512个逻辑单元，而且如果用芯片价格除
以逻辑单元数量，FPGA的平均逻辑单元成本大大低 于PLD。
EDA技术与VHDL实用教程 32
文本编辑器
图形编辑器 VHDL 源程序
1.2 面向 FPGA/CPLD的
在广义的EDA技术中，CAA技术和 PCB-CAD技术不具备逻辑综合和逻辑适配 的功能，因此它并不能称为真正意义上的 EDA技术。
EDA技术与VHDL实用教程 4
狭义的EDA技术，就是以大规模可编 程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言 为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算 机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及 实验开发系统为设计开发工具的EDA技 术。
EDA技术与VHDL实用教程
15
表0-1 EDA开发软件特性
厂商 EDA软件名称 MAX+plusⅡ Altera QuartusⅡ Alliance Xilinx Foundation Synario Lattice XC系列 MACH GAL、ispLSI、 逻辑图、ABEL文本、 pLSI等 VHDL文本等 MAX、FLEX、APEX等 Xilinx各种系列 逻辑图、VHDL文本等 软件适用器件系列 MAX、FLEX等 软件支持的描述方式 逻辑图、波形图、 AHDL文本、VerilogHDL文本、VHDL文本 等