EDA技术及其应用

第19卷第3期山东理工大学学报(自然科学版)Vol.19 No.32005年5月.Journal of Shandong University of Technology(Sci & Tech)May 2005文章编号:1672-6197(2005)03 -0056-04EDA技术及其应用董传岱',赵波", 李震梅'(1.山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049;2.淄博职业学院机电工程系,山东淄博255013)商要:论述了EDA技术及其发展,并详细介绍了基于VHDL的自顶向下的设计方法以及.EDA技术的特点,对EDA技术的发展趋势也做了介绍.关键词: EDA;系统;模型;仿真中图分类号: TP391.7文献标识码: AEDA design technology and applicationDONG Chuan-dai', ZHAO Bo2, LI Zhen-mei'(1. School of Electric and Electronic Engineening, Shandong University of Technology , Zibo 255049, China;2. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Zibo Vocational Intiute, Zibo 255013, China)Abstract: The development of EDA technology was reviewed and the characteristics of EDA tecb-nology and the from- top to bottom design method based on VHDL technology were introduced indetail.Key words: electronic design automation(EDA); system; model; simulation1 EDA技术及其发展EDA(electronic design automation)技术是现代电子设计技术的核心. EDA技术就是依赖功能强大的计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL(hardware description language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合(布局布线) ,以及逻辑优化和仿真测试,直至实现既定的电子线路系统功能. EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式,即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现. [1]EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术, IC版图设计技术、AISC测试和封装技术、FPGA/CPLD编程下载技术、自动测试技术等;在计算机辅肋T程方面融合了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)计算机辅助测试(CA中国煤化工技术以及多种计算机YHCNMHG收稿日期: 2004-05-11作者简介:董传岱(1956 -),男,教授.第3期董传岱，等:EDA技术及其应用57语言的设计概念;而在现代电子学方面则容纳了更多的内容,如电子线路设计理论数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等等.因此，EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性.EDA技术不是某- -学科的分支,或某种新的技能技术,应该是-门综合性学科.它融合多学科于- -体,打破了软件和硬件间的壁垒,使计算机的软件技术与硬件实现、设计效率和产品性能合二为一,它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向.就过去近30年的电子技术的发展历程,可大致将EDA技术的发展分为三个阶段.第一阶段20 世纪70年代,集成电路制作方面,Mos工艺已得到广泛的应用.可编程逻辑技术及其器件已经问世,计算机作为-种运算工具已在科研领域得到广泛的应用.而在后期,CAD的概念已见雏形.这一阶段人们开始利用计算机取代手工劳动,辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布线等工作.第二阶段20 世纪80年代,集成电路设计进入了CMOS(互补场效应管)时代.复杂可编程逻辑器件已进人商业应用,相应的辅助设计软件也已投人使用.而在80年代末,出现了FPGA(F),CAE和CAD技术的应用更为广泛,它们在PCB设计方面的原理图输人、自动布局布线及PCB分析,以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和化简等方面担任了重要的角色,特别是各种硬件描述语言的出现应用和标准化方面的重大进步,为电子设计自动化必须解决的电路建模标准文档及仿真测试奠定了基础.第三阶段进入20世纪90年代，随着硬件描述语言的标准化得到进一步的确立,计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得更加广泛的应用,与此同时电子技术在通信、计算机及家电产品生产中的市场需求和技术需求,极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展.特别是集成电路设计工艺步入了超深亚微米阶段,百万门以上的大规模ASIC设计技术的应用,促进了EDA技术的形成.更为重要的是各EDA公司致力于兼容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的EDA工具软件的研究,都有效地将EDA技术推向成熟.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:1)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.2)在仿真和设计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.3)电子技术全方位纳人EDA领域,除了日益成熟的数字技术外,传统的电路系统设计建模理念发生了重大的变化:软件无线电技术的崛起,模拟电路系统硬件描述语言的表达和设计的标准化,系统可编程模拟器件的出现,数字信号处理和图像处理的全硬件实现方案的普遍接受,软硬件技术的进一步融合等.4)EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊,更加互为包容:模拟与数字、软件与硬件、系统与器件、专用集成电路ASIC与FPGA( field programmable gate array)行为与结构等.5)更大规模的FPGA和CPLD(complex programmable logic device)器件的不断推出.6)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.7)软件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(IP即Inte1lectua1 property, 即知识产权的简称,往往指- -个公司出售给另-一个公司的硬件书记包).8)单片电子系统SoC(system on a circuit)高效低成本设计技术的成熟.2基于VHDL的自顶向下的设计方法[2,3]硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分, VHDL是作为电子设计主流硬件的描述语言, VHDL的英文全名是VHSIC( very high speed integrated dircuit)HardvVHDL不仅可以作为系统模拟的建模工具,而且可以作为电路系统的设计工中国煤化工HDL源码自动地转化为文本方式表达的基本逻辑元件连接图,即网表文件TYHCN M H G述能力,能从多个层次对数字系统进行建模和描述,从而大大简化了硬件设计任务,提高了设计效率和可靠性.VHDL支持各种模式的设计方法，使设计者可以专心致力于其功能的实现,而不需要对不影响功能的58山东理工大学学报(自然科学版)2005年与工艺有关的因素花费过多的时间和精力.传统的电子设计技术通常是自底向上的,即首先确定构成系统的最低层的电路模块或元件的结构和功能,然后根据主系统的功能要求,将它们组合成更大的功能模块,使它们的结构和功能满足高层次系统的要求.以此流程,逐步向上递推,直至完成整个目标系统的设计.设计中,无论哪-层出现问题,往往需要全部重新设计,使其设计效率低、可靠性差、费时费力、且成本较高等.在EDA技术应用中,采用自顶向下的设计方法,也就是在整个设计流程中各设计环节逐步求精的过程.一个项目的设计过程包括从自然语言说明到VHDL的系统行为描述、系统的分解、RTL模型的建立、门级模型产生,到最终的可以物理布线的底层电路、涉及硬件的物理结构实现方法和测试,整个设计周期均利用计算机完成.图1给出了自顶向下设计流程的框图说(1)设计说明书(7)测试向量生成明,它包括如下设计阶段:1)提出设计说明书,即用自然语言表达系统项目的功能特点和技术参数等.2)建立VHDL行为模型,这一-步是将设计(2) 建立VEDL行为祺型(8)功能仿真说明书转化为VHDL行为模型.3)VHDL行为仿真.这一阶段可以利用VHDL仿真器(如ModelSim、Verilog-XL)对顶(3) VIDL行为仿真(9)结枸综合层系统的行为模型进行仿真测试，检查模拟结果,继而进行修改和完善.这一过程与最终实现的硬件毫无关系.4)VHDL-RTL级建模. VHDL只有部分语(4) VHDU-RTL级建樸(11)门级时序仿真句集合可用于硬件功能行为的建模,因此在这一阶段,必须将VHDL的行为模型表达为VHDL行为代码(或VHDLRTL级模型). VHDL行为(5)前端功能仿真硬件测试代码是用VHDL中可综合子集中的语句完成的,即可以最终实现模拟器件的描述.5)前端功能的仿真.在这一阶段对VHDL(6)逻辑综合设计先成RTL级模型进行仿真.6)逻辑综合,使用逻辑综合工具将VHDL行为级描述转化为结构化的门级电路.圈1自顶向下设计的流程7)测试向量生成.8)功能仿真.利用获得的测试向量对ASIC的设计系统和子系统的功能进行仿真.9)结构综合.主要将综合产生的表达逻辑连接关系的网表文件,结合具体的目标硬件环境进行标准单元调用、布局、布线和满足约束条件的结构优化配置,即结构综合.同时生成VHDL格式的时序仿真文件等.10)门级时序仿真.在这一级中将使用门级仿真器或使用VHDL仿真器进行门级时序仿真,在计算机上了解更接近硬件目标器件工作的功能时序.这些仿真成功完成后就可以将设计提供给生产工序了.11)硬件测试.这是对最后完成的硬件系统进行检查和测试.3 EDA 与传统电子设计方法的比较[4]中国煤化工MHCNMHG3.1 手工设计方法的缺点传统的电子设计方法大多都是手工设计.设计时一般先按照电子系统的具体要求进行功能划分出第3期董传岱,等:EDA技术及其应用59模块,然后画出每个模块的原理图,再据此选择元器件，设计电路版,最后进行实测与调试.手工设计主要有下列缺点:1)复杂电路的设计、调试十分困难.2)如果某-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.3.2 EDA 技术的特点在设计电子系统或集成电路时,与手工设计方法比较,EDA技术主要有以下特点:1)采用硬件描述语言作为设计输人.2)各类库的引人.如逻辑仿真时的模拟库、逻辑综合时的综合库以及版图库测试库等.3)设计文档的管理简化.4)强大的系统建模、电路仿真功能.5)具有自主知识产权.由于EDA技术用HDL表达的成功的专用功能设计在实现目标方面有很大的可选性,它既可以用不同来源的通用FPGA/CPLD实现，也可以直接以ASIC来实现,设计者拥有完全的自主权.6)开发技术的标准化、规范化以及知识产权IP核的可利用性强.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)与CPU为主的电路系统相比,EDA技术高速性能好.11)电路可靠性高.4 EDA 的发展趋势随着系统开发对EDA技术的目标器件各种性能要求的提高,ASIC和FPGA将更大程度相互融合.这是因为虽然标准逻辑器件ASIC芯片尺寸小、功能强大、耗省电,但设计复杂,并且有批量生产要求;可编程逻辑器件开发费用低廉,能在现场进行编程,但却体积大、功能有限，而且功耗较大.因此,FPGA和ASIC正在走到--起,互相融合,取长补短.由于--些ASIC制造商提供具有可编程逻辑的标准单元，可编程器件制造商重新对标准逻辑单元发生兴趣,而有些公司采取两头并进的方法,从而使市场开始发生变化,在FPGA和ASIC之间正在诞生--种“杂交”产品,以满足成本和上市速度的要求.例如将可编程逻辑器件嵌人标准单元.现今也在进行将ASIC嵌人可编程逻辑单元的工作.目前,许多PLD公司开始为ASIC提供FPGA内核. PLD厂商与ASIC制造商结盟,为soc设计提供嵌入式FPGA模块,使未来的ASIC供应商有机会更快地进人市场,利用嵌人式内核获得更长的市场生命期.传统ASIC和FPGA之间的界限正变得模糊.系统级芯片不仅集成RAM和微处理器,也集成FP-GA.整个EDA和IC设计工业都朝这个方向发展.参考文献:中国煤化工[1]王锁萍.电子设计自动化(EDA)教程[M].成都:电子科技大学出版社,000.[2]边计年,薛宏熙.用VHDL设计电子线路[M].北京:清华大学出版社,000.MHCNMHG[3]黄正谨,徐坚.CPLD 系统设计技术人门与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.[4]潘松,黄继业. EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2002.