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1、教材,數(shù)字系統(tǒng)電子自動化設(shè)計教程梁淼 劉會軍 北京理工大學(xué)出版社 2008,參考書,數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計自動化 邊計年 薛宏熙 蘇明 清華大學(xué)出版社 2005 數(shù)字系統(tǒng)自動設(shè)計實用教程，劉明業(yè)，高等教育出版社，2004年7月 VHDL設(shè)計表示和綜合，James R. Armstrong 著，李宗伯譯，機械工業(yè)出版社，2002年5月,考試成績,平時成績（30分） 上機實驗（20分）、平時考勤（10分） 期末考試（70分）,教學(xué)目的,了解用EDA工具設(shè)計電子線路的基本方法和EDA工具的基本理論和技術(shù)。 利用EDA工具設(shè)計集成電路。,預(yù)備知識,1. 硬件設(shè)計的基礎(chǔ)知識 數(shù)字邏輯 計算機組成原理 2. 算法

2、的基礎(chǔ)知識 程序設(shè)計語言（C、PASCAL） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),課程內(nèi)容,第一章 緒論 第二章 現(xiàn)代可編程邏輯器件 第三章 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計 第四章 VHDL語言基礎(chǔ) 第五章 可編程邏輯器件的開發(fā)系統(tǒng) 第六章 邏輯電路設(shè)計實例,學(xué)習(xí)重點及學(xué)習(xí)方法,學(xué)習(xí)重點 硬件描述語言、軟件開發(fā)工具,學(xué)習(xí)方法,抓住一個重點：VHDL的編程 掌握EDA工具：MAXPLUS II 運用三種手段：案例分析、應(yīng)用設(shè)計、上機實踐,教學(xué)基本要求,正確認識課程的用途、特點及對專業(yè)技能的影響。 充分利用網(wǎng)絡(luò)，提高自學(xué)能力。注重相互交流，共同提高。 請同學(xué)們課堂上注意聽講并在講義中補充課堂筆記，認真獨立做好實驗。 充分利用上機時間、多

3、編程練習(xí)。,第1章 緒論,知識點： 常用的專業(yè)術(shù)語 EDA的含義 EDA設(shè)計流程 EDA工具各模塊的主要功能,EDA: Electronic Design Automation 電子設(shè)計自動化 PLD: Programmable Logical Device 可編程邏輯器件 CPLD: Complex Programmable Logical Device復(fù)雜可編程邏輯器件 FPGA: Field Programmable Gates Array 現(xiàn)場可編程門陣列,常用專業(yè)術(shù)語,HDL: Hardware Description Language 硬件描述語言 ASIC: Applica

4、tion Specific Integrated Circuit專用集成電路 SOC: System On a Chip 片上系統(tǒng)（系統(tǒng)級芯片） ISP： In System Programmable 芯片在系統(tǒng)可編程,1.1 EDA技術(shù)及發(fā)展,EDA技術(shù)的發(fā)展與集成電路的發(fā)展相伴而行 SSI：小規(guī)模集成電路 MSI：中規(guī)模集成電路 LSI：大規(guī)模集成電路 VLSI：超大規(guī)模集成電路 ASIC： Application Specific Integrated Circuit專用集成電路 SOC： System On a Chip系統(tǒng)級芯片（片上系統(tǒng)）,系統(tǒng)級芯片結(jié)構(gòu)的示意圖,VLSI的分類,1

5、. 按工藝分類，最主要的有： 金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor, MOS）工藝； 晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic, TTL）； 發(fā)射極耦合邏輯（Emitter Coupled Logic, ECL）。,2. 按生產(chǎn)目的分類： 通用集成電路； 專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）。 3. 按實現(xiàn)方式（設(shè)計風(fēng)格）分類：全定制（Full -Custom）方式；半定制（Semi-Custom）方式； 可編程邏輯器件（ Programmable Log

6、ical Device）方式；,1.1 EDA技術(shù)及發(fā)展,1. EDA技術(shù)的含義 EDA-Electronic Design Automation(電子設(shè)計自動化),EDA技術(shù)以計算機為工具，代替人完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線和設(shè)計仿真等工作。設(shè)計人員只需要完成對系統(tǒng)功能的描述，就可以由計算機軟件進行處理，得到設(shè)計結(jié)果，而且修改設(shè)計如同修改軟件一樣方便，可以極大地提高設(shè)計效率。,EDA技術(shù)伴隨著計算機、集成電路和電子系統(tǒng)設(shè)計的發(fā) 展，經(jīng)歷了計算機輔助設(shè)計(Computer Assist Design，CAD)、 計算機輔助工程設(shè)計(Computer Assist Engineering D

7、esign，CAED) 電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation，EDA)三個階段 20世紀70年代的計算機輔助設(shè)計(CAD)階段 20世紀80年代的計算機輔助工程設(shè)計(CAED)階段 20世紀90年代初電子系統(tǒng)設(shè)計自動化(EDA)階段,2. EDA技術(shù)的發(fā)展概況,縮短設(shè)計周期 計算機模擬代替搭實驗電路 提高設(shè)計質(zhì)量 靈敏度分析、容差分析、成品率模擬、最壞情況分析、優(yōu)化設(shè)計等 共享設(shè)計資源 成熟的單元設(shè)計及各種模型和模型參數(shù)均放在數(shù)據(jù)庫中 較強的數(shù)據(jù)處理能力 計算機存儲量大、數(shù)據(jù)處理能力強，設(shè)計完后，可以很方便地生成各種數(shù)據(jù)文件和報表文件 節(jié)省設(shè)計費用,3

8、. EDA技術(shù)的優(yōu)點,1.2 可編程邏輯器件的發(fā)展概況,ASIC的設(shè)計與制造，已不再完全由半導(dǎo)體廠商獨立承擔(dān)，系統(tǒng)設(shè)計師在實驗室里就可以設(shè)計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應(yīng)用之中，這都得益于可編程邏輯器件PLD的出現(xiàn)?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的PLD主要是現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD。,最早的PLD是1970年制成的PROM(Programmable Read Only Memory)，即可編程只讀存儲器。PROM采用熔絲工藝編程，只能寫一次，不能擦除和重寫。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用要求，此后又出現(xiàn)了UVEPROM(紫外線可擦除只讀存儲器)、EEPROM(電可擦除只讀存儲器)

9、，由于它們價格低，易于編程，速度低，因此主要用作存儲器。,可編程邏輯陣列PLA(Programmable Logic Array)于20世紀70年代中期出現(xiàn)，它是由可編程的與陣列和可編程的或陣列組成，但由于器件的資源利用率低，價格較貴，編程復(fù)雜，支持PLA的開發(fā)軟件有一定難度，因而沒有得到廣泛應(yīng)用。,可編程陣列邏輯PAL(Programmable Array Logic)器件是1977年美國MMI公司(單片存儲器公司)率先推出的，器件的工作速度很高。由于它的輸出結(jié)構(gòu)種類很多，設(shè)計很靈活，因而成為第一個得到普遍應(yīng)用的可編程邏輯器件。,通用陣列邏輯器件GAL(Generic Array Logic

10、)器件是1985年Lattice公司最先發(fā)明的可電擦寫、可重復(fù)編程、可設(shè)置加密位的PLD。在實際應(yīng)用中，GAL器件對PAL器件仿真具有百分之百的兼容性，所以GAL幾乎完全代替了PAL器件，并可以取代大部分SSI、MSI數(shù)字集成電路，因而獲得廣泛應(yīng)用。,可擦除可編程邏輯器件EPLD(Erasable PLD)是20世紀80年代中期Altera公司推出的基于UVEPROM和CMOS技術(shù)的PLD，后來發(fā)展到采用E2CMOS工藝制作的PLD。從某種意義上講EPLD是改進的GAL，靈活性較GAL有較大改善，集成密度大幅度提高，內(nèi)部連線相對固定，延時小，有利于器件在高頻率下工作，但內(nèi)部互連能力十分弱。,復(fù)

11、雜可編程邏輯器件CPLD(Complex PLD)是20世紀80年代末Lattice公司提出的在線可編程(ISP，In System Programmability)技術(shù)以后于20世紀90年代初出現(xiàn)的。CPLD是在EPLD的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其典型器件有Altera的MAX7000系列，Xilinx的7000和9500系列，Lattice的PLSI/ispLSI系列和AMD的MACH系列。,現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable GateArray)器件是Xilinx公司1985年首家推出的FPGA出現(xiàn)后受到電子設(shè)計工程師的普遍歡迎，發(fā)展十分迅速。Xilinx、Alte

12、ra和Actel等公司都提供高性能的FPGA芯片。,PLD器件,1.3 EDA系統(tǒng)軟件與器件,目前EDA已形成兩大主流： 1由軟件公司開發(fā)的設(shè)計、制版、仿真和測試系統(tǒng)軟件。 2由器件公司研制、以PLD器件為主的數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)軟件,由軟件公司開發(fā)的幾種軟件,PSPICE ( Personal Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis) 用于模擬電路的設(shè)計與仿真分析 美國Microsim公司出版 ORCAD 用于印刷電路板設(shè)計和電路圖繪制、數(shù)字邏輯模擬和PLD設(shè)計 美國ORCAD System公司推出 PROTEL用于電原理圖

13、設(shè)計、自動布線、制版及信號波形分析，是一種通用設(shè)計軟件 澳大利亞POTEL 公司推出 ORCAD/PSPICE 9 由ORCAD公司與Microsim公司聯(lián)合后推出的軟件，增加了數(shù)模混合模擬與系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計功能 EWB（Electronic Work Bench） 加拿大Interactive Image Technologies公司(IIT)推出，其第6版更名為Multisim 2000?？捎糜陔娫韴D創(chuàng)建（元件庫可擴充、模型與參數(shù)可以修改）、電路的仿真測試和分析，并有10種虛擬儀器供分析測試使用。無印制版設(shè)計和自動布線功能。,1.3 EDA系統(tǒng)軟件,可編程邏輯器件 PLD(Programm

14、able Logic Device)是用于專用集成電路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的設(shè)計的通用器件，邏輯功能由用戶對器件編程設(shè)定,1.3 EDA系統(tǒng)軟件,PLD的主要開發(fā)軟件及開發(fā)商,CPLD開發(fā)軟件Max Plus II(Quartus)Altera公司 FPGA開發(fā)軟件FundationXiLinX公司 ISPLSI開發(fā)軟件 Expert(Synario)Lattice公司集成化開發(fā)系統(tǒng)軟件包 優(yōu)秀PLD開發(fā)程序的集成 XACT5.0 XinLinX公司 ISP Synario SystemLattice公司,1.4 硬件描述語

15、言及IEEE標(biāo)準(zhǔn),1、硬件描述語言 硬件描述語言HDL是EDA技術(shù)中的重要組成部分，每個開發(fā)系統(tǒng)都有自己的描述語言，為便于各系統(tǒng)間兼容，IEEE公布了幾種標(biāo)準(zhǔn)語言。最常用的是以下兩種： VHDL(Very hight speed integrated circuit Hardware Describe Language) 超高速集成電路硬件描述語言。美國國防部1985年推出 Verilog HDL是美國Gateway Design Automation于1983年開發(fā)的邏輯模擬器VerilogXL所用的硬件描述語言。,2、硬件描述語言的綜合,假設(shè)我們需要建造一棟樓房，需要幾步？ 第一，進行“建

16、筑設(shè)計”用設(shè)計圖紙把建筑設(shè)想表示出來； 第二，進行“建筑預(yù)算”根據(jù)投資規(guī)模、擬建樓房的結(jié)構(gòu)及有關(guān)建房的經(jīng)驗數(shù)據(jù)等計算需要多少基本的建筑材料(如磚、水泥、預(yù)制塊、門、窗戶等)；,1.5 EDA設(shè)計流程,第三，根據(jù)建筑設(shè)計和建筑預(yù)算進行“施工設(shè)計”這些磚、水泥、預(yù)制塊、門、窗戶等具體砌在房子的什么部位，相互之間怎樣連接； 第四，根據(jù)施工圖進行“建筑施工”將這些磚、水泥、預(yù)制塊、門、窗戶等按照規(guī)定施工建成一棟樓房； 最后，施工完畢后，還要進行“建筑驗收”檢驗所建樓房是否符合設(shè)計要求。,設(shè)計輸入：將設(shè)計的系統(tǒng)或電路以開發(fā)軟件要求的某種形式表示出來，并送入計算機的過程。 3種設(shè)計輸入形式： 圖形設(shè)計輸入

17、方式：容易實現(xiàn)仿真，便于信號的觀察和電路的調(diào)整 文本方式設(shè)計輸入方式：目前最常用的輸入方式 波形輸入方式：適用于時序邏輯和有重復(fù)性的邏輯函數(shù),1.5 EDA設(shè)計流程,綜合（synthesis）：將電路的高級語言描述轉(zhuǎn)換為低級的、可與FPGA/CPLD或構(gòu)成ASIC的門陣列基本結(jié)構(gòu)相映射的網(wǎng)表文件 網(wǎng)表文件：按照某種規(guī)定描述電路的基本組成及如何相互連接的文件,目標(biāo)器件的布線/適配 將綜合器產(chǎn)生的網(wǎng)表文件針對具體的目標(biāo)器件進行邏輯映射，產(chǎn)生可用于編程的文件。,1.5 EDA設(shè)計流程,仿真 時序仿真與功能仿真,編程下載和硬件測試,1.6 EDA工具的組成模塊,EDA工具大致可以分為5個模塊 設(shè)計輸入

18、編輯器 仿真器 HDL綜合器 適配器（或布局布線器） 下載器,MAX+PLUS II軟件組成,設(shè)計輸入,項目編譯Compiler,項目校驗,器件編程,MAX+PLUS II 時間分析器 Time Analyzer,MAX+PLUS II 圖形編輯器 Graphic editor,MAX+PLUS II 文本編輯器 Text editor,MAX+PLUS II 編程器 Programmer,編譯器 網(wǎng)表提取器,適配,邏輯 綜合器,數(shù)據(jù)庫 建庫器,MAX+PLUS II 信息處理器 Messages 和 層次顯示 Hierarchy Display,MAX+PLUS II 波形編輯器 Waveform Editor,MAX+PLUS II 仿真器 Simulater,學(xué)習(xí)EDA到底有什么用呢？,真有趣，可以按自己的想法設(shè)計一個芯片！,我也要參加全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽！,呀，畢業(yè)設(shè)計正好能用得上哎！,原來在一個芯片里就可以設(shè)計一個完整的計算機系統(tǒng)呀！,找工作時也算得上一技之長哦！,