基于EDA技術進行數(shù)字電路設計的研究
關鍵詞:EDA;數(shù)字電路;特點;功能
1 EDA技術
EDA(電子線路設計座自動化)是以計算機為工作平臺、以硬件描述語言(VHDL)為設計語言、以可編程器件(CPLD／FPGA)為實驗載體、以ASIC／SOC芯片為目標器件、進行必要的元件建模和系統(tǒng)仿真的電子產品自動化設計過程。EDA是電子設計領域的一場革命,它源于計算機輔助設計,計算機輔助制造、計算機輔助測試和計算機輔助工程。利用EDA工具,電子設計師從概念,算法、協(xié)議開始設計電子系統(tǒng),從電路設計,性能分析直到IC版圖或PCB版圖生成的全過程均可在計算機上自動完成。EDA代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向,其基本特征是設計人員以計算機為工具,按照自頂向下的設計方法,對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分,由硬件描述語言完成系統(tǒng)行為級設計,利用先進的開發(fā)工具自動完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局布線、仿真及特定目標芯片的適配編譯和編程下載,這被稱為數(shù)字邏輯電路的高層次設計方法。
1.1 EDA軟件簡介
“EDA”就是Electronic Design Automation(電子設計自動化),也就是能夠幫助人們設計電子電路或系統(tǒng)的軟件工具,該工具可以使設計更復雜的電路和系統(tǒng)成為可能。目前進入我國并具有廣泛影響的EDA軟件有:muhisim7、OW_AD、Protel、Viewlogio、Mentor、Synopsys、PCBW Id、Cadence、MicmSim等等,這些軟件各具特色,大體分為芯片級設計工具、電路板級設計工具、可編程邏輯器件開發(fā)工具和電路仿真工具等幾類;其中Protel是國內最流行、使用最廣泛的一種印制電路板設計的首選軟件,由澳大利亞protd Technology公司出品,過去只是用來進行原理圖輸入和PCB版圖設計,從Protel 98開始,加入了模擬數(shù)字混合電路仿真模塊和可編程邏輯器件設計模塊,1999年Protel推出了功能更加強大的EDA綜合設計環(huán)境Protel 99,它將EDA的全部內容整合為一體,成為完整的EDA軟件,因而該軟件發(fā)展?jié)摿艽?但它最具特色和最強大的功能仍是原理圖輸人和PCB版圖設計。
1.2 EDA技術的主要內容
EDA技術涉及面很廣,內容豐富,從教學和實用的角度看,主要應掌握如下4個方面的內容:一是大規(guī)模可編程邏輯器件;二是硬件描述語言;三是軟件開發(fā)工具;四是實驗開發(fā)系統(tǒng)。其中,大規(guī)模可編程邏輯器件是利用EDA技術進行電子系統(tǒng)設計的載體,硬件描述語言是利用EDA技術進行電子系統(tǒng)設計的主要表達手段,軟件開發(fā)工具是利用EDA技術進行電子系統(tǒng)設計的智能化的自動設計工具,實驗開發(fā)系統(tǒng)則是利用EDA技術進行電子系統(tǒng)設計的下載工具及硬件驗證工具。
1.3 EDA技術的主要特征
作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的主導技術,EDA具有幾個明顯特征:
1.3.1 用軟件設計的方法來設計硬件
硬件系統(tǒng)的轉換是由有關的開發(fā)軟件自動完成的,設計輸入可以是原理圖VHDL語言,通過軟件設計方式的測試,實現(xiàn)對特定功能硬件電路的設計,而硬件設計的修改工作也如同修改軟件程序一樣快捷方便,設計的整個過程幾乎不涉及任何硬件,可操作性、產品互換性強。
1.3.2 基于芯片的設計方法
EDA設計方法又稱為基于芯片的設計方法,集成化程度更高,可實現(xiàn)片上系統(tǒng)集成,進行更加復雜的電路芯片化設計和專用集成電路設計,使產品體積小、功耗低、可靠性高;可在系統(tǒng)編程或現(xiàn)場編程,使器件編程、重構、修改簡單便利,可實現(xiàn)在線升級;可進行各種仿真,開發(fā)周期短,設計成本低,設計靈活性高。
1.3.3 自動化程度高
EDA技術根據(jù)設計輸入文件,將電子產品從電路功能仿真、性能分析、優(yōu)化設計到結果測試的全過程在計算機上自動處理完成,自動生成目標系統(tǒng),使設計人員不必學習許多深入的專業(yè)知識,也可免除許多推導運算即可獲得優(yōu)化的設計成果,設計自動化程度高,減輕了設計人員的工作量,開發(fā)效率高。
1.3.4 自動進行產品直面設計
EDA技術根據(jù)設計輸入文件(HDL或電路原理圖),自動地進行邏輯編譯、化簡、綜合、仿真、優(yōu)化、布局、布線、適配以及下載編程以生成目標系統(tǒng),即將電子產品從電路功能仿真、性能分析、優(yōu)化設計到結果測試的全過程在計算機上自動處理完成;
1.4 EDA的技術要點
1.4.1 可編程邏輯器件-PLD
數(shù)字邏輯器件的發(fā)展直接反映了從分立元件、中小規(guī)模標準芯片過渡到可編程邏輯器件的過程。ISP技術和HDPLD器件使設計人員能夠在實驗室中方便地開發(fā)專用集成數(shù)字電路芯片ASIC。當前,國內外許多著名廠商均已開發(fā)出新一代ISP器件以及相應的開發(fā)軟件(如Synario、EXPERT、Fundation、MAX+Plus2等)。
1.4.2 “自頂而下”的設計方法
10年前,電子設計的基本思路還是選擇標準的集成電路“自底向上”(Bottom-Up)地構造出一個新的系統(tǒng)。這樣的設計方法如同一磚一瓦建造樓房,不僅效率低、成本高而且容易出錯,高層次的設計給我們提供了一種“自頂向下”(Top-Down)的全新設計方法,這種方法首先從系統(tǒng)入手,在頂層進行功能方框圖的劃分和結構設計,在方框圖一級進行仿真、糾錯,并用硬件描述語言對高層的系統(tǒng)進行描述,在系統(tǒng)一級進行驗證,然后用綜合優(yōu)化工具生成具體的門電路網(wǎng)表,其對應的物理實現(xiàn)級可以是印刷電路板或專用集成電路,由于設計的主要仿真和調試過程是在高層次上完成的,這既有利于早期發(fā)現(xiàn)結構設計上的錯誤,避免設計工時的浪費,同時也減少了邏輯功能仿真的工作量,提高了設計的一次成功率。
2 數(shù)字的電路設計
20世紀90年代以來,電子信息類產品的開發(fā)明顯出現(xiàn)兩個特點:一是產品的復雜程度加深;二是產品的上市時限緊迫。隨著計算機性價比的提高及可編程邏輯器件的出現(xiàn),對傳統(tǒng)的數(shù)字電子系統(tǒng)設計方法進行了解放性的革命,現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計方法是設計師自己設計芯片來實現(xiàn)電子系統(tǒng)的功能,將傳統(tǒng)的固件選用及電路板設計工作放在芯片設計中進行。然而電路設計本質上是基于門級描述的單層次設計(主要以數(shù)字電路為主),設計的所有工作(包括設計輸入、仿真和分析、設計修改等)都是在基本邏輯門這一層次上進行的,顯然這種設計方法不能適應新的形勢,為此引入一種高層次的電子設計方法,也稱為系統(tǒng)的設計方法。
數(shù)字電路設計性本身就是一種綜合性的設計,其設計電路中一般包含不同類型的電路,在設計過程中,不可避免地存在許多錯誤和不足 如果直接按照這一設計的電路在電路板上進行安裝、調試,其結果往往使電路調試費時費力,甚至會引起元器件和儀器設備損壞等問題,導致設計不能達到預期效果。應用EDA技術在仿真軟件平臺上設計數(shù)字電路,能幫助熟悉和掌握最先進的電路設計方法和技能。在電子技術高速發(fā)展的今天,新器件、新電路不斷涌現(xiàn),而設計條件受經費等因素的制約,一般不能及時更新。采用軟件仿真的方法,在計算機上虛擬一個先進測試儀器、元器件品種齊全的電子工作臺,可進行驗證性、測試性、設計性等實驗的針對性訓練,培養(yǎng)使用計算機及分析、應用和創(chuàng)新電路的能力。“以仿代實”, “以軟代硬”應該成為當代設計發(fā)展的潮流之一。
3基于EDA技術進行數(shù)字電路設計的研究
EDA技術在數(shù)字系統(tǒng)中的應用以基于Altera的EPM7128SLC84-15芯片和MAX+PlusII 10.0軟件平臺的數(shù)字鐘的設計為例,討論EDA技術在數(shù)字系統(tǒng)中的具體應用。
3.1 EDA技術設計流程
在設計方法上,EDA技術為數(shù)字電子電路設計領域帶來了根本性的變革,將傳統(tǒng)的“電路設計硬件搭試調試焊接”模式轉變?yōu)樵谟嬎銠C上自動完成,如圖1所示。
圖1:設計流程
3.2 設計要求
具有時、分、秒、計數(shù)顯示功能,以24小時循環(huán)計時。具有清零和調節(jié)小時、分鐘功能。具有整點報時功能。
3.3 輸入設計源文件
一個設計項目由一個或多個源文件組成,它們可以是原理圖文件、硬件描述語言文件、混合輸入文件,點擊Source／New菜單,選擇你所要設計源文件的類型,進入設計狀態(tài),完成源文件設計,存盤、退出;另在一張原理圖編輯器窗口中,通過File／Matching Symbol菜單,建立一張原理圖符號,生成一個與原理圖文件相同名、相同功能的邏輯宏元件,它自動加到元件列表中,可以在更高層的圖紙中反復調用;
3.3 邏輯編譯
邏輯編譯選擇器件EPM7128SLC84—15,使用MAX+PlusⅡ編譯器編譯設計項目,通過編譯器自動進行錯誤檢查、網(wǎng)表提取、邏輯綜合、器件適配,最終產生器件編程文件(.jed)。
3.4 綜合
綜合就是利用EDA軟件系統(tǒng)的綜合器將VHDL的軟件設計與硬件的可實現(xiàn)性掛鉤,這是將軟件轉化為硬件電路的關鍵步驟。綜合器對源文件的綜合是針對某一FPGA／CPI D供應商的產品系列的。因此,綜合后的結果具有硬件可實現(xiàn)性。EDA提供了良好的邏輯綜合與優(yōu)化功能,它能夠將設計人員設計的邏輯級電路圖自動地轉換為門級電路,并生成相應的網(wǎng)表文件、時序分析文件和各種報表,若設計沒有錯誤,最終可生成可以編程下載.sof文件。
3.5 器件適配
綜合通過后必須利用FPGA／CPLD布局／布線適配器將綜合后的網(wǎng)表文件針對某一具體的目標器件進行邏輯映射操作,其中包括底層器件配置、邏輯分割、邏輯優(yōu)化、布局布線等操作。適配后產生時序仿真用的網(wǎng)表文件和下載文件, 如JED或POF文件。適配對象直接與器件的結構細節(jié)相對應。
3.6 功能仿真
通常,在設計過程中每一個階段都要進行仿真驗證其正確性。在綜合前,要進行行為仿真,將VHDI源程序直接送到VHDI 仿真器中仿真,此時的仿真只是根據(jù)VHDI 的語義進行的,與具體電路沒有關系。綜合后,可利用產生的網(wǎng)表文件進行功能仿真,以便了解設計描述與設計意圖的一致性。功能仿真僅對設計描述的邏輯功能進行測試模擬,以了解其實現(xiàn)的功能是否滿足原設計的要求,仿真過程不涉及具體器件的硬件特性,如延遲特性。時序仿真根據(jù)適配后產生的網(wǎng)表文件進行的仿真,是接近真實器件運行的仿真,仿真過程中已將器件硬件特性考慮進去了,因此仿真精度要高得多。時序仿真的網(wǎng)表文件中包含了較為精確的延遲信息。
3.7 編程下載
通過仿真確定設計基本成功后,即可通過Byteblaster下載電纜線將設計項目以JTAG的方式下載到器件中,完成設計所有工作。通過此例的設計流程講述可知,EDA技術及其工具在數(shù)字電路系統(tǒng)(包括模擬電路系統(tǒng))中正發(fā)揮著越來越重要的作用,其應用的深度和廣度正在向更深層次延伸。
3.8 目標系統(tǒng)
用VHDL語言描述編碼電路。譯碼電路用CASE語句完成查表譯碼,其中有近4O種可能的情況。通過求出伴隨式的值,把有一個錯誤的數(shù)據(jù)取反糾正過來,其他情況給出信號,指出有錯誤。編譯碼電路選用ALTERA公司生產的器件EPF1OK10TC144-3,其中編碼電路占用了32個邏輯單元,譯碼電路占用了163個邏輯單元。對編碼譯碼電路做功能仿真。測試使用看來,當數(shù)據(jù)輸人全為‘1’,如果總線上傳來的數(shù)據(jù)最后一位出錯.為‘0’,正確數(shù)據(jù)異或而成的數(shù)據(jù)檢查線DC使得譯碼器能把最后一位改為‘1’;如數(shù)據(jù)輸人是“00000001”,編碼器的DC為“19”而一旦出現(xiàn)兩個錯誤.如最高位和最低位,譯碼器指示是不可糾正的錯誤;如數(shù)據(jù)正確傳輸,譯碼器指示沒有錯誤。
4 本文作者創(chuàng)新點
目前,現(xiàn)代集成電路技術的發(fā)展使以現(xiàn)場可編程門陣列為代表的大容量可編程邏輯器件的等效門數(shù)迅速提高,其規(guī)模直逼標準門陣列,達到了系統(tǒng)集成的水平。特別是進入二十世紀90年代后,隨著CPLD、FPGA等現(xiàn)場可編程邏輯器件的逐漸興起,VHDL、Verilog等通用性好、移植性強的硬件描述語言的普及,ASIC技術的不斷完善,EDA技術在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)和微電子技術應用中起著越來越重要的作用。從通常意義上來說,現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設計已經再也離不開EDA技術的幫助了。
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